EP0868835B1 - Procede et dispositif de caracterisation d'un milieu ionise mettant en oeuvre une source de rayonnement electromagnetique a duree ultracourte - Google Patents
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- EP0868835B1 EP0868835B1 EP96943163A EP96943163A EP0868835B1 EP 0868835 B1 EP0868835 B1 EP 0868835B1 EP 96943163 A EP96943163 A EP 96943163A EP 96943163 A EP96943163 A EP 96943163A EP 0868835 B1 EP0868835 B1 EP 0868835B1
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Images
Classifications
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- H—ELECTRICITY
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- H05G—X-RAY TECHNIQUE
- H05G2/00—Apparatus or processes specially adapted for producing X-rays, not involving X-ray tubes, e.g. involving generation of a plasma
- H05G2/001—Production of X-ray radiation generated from plasma
-
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- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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- H05H1/0043—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature using electromagnetic or particle radiation, e.g. interferometry by using infrared or ultraviolet radiation
Definitions
- the present invention relates to a method and a device for characterizing an ionized medium using a radiation source ultra short duration electromagnetic.
- thermodynamics electronics and physico-chemicals of an ionized medium with a transient lifetime and at evolutionary character, such as laser plasma, plasma nozzle combustion, or a welding plasma arc or laser
- diagnostic and spectroscopic means using to the illumination of this environment by a source of short electromagnetic radiation wave, X-ray type or external radiation, sometimes called an auxiliary source.
- a source of short electromagnetic radiation wave X-ray type or external radiation
- auxiliary source sometimes called an auxiliary source.
- Such a process requires the use of a radiation source intense electromagnetic capable of illuminating the medium ionized, or plasma, to know during its phase evolutionary transient.
- the characteristics of this radiation-source are chosen in such a way that the measurements, either of the reflected part, or of the transmitted part of this electromagnetic radiation, may reveal, after interpretation, the specific temporal physical characteristics of the medium, condensed or gaseous, ionized which has been illuminated.
- a source of pulsed radiation is coherent, of the type laser radiation, either incoherent, radiation type X. This radiation can originate from the source even laser radiation that generates the plasma at to study.
- the diagnostic means is a X-ray flash X-ray.
- the radiation is reflected, either transmitted, can be focused so diffractive in order to deliver an image of the ionized medium through a camera.
- the source radiation is coherent laser radiation
- characterization of the radiation transmitted by the ionized plasma medium allows to implement a magnetic rotational polarization measurement for calculate the spatial gradients of density and temperature of this medium, as described in the document referenced [3].
- type electromagnetic radiation X radiation issued transiently but repetitive, can be detected, discriminated against temporally (sampled) and recorded.
- These three operations can then be performed by a single autocorrelation sampling device optoelectronics.
- laser method pump-probe we temporally modulate the phenomenon generated by a laser pump beam by means of a opto-mechanical, or opto-acoustic modulation device, according to a fixed repetition frequency, and in parallel by means of the laser probe beam generating the switching phenomenon.
- plasma laser single shot a solved measurement method in time, pump-probe type, is not applicable by principle. So far, a measurement method time resolved rather uses a device sampling. Plus the measurement, well only temporally sampled, concerns only one global radiation pulse measurement spatio-temporally averaged electromagnetic and emitted directly by the constituent particles, transiently, the whole medium, condensed or gaseous, ionized to study. For there to be measurement, it is necessary that there be emission. Now a very localized medium or ionized gas does not emit systematically electromagnetic radiation detectable, which can be absorbed by the surrounding ionized medium. Even if this device allows to discriminate advantageously, and with a resolution high temporal, direct radiation pulse issued, the information collected by this single element only restore average vision of the physical state of the environment, although the signal be resolved in time.
- this prior art system has an important limitation: The signal to detected by the sampling device cannot not be time modulated. Indeed, a level of significant system noise affects the sensitivity of the measurement by sampling and limits the application of this system to detect and measure signals of high amplitude, which stand out clearly above noise from the associated electronic system.
- the document referenced [5] studies the formation and consistency of fringes due to a wave X-ray laser illuminating a Mach-Zehnder interferometer.
- This document describes in particular a device and an interferometric method for assessing the temporal and spatial coherence properties of the laser wave, this device can be used to electronic density measurements in plasmas.
- the document referenced [6] describes a single short pulse measurement device, comprising at least one measuring assembly comprising a conductive line to which a set of photoconductors, the line and the photoconductors being placed between two dielectrics forming a single support in which the length of the line separating the photoconductors two by two is equal to the product of the propagation speed over the line by the ratio of the duration of the pulse on the number of measuring points, the service life of majority carriers constituting the photoconductors being chosen equal to or less than 10% of the duration of the impulse, the device thus allowing to obtain a time analysis or the autocorrelation function of the impulse which can be an impulse of electromagnetic, or ionizing radiation or a electrical impulse.
- the document referenced [7] describes imaging systems to analyze high plasmas density in the soft X-ray regime.
- the system experiment includes a spherical mirror multilayer which reflects a narrow band of soft x-ray radiation in the energy region 50 to 200 ev.
- This mirror image is the own emission of a plasma produced by laser and / or the shadow of the laser in expansion generated by an X-ray source produced by a separate laser with approximately one amplification of 50 in the image plane and a submicron resolution in the target plane.
- resolution time of around 150 ps is obtained either with a grid microchannel plate intensifier in as a detector, be a “backlighter” device short pulse X-rays.
- the document referenced [8] describes the use of the backlighting technique of soft X-rays to measure the density of dense plasma produced in a capillary discharge.
- Plasma tellurium produced by laser is used as a source of x-rays and a two-dimensional flash image with a 140 ⁇ m resolution is obtained.
- the document referenced [9] describes a device for evaluating an X-ray optical element. improves efficiency of use of shelves X from an X-ray generator in converting x-rays from the means of projection in parallel X-rays or by condensing these at one point.
- the document referenced [10] describes a X-ray interferometer to test a plasma produced by laser with micron spatial resolutions.
- a soft X-ray laser operating at 155 Angstroms is combined with a multilayer Mach-Zehnder interferometer to get electron density profiles in a plasma produced by laser irradiation of a target.
- two beams are used primary and secondary laser derived from the same ultra-short duration laser beam.
- the interaction means is a metallic target material included among the following materials: titanium, nickel, zinc or tungsten which, under the effect of the main beam focused by a lens, generates an X-ray beam.
- a spherical mirror, reflector of the X-ray is located between the interaction medium and the X-ray beam sequencing means.
- the X-ray beam sequencing means is a mirror composed of metallic layers reflectors stacked regularly and oriented way to deliver a compound X-ray beam of a train of temporally spaced X pulses regularly.
- Several reflecting optical means are disposed between the beam separation means and the detection means for modifying the path of the secondary beam.
- the radiation detection means is a microelectronic technology optoelectronic component autocorrelating type, combining a insulating substrate, a photoconductive material under a fast type laser impact on which is deposited a metallic electrical signal transmission line emitted by the detector under the impact of X-rays secondary re-emitted by the ionized medium.
- the insulating substrate is a sapphire or gallium arsenide or telluride material cadmium (CdTe); the photoconductive material is a gallium arsenide or cadmium telluride material low temperature ; the transmission line is in aluminum.
- the present invention therefore relates to a device for characterizing an ionized medium transient, resolved in time.
- the optoelectronic device 31 of microelectronic technology combines a substrate insulator, for example in a material such as sapphire, gallium arsenide, cadmium telluride, a photoconductive material (under laser impact) of type fast, for example in low gallium arsenide temperature, on which is deposited the line of metallic transmission 34, the material used being for example aluminum, of the electrical signal emitted by the detector 30 under the impact of secondary X-rays 35 re-emitted by the ionized medium 21.
- a substrate insulator for example in a material such as sapphire, gallium arsenide, cadmium telluride
- a photoconductive material (under laser impact) of type fast for example in low gallium arsenide temperature, on which is deposited the line of metallic transmission 34, the material used being for example aluminum
- the electrical signal emitted by the detector 30 under the impact of secondary X-rays 35 re-emitted by the ionized medium 21 for example in
- these photoconductive elements 33 are each formed by a discontinuity between each sampling line 32 and the line of transmission 34.
- the optoelectronic device 31 is a microsystem capable of analyzing impulses up to 50 Ghz.
- This device is an integrated component, realized in a microelectronic type technology, and comprising photoconductive elements and lines microstrips. It consists of a line of main propagation 34 where the signal is sent unique to sample, and n lines 32 arranged in a "comb" along this line. Between each of these lines sampling line and the main line, there is a pad or layer of photoconductive material 33.
- the principle of this device is relatively simple and reminds a little of photography: right now propagation where the signal is "delayed" by the lines sampling, an ultra-fast laser pulse lights and closes the n switches that constitute photoconductive elements. The signals as well samples are then stored in a capacity and read by dedicated electronics.
- each line 32 can be connected to a connected CCD 40 element to a drawer responsible for storing information in a register.
- Detector 30 is a sensitive detector x-ray, very fast. It includes material photoconductor whose carriers have a lifetime less than picosecond; it can be, by example, CdTe, GaAs, Si doped oxygen on sapphire or diamond.
- the optoelectronic device 31 can, also, be a sliding contact device whose the operating principle is described in the document referenced [4].
- the second laser pulse train of few femtoseconds results not only from the spatial distribution of the photoswitches 33 but can also result from a temporal distribution of the attenuated laser beam delivered by the mirror 22, obtained by passing the laser radiation from start in a sequencing device 37, for example Michelson type possibly followed by an amplifier beam.
- the method of the invention which is a new method of applying the pump-probe method, has the advantage of eliminating imprecision space-time of the prior art because it allows discriminatingly probe the ionized medium of spatio-temporal way.
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Description
- acquérir une connaissance précise et résolue en temps (historique des processus) de l'évolution spatio-temporelle des caractéristiques physiques de ce milieu à durée de vie transitoire et à caractère évolutif dans un état hors-équilibre thermodynamique ;
- déterminer des paramètres transitoires de durée ultracourte ; tout en palliant les inconvénients des dispositifs de l'art antérieur, définis ci-dessus.
- on utilise deux faisceaux laser synchronisés de rayonnement : un faisceau principal et un faisceau secondaire ;
- on génère un rayonnement intense de radiation X ;
- on réfléchit le rayonnement X de manière à le diriger et à le focaliser sur le volume de l'espace où se trouve situé le milieu ionisé ;
- on réfléchit le rayonnement X, selon un angle spécifique dépendant de l'angle d'incidence sous la forme d'un faisceau de photons X composé d'un premier train d'impulsions X espacées régulièrement, ce train d'impulsions étant dirigé vers le milieu ionisé à diagnostiquer ;
- on délivre un second train d'impulsions de même distribution temporelle que le premier ;
- on génère le rayonnement intense de radiation X par impact du faisceau principal sur une cible métallique, les caractéristiques de ce rayonnement dépendant de la cible sélectionnée ;
- on détecte le rayonnement X réémis par le milieu ionisé avec un dispositif comprenant une ligne de transmission et plusieurs lignes d'échantillonnage pouvant être reliées à celle-ci par des éléments photoconducteurs en activant ces éléments photoconducteurs par le second train d'impulsions ;
- on mesure et on enregistre les signaux délivrés par chaque ligne d'échantillonnage connectée aux éléments photoconducteurs.
- une source délivrant un faisceau laser de rayonnement électromagnétique de quelques 10-15 secondes de durée ;
- un moyen de séparation de ce faisceau en deux faisceaux laser synchronisés de rayonnement : un faisceau principal et un faisceau secondaire ;
- un moyen d'interaction qui génère un rayonnement intense de radiation X ;
- un miroir réflecteur du rayonnement X de manière à le diriger et à le focaliser sur le volume de l'espace où se trouve situé le milieu ionisé ;
- un moyen séquenceur orienté de manière à réfléchir le rayonnement X, selon un angle spécifique dépendant de l'angle d'incidence sous la forme d'un faisceau de photons X composé d'un premier train d'impulsions X espacées régulièrement, ce train d'impulsions X étant dirigé vers le milieu ionisé ;
- une série d'optiques de reprise du faisceau secondaire ;
- un séquenceur de faisceau laser délivrant un second train d'impulsions de même distribution temporelle que le premier ;
- un dispositif optoélectronique à la fois détecteur du rayonnement X réémis par le milieu ionisé et autocorrélateur optoélectronique comprenant une ligne de transmission et plusieurs lignes d'échantillonnage pouvant être reliées à celle-ci par des photocommutateurs, une ligne à retard optique étant associée à chaque élément photoconducteur, ces éléments photoconducteurs étant activés par le second train d'impulsion ;
- un système électronique de mesure et d'enregistrement des signaux délivrés par chaque ligne d'échantillonnage connectée aux éléments photoconducteurs.
- de la matière condensée par radiographie éclair (domaine de la détonique) ;
- des gaz ionisés ;
- des claquages dans les gaz (bougies, éclateurs, foudre) ;
- de la combustion dans les tuyères de réacteurs en aéronautique ;
- du plasma de soudure laser ou à l'arc ;
- du plasma de fusion magnétique ;
- du plasma de fusion par confinement inertiel ;
- en physique spatiale : étude de l'ionosphère et de la magnétosphère.
- une source intense de lumière laser pulsée permettant de générer deux faisceaux laser synchronisés de rayonnement ; un faisceau principal 10 et un faisceau secondaire 12 ;
- un matériau-cible 11 composé d'un matériau métallique, par exemple de type titane, nickel, zinc ou tungstène, qui sous l'effet du faisceau principal 10, focalisé par une lentille 13, génère un rayonnement intense de radiation X 15 dont les caractéristiques énergétiques (et spectrales) dépendent du matériau-cible sélectionné ;
- un miroir 16, de forme sphérique par exemple, réflecteur du rayonnement X 15 de manière à le diriger et à la focaliser sur le volume de l'espace où se trouve situé le milieu ionisé ;
- un miroir 18 composé de couches métalliques réflectrices 19 empilées régulièrement et orienté de manière à réfléchir le rayonnement X 15, selon un angle spécifique dépendant de l'angle d'incidence sous la forme d'un faisceau de photons X composé d'un premier train 20 d'impulsions X espacées régulièrement d'un délai temporel correspondant au temps de propagation aller et retour du faisceau incident dans chaque empilement de couches : ce faisceau de photons X 20 résultant de la réflexion sur le miroir multicouche 18 est dirigé vers le milieu ionisé 21 à diagnostiquer ;
- un dispositif 22 permettant le dédoublement de la ligne optique du faisceau laser de durée ultracourte (soit dans le régime femtoseconde, quelques 10-15s, soit de durée beaucoup plus brève que la durée de vie du milieu ionisé à diagnostiquer) et d'obtenir ainsi le faisceau principal 10 et le faisceau secondaire 12 ;
- une série d'optiques de reprise 23, 24, 25 et 26 de la deuxième ligne de transfert 12 du rayonnement laser ;
- un séquenceur 37 de faisceau laser de type Michelson délivrant un second train d'impulsions de même distribution temporelle que le premier ;
- un dispositif opto-électronique (30, 31) à la fois détecteur 30 du rayonnement X réémis par le milieu ionisé 21 et autocorrélateur optoélectronique 31 comprenant une ligne de transmission 34 et plusieurs lignes d'échantillonnage 32 pouvant être reliées à celle-ci par des photocommutateurs 33,
- un ensemble de lignes à retard optique 38 associées chacune à un élément photoconducteur 33 ;
- un système électronique de mesure 36 de type amplificateur de charge par exemple et d'enregistrement des signaux délivrés par chaque ligne d'échantillonnage 32 connectée aux photocommutateurs 33.
- d'une part l'illumination du milieu ionisé 21 par une série d'impulsions ultracourtes 20 réparties et distribuées dans le temps, de rayonnement électromagnétique pulsé auxiliaire à courte longueur d'onde de type radiations X ; et,
- d'autre part l'activation d'une série d'éléments photoconducteurs 33 par le second train d'impulsions laser de quelques femtosecondes de même distribution temporelle, dans la gamme une picoseconde à une nanoseconde, que le train 20 d'impulsions de radiations X.
- d'une part à l'adjonction d'un miroir réflecteur X multicouche 18 qui joue le rôle de séquenceur en délivrant un train d'impulsions X ultracourtes 20 à un taux de répétition supérieur à celui de tous les dispositifs modulateurs existants ;
- d'autre pari par l'adjonction d'un séquenceur optique 37 de faisceau laser.
- d'un faisceau laser de puissance à durée ultracourte dont la plus grande partie de l'énergie, donc de la puissance, est destinée à générer, par impact sur une cible métallique 11, un faisceau 15 de rayons X et, dont l'autre faible partie 12 de l'énergie sert à piloter l'échantillonnage du dispositif optoélectronique 31 ;
- d'un miroir multicouche 18 à radiations X
destiné :
- à diriger le faisceau réfléchi vers le milieu ionisé à illuminer,
- à moduler et distribuer temporellement le flux de rayonnement X primaire 15 en une pluralité d'impulsions X 20 retardées régulièrement dans le temps. En effet, la propagation et les réflexions successives des impulsions X sur les couches régulièrement empilées a pour finalité de moduler temporellement en allongeant le temps d'illumination X du milieu ionisé par impulsions X discriminées. A partir des coefficients d'absorption et de réflexion des couches du miroir 18, un rapide calcul permet de choisir l'espacement et le nombre des couches réflectrices du miroir X en fonction de l'allongement de la plage temporelle recherchée. Sachant que n fois 100 femtosecondes supplémentaires correspondent à chaque couche espacée de 30 µ m (n étant l'indice du matériau à la longueur d'onde moyenne des radiations X), il est possible de sélectionner l'écart temporel entre les illuminations de chaque microsource X ;
- d'un dispositif optoélectronique 30, 31
qui a pour fonction à la fois :
- de détecter le rayonnement X réémis par le milieu ionisé, et
- de discriminer le signal généré par ce même détecteur dans la ligne de transmission, par un autocorrélateur à échantillonnage temporel résultant de l'illumination successive des éléments photoconducteurs (distribués le long de la ligne de propagation) par le faisceau laser secondaire 12.
Claims (17)
- Procédé de caractérisation d'un milieu ionisé en mettant en oeuvre une source de rayonnement électromagnétique de quelques 10-15 secondes de durée, dans lequel :on utilise deux faisceaux laser synchronisés de rayonnement : un faisceau principal (10) et un faisceau secondaire (12) ;on génère un rayonnement intense de radiation X (15) ;on réfléchit le rayonnement X (15) de manière à le diriger et à le focaliser sur le volume de l'espace où se trouve situé le milieu ionisé ;on réfléchit le rayonnement X (15), selon un angle spécifique dépendant de l'angle d'incidence sous la forme d'un faisceau de photons X composé d'un premier train (20) d'impulsions X espacées régulièrement, ce train d'impulsions (20) étant dirigé vers le milieu ionisé (21) ;on délivre un second train d'impulsions de même distribution temporelle que le premier ;on génère le rayonnement intense de radiation X (15) par impact du faisceau principal (10) sur une cible métallique (11), les caractéristiques de ce rayonnement dépendant de la cible sélectionnée ;on détecte (30) le rayonnement X réémis par le milieu ionisé (21) avec un dispositif (31) comprenant une ligne de transmission (34) et plusieurs lignes d'échantillonnage (32) pouvant être reliées à celle-ci par des éléments photoconducteurs (33) en activant ces éléments photoconducteurs par le second train d'impulsions ;on mesure (36) et on enregistre les signaux délivrés par chaque ligne d'échantillonnage (32) connectée aux éléments photoconducteurs (33).
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fonctionnement des faisceaux laser est synchronisé à celui du dispositif générateur du milieu ionisé à caractériser.
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise deux faisceaux lasers (10, 12) principal et secondaire dérivés d'un même faisceau laser de quelques 10-15 secondes de durée.
- Dispositif de caractérisation d'un milieu ionisé, comprenant :une source délivrant un faisceau laser (10) de rayonnement électromagnétique de quelques 10-15 secondes de durée ;un moyen (22) de séparation de ce faisceau en deux faisceaux laser synchronisés de rayonnement : un faisceau principal (10) et un faisceau secondaire (12) ;un moyen d'interaction (11) qui génère un rayonnement intense de radiation X (15) ;un miroir (16) réflecteur du rayonnement X (15) de manière à le diriger et à le focaliser sur le volume de l'espace où se trouve situé le milieu ionisé ;un moyen séquenceur (18) orienté de manière à réfléchir le rayonnement X (15), selon un angle spécifique dépendant de l'angle d'incidence sous la forme d'un faisceau de photons X composé d'un premier train (20) d'impulsions X espacées régulièrement, ce train d'impulsions X (20) étant dirigé vers le milieu ionisé (21) ;une série d'optiques de reprise (23, 24, 25 et 26) du faisceau secondaire ;un séquenceur (37) de faisceau laser délivrant un second train d'impulsions de même distribution temporelle que le premier ;un dispositif opto-électronique (30, 31) à la fois détecteur (30) du rayonnement X réémis par le milieu ionisé (21) et autocorrélateur optoélectronique (31) comprenant une ligne de transmission (34) et plusieurs lignes d'échantillonnage (32) pouvant être reliées à celle-ci par des éléments photoconducteurs (33), une ligne à retard optique (38) étant associée à chaque élément photoconducteur (33), ces éléments photoconducteurs étant activés par le second train d'impulsions ;un système électronique de mesure (36) et d'enregistrement des signaux délivrés par chaque ligne d'échantillonnage (32) connectée aux éléments photoconducteurs (33).
- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif autocorrélateur optoélectronique (31) est un dispositif de discrimination (31) du signal généré dans une ligne de transmission (34) par un échantillonnage temporel résultant de l'illumination successive d'éléments photoconducteurs (33) distribués le long de cette ligne (34) par le second train d'impulsions.
- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen d'interaction est un matériau-cible (11) qui, sous l'effet du faisceau principal (10) focalisé par une lentille (13), génère un faisceau de rayons X (15).
- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau-cible (11) est composé d'un matériau métallique.
- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ce matériau est compris parmi les matériaux suivants : titane, nickel, zinc ou tungstène.
- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ce miroir (16) est un miroir de forme sphérique.
- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen séquenceur du faisceau de rayons X est un miroir (18) composé de couches métalliques réflectrices empilées régulièrement et orientées de manière à délivrer un faisceau de photons X composé d'un train (20) d'impulsions X espacés régulièrement.
- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que plusieurs moyens optiques réflecteurs (23, 24, 25, 26) sont disposés entre le moyen de séparation de faisceaux (22) et le moyen de détection (31) pour modifier le trajet du faisceau secondaire (12).
- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de détection est un composant optoélectronique de technologie micro-électronique associant un substrat isolant, un matériau photoconducteur sous un impact laser de type rapide sur lequel est déposé une ligne de transmission métallique (34) du signal électrique émis par un détecteur (30) sous l'impact des rayons X secondaires (35) réémis par le milieu ionisé (21).
- Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le substrat isolant est un matériau saphir ou arséniure de gallium ou tellurure de Cadmium.
- Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le matériau photoconducteur est un matériau arséniure de gallium ou tellurure de cadmium basse température.
- Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que la ligne de transmission est en aluminium.
- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen séquenceur du faisceau secondaire (37) est un dispositif de type Michelson.
- Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que ce moyen séquenceur (37) est suivi d'un amplificateur de faisceau.
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