EP1133668B1 - Generateur optique d'impact embarquable - Google Patents

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EP1133668B1
EP1133668B1 EP99956104A EP99956104A EP1133668B1 EP 1133668 B1 EP1133668 B1 EP 1133668B1 EP 99956104 A EP99956104 A EP 99956104A EP 99956104 A EP99956104 A EP 99956104A EP 1133668 B1 EP1133668 B1 EP 1133668B1
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EP
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layer
target
projectile
laser
plasma
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EP99956104A
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EP1133668A1 (fr
Inventor
Jean-Louis Labaste
Michel Doucet
Didier Brisset
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B3/00—Blasting cartridges, i.e. case and explosive
    • F42B3/10—Initiators therefor
    • F42B3/113—Initiators therefor activated by optical means, e.g. laser, flashlight

Definitions

  • the invention relates to an optical generator onboard impact, with miniaturized laser source and three-layer target.
  • This invention finds applications in the areas requiring the generation of a shock in an energetic or non-energetic material.
  • optical generators impacts also called opto-detonating initiators to protected element (IODEP) when it comes to explosives.
  • IODEP protected element
  • These initiators generally include a laser source that emits a laser beam in the direction of a target.
  • This target is usually deposited on a substrate transparent to the laser beam.
  • This substrate can be, for example, a silica window or the end of an optical fiber.
  • the target is classically deposited on the end of the substrate by sputtering. This deposit is usually metallic.
  • Such a device is represented on the Figures 1A and 1B.
  • FIG. 1A a generator is shown impact during the laser / material interaction phase, that is, when the laser beam vaporizes the first atomic layers of the target, thereby generating a plasma 2 at the substrate / target interface.
  • the thickness of the first two layers is a few tenths of a micron, while that of the projectile is 2 to 10 ⁇ m.
  • a three-layer target such as described in this document can generate a shock calibrated, that is to say it allows to control the induced shock in the impacted material, for a thickness of the projectile fixed in advance.
  • This document concerns targets with a second alumina layer and first and third alumnium layers.
  • the performance of such a target tricouche is not optimized; more specifically, the kinetic energy ratio of the projectile on the laser energy is less than 30%. This requires the use of a fairly powerful laser (no embeddable) to generate a projectile of an energy sufficient kinetics for the intended application.
  • the purpose of the invention is precisely to solve the problems of the impact generators described previously. To this end, it proposes a generator of impact with good performance that can work with a miniaturized laser source whose power is fixed and low.
  • the material of the first layer of the target is a semiconductor.
  • the material from the first layer of the target is from indium arsenide, less than 0.5 ⁇ m thick.
  • the material of the first layer of the target is germanium, less than 0.5 ⁇ m.
  • the invention relates to an optical generator impactable board; for that, it has a miniaturized laser source, fixed wavelength, as described in the patent application French patent filed on 19/03/1998 under the number 98 11558.
  • Miniaturized laser sources have a relatively lower power than a laser source classic.
  • the target must therefore be chosen so that what impact generator has a good performance so to be able to eject the projectile, whatever the amount of energy available at the source.
  • the Target configuration needs to be optimized.
  • the ablative material quickly turns into plasma.
  • This plasma is the engine of the generator impact: it generates the mechanical effects in the projectile, in particular its speeding up.
  • the invention proposes to use a target tricouche whose nature and thickness of the first layer (or ablative material) depend on the length wave emitted by the laser source as well as nature and / or the thickness of the second and third layers.
  • FIG 2 there is shown schematically the impact generator according to the invention, in which the target is of the type triple layer. More precisely, this figure 2 shows the substrate 1 transparent to the laser beam and the target consisting of the ablative material layer 5, the insulating layer 4 and projectile 3.
  • the impact generator of the invention achieves a yield of the order of 50% for a wavelength of 1.06 ⁇ m.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Lasers (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Description

Domaine de l'invention
L'invention concerne un générateur optique d'impact embarquable, avec source laser miniaturisée et cible tricouche.
Cette invention trouve des applications dans les domaines nécessitant la génération d'un choc dans un matériau énergétique ou non-énergétique.
En particulier, elle trouve des applications dans les domaines de la démolition de bâtiments, des carrières ainsi que dans l'industrie spatiale pour initier des matériaux explosifs ; elle trouve aussi des applications pour les études de matériaux non-énergétiques sous sollicitation dynamique élevée ou pour la simulation d'impacts de micrométéorites et de débris de l'espace.
Etat de la technique
Pour générer des impacts dans des matériaux, il est possible d'utiliser des générateurs optiques d'impacts, appelés aussi initiateurs opto-détonants à élément protégé (IODEP) lorsqu'il s'agit des matériaux explosifs. Ces initiateurs comportent généralement une source laser qui émet un faisceau laser en direction d'une cible. Cette cible est généralement déposée sur un substrat transparent au faisceau laser. Ce substrat peut être, par exemple, une fenêtre en silice ou bien l'extrémité d'une fibre optique.
La cible est classiquement déposée sur l'extrémité du substrat par pulvérisation cathodique. Ce dépôt est généralement métallique.
Un tel dispositif est représenté sur les figures 1A et 1B. Sur ces figures, on a référencé 1, le substrat transparent, 2 le plasma et 3 le projectile, avec 2 et 3 qui forment la cible.
Sur la figure 1A, on a représenté un générateur d'impact lors de la phase d'interaction laser/matière, c'est-à-dire lorsque le faisceau laser vaporise les premières couches atomiques de la cible, générant ainsi un plasma 2, à l'interface substrat/cible.
Sur la figure 1B, on a représenté ce même générateur d'impact lors de la phase de mise en vitesse du projectile. En effet, le plasma généré sous l'interaction du faisceau laser se détend après un temps très court et met en vitesse la partie solide de la cible, à savoir le projectile 3. Le projectile 3 peut alors atteindre une vitesse V de plusieurs kilomètres par seconde ; cette vitesse V dépend de la nature et de l'épaisseur du projectile.
Il existe par ailleurs des générateurs d'impacts à cible tricouche, comme celui décrit dans la demande de brevet américaine US-A-5 046 423.
La cible décrite dans ce document comporte trois couches :
  • une première couche en métal, apte à générer un plasma, sous l'effet du faisceau laser,
  • une troisième couche, métallique, qui constitue le projectile,
  • une seconde couche, intermédiaire, en matériau isolant qui assure l'isolation entre la première et la troisième couche.
L'épaisseur des deux premières couches est de quelques dixièmes de micron, tandis que celle du projectile est de 2 à 10 µm.
L'utilisation d'une cible tricouche, telle que décrite dans ce document permet de générer un choc calibré, c'est-à-dire qu'elle permet de maítriser le choc induit dans le matériau impacté, pour une épaisseur du projectile fixée à l'avance.
Ce document concerne des cibles ayant une seconde couche en alumine et des première et troisième couches en alumnium.
Cependant, le rendement d'une telle cible tricouche n'est pas optimisé ; plus précisément, le rapport de l'énergie cinétique du projectile sur l'énergie laser est inférieur à 30 %. Cela nécessite l'utilisation d'un laser assez puissant (non embarquable) pour générer un projectile d'une énergie cinétique suffisante pour l'application envisagée.
Exposé de l'invention
L'invention a justement pour but de résoudre les problèmes des générateurs d'impacts décrits précédemment. A cette fin, elle propose ùn générateur d'impact à bon rendement pouvant fonctionner avec une source laser miniaturisée dont la puissance est fixe et peu élevée.
De façon plus précise, l'invention concerne un générateur optique d'impact comportant une source laser émettant un faisceau laser et une fenêtre de confinement transparente au faisceau laser, à l'extrémité de laquelle est déposée une cible tricouche comprenant :
  • une première couche assurant la génération d'un plasma,
  • une troisième couche constituant un projectile, et
  • une seconde couche assurant l'isolation de la troisième couche vis-à-vis du plasma,
caractérisé en ce qu'il est embarquable, la source laser étant miniaturisée et en ce que la première couche de la cible est réalisée dans un matériau semi-conducteur présentant :
  • une faible réflexion à la longueur d'onde du faisceau laser émis par la source laser miniaturisée ; et
  • une épaisseur inférieure à 1 µm, déterminée en fonction de la densité dudit matériau, comparée à la densité du matériau constituant la seconde couche de la cible.
Avantageusement, le matériau de la première couche de la cible est un semi-conducteur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le matériau de la première couche de la cible est de l'arséniure d'indium, d'épaisseur inférieure à 0,5µm.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le matériau de la première couche de la cible est du germanium, d'épaisseur inférieure à 0,5 µm.
Brève description des figures
  • Les figures 1A et 1B, déjà décrites, montrent le principe de fonctionnement d'un générateur optique d'impact classique, et
  • la figure 2 représente schématiquement le générateur optique d'impact conforme à l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation
L'invention concerne un générateur optique d'impact embarquable ; pour cela, il comporte une source laser miniaturisée, à longueur d'onde fixe, telle que celle décrite dans la demande de brevet française déposée le 19/09/1998 sous le n°98 11558.
Les sources laser miniaturisées ont une puissance relativement moins élevée qu'une source laser classique. La cible doit donc être choisie de façon à ce que le générateur d'impact ait un bon rendement afin de pouvoir éjecter le projectile, quelle que soit la quantité d'énergie disponible à la source. La configuration de la cible doit donc être optimisée.
En effet, sous l'irradiation du faisceau laser, le matériau ablateur se transforme rapidement en plasma. Ce plasma est le moteur du générateur d'impact : il génère les effets mécaniques dans le projectile, en particulier sa mise en vitesse. Les pertes d'énergie au cours de la phase transitoire précédant sa formation (états solide et liquide), ainsi que l'état énergétique atteint par le plasma, conditionnent fortement le rendement global de l'interaction.
L'invention propose d'utiliser une cible tricouche dont la nature et l'épaisseur de la première couche (ou matériau ablateur) dépendent de la longueur d'onde émise par la source laser ainsi que de la nature et/ou de l'épaisseur des seconde et troisième couches.
Plus précisément, selon l'invention, le matériau constituant la première couche de la cible présente :
  • une faible réflexion à la longueur d'onde du faisceau laser, c'est-à-dire de faibles pertes optiques ; autrement dit, le matériau ablateur doit présenter une très grande absorption, à la longueur d'onde du faisceau laser, lorsqu'il est utilisé à basse température, c'est-à-dire au début de l'interaction, avant que le plasma ne commence à se former. D'une façon générale, les semiconducteurs répondent bien à cette condition, en particulier pour une longueur d'onde de 1,06 µm ;
  • une épaisseur déterminée en fonction de la densité du matériau lui-même, comparée avec la densité du matériau isolant constituant la seconde couche de la cible. Autrement dit, si le matériau ablateur 5 a une densité très forte par rapport à la densité du matériau isolant 4, l'épaisseur de ce matériau ablateur doit être faible ; au contraire, si le matériau ablateur 5 est peu dense par rapport à la densité du matériau isolant 4, alors l'épaisseur de ce matériau ablateur est relativement importante. Mais, de toute façon, l'épaisseur du matériau ablateur doit être inférieure à 1 µm.
Sur la figure 2, on a représenté schématiquement le générateur d'impact conforme à l'invention, dans lequel la cible est de type tricouche. Plus précisément, cette figure 2 montre le substrat 1 transparent au faisceau laser et la cible constituée de la couche de matériau ablateur 5, de la couche isolante 4 et du projectile 3.
Dans le cas de la micro-source laser décrite dans la demande enregistrée sous le n°98 11558, qui délivre 300 mJ à une longueur d'onde de 1,06 µm, la cible peut être avantageusement constituée des couches suivantes :
  • · projectile 3 en aluminium ou en cuivre avec une épaisseur comprise entre 2 et 20 µm ;
  • · couche isolante 4 en alumine, avec une épaisseur inférieure à 1 µm ; et
  • · matériau ablateur en arséniure d'indium ou en germanium, avec une épaisseur inférieure à 0,5 µm.
    • Avec une telle cible, le générateur d'impact de l'invention atteint un rendement de l'ordre de 50% pour une longueur d'onde de 1,06 µm.

    Claims (3)

    1. Générateur optique d'impact comportant une source laser émettant un faisceau laser et une fenêtre de confinement transparente au faisceau laser, à l'extrémité de laquelle est déposée une cible tricouche comprenant :
      une première couche (5) assurant la génération d'un plasma,
      une troisième couche (3) constituant un projectile, et
      une seconde couche (4) assurant l'isolation de la troisième couche vis-à-vis du plasma,
      caractérisé en ce qu'il est embarquable, la source laser étant miniaturisée et en ce que la première couche de la cible est réalisée dans un matériau semi-conducteur présentant :
      une faible réflexion à la longueur d'onde du faisceau laser issu de la source laser miniaturisée, et
      une épaisseur inférieure à 1 µm, déterminée en fonction de la densité dudit matériau, comparée à la densité du matériau constituant la seconde couche de la cible.
    2. Générateur optique d'impact selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de la première couche de la cible est de l'arséniure d'indium, d'épaisseur inférieure à 0,5µm.
    3. Générateur optique d'impact selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau de la première couche de la cible est du germanium, d'épaisseur inférieure à 0,5 µm.
    EP99956104A 1998-11-23 1999-11-22 Generateur optique d'impact embarquable Expired - Lifetime EP1133668B1 (fr)

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    FR9814718A FR2786324B1 (fr) 1998-11-23 1998-11-23 Generateur optique d'impact embarquable
    PCT/FR1999/002862 WO2000031496A1 (fr) 1998-11-23 1999-11-22 Generateur optique d'impact embarquable

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    EP1133668A1 EP1133668A1 (fr) 2001-09-19
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    DE (1) DE69909825T2 (fr)
    ES (1) ES2204172T3 (fr)
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    FR2786324A1 (fr) 2000-05-26
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