EP1976661A2 - Procede et dispositif de traitement preventif d'une surface optique destinee a etre exposee a un flux laser - Google Patents

Procede et dispositif de traitement preventif d'une surface optique destinee a etre exposee a un flux laser

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Publication number
EP1976661A2
EP1976661A2 EP07730873A EP07730873A EP1976661A2 EP 1976661 A2 EP1976661 A2 EP 1976661A2 EP 07730873 A EP07730873 A EP 07730873A EP 07730873 A EP07730873 A EP 07730873A EP 1976661 A2 EP1976661 A2 EP 1976661A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
linear power
site
laser
treated
excitation source
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07730873A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Philippe Bouchut
Jean-Guillaume Coutard
Annelise During
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP1976661A2 publication Critical patent/EP1976661A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C23/00—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments
    • C03C23/0005—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation
    • C03C23/0025—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation by a laser beam
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B25/00—Annealing glass products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B29/00—Reheating glass products for softening or fusing their surfaces; Fire-polishing; Fusing of margins
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/12—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements by surface treatment, e.g. by irradiation

Definitions

  • the present invention relates to the preventive treatment of an optical surface to be exposed to a laser flux. It finds a general application in the field of optics and more particularly in the reinforcement of laser flux resistance of optical surfaces.
  • the Applicant has described the fact that under high laser flux, damages can occur in surface of optical components of a laser chain. In practice, the size of these damages, during subsequent laser firing, grows exponentially. The optical function is then altered on a larger surface and the damage, by optical propagation, can even induce further damage to other optical parts of the laser chain. The energy transport of the laser beam is then no longer provided nominally. The occurrence of such laser damage on the surface of the optical components affects the service life of the optical components as well as the maintenance cost of the laser chains.
  • the present invention overcomes these disadvantages.
  • a preventive treatment device for an optical surface intended to be exposed to a laser flux
  • said device comprising a thermal excitation source for performing a localized thermal annealing of a site of said surface to be treated by means of a beam applied at this site, characterized in that it further comprises a measuring member for measuring, in real time during said localized thermal annealing, a magnitude representative of the temperature of the site of the optical surface to be treated and at least one control member for causing the increase of the linear power of the beam applied to the site by the excitation source and, when said magnitude has reached a pre-selected setpoint, gradually decrease this linear power (it is not a simple cancellation of this power)
  • Such a device has the advantage of being able to impose a modification of the regime of variation of the linear power applied to the site to be treated within the optical surface (rise and fall) as a function of a magnitude representative of the temperature of the site of the optical surface to be treated, thus controlled in real time during the thermal annealing of the optical surface to be treated, which makes it possible to induce an annealing adapted to the optical surface to be treated, without having to know all the characteristics.
  • the excitation source is a continuous laser, for example a continuous CO 2 laser, or alternatively, a modulated continuous laser, for example a modulated continuous CO2 laser.
  • a modulated continuous laser may have the same average power as a "simple" continuous laser, but also with amplitude and / or frequency modulation, for example modulation of +/- 20% at 1 kHz. This comment also applies to laser beams obtained. In fact, since most current continuous lasers now have the possibility of modulation, the same laser can therefore have a totally continuous (constant) operation or a modulated continuous operation.
  • the device for measuring the magnitude representative of the temperature of the site of the optical surface to be treated is of the thermoluminescence sensor type.
  • control member comprises a motor displacing a focusing lens situated between the thermal excitation source and the surface to be treated.
  • the material of the optical surface to be treated is silica.
  • the present invention also relates to a method of preventive treatment of an optical surface intended to be exposed to a laser flux, said treatment comprising a localized thermal annealing step of a site of said surface to be treated by means of a generated beam using a source thermal excitation device, characterized in that a quantity representative of the temperature of the site of the optical surface to be treated is measured in real time during said thermal annealing, and in that it begins by causing an increase in the linear power of the beam applied to the site with the aid of the thermal excitation source and, when the magnitude has reached a pre-selected set point, a progressive decay of this linear power is caused.
  • the beam is advantageously continuous, in particular constant or modulated.
  • the decrease of the linear power is slower than the previous increase of this linear power.
  • the average slope of increase of the linear power is in a ratio of at least 10/1 with respect to the average slope of decrease of the linear power.
  • the measurement of said magnitude is of the thermoluminescence measurement type.
  • the increase of the linear power is caused by decreasing the characteristic radius of the beam applied to the site of the surface to be treated, while maintaining the transmission power of this beam constant.
  • the increase in the linear power is preceded by the opening of a shutter passing the beam emitted by the thermal excitation source.
  • the decrease of the linear power is caused by decreasing the beam power, constant beam characteristic radius.
  • FIG. 1 is a curve illustrating a thermal annealing cycle obtained by the sequence of several modifications made to the linear power of the excitation source
  • FIG. 2 represents curves illustrating three successive thermal annealing cycles obtained on the same site until reaching the same chosen thermoluminescence setpoint;
  • FIG. 3 represents curves illustrating the time tracking of a thermal annealing cycle applied to two different sites;
  • FIG. 5 is a curve illustrating the evolution of the characteristic ray of the laser beam on the optical component as a function of the axial coordinate of the focusing lens of the device according to the invention.
  • the preventive treatment method according to the invention is based on imposing a change in the regime of variation of the linear power applied to a site (or localized area) to be treated within the optical surface. (Increase, then decrease), when a magnitude representative of the temperature of the site to which the beam is applied reaches a setpoint, which is monitored in real time during thermal annealing of the surface to be treated. It is recalled here that the heat treatment is localized since the incident beam only intercepts a part of the surface of the optical component. These may be sites identified by a diagnosis such as that described in the aforementioned document WO-2006/053959.
  • Linear power is defined as the laser power absorbed by the site material divided by the characteristic radius r of the laser beam at the site.
  • the characteristic radius r is a dimensional quantity representative of the laser beam. For a laser beam of Gaussian mode, it is defined as the waist radius at 1 / e 2 of the maximum intensity.
  • the temperature rise ⁇ T in the center of a laser beam of linear power Pi, at a site of apparent thermal conductivity C is p ⁇ T oc -L.
  • the Applicant has observed that the apparent thermal conductivity C C of the current materials of the optics increases with the temperature T according to a prior "indeterminate" law depending on the site. In this context, it is not always possible to reach a setpoint ⁇ T if the linear power Pi is predefined and constant. However, the Applicant has observed that it is possible to reach the setpoint ⁇ T if the linear power of the excitation laser increases, during a rise in temperature, to compensate for the increase in thermal conductivity with temperature. Or inversely, during a decrease in temperature, the Applicant has observed that it is possible to reach the set temperature if the linear power decreases to compensate for the decrease in apparent thermal conductivity.
  • thermoluminescence or incandescence
  • thermoluminescence makes it possible to establish a setpoint value (s) NC for which it is advantageous to change the regime of variation of the linear power Pi reaching the site.
  • the opening of a shutter makes it possible to go from a zero linear power to a linear power Pi (section of the curve TO).
  • the characteristic beam of the excitation laser beam arriving on the optical component begins to decrease, which, at fixed laser power, causes the increase in the incident linear power and the rise in temperature of the site.
  • the slope of the decreasing portion is smaller than the slope of the increasing portion; in other words, the decay is slower than the growth.
  • the decay is slower by a ratio of at least 10 (that is, the slope of the increasing portion is at least 20 times the slope (in absolute value) of the decreasing portion) .
  • these notions of slope correspond to average slopes, since the increasing or decreasing portions are not necessarily linear, as is apparent from FIG. 1.
  • the level NC can be fixed according to the following reasoning .
  • the maximum temperature Tmax reached by this surface is such that the material constituting this surface is in a "glass transition"; as an indication, if the material is silica, it is necessary that Tmax be between 1200K and 3000K.
  • T max it is desirable to choose a temperature T max not too high so that the silica does not evaporate too much; we can therefore reasonably restrict the range for Tmax to 1200K to 2200K.
  • Tmax is not too low to prevent the treatment from going on too long: it is thus possible to restrict the range of choice for Tmax to 1700K-2200K, for example (even around a value such as 2000K).
  • the parameter "time" is free on each site.
  • the first regime of variation of the linear power makes it possible to reach a temperature rise instruction whatever the apparent thermal conductivity C of the site to be annealed. If the thermal conductivity C is low, the maximum necessary linear power will be low and the temperature rise setpoint will be reached more quickly knowing that the linear power is increasing during the rise in temperature and decreasing during the lowering temperature.
  • the thermal annealing is for example continuously monitored by the thermoluminescence diagnosis, which ensures the suitability of the process at each site via the "time" parameter.
  • Another advantage of the preventive treatment method according to the invention is flexibility.
  • the cycle example shown in FIG. two NC setpoint levels can be made more complex or simpler by setting the number of thermoluminescence target levels on which a change in linear power variation regime is likely to take place. There may even be levels or latencies (voluntary or involuntary).
  • the laser power as well as the characteristic radius that make the linear power evolve are two parameters that can evolve in separate phases of the cycle as shown in FIG. 1 (that is, only one parameter varies at a time ) or together to adapt the regime of linear power variation.
  • thermoluminescence reference level NC corresponding to a temperature above the softening point of the amorphous material
  • FIG. 3 shows that the clogging of the beam occurs at a different time M corresponding to a different linear power between the two sites (M1 ⁇ M2).
  • a continuous CO2 laser 1 is a source of excitation for operating thermal annealing.
  • the emission wavelength of the laser 1 is for example 10.59 ⁇ m which corresponds to the emission line of the most powerful laser.
  • the excitation wavelength is adapted to the optical material whose annealing is to be effected: thermal annealing is only possible if there is a rise in temperature of the optical material. It is therefore essential that all or part of the emission spectrum of the excitation source corresponds to the absorption spectrum of the tested material.
  • all CO 2 laser emission lines from 9.2 to 10.8 ⁇ m, can be used.
  • the power stability of the excitation source 1 is good: typically plus or minus 1%, minimum at most, over the duration of the annealing.
  • the laser emission mode can be arbitrary, Gaussian, flat, annular, etc., but at least approximately stable.
  • the power required to perform annealing is a linear power that depends on the size of the site to be annealed, typically less than 20 watts when the dimension is smaller than 1 mm.
  • the annealing source 1 may be any other laser source, lamp, black body whose spectral emission is wholly or partially absorbed by the test material. It can also be a generator of an electron beam.
  • the device embodying the invention further comprises, here, a device for controlling and stabilizing the power of the laser 2.
  • the device 2 comprises, by way of example, several elements: a laser power variator which can be consisting of a half wave plate followed by a polarizer.
  • the device 2 can also be completed by a shutter that leaves or not the laser beam.
  • Device 2 can also include a device for real-time stabilization of the annealing laser power.
  • the shutter can be replaced by a switching device "off-on" of the laser source 1 itself. It is understood that the combination of the elements 1 and 2 can also be likened to a source of thermal excitation; it is therefore only by convention that it is specified that the elements 2 are outside, or on the contrary inside, the source.
  • the device embodying the invention furthermore advantageously comprises a focusing lens 3.
  • the focusing lens 3 is, for example, made of anti-reflection ZnSe at the wavelength of the annealing laser, and the focal length is adapted to the focal task that we want to obtain on the component to be treated.
  • the size of the focal spot on the surface of the sample can be determined by the knife method.
  • a nozzle for supplying gases useful in the process such as oxygen, argon, compressed air, etc., or for emitting vapors emitted may be integrally attached to the focusing lens.
  • the surface of the optical component 4 that is to be tested is arranged facing the incident laser beam.
  • the method according to the invention is well suited to optical materials with low thermal conductivity, typically less than 10W / (mK), which have a greater local temperature rise at given incident linear power.
  • Materials such as fused silica, all types of doped or undoped glass and laser crystals, and materials such as KDP used for frequency conversion are materials on which the process according to the invention can be carried out. adapted.
  • a photometry device 5 is provided to collect, in the case considered here, the photons emitted by the thermoluminescent zone; it is therefore a sensor type thermoluminescence sensor. In the optical diagram of FIG. 4, the photometry device 5 is placed downstream of the sample 4 under test.
  • This arrangement has the advantage of filtering the excitation photons since the silica absorbs the radiation at 10.59 ⁇ m and the detection can be in the range of transparency of the silica, that is to say between 0.2 and 4. wavelength, which leaves room for many types of sensors, Photomultiplier, Silicon, InGaAs, PbSe, HgCdTe, etc. as a monoelement or camera.
  • the photometry device 5 may be disposed anywhere else except to intercept the excitation beam. The advantage of putting the photometry device upstream of the sample 4 is to benefit from a spectral range of detection extending far-infrared.
  • the magnification of the zoom image of the thermoluminescent zone on the sensor 5 must be adapted both to the size of the annealed zone (that is to say of the considered site) and to the spatial resolution of the photometry sensor.
  • This device 5 capable of measuring a magnitude representative of the temperature of the site, is connected to at least one control element, here shown schematically under the reference 6, to cause a change in linear power variation regime applied to the site.
  • the variation of the linear annealing power, within each regime, is here ensured by two motors 6 which can be activated in isolation or jointly.
  • the first motor rotates the half wave plate 2 to vary the power transmitted through one or more fixed polarizers.
  • the second motor 6 ensures the translation, along the optical axis Z of the system, of the focusing lens 3.
  • the characteristic radius dimension r on the optical component 4, as a function of the Z coordinate of the focusing lens 3, is established by the knife method.
  • Such a graph, in the case of a Gaussian beam is presented in FIG. 5, in which the characteristic dimension of the laser beam on the optical component 4 changes with the displacement of the focusing lens 3. It is therefore possible to vary the linear power reaching a given site by translating the focusing lens 3 at constant transmitted power.
  • the method according to the invention can be used to effect the conditioning of a precursor site of the damage or the stabilization of a damage in an optical component. This makes it possible to integrate on the optical chain components with potential or actual defects in resistance to the laser flow. To date, there is no evidence that zero-fault optical components exist and therefore the method according to the invention is useful and necessary for all optical parts of large areas to specification. high in resistance to the laser flow. In addition, the process according to the invention can be a great source of savings for the maintenance and the service life of the components of the high-power laser chains.
  • the method according to the invention can also be used for the thermal conditioning of more complex optical components such as multi-layer dielectric mirrors or the area useful for the resistance to the laser flux does not exceed a few mm 2 .

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Abstract

Un dispositif de traitement préventif d'une surface optique (4) destinée à être exposée à un flux laser, ledit dispositif comprenant une source d'excitation thermique (1) pour réaliser un recuit thermique localisé d'un site de ladite surface à traiter (4) au moyen d'un faisceau appliqué à ce site, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un organe de mesure (5) pour mesurer, en temps réel lors dudit recuit thermique localisé, une grandeur représentative de la température du site de la surface optique à traiter (4) et au moins un organe de commande (2, 3, 6) pour provoquer l'augmentation de la puissance linéique du faisceau appliqué au site par la source d'excitation (1) et, quand ladite grandeur a atteint une consigne (NC) choisie au préalable, faire décroître de manière progressive cette puissance linéique.

Description

Procédé et dispositif de traitement préventif d'une surface optique destinée à être exposée à un flux laser
La présente invention se rapporte au traitement préventif d'une surface optique destinée à être exposée à un flux laser. Elle trouve une application générale dans le domaine de l'optique et plus particulièrement dans le renforcement de la tenue au flux laser de surfaces optiques. Dans la demande française déposée le 19 novembre 2004 et enregistrée sous le n°0412304, ou dans la demande correspondante WO- 2006/053959 publiée le 26 mai 2006, le Demandeur a décrit le fait que sous fort flux laser, des endommagements peuvent apparaître en surface des composants optiques d'une chaîne laser. En pratique, la dimension de ces endommagements, lors de tirs laser ultérieurs, croît exponentiellement. La fonction optique est alors altérée sur une surface de plus en plus grande et l'endommagement, par propagation optique, peut même induire d'autres endommagements sur d'autres pièces optiques de la chaîne laser. Le transport de l'énergie du faisceau laser n'est alors plus assuré nominalement. L'apparition de tels endommagements laser en surface des composants optiques affecte la durée de vie des composants optiques ainsi que le coût de maintenance des chaînes laser.
La présente invention remédie à ces inconvénients.
Elle porte sur un dispositif de traitement préventif d'une surface optique destinée à être exposée à un flux laser, ledit dispositif comprenant une source d'excitation thermique pour réaliser un recuit thermique localisé d'un site de ladite surface à traiter au moyen d'un faisceau appliqué à ce site, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un organe de mesure pour mesurer, en temps réel lors dudit recuit thermique localisé, une grandeur représentative de la température du site de la surface optique à traiter et au moins un organe de commande pour provoquer l'augmentation de la puissance linéique du faisceau appliqué au site par la source d'excitation et, quand ladite grandeur a atteint une consigne choisie au préalable, faire décroître de manière progressive cette puissance linéique (il ne s'agit donc pas d'une simple annulation de cette puissance)
Un tel dispositif a l'avantage d'être capable d'imposer une modification du régime de variation de la puissance linéique appliquée au site à traiter au sein de la surface optique (montée puis descente) en fonction d'une grandeur représentative de la température du site de la surface optique à traiter, donc contrôlée en temps réel lors du recuit thermique de la surface optique à traiter, ce qui permet d'induire un recuit adapté à la surface optique à traiter, et ce sans avoir à en connaître toutes les caractéristiques.
Selon une forme de réalisation, la source d'excitation est un laser continu, par exemple un laser CO2 continu, ou en variante, un laser continu modulé, par exemple un laser CO2 continu modulé. En fait, un laser continu modulé peut avoir la même puissance moyenne qu'un laser continu « simple », mais avec en outre une modulation en amplitude et/ou en fréquence, par exemple une modulation de +/- 20% à 1 khertz. Ce commentaire s'applique aussi aux faisceaux laser obtenus. En fait, puisque la plupart des lasers continus actuels ont maintenant une possibilité de modulation, un même laser peut donc avoir un fonctionnement totalement continu (constant) ou un fonctionnement continu modulé.
Selon une autre forme de réalisation, l'organe de mesure de la grandeur représentative de la température du site de la surface optique à traiter est de type capteur de thermoluminescence.
Selon une forme de réalisation, l'organe de commande comporte un moteur déplaçant une lentille de focalisation située entre la source d'excitation thermique et la surface à traiter.
A titre d'exemple, le matériau de la surface optique à traiter est de la silice.
La présente invention porte également sur un procédé de traitement préventif d'une surface optique destinée à être exposée à un flux laser, ledit traitement comprenant une étape de recuit thermique localisé d'un site de ladite surface à traiter au moyen d'un faisceau généré à l'aide d'une source d'excitation thermique, caractérisé en ce qu'on mesure en temps réel lors dudit recuit thermique une grandeur représentative de la température du site de la surface optique à traiter et en ce qu'on commence par provoquer une augmentation de la puissance linéique du faisceau appliqué au site à l'aide de la source d'excitation thermique et, quand la grandeur a atteint une consigne choisie au préalable, on provoque une décroissance progressive de cette puissance linéique.
Le faisceau est avantageusement continu, notamment constant ou modulé. De manière avantageuse, la décroissance de la puissance linéique est plus lente que l'augmentation préalable de cette puissance linéique. De manière préférée, la pente moyenne d'augmentation de la puissance linéique est dans un rapport d'au moins 10/1 par rapport à la pente moyenne de décroissance de la puissance linéique. De manière avantageuse, la mesure de ladite grandeur est de type mesure de thermoluminescence.
De manière également avantageuse, l'augmentation de la puissance linéique est provoquée en diminuant le rayon caractéristique du faisceau appliqué au site de la surface à traiter, tout en maintenant constante la puissance d'émission de ce faisceau.
De manière avantageuse, l'augmentation de la puissance linéique est précédée par l'ouverture d'un obturateur laissant passer le faisceau émis par la source d'excitation thermique.
De manière également avantageuse, la décroissance de la puissance linéique est provoquée en diminuant la puissance du faisceau, à rayon caractéristique de faisceau constant.
De manière également avantageuse, lorsque, lors de la décroissance de puissance linéique, on détecte le franchissement d'une seconde consigne, on provoque un nouveau régime de variation de cette puissance linéique ; ce nouveau régime de variation de cette puissance linéique correspond à une annulation quasiment instantanée. Ce n'est donc pas une décroissance progressive. Des caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée et des dessins dans lesquels :
- la figure 1 est une courbe illustrant un cycle de recuit thermique obtenu par l'enchainement de plusieurs modifications apportées à la puissance linéique de la source d'excitation ;
- la figure 2 représente des courbes illustrant trois cycles de recuit thermique successifs obtenus sur un même site jusqu'à atteindre une même consigne de thermoluminescence choisie ; - la figure 3 représente des courbes illustrant le suivi temporel d'un cycle de recuit thermique appliqué à deux sites différents ;
- la figure 4 représente schématiquement les éléments essentiels du dispositif de traitement préventif selon l'invention ; et
- la figure 5 est une courbe illustrant l'évolution du rayon caractéristique du faisceau laser sur le composant optique en fonction de la coordonnée axiale de la lentille de focalisation du dispositif conforme à l'invention.
D'une manière générale, le procédé de traitement préventif conforme à l'invention est fondé sur le fait d'imposer une modification du régime de variation de la puissance linéique appliquée un site (ou zone localisée) à traiter au sein de la surface optique (augmentation, puis décroissance), lorsqu'une grandeur représentative de la température du site auquel est appliqué le faisceau atteint une consigne, qui est surveillée en temps réel lors du recuit thermique de la surface à traiter. Il est rappelé ici que le traitement thermique est localisé puisque le faisceau incident n'intercepte qu'une partie de la surface du composant optique. Il peut s'agir de sites identifiés par un diagnostic tel que celui décrit dans le document WO-2006/053959 précité.
La puissance linéique est définie comme la puissance laser absorbée par le matériau du site divisée par le rayon caractéristique r du faisceau laser sur le site. Le rayon caractéristique r est une grandeur dimensionnelle représentative du faisceau laser. Pour un faisceau laser de mode gaussien, il est défini comme le rayon de waist à 1/e2 de l'intensité maximale.
L'élévation de température ΔT au centre d'un faisceau laser de puissance linéique Pi, sur un site de conductivité thermique apparente C est p ΔT oc -L . Le Demandeur a observé que la conductivité thermique apparente C C des matériaux courants de l'optique croît avec la température T selon une loi a priori « indéterminée » dépendant du site. Dans ce contexte, il n'est pas toujours possible d'atteindre une consigne ΔT si la puissance linéique Pi est prédéfinie et constante. Cependant, le Demandeur a observé qu'il est possible d'atteindre la consigne ΔT si la puissance linéique du laser d'excitation croît, lors d'une montée en température, pour compenser l'augmentation de conductivité thermique avec la température. Ou de façon inverse, lors d'une décroissance en température, le Demandeur a observé qu'il est possible d'atteindre la température de consigne si la puissance linéique décroît pour compenser la décroissance de conductivité thermique apparente.
L'évolution du champ de température en surface d'un site peut être suivie avantageusement en temps réel, par un diagnostic de thermoluminescence, ou d'incandescence.
Le Demandeur a aussi observé que le suivi en temps réel de la thermoluminescence permet d'établir une (ou des) valeur(s) de consigne NC pour lesquelles il est intéressant de changer le régime de variation de la puissance linéique Pi parvenant au site.
En référence à la figure 1 , on a représenté l'enchaînement de plusieurs modifications du régime de variation de la puissance linéique permettant de créer un cycle de recuit thermique.
Par exemple, au temps t = O, l'ouverture d'un obturateur permet de passer d'une puissance linéique nulle à une puissance linéique Pi (tronçon de la courbe TO). Synchronisé à cette ouverture, on commence à diminuer le rayon caractéristique du faisceau laser d'excitation arrivant sur le composant optique, ce qui, à puissance laser fixe, provoque l'augmentation de la puissance linéique incidente et la montée en température du site. La réduction du rayon caractéristique s'arrête quand le niveau de consigne de thermoluminescence NC = 1 (NC étant mesuré en unités arbitraires) est atteint (tronçon de la courbe T1). A ce niveau de consigne NC = 1 , il y a en pratique un temps de latence où la puissance linéique n'évolue pas (tronçon de la courbe T2), puis on fait décroître la puissance linéique par diminution de la puissance laser, en gardant le rayon caractéristique fixe, ce qui provoque la diminution de la température du site (tronçon de la courbe T3). Cette décroissance est accentuée lorsque l'on atteint le niveau de consigne NC = 0,7 et que l'obturateur se ferme, ramenant à zéro la puissance linéique, de façon quasiment instantanée, ce qui permet à la température de revenir à la température ambiante à plus grande vitesse (tronçon de la courbe T4).
Il convient de noter que la pente de la portion décroissante est plus faible que la pente de la portion croissante ; en d'autres termes, la décroissance est plus lente que la croissance. De manière avantageuse, la décroissance est plus lente d'un rapport d'au moins 10 (c'est-à-dire que la pente de la portion croissante vaut au moins 20 fois la pente (en valeur absolue) de la portion décroissante). Bien entendu, ces notions de pente correspondent à des pentes moyennes, car les portions croissantes ou décroissantes ne sont pas nécessairement linéaires, ainsi que cela ressort de la figure 1. A titre d'exemple, le niveau NC peut être fixé selon le raisonnement suivant. Afin que le recuit de la surface à traiter ait lieu, il faut que la température maximale Tmax atteinte par cette surface soit telle que le matériau constitutif de cette surface soit dans une « transition vitreuse » ; à titre indicatif, si le matériau est de la silice, il faut ainsi que Tmax soit compris entre 1200K et 3000K. De plus il est souhaitable de choisir une température Tmax pas trop élevée afin qu ela silice ne s'évapore pas trop ; on peut donc raisonnablement restreindre la gamme pour Tmax à 1200K à 2200K. Il est toutefois souhaitable que Tmax ne soit pas trop faible pour éviter que le traitement dure trop longtemps : on peut ainsi restreindre la gamme de choix pour Tmax à 1700K- 2200K, par exemple (voire autour d'une valeur telle que 2000K).
Le cycle décrit en référence à la figure 1 peut être modifié à volonté. Les consignes de thermoluminescence NC pour lesquelles il y a changement de régime, les niveaux NC = 1 et NC = 0,7 sur la figure 1 , peuvent être adaptés également au matériau testé compte tenu du diagnostic de thermoluminescence utilisé. Le paramètre « temps » est libre sur chaque site.
Selon le procédé de traitement préventif conforme à l'invention, le régime de variation de la puissance linéique est ainsi modifié lorsque la thermoluminescence contrôlée en temps réel lors du recuit thermique atteint une valeur de consigne NC choisie (montée puis descente lorsque le seuil NC=1 est atteint en montée ; descente progressive puis brutale lorsque le seuil NC+0,7 est atteint en descente). Un tel procédé permet ainsi d'appliquer un cycle thermique complet, montée et descente en température, sur un site localisé dont on ne connaît pas les propriétés thermiques intrinsèques ni les propriétés d'absorption.
En pratique, le premier régime de variation de la puissance linéique (montée) permet d'atteindre une consigne d'élévation en température quelque soit la conductivité thermique apparente C du site à recuire. Si la conductivité thermique C est faible, la puissance linéique maximale nécessaire sera faible et la consigne d'élévation de température sera atteinte plus rapidement sachant que la puissance linéique est croissante lors de la montée en température et décroissante lors de la descente en température. Dans le procédé conforme à l'invention, le recuit thermique est par exemple contrôlé en permanence par le diagnostic de thermoluminescence, ce qui assure Padaptabilité du procédé à chaque site par l'intermédiaire du paramètre « temps ».
En référence à la figure 2, on a représenté des cycles ou « tirs » laser successifs ayant lieu sur un même site. Le processus utilisé est tel que la puissance linéique croît jusqu'à la consigne de niveau NC = 5 et l'obturateur se ferme. On observe qu'au fur et à mesure des tirs laser S1 à S3, le niveau de consigne NC = 5 est atteint pour un temps R de plus en plus long R3 > R2 > R1. Ces tirs laser successifs montrent que le cycle thermique modifie les propriétés du site puisque la thermoluminescence évolue d'un tir à l'autre tir.
Un autre avantage du procédé de traitement préventif conforme à l'invention est la flexibilité. Ainsi, l'exemple de cycle montré en figure 1, avec deux niveaux de consigne NC, peut être rendu plus complexe ou plus simple en fixant le nombre de niveaux de consigne de thermoluminescence sur lesquels un changement de régime de variation de puissance linéique est susceptible d'avoir lieu. Il peut même y avoir des paliers ou des temps de latence (volontaires ou involontaires).
En pratique, la puissance laser ainsi que le rayon caractéristique qui font évoluer la puissance linéique sont deux paramètres pouvant évoluer dans des phases séparées du cycle comme présenté en figure 1 (c'est-à-dire qu'un seul paramètre varie à la fois) ou ensemble pour adapter le régime de variation de puissance linéique.
Par analogie, le Demandeur a observé que lorsque l'on modifie le procédé précédemment décrit en sorte de réaliser une gravure pour réduire un endommagement déjà réalisé dans un matériau amorphe, en appliquant un seul régime de variation de puissance linéique que l'on arrête lorsqu'est atteint un niveau de consigne de thermoluminescence NC correspondant à une température supérieure au point de ramollissement du matériau amorphe, on obtient, grâce à la surveillance en temps réel de la température, une meilleure reproductibilité de la profondeur de gravure dans le matériau que dans le passé. En référence à la figure 3, on a représenté le suivi temporel par diagnostic de thermoluminescence, d'un tel cycle thermique, appliqué sur deux sites (courbes H1 et H2). Au temps t = O, l'obturateur s'ouvre et le diamètre de waist du faisceau laser d'excitation décroît, faisant ainsi croître la puissance linéique appliquée sur le site. Quand le niveau de thermoluminescence de consigne NC = 5 est atteint, l'obturateur se ferme et la puissance linéique s'annule.
On voit en figure 3 que l'obturation du faisceau se produit à un temps M différent correspondant à une puissance linéique différente entre les deux sites (M1 < M2). Le Demandeur a observé que sur onze sites testés, au pas de 2 mm, et avec une consigne de thermoluminescence NC = 5 u.a (unité arbitraire), la profondeur de gravure réalisée est 9,8 μm avec une dispersion de plus ou moins 2,5%. Ceci est une amélioration importante par rapport au document « Localized silica re-fusion for laser damage mitigation » ; P.Bouchut, L.Dθlrive, D.Decruppe, P.Garrec, Proc.of SPIE vol 5273, p250-257 (2004), dans lequel le recuit des sites (avec gravure) s'effectue à puissance linéique constante et où la dispersion de profondeur de gravure atteint 50%. Ceci montre que l'adaptation de la puissance linéique appliquée à chaque site en fonction du suivi en température, conformément à une caractéristique de l'invention, permet de réduire la dispersion de recuit thermique subie par les différents sites.
En fait, dans un cycle de recuit de matériaux amorphes, tels des verres ou la silice fondue, on sait que le refroidissement est la partie la plus critique. C'est le cas en particulier lorsque le matériau redevient rigide, dans la gamme de température au dessus et légèrement en dessous de la température de déformation. Si le refroidissement est trop rapide, une contrainte permanente peut apparaître et conduire à la fracture du matériau si elle est trop importante. Un refroidissement lent va permettre à tous les points du site de refroidir à la même vitesse et minimiser ainsi la contrainte résiduelle. Grâce au procédé conforme à l'invention, ce refroidissement lent est contrôlé par la vitesse de décroissance de la puissance linéique d'excitation jusqu'à ce que la thermoluminescence décroisse au niveau de consigne voulue. Il est à remarquer que ce refroidissement lent n'est pas possible avec un procédé purement ablatif.
Lorsque le rayon caractéristique r du faisceau laser change au cours du temps, non seulement la puissance linéique incidente évolue de façon proportionnellement inverse mais le temps caractéristique d'interaction évolue r2 quadratiquement car τ <χ — où D est la diffusivité thermique du matériau. La
réduction du rayon caractéristique r, à puissance laser constante, provoque par conséquent l'accélération de la montée en température au centre du faisceau laser. Cela est utile pour minimiser le temps d'interaction lors de la montée en température du site et donc réduire l'énergie déposée sur le site. Lorsque la température excède la température dite de recuit dans un matériau amorphe et que l'évaporation du matériau se produit, on provoque alors une ablation lente car à l'échelle du temps caractéristique d'interaction.
En référence à la figure 4, on a représenté une chaîne laser permettant de mettre en œuvre le procédé préventif selon l'invention. Par exemple, un laser CO2 continu 1 constitue une source d'excitation pour opérer le recuit thermique. La longueur d'onde d'émission du laser 1 est par exemple 10,59 μm qui correspond à la raie d'émission du laser la plus puissante. La longueur d'onde d'excitation est adaptée au matériau optique dont on veut opérer le recuit : le recuit thermique n'est possible que s'il y a une montée en température du matériau optique. Il est donc indispensable que tout ou partie du spectre d'émission de la source d'excitation corresponde au spectre d'absorption du matériau testé.
Par exemple, dans la silice, toutes les raies d'émission du laser CO2, de 9,2 à 10,8 μm, peuvent être utilisées. La stabilité en puissance de la source d'excitation 1 est bonne : typiquement plus ou moins 1%, minimum au maximum, sur la durée du recuit. Le mode d'émission laser peut être quelconque, gaussien, plat, annulaire etc.. mais stable au moins approximativement.
Enfin la puissance nécessaire pour effectuer le recuit est une puissance linéique qui dépend de la dimension du site à recuire, typiquement inférieure à 20 watts lorsque la dimension est plus petite qu'1 mm. La source de recuit 1 peut être tout autre source laser, lampe, corps noir dont l'émission spectrale est tout ou partiellement absorbée par le matériau en test. Il peut aussi s'agir d'un générateur d'un faisceau d'électrons. Le dispositif mettant en œuvre l'invention comprend en outre, ici, un dispositif de contrôle et de stabilité de la puissance du laser 2. Le dispositif 2 comprend, à titre d'exemple, plusieurs éléments: un variateur de puissance laser qui peut être constitué d'une lame demi-onde suivie d'un polariseur. Un tel variateur permet d'ajuster la puissance d'excitation et donc de contribuer (à lui seul ou en combinaison avec d'autres éléments) faire varier la puissance linéique appliquée au site à recuire. Le dispositif 2 peut aussi être complété par un obturateur qui laisse ou non passer le faisceau laser. Le dispositif 2 peut aussi inclure un dispositif de stabilisation temps réel de la puissance du laser de recuit. En variante, l'obturateur peut être remplacé par un dispositif de commutation « éteint-allumé» de la source laser 1 elle-même. On comprend que la combinaison des éléments 1 et 2 peut aussi être assimilée à une source d'excitation thermique ; ce n'est donc que par convention que l'on précise que les éléments 2 sont à l'extérieur, ou au contraire à l'intérieur, de la source.
Le dispositif mettant en œuvre l'invention comprend en outre, avantageusement, une lentille de focalisation 3. La lentille de focalisation 3 est par exemple en ZnSe traitée anti reflet à la longueur d'onde du laser de recuit et la distance focale est adaptée à la tâche focale que l'on veut obtenir sur le composant à traiter. La dimension de la tache focale à la surface de l'échantillon peut être déterminée par la méthode du couteau. En variante, une buse servant à l'amenée de gaz utiles au procédé tels oxygène, argon, air comprimé, etc., ou à l'aspiration de vapeurs émises peut être fixée solidairement à la lentille de focalisation.
En pratique, la surface du composant optique 4 que l'on veut tester est disposée face au faisceau laser incident. Le procédé conforme à l'invention s'adapte bien aux matériaux optiques à faible conductivité thermique, typiquement inférieure à 10W/(m.K) qui présentent une plus grande élévation de température locale à puissance linéique incidente donnée. Les matériaux tels que la silice fondue, tous les types de verre et cristaux laser, dopés ou non dopés, et des matériaux tel que le KDP qui sert à la conversion de fréquence sont des matériaux sur lesquels le procédé conforme à l'invention peut être adapté. Un dispositif de photométrie 5 est prévu pour recueillir, dans le cas ici considéré, les photons émis par la zone thermoluminescente ; il s'agit donc d'un capteur de type capteur de thermoiuminescence. Dans le schéma optique de la figure 4, le dispositif de photométrie 5 est placé en aval de l'échantillon 4 en test. Ce montage présente l'avantage de filtrer les photons d'excitation puisque la silice absorbe le rayonnement à 10,59 μm et la détection peut être dans la gamme de transparence de la silice c'est-à-dire entre 0,2 et 4 μm de longueur d'onde ce qui laisse place à de nombreux types de capteurs, photomultiplicateur, Silicium, InGaAs, PbSe, HgCdTe, etc. sous forme de monoélément ou caméra. En variante, le dispositif de photométrie 5 peut être disposé n'importe où ailleurs sauf à intercepter le faisceau d'excitation. L'avantage de mettre le dispositif de photométrie en amont de l'échantillon 4 est de bénéficier d'une gamme spectrale de détection s'étendant à l'infrarouge lointain. Le grandissement du zoom qui image la zone thermoluminescente sur le capteur 5 doit être adapté aussi bien à la dimension de la zone recuite (c'est- à-dire du site considéré) qu'à la résolution spatiale du capteur de photométrie. Ce dispositif 5, capable de mesurer une grandeur représentative de la température du site, est connecté à au moins un organe de commande, ici schématisé sous la référence 6, pour provoquer un changement de régime de variation de puissance linéique appliqué au site.
La variation de la puissance linéique de recuit, au sein de chaque régime, est ici assurée par deux moteurs 6 qui peuvent être activés isolément ou conjointement. Le premier moteur assure la rotation de la lame demi-onde 2 pour faire varier la puissance transmise à travers un ou des polariseurs fixes. Le second moteur 6 assure la translation, selon l'axe optique Z du système, de la lentille de focalisation 3. La dimension de rayon caractéristique r sur le composant optique 4, en fonction de la coordonnée Z de la lentille de focalisation 3, est établie par la méthode du couteau. Un tel graphe, dans le cas d'un faisceau gaussien est présenté en figure 5, dans laquelle la dimension caractéristique du faisceau laser sur le composant optique 4 évolue avec le déplacement de la lentille de focalisation 3. Il est donc possible de faire varier la puissance linéique parvenant à un site donné en translatant la lentille de focalisation 3, à puissance émise constante.
Le procédé conforme à l'invention peut être utilisé pour effectuer le conditionnement d'un site précurseur de l'endommagement ou la stabilisation d'un dommage dans un composant optique. Cela permet donc d'intégrer sur chaîne optique des composants présentant des défauts potentiels ou avérés en tenue au flux laser. A ce jour, il n'est pas prouvé que des composants optiques zéro défaut existent et donc le procédé conforme à l'invention est utile et nécessaire pour toutes les pièces optiques de grandes surfaces à spécification élevée en tenue au flux laser. En outre, le procédé conforme à l'invention peut s'avérer une grande source d'économie pour la maintenance et la durée de vie des composants des chaînes laser de forte puissance.
Le procédé conforme à l'invention peut aussi être utilisé pour le conditionnement thermique de composants optiques plus complexes comme des miroirs diélectriques multi couches ou la zone utile pour la tenue au flux laser n'excède pas quelques mm2.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de traitement préventif d'une surface optique (4) destinée à être exposée à un flux laser, ledit dispositif comprenant une source d'excitation thermique (1) pour réaliser un recuit thermique localisé d'un site de ladite surface à traiter (4) au moyen d'un faisceau appliqué à ce site, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un organe de mesure (5) pour mesurer, en temps réel lors dudit recuit thermique localisé, une grandeur représentative de la température du site de la surface optique à traiter (4) et au moins un organe de commande (2, 3, 6) pour provoquer l'augmentation de la puissance linéique du faisceau appliqué au site par la source d'excitation (1) et, quand ladite grandeur a atteint une consigne (NC) choisie au préalable, faire décroître de manière progressive cette puissance linéique.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la source d'excitation (1 ) est un laser.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le laser est un laser CO2 continu.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'organe de mesure de ladite grandeur est de type capteur de thermoluminescence.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'organe de commande comporte un moteur (6) déplaçant une lentille de focalisation (3) située entre la source d'excitation thermique et la surface à traiter.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le matériau de la surface optique à traiter (4) est de la silice.
7. Procédé de traitement préventif d'une surface optique (4) destinée à être exposée à un flux laser, ledit traitement comprenant une étape de recuit thermique localisé d'un site de ladite surface à traiter au moyen d'un faisceau généré à l'aide d'une source d'excitation thermique (1 ), caractérisé en ce qu'on mesure en temps réel lors dudit recuit thermique une grandeur représentative de la température du site de la surface optique à traiter (4) et en ce qu'on commence par provoquer une augmentation de la puissance linéique du faisceau appliqué au site à l'aide de la source d'excitation (1 ) thermique et, quand la grandeur a atteint une consigne (NC) choisie au préalable, on provoque une décroissance progressive de cette puissance linéique.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la décroissance de la puissance linéique est plus lente que l'augmentation préalable de cette puissance linéique.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la pente moyenne d'augmentation de la puissance linéique est dans un rapport d'au moins 10/1 par rapport à la pente moyenne de décroissance de la puissance linéique.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la mesure de ladite grandeur est de type mesure de thermoluminescence.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que l'augmentation de la puissance linéique est provoquée en diminuant le rayon caractéristique du faisceau appliqué au site de la surface à traiter, tout en maintenant constante la puissance d'émission de ce faisceau.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11 , caractérisé en ce que l'augmentation de la puissance linéique est précédée par l'ouverture d'un obturateur laissant passer le faisceau émis par la source d'excitation thermique.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que la décroissance de la puissance linéique est provoquée en diminuant la puissance du faisceau, à rayon caractéristique de faisceau constant.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 13, caractérisé en ce que, lorsque, lors de la décroissance de puissance linéique , on détecte le franchissement d'une seconde consigne, on provoque un nouveau régime de variation de cette puissance linéique.
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que ce nouveau régime de variation de cette puissance linéique correspond à une annulation quasiment instantanée.
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