EP2335460A2 - Cavite optique amplificatrice de type fabry-perot - Google Patents

Cavite optique amplificatrice de type fabry-perot

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Publication number
EP2335460A2
EP2335460A2 EP09737048A EP09737048A EP2335460A2 EP 2335460 A2 EP2335460 A2 EP 2335460A2 EP 09737048 A EP09737048 A EP 09737048A EP 09737048 A EP09737048 A EP 09737048A EP 2335460 A2 EP2335460 A2 EP 2335460A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical
cavity
positioning
holding
amplifying
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09737048A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Fabian Zomer
Richard Cizeron
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.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP2335460A2 publication Critical patent/EP2335460A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/083—Ring lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/0813—Configuration of resonator
    • H01S3/0816—Configuration of resonator having 4 reflectors, e.g. Z-shaped resonators

Definitions

  • the invention relates to an amplifying optical cavity FABRYPÉROT type suitable for use in combination with a pulsed laser picosecond high rate for the production of monochromatic X-rays.
  • the present invention relates to the technical field of amplifying optical cavities for the production of monochromatic X-rays by COMPTON reaction, that is to say by the interaction of electron packets propagated within the vacuum tube of an accelerator with a pulsed laser signal controlled on a high-finesse optical resonator.
  • the targeted applications are multiple when they require a source of monochromatic x-rays of high flux that is compact enough to be used in local study centers rather than in specialized test centers with equipment of large dimensions.
  • a device could be used in the medical field, particularly for resonant radiotherapy, high-contrast radiography or angiography.
  • pharmacology for the analysis of the structure of proteins and molecules, in the nuclear industry for the support of waste reprocessing by the non destructive analysis of containers, in physics of particles for the implementation of polarized positron beam sources, etc.
  • Another method is to amplify the laser signal in an optical resonator, or amplifying cavity, type FABRY-PERROT. Indeed, to increase the number of photons produced by COMPTON effect during a cross between the electron beam and the laser beam, it is necessary to minimize the transverse and longitudinal dimensions of the two beams. However, to reduce the minimum transverse dimension of a laser beam in a FABRYPROT cavity consisting of two spherical mirrors, the distance between these two mirrors must be as close as possible to twice the radius of curvature of the mirrors.
  • the existing devices also have defects relating to the accuracy of the laser orientation which nevertheless determines in part the transverse dimensions of the laser beam.
  • the combination of mechanical parts used to orient the optical reflectors inside the cavity and under the conditions of vacuum experimentation generate games that alter the fineness of the cavity.
  • the present invention aims to overcome the disadvantages of the state of the art by providing an amplifying optical cavity type FABRY-PERROT to obtain a pulsed laser beam highly focused and having a high stability of the average power P M0Y .
  • the invention also aims to provide an amplifying optical cavity having a high tuning sensitivity, that is to say a laser beam having reduced transverse dimensions, without generating noise inside the enclosure under empty.
  • the invention aims to achieve a monochromatic production system of high flux by COMPTON reaction, which is both compact and powerful.
  • the invention proposes to achieve a configuration of non-planar mirrors, and more particularly of substantially tetrahedral shape.
  • the object of the invention is an amplifying optical cavity of the FABBRY-PERRO type for the production of monochromatic X-rays by COMPTON reaction of a high-rate pulsed picosecond laser beam with a synchronized electron beam.
  • cavity having a closed chamber capable of being placed under vacuum, crossed by an electron beam tube, the chamber comprising input means of the laser beam, means for holding and positioning two planar optical reflectors, means holding and positioning two spherical optical reflectors adapted to focus the laser beam at a point of interaction with the electron beam, wherein the means for holding and positioning the optical reflectors are arranged so that said Optical reflectors substantially define the vertices of a tetrahedron.
  • Such a configuration according to a tetrahedron makes it possible to obtain a beam of high fineness while obtaining interesting stability properties.
  • the eigen modes of such a cavity are called “generalized astigmatics", that is to say that the intensity profile is an ellipse whose own axes rotate during the propagation, which affects little the geometric brightness factors of the electron-laser interaction compared to the "standard astigmatic" modes of a planar cavity with four mirrors.
  • Astigmatism ie the ratio of the size of the beam along the major and minor axes of the ellipse, is also reduced compared to an equivalent planar configuration.
  • the means for holding and positioning the two spherical optical reflectors have two complementary clearances, arranged so as to define a span for the passage of the electron beam tube.
  • the means for holding and positioning at least one optical reflector comprise an orientation member of said reflector made of a single mechanical part, composed of at least three distinct parts, movable relative to one another. via flexible hinges.
  • a mirror orientation member made of a single piece having flexible joints allows for relative movements without friction and without play. Such a configuration is particularly suitable to ensure accurate positioning under ultra-light. empty.
  • the three distinct parts of the orientation member have a mobility around two intersecting axes of rotation at a point substantially coincident with the optical center of the reflector.
  • orientation member has a mobility around two axes of rotation concurrent and substantially coincident with the optical center of the reflector facilitates the adjustment of the orientation of the reflectors and contributes to the obtaining a precise orientation.
  • the means for holding and positioning the optical reflectors are actuated by linear electric motors encapsulated in a sealed enclosure of stainless steel extended by a bellows.
  • Encapsulating linear motors in a sealed chamber extended by a bellows eliminates the constraints of non-pollution related to the integration on accelerator.
  • the use of grease between moving parts becomes possible again and the choice of engines is no longer determined by its ability to operate under vacuum, but depends mainly on its Mechanical and precision features on the positioning. This also makes it possible to independently adjust the orientations and the position in z of the mirrors.
  • the linear electric motors are kept in constant contact with respect to the means for holding and positioning the optical reflectors by means of a spring element generating a restoring force.
  • the holding means and positioning of at least one optical reflector have a translation table along an axis Z, the translation table supporting two linear motors capable of actuating the reflector orientation member.
  • the means for holding and positioning at least one optical reflector comprise a piezoelectric actuator oriented in the direction of the optical axis of the reflector and held in position by means of a spring ring.
  • the piezoelectric actuator mounted on the mirror support member makes it possible to adapt the length of the optical path of the laser beam of a few nanometers to frequencies of a few hundred Hertz. It makes it possible to implement a servo-control between the length of the round trip in the cavity and the distance between two successive electron packets.
  • the use of a spring ring to maintain this piezoelectric actuator makes it possible to apply to the mirror, when the clamping is maximal, a determined holding force, related to the geometry of the flexible parts and to the thickness of the mirror. .
  • all the means for holding and positioning the optical reflectors are positioned on a main support, said main support being the only part in contact with the closed enclosure.
  • This construction also makes it possible to isolate the cavity from external vibrations by limiting as much as possible the points of contact with the enclosure.
  • the invention also relates to a monochromatic production system by COMPTON reaction, comprising an optical cavity as mentioned above.
  • FIG. 1 a functional flowchart of a COMPTON monochromatic X-ray production system according to the invention
  • FIG. 2 is a general flowchart of the optical part of the system according to the invention.
  • FIG. 3 a perspective view of an amplifying optical cavity of the FABRY-PERRO type according to the invention, the sealed enclosure of which is only partially represented;
  • FIGS. 4a and 4b two perspective and front views of planar and spherical mirrors, of the laser beam and of the electron beam tube propagating in an optical cavity according to the invention
  • FIGS. 5a and 5b two views in section and in perspective of an actuator for setting in motion the means for holding and positioning the mirrors M1 to M4 of an optical cavity according to the invention
  • FIGS. 6a, 6b and 6c a perspective view, a right view and a left view of a mirror orientation member belonging to means for holding and positioning an optical cavity according to the invention
  • FIGS. 7a and 7b a perspective view of a carriage supporting the mirror orientation member and a front view of two spherical mirror orientation members M3, M4 belonging to an optical cavity according to the invention; ;
  • FIGS. 8a and 8b two perspective and front views of a translation table belonging to an optical cavity according to the invention
  • FIG. 9 a perspective view of a translation table 70 mounted on a main support 80 belonging to an optical cavity according to the invention
  • FIG. 10 two perspective views, including an exploded view, of a plane mirror support element M 1 ; M 2 belonging to an optical cavity according to the invention.
  • FIG. 1 represents a functional flowchart of the monochromatic X-ray production system by COMPTON reaction according to the invention.
  • a pulsed laser cavity 10 produces a pulsed laser beam 12.
  • This laser beam 12 is advantageously controlled by two types of actuators assembled in an actuators and associated control electronics module 14.
  • the pulsed laser cavity 10 presents a wavelength of 800 nm, that is to say in the infrared range, an energy per implant of 10 nJ and a mean power of
  • a first type of actuator makes it possible to slave the length of the pulsed laser cavity 10 to the length of an amplifying optical cavity of FABRY-PERROT 40 type (described later).
  • This first type of actuators includes a piezoelectric actuator 14a and a linear translation motor 14b both physically integrated inside the pulsed laser cavity 10.
  • the piezoelectric actuator 14a driven by an associated electronics, allows to modify the relative difference ⁇ L between the length of the cavity of the resonator and that of the cavity FABRY-PERROT 40, in the frequency band 0-4OkHz, with a dynamic range of about 100 picometers to 1 micrometer.
  • the linear translation motor 14b it makes it possible to modify the relative difference ⁇ L between the length of the resonator and that of the FABRY-PERRO cavity 40, in the 0-10 Hz band with a dynamic range of about 100 nanometers to several millimeters.
  • the control electronics of this linear translation motor 14b is supplied with the motor.
  • a second type of actuator makes it possible to correct the ⁇ phase between the electromagnetic field and its envelope in the FABRY-PERRO 40 cavity.
  • They include an optical pump modulator 14c and a frequency modulator.
  • optical pump modulator 14c and the frequency modulator 14d are advantageously both acousto-optical modulators that respectively allow to modulate the power of optical pumping and to shift the optical spectrum of the laser, in order to modify the relative phase ⁇ ce between the electromagnetic field and its envelope in the FABRY-PERRO cavity.
  • the power in the FABRY-PERROT cavity 40 is amplified by a coefficient that depends on the fineness of the mirrors it contains.
  • the servocontrol requires several specific measurements, grouped together in an associated interface measurement and electronics module 20 which gathers:
  • Front-End Transmission An independent transmission measurement element 20a, named Front-End Transmission, which processes the optical signal transmitted at the output of the FABRY-PERRO cavity 40.
  • An electronic servocontrol system 22 performs the acquisition and the digital conversion of the analog signals from the Front-Ends in transmission and reception, carries out the servocontrol calculations in real time and delivers the control commands transmitted to the actuators. 14a to 14d so as to maintain the FABRY-PERROT cavity 40 in resonance.
  • FIG. 2 represents a general flowchart of the optical part of the system used to accumulate, inside the FABRY-PERRO 40 optical cavity, the optical energy of the short laser pulses, until reaching several micro-joules. by pulse, with a repetition frequency of the order of one hundred MHz.
  • a laser pulse train from the pulsed laser cavity 10 is slaved to a FABRY-PERRO 40 optical cavity by the so-called Pound-Drever-Hall technique making it possible to have electrical quantities images of the optical properties. controlled beam.
  • the optical part of the system is composed of:
  • the repetition frequency there is no restriction on the repetition frequency within a range of a few MHz to a few GHz.
  • the temporal width can be chosen in a range ranging from a hundred femtoseconds to a few tens of picoseconds;
  • optical elements 24 for transporting the laser beam from the pulsed laser cavity 10 to the FABRY-PERRO 40 cavity
  • a picosecond pulse train is emitted by the Titanium laser: Saphire (Ti: Sa) operating in the mode blocking mode.
  • the energy of a pulse is of the order of 10nJ, the repetition frequency of the pulses is 76MHz.
  • the pulse train is sent on an electro-optical modulator 24a which generates two sidebands around each laser frequency comb line which are used by the so-called Pound-Drever-Hall technique to obtain the error signals.
  • the oscillator is passive mode lock.
  • a Faraday isolator 24b protects the pulsed laser from the ray reflected by the FABRY-PERROT cavity 40 and the beam splitter 24c sends the beam onto the grating 26.
  • the beam splitter 24c associated with a quarter wave plate 24d form a set that separates the ray reflected by the FABRY-PERRO cavity 40.
  • a 24th Galilean telescope is used to position and diameter the laser beam parameters with the mode parameters of the cavity.
  • two external mirrors 24f align the laser beam and mode directions of the cavity.
  • the laser beam 12 reflected by the cavity is redirected by the beam splitter 24c on the diffraction grating 26 which makes it possible to diffuse the different spectral components in separate spatial directions.
  • the signals of several photodiodes 28 acquire the different parts of the spectrum and are used for the production of the error signals transmitted to the electronic control system 22. Description of the FABRY-PERRO type optical cavity
  • FIG. 3 represents a perspective view of an amplifying optical cavity 40 of the FABRY-PERRO type according to the invention.
  • the FABRY-PERRO 40 cavity comprises four independent mirrors, including two planar mirrors M 1 , M 2 and two spherical mirrors M 3 , M 4 . It also comprises an electron beam vacuum tube 46 which passes right through it.
  • the pulsed laser beam 12 is injected into the cavity 40 through the first plane mirror M 1 , then is redirected towards the plane mirror M 2 , then towards the spherical mirrors M 3 and M 4 , and again to the plane mirror M 1 , before repeating the same course.
  • the total length traveled is noted l_c AV .
  • the FABRY-PERROT optical cavity 40 has the purpose of causing the laser beam 12 to interact with an electron beam propagating in the electron beam tube 46. To do this, an arrangement and orientation of the mirrors M 1 to 4 relative to the electron beam tube 46 is formed as shown in Figures 4a and 4b.
  • the centers of the two planar mirrors M 1 , M 2 and the two spherical mirrors M 3 , M 4 define the vertex of a three-dimensional geometry in the form of a tetrahedron. This configuration makes it possible to stabilize the polarization of the eigen modes of the FABRY-PERRO cavity 40 and consequently the intra-cavity power.
  • the tetrahedral shape is not necessarily regular, so as to retain the possibility of having different distances between the two spherical mirrors and the two planar mirrors.
  • each mirror M 1 to M 4 is supported by holding and positioning means SM 1 to SM 4 which are independent of each other and have several settings.
  • each mirror M 1 to M 4 has a mirror degree of freedom in rotation about an axis X and a degree of freedom in rotation about a substantially perpendicular Y axis.
  • the angular adjustments ⁇ x and ⁇ y make it possible to align the laser beam 12 in the cavity 40.
  • Each mirror M 1 to M 4 further has a translation adjustment in a translation direction coincides with the Z axis perpendicular to the X and Y axes.
  • the translation adjustment ⁇ Z between the two spherical mirrors M 3 , M 4 allows the beam size, or waist, to be adjusted at the point of interaction with the electron beam while keeping the length L CAV constant between the two plane mirrors M 1 , M 2 .
  • the plane mirror M 2 can move along its optical axis a few hundred nanometers at frequencies of a few hundred Hertz to match the length of the optical cavity 40 with the interval between two packets of the electron beam.
  • a particularly advantageous solution is to mount the piezoelectric actuator on one of the plane mirror and the translation means along the Z axis on the other plane mirror so as to avoid mechanical resonances.
  • Figures 5a and 5b show a sectional view and perspective of an actuator for moving mirrors M1 to M4.
  • the means for holding and positioning the mirrors M 1 to M 4 are actuated by twelve linear motors 50, preferably identical, encapsulated in a sealed enclosure 52 within which they operate at atmospheric pressure.
  • this sealed enclosure 52 is made of stainless steel.
  • the choice of the motor is no longer determined by its ability to operate under vacuum, but depends primarily on its mechanical characteristics and positioning accuracy.
  • the use of grease between the moving parts becomes again possible. This system is developed to obtain accurate positioning on a stroke of about ⁇ 2mm.
  • the engine operates at atmospheric pressure and only the outside of the sealed enclosure 52 is in contact with the ultra-vacuum.
  • the mechanical parts involved in the movement transmission are isolated from the ultra-vacuum by bellows 54.
  • the motor 50 is fixed on a support and the part to be translated is connected to the end of the bellows 54.
  • the workpiece is not supported by the bellows 54, it is only pushed by point contact through a ball located at the end of the motor shaft.
  • a return spring 56 makes it possible to counter the force due to the vacuum and to maintain a permanent point contact between the rod of the motor and the part to be translated.
  • the ball bears on a hard steel pellet. This contact may, if necessary be greased to the extent that it is positioned inside the sealed enclosure 52.
  • the electrical connections of the motor are made by a sealed passage located at the rear of the enclosure 52, where a son of a separate beam 58 leaves, advantageously isolated by a Kapton jacket ultra empty and equipped with connectors crimped , finally connected to the general chamber 44 of the cavity by another similar sealed penetration.
  • Figures 6a, 6b and 6c show a perspective view and two views of right and left of a mirror orientation member 60 M 1 ; M 2 ; M 3 ; M 4 can be used to produce an optical cavity according to the invention.
  • the means for holding and positioning the mirrors M 1 to M 4 comprise a mirror orientation member 60 M 1 ; M 2 ; M 3 ; M 4 taking up the principle of a cardan with concurrent axes and central pivot.
  • the mirror orientation member 60 M 1 ; M 2 ; M 3 ; M 4 comprises 3 distinct parts, a high part 60a, an intermediate part 60b and a fixed part 60c movable relative to each other via flexible hinges 64 made in one and the same mechanical part.
  • the flexible hinges 64 use the natural flexibility of the metal, and are obtained by creating a point of weakness that can be deformed while remaining in the elastic range.
  • the axes of rotation of the orientation member 60 make it possible to orient the mirror M 1 ; M 2 ; M 3 ; M 4 about two perpendicular and intersecting X and Y directions at a point of intersection 62 coinciding with the center of the mirror M 1 ; M 4 .
  • This principle allows for relative movements between two parts without friction and without play. Because of this, it is particularly suitable to ensure accurate positioning under ultra-vacuum.
  • the angles of incidence of the laser beam 12 and mirrors M 1 to M 4 are relatively important since they are 6 and 8 °.
  • the adjustment amplitudes of the mirror orientation member 60 of mirrors M 1 ; M 2 ; M 3 ; M 4 being small ( ⁇ 20 mrad), it is preferable to install this deviation of 6 and 8 ° on the mirror orientation member 60.
  • the offset is no longer on the holding and positioning means SM 1 to SM 4 of mirrors M 1 to M 4 , but on the orientation member 60.
  • FIG. 7a illustrates a carriage 66 supporting the mirror orientation member 60 M 1 to M 4 .
  • the adjustment of the mirrors M 1 to M 4 around the X and Y axes is via two connecting arms 68 connected to the upper part of the orientation member 60. These mirrors M 1 to M 4 are actuated by two linear motors 50 positioned in their respective sealed enclosure 52 and supported by the carriage 66. The length of the connecting arm 68 allows to gain precision.
  • Figure 7b shows the accelerator tube 46 end view, two mirrors M 3 , M 4 held in position by two carriages 66, and two connecting arms 68 each and an orientation member 60 each.
  • the spherical mirrors M 3 , M 4 are positioned closer to the beam tube. electron 46.
  • the means for holding and positioning the two spherical optical reflectors M 3 , M 4 have two complementary clearances 69, arranged so as to define a span for the passage of the electron beam tube 46.
  • the two spherical optical reflectors are positioned on both sides and close to the electron beam tube.
  • the assembly consisting of the mirror orientation member 60 M 1 to M 4 , the two link arms 68 and the two linear motors 50a, 50b actuating the arms 68 is furthermore advantageously placed on a table of translation 70 along the axis Z perpendicular to the axis X and Y.
  • Such a translation table 70 is shown in perspective and front in Figures 8a and 8b.
  • the three balls 72 define a plane and give good stability without prestressing. Two of these three balls 72 roll between the rails 74 and give the direction of the translation, while the third ball 72 defines the plane of the translation. The movement of the supports 78 is completely rolling and without friction. The three balls 72 move at the same speed and a thin sheet 74 makes it possible to determine and maintain a spacing between them.
  • the rails 76 are made of stainless steel and the balls 72 may advantageously be made of the following materials: ceramic, ruby or stainless steel. If they are made as the stainless steel rails 76, then they should be treated by incrustation molybdenum disulfide to avoid the phenomena of microsoudures. It is the weight of the element to be moved which keeps the two parts together and guarantees an efficient guidance. The center of gravity of the element to move is positioned at the lowest and placed closest to that of the triangle formed by the 3 balls.
  • FIG. 9 represents a perspective view of a translation table 70 mounted on a main support 80 and on which the carriage is arranged.
  • encapsulated motors 50 allows to mount the 4 mirrors, with their independent settings, on the main support 80 which becomes the only piece in contact with the enclosure 42.
  • This main support 80 connected to the enclosure 42 by three points very rigid to ensure the geometric stability between the 4 mirrors M 1 to M 4 of the cavity.
  • This construction also makes it possible to isolate the cavity from external vibrations by limiting as much as possible the points of contact with the enclosure.
  • the motors 50 also allow remote adjustment of the cavity during operation of the accelerator.
  • Z positioning engines are mounted on a support Invar (iron alloy 64% and nickel 36%) whose thermal expansion coefficient very low (2.69 microns / ° C) allows to minimize servocontrols required to maintain this length constant.
  • Invar iron alloy 64% and nickel 36%) whose thermal expansion coefficient very low (2.69 microns / ° C) allows to minimize servocontrols required to maintain this length constant.
  • these parts are made in the same mechanical part to minimize the number of assemblies.
  • the parts are voluntarily massive to increase their inertia and limit the propagation of vibrations.
  • Lc AV the length of the cavity, noted Lc AV , is equal to the distance traveled by the laser between the 4 mirrors, 1679.5 mm.
  • FIG. 10 illustrates two perspective views, including an exploded view, of an exemplary embodiment of a plane mirror support element 82 M 1 ; M 2 having a piezoelectric actuator 84.
  • this support element 82 thus comprises, successively, a rear support element 86, the piezoelectric actuator 84, a preload ring 88 of the piezoelectric actuator 84, a plane mirror M 1 ; M 2 and a spring ring 90.
  • the spring ring 90 has mechanical characteristics enabling it to deform when the three fastening screws are tightened. A precise mechanical calculation makes it possible to apply to the mirror, when the clamping is maximal (which also avoids loosening), a determined holding force, related to the geometry of the flexible parts and the thickness of the mirror.
  • the same principle is used, this time involving the preload ring 88 and the rear support 86.
  • the plane mirror M 1 ; M 2 is fixed on the front of the preload ring 88 and the rear support 86 also allows the attachment of the support member 82 on the mirror orientation member M 1 ; M 2 .
  • Such a configuration is advantageous to the extent that the fixing of the mirror M 1 ; M 2 is firm so that it follows perfectly the movement, but without stress force too important to avoid optical phenomena of birefringence. It also makes it possible to integrate the support element 82 on the orientation element 48 of the mirror while minimizing the weight of the moving parts in order to be able to reach the desired frequencies and amplitudes.
  • the cavity could be used for other time width, up to the femtosecond.

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Abstract

L'invention se rapporte à une cavité optique amplificatrice de type FABRY- PÉROT apte à être utilisée en combinaison avec un laser puisé picoseconde à haute cadence pour la production de rayons X monochromatiques. Elle vise à proposer une cavité optique amplificatrice de type FABRY-PÉROT permettant d'obtenir un rayon laser puisé fortement focalisé et présentant une grande stabilité de la puissance moyenne PMOY. Plus particulièrement, l'invention a pour objet une cavité optique (40) amplificatrice de type FABBRY-PÉROT pour la production de rayons X monochromatiques par réaction COMPTON d'un faisceau laser (12) puisé picoseconde à haute cadence avec un faisceau d'électrons synchronisé, la cavité présentant une enceinte fermée (42), apte à être placée sous vide, traversée par un tube à faisceau d'électrons (46), l'enceinte (42) comportant des moyens d'entrée du faisceau laser, des moyens de maintien et de positionnement de deux réflecteurs optiques plans (M1 et M2), des moyens de maintien et de positionnement de deux réflecteurs optiques sphériques (M3; M4) aptes à focaliser le faisceau laser (12) au niveau d'un point d'interaction avec le faisceau d'électrons. Les moyens de maintien et de positionnement des réflecteurs optiques (M1 U M4) sont agencés de sorte que lesdits réflecteurs optiques (M1 à M4) forment sensiblement les sommets d'un tétraèdre.

Description

CAVITE OPTIQUE AMPLIFICATRICE DE TYPE FABRY-PEROT
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
[0001] L'invention se rapporte à une cavité optique amplificatrice de type FABRY- PÉROT apte à être utilisée en combinaison avec un laser puisé picoseconde à haute cadence pour la production de rayons X monochromatiques.
[0002] La présente invention concerne le domaine technique des cavités optiques amplificatrices pour la production de rayons X monochromatiques par réaction COMPTON, c'est-à-dire par l'interaction de paquets d'électrons propagés au sein du tube à vide d'un accélérateur avec un signal laser puisé asservie sur un résonateur optique de haute finesse.
[0003] Les applications visées sont multiples dés lors qu'elles nécessitent une source de rayons X monochromatiques de haut flux qui soit suffisamment compacte pour être utilisée dans des centres d'étude locaux plutôt que dans des centres d'essais spécialisés présentant du matériel de grandes dimensions. À titre d'exemple, un tel dispositif pourrait être employé dans le domaine médical, notamment pour la radiothérapie résonante, la radiographie à fort contraste ou bien l'angiographie. Il existe également d'autres domaines d'application en pharmacologie pour l'analyse de la structure des protéines et de molécules, dans l'industrie nucléaire pour l'aide au retraitement des déchets par l'analyse non destructrice de containers, en physique des particules pour la mise en œuvre de sources de faisceaux de positrons polarisés, etc.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
[0004] II est connu de l'état de la technique plusieurs méthodes permettant d'augmenter la puissance d'une source laser. La plus classique de ces méthodes consiste à utiliser une cascade d'amplifications à fibres dopées, ce qui permet d'augmenter de façon importante la puissance crête PCRÊTE du signal laser.
[0005] Néanmoins, une telle méthode ne permet pas d'obtenir une puissance moyenne PMOY suffisante pour les applications visées puisque celle-ci ne dépasse généralement pas la centaine de Watts. [0006] Une autre méthode consiste à amplifier le signal laser dans un résonateur optique, ou cavité amplificatrice, de type FABRY-PÉROT. En effet, pour accroître le nombre de photons produit par effet COMPTON lors d'un croisement entre le faisceau d'électrons et le faisceau laser, il est nécessaire de réduire au maximum les dimensions transverses et longitudinales des deux faisceaux. Or, pour réduire la dimension transverse minimum d'un faisceau laser dans une cavité FABRY- PÉROT constituée de deux miroirs sphériques, il faut que la distance entre ces deux miroirs soit la plus proche possible du double du rayon de courbure des miroirs.
[0007] Toutefois, une telle cavité étant instable, elle ne peut être utilisée, pour une application réelle. C'est la raison pour laquelle, plusieurs dispositifs de production de rayons X monochromatiques générés par effets COMPTON, tels que ceux présentés dans la revue OPTICS LETTERS / Vol. 32, No. 19 /October 1st, 2007 ainsi que dans le document de brevet n° US 2008002813, utilisent une cavité amplificatrice de type FABRY-PÉROT présentant quatre miroirs co-planaires dont deux miroirs sphériques. La dimension transverse minimum peut alors être réduite de l'ordre de la dizaine de microns tout en présentant une bonne stabilité mécanique.
[0008] Cependant, les états propres de polarisation d'une cavité à quatre miroirs co-planaires ont été calculés et il apparaît que lorsque la finesse de la cavité est grande, c'est-à-dire lorsque le gain de la cavité est supérieur à 1000 environ, ces états propres varient fortement en fonction des inévitables désalignements et vibrations des miroirs. La polarisation du faisceau laser injecté dans la cavité étant fixe, de telles variations entraînent non seulement une variation de la polarisation intra-cavité mais aussi une variation de la puissance intra-cavité. Ces variations de puissance sont préjudiciables dans la mesure où la puissance moyenne PMOY intra- cavité en est réduite.
[0009] Par ailleurs, les dispositifs existants présentent également des défauts relatifs à la précision de l'orientation laser qui détermine pourtant en partie les dimensions transverses du faisceau laser. Notamment, la combinaison de pièces mécaniques utilisées pour orienter les réflecteurs optiques à l'intérieur de la cavité et dans les conditions d'expérimentation sous vide engendrent des jeux qui altèrent la finesse de la cavité.
[0010] Un autre problème soulevé par ces systèmes concerne l'utilisation de moteurs en milieu sous vide. En effet, les moteurs standards vendus comme compatibles UHV dans le commerce ne répondent pas totalement aux exigences de l'ultra vide telle que l'utilisation d'un résonateur optique l'exige, notamment en raison des contraintes fortes de non pollution liées à l'intégration sur accélérateur. Dans les produits commerciaux disponibles, les articulations des montures d'optique sont réalisées avec des jeux très faibles ou précontraintes et donc graissées pour garantir un positionnement précis sans risque de grippage. Deux raisons excluent ce type d'articulation sous vide. D'une part, l'utilisation de graisse y est proscrite et, d'autre part, il se créée entre les surfaces en contact de même nature des phénomènes de microsoudures qui rendent impossible leur glissement relatif, particulièrement sous vide où les pièces sont très propres pour répondre aux conditions UHV.
[0011] Ces problèmes sont d'autant plus essentiels que le nombre de moteurs nécessaires aux réglages de la cavité accroît fortement le niveau de pollution.
EXPOSE DE L'INVENTION
[0012] La présente invention vise à pallier les inconvénients de l'état de la technique en proposant une cavité optique amplificatrice de type FABRY-PÉROT permettant d'obtenir un rayon laser puisé fortement focalisé et présentant une grande stabilité de la puissance moyenne PM0Y.
[0013] L'invention vise également à fournir une cavité optique amplificatrice présentant une sensibilité de réglage importante, c'est-à-dire un faisceau laser présentant des dimensions transverses réduites, sans générer de bruits à l'intérieur de l'enceinte sous vide.
[0014] En outre, l'invention vise à réaliser un système de production de rayons X monochromatiques de haut flux par réaction COMPTON, qui soit à la fois compacte et puissante. [0015] Pour stabiliser la polarisation des modes propres de la cavité amplificatrice, et par conséquent la puissance intra cavité, l'invention propose de réaliser une configuration de miroirs non planaire, et plus particulièrement de forme sensiblement tétraédrique.
[0016] Plus précisément, l'invention a pour objet une cavité optique amplificatrice de type FABBRY-PÉROT pour la production de rayons X monochromatiques par réaction COMPTON d'un faisceau laser puisé picoseconde à haute cadence avec un faisceau d'électrons synchronisé, la cavité présentant une enceinte fermée apte à être placée sous vide, traversée par un tube à faisceau d'électrons, l'enceinte comportant des moyens d'entrée du faisceau laser, des moyens de maintien et de positionnement de deux réflecteurs optiques plans, des moyens de maintien et de positionnement de deux réflecteurs optiques sphériques aptes à focaliser le faisceau laser au niveau d'un point d'interaction avec le faisceau d'électrons, dans laquelle les moyens de maintien et de positionnement des réflecteurs optiques sont agencés de sorte que lesdits réflecteurs optiques définissent sensiblement les sommets d'un tétraèdre.
[0017] Une telle configuration selon un tétraèdre permet d'obtenir un faisceau de haute finesse tout en obtenant des propriétés de stabilité intéressantes. Les modes propres d'une telle cavité sont dits « astigmatiques généralisés », c'est-à- dire que le profil d'intensité est une ellipse dont les axes propres tournent durant la propagation, ce qui affecte peu les facteurs de luminosité géométriques de l'interaction électron-laser par rapport aux modes « astigmatiques standards » d'une cavité planaire à quatre miroirs. L'astigmatisme, c'est à dire le rapport de la taille du faisceau le long des grands et petits axes de l'ellipse, est également réduit par rapport à une configuration planaire équivalente.
[0018] Selon un mode de réalisation, les moyens de maintien et de positionnement des deux réflecteurs optiques sphériques présentent deux dégagements complémentaires, agencées de sorte à définir une travée pour le passage du tube à faisceau d'électrons.
[0019] La réalisation de deux dégagements complémentaires dans les moyens de maintien et de positionnement des deux réflecteurs sphériques permet de placer les miroirs sphériques au plus près du faisceau d'électrons et donc d'obtenir l'angle le plus fermé au point de collision entre le laser et le faisceau d'électrons.
[0020] Avantageusement, les moyens de maintien et de positionnement d'au moins un réflecteur optique comportent un organe d'orientation dudit réflecteur confectionné en une pièce mécanique unique, composée d'au moins trois parties distinctes, mobiles les unes par rapport aux autres par l'intermédiaire d'articulations flexibles.
[0021] L'utilisation d'un organe d'orientation de miroir réalisé en une pièce unique présentant des articulations flexibles permet de réaliser des mouvements relatifs sans frottement et sans jeu. Une telle configuration est particulièrement adapté pour garantir un positionnement précis sous ultra-vide.
[0022] De préférence, les trois parties distinctes de l'organe d'orientation présentent une mobilité autour de deux axes de rotation concourants en un point sensiblement confondus avec le centre optique du réflecteur.
[0023] Le fait que les trois parties distinctes de l'organe d'orientation présentent une mobilité autour de deux axes de rotation concourants et sensiblement confondus avec le centre optique du réflecteur facilite le réglage de l'orientation des réflecteurs et concoure à l'obtention d'une orientation précise.
[0024] Avantageusement, les moyens de maintien et de positionnement des réflecteurs optiques sont actionnés par des moteurs électriques linéaires encapsulés dans une enceinte étanche d'acier inoxydable prolongée par un soufflet.
[0025] Encapsuler des moteurs linéaires dans une enceinte étanche prolongée par un soufflet permet de s'affranchir des contraintes de non pollution liées à l'intégration sur accélérateur. D'autre part, l'utilisation de graisse entre les parties en mouvement redevient possible et le choix des moteurs n'est plus déterminé par son aptitude à fonctionner sous vide, mais dépend essentiellement de ses caractéristiques mécanique et de précision sur le positionnement. Cela permet aussi de régler indépendamment les orientations et la position en z des miroirs.
[0026] De préférence, les moteurs électriques linéaires sont maintenus en contact permanent vis à vis des moyens de maintien et de positionnement des réflecteurs optiques par le biais d'un élément ressort générant une force de rappel.
[0027] L'utilisation d'un élément ressort permet de contrer la force due au vide et de conserver un contact ponctuel permanent entre la tige du moteur et la pièce à translater.
[0028] Avantageusement, les moyens de maintien et de positionnement d'au moins un réflecteur optique présentent une table de translation selon un axe Z, le table de translation supportant deux moteurs linéaires aptes à actionner l'organe d'orientation du réflecteur.
[0029] L'utilisation d'une table de translation supportant les moteurs linéaires utilisés pour la mise en mouvement de l'organe d'orientation permet d'améliorer la précision du dispositif.
[0030] De préférence, les moyens de maintien et de positionnement d'au moins un réflecteur optique comportent un actuateur piézoélectrique orienté selon la direction de l'axe optique du réflecteur et maintenu en position par l'intermédiaire d'une bague ressort.
[0031] L'actuateur piézoélectrique monté sur l'élément de support de miroir permet d'adapter la longueur du trajet optique du faisceau laser de quelques nanomètres à des fréquences de quelques centaines de Hertz. Il permet d'implémenter un asservissement entre la longueur du trajet aller-retour dans la cavité et la distance entre 2 paquets d'électrons successifs. En outre, l'utilisation d'une bague ressort pour maintenir cet actuateur piézoélectrique permet d'appliquer su le miroir, quand le serrage est maximal, un effort de maintien déterminé, lié à la géométrie des parties souples et à l'épaisseur du miroir. [0032] Avantageusement, l'ensemble des moyens de maintien et de positionnement des réflecteurs optiques sont positionnés sur un support principal, ledit support principal étant la seule pièce en contact avec l'enceinte fermée.
[0033] Cette construction permet également d'isoler la cavité des vibrations extérieures en limitant au maximum les points de contacts avec l'enceinte.
[0034] Selon un autre aspect, l'invention se rapporte également à un système de production de rayons X monochromatiques par réaction COMPTON, comportant une cavité optique telle que susmentionnée.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0035] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture qui suit d'exemples de réalisation détaillés, en référence aux figures annexées qui représentent respectivement :
- La figure 1 , un organigramme fonctionnel d'un système de production de rayons X monochromatiques par réaction COMPTON selon l'invention ;
- La figure 2, un organigramme général de la partie optique du système selon l'invention ;
- La figure 3, une vue en perspective d'une cavité optique amplificatrice de type FABRY-PÉROT selon l'invention, dont l'enceinte étanche n'est que partiellement représentée ;
- Les figures 4a et 4b, deux vues en perspective et de face des miroirs plans et sphériques, du faisceau laser et du tube à faisceau d'électrons se propageant dans une cavité optique selon l'invention ;
- Les figures 5a et 5b, deux vues en coupe et en perspective d'un actionneur pour la mise en mouvement des moyens de maintien et de positionnement des miroirs M1 à M4 d'une cavité optique selon l'invention ;
- Les figures 6a, 6b et 6c, une vue en perspective, une vue de droite et une vue de gauche d'un organe d'orientation de miroir appartenant à des moyens de maintien et de positionnement d'une cavité optique selon l'invention ;
- Les figures 7a et 7b, une vue en perspective d'un chariot soutenant l'organe d'orientation de miroir et une vue de face de deux organes d'orientation de miroirs sphériques M3, M4 appartenant à une cavité optique selon l'invention ;
- Les figures 8a et 8b, deux vues en perspective et de face d'une table de translation appartenant à une cavité optique selon l'invention ;
- La figue 9, une vue en perspective d'une table de translation 70 montée sur un support principal 80 appartenant à une cavité optique selon l'invention ;
- la figure 10, deux vues en perspective, dont une vue éclatée, d'un élément de support de miroir plan M1 ; M2 appartenant à une cavité optique selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION Description générale
[0036] La figure 1 représente un organigramme fonctionnel du système de production de rayons X monochromatiques par réaction COMPTON selon l'invention.
[0037] Une cavité laser puisé 10 produit un faisceau laser puisé 12. Ce faisceau laser 12 est avantageusement contrôlé par deux types d'actuateurs rassemblés dans un module d'actuateurs et d'électronique de pilotage associée 14. La cavité laser puisé 10 présente une longueur d'onde 800nm, c'est-à-dire dans le domaine de l'infrarouge, une énergie par implusion de 1OnJ et une puissance moyenne de
1W. Elle comprend un laser produisant un faisceau continu de 6W utilisé pour le pompage d'un cristal Titane :Saphire situé dans un résonateur optique dont la longueur de 2m entre ses miroirs détermine la fréquence de répétition de 76MHz des impulsions émises. [0038] Un premier type d'actuateurs permet d'asservir la longueur de la cavité laser puisé 10 à la longueur d'une cavité optique amplificatrice de type FABRY- PÉROT 40 (décrite ultérieurement). Ce premier type d'actuateurs regroupent un actuateur piézo-électrique 14a et un moteur de translation linéaire 14b tous les deux intégrés physiquement à l'intérieur de la cavité laser puisé 10. L'actuateur piézo-électrique 14a, piloté par une électronique associée, permet de modifier l'écart relatif ΔL entre la longueur de la cavité du résonateur et celle de la cavité FABRY-PÉROT 40, dans la bande de fréquence 0-4OkHz, avec une dynamique de l'ordre de 100 picomètres à 1 micromètre. Quant au moteur de translation linéaire 14b, il permet de modifier l'écart relatif ΔL entre la longueur du résonateur et celle de la cavité FABRY-PÉROT 40, dans la bande 0-10Hz avec une dynamique de l'ordre de 100 nanomètres à plusieurs millimètres. L'électronique de pilotage de ce moteur de translation linéaire 14b est fournie avec le moteur.
[0039] Un deuxième type d'actuateurs permet de corriger la phase ΔΦ entre le champ électromagnétique et son enveloppe dans la cavité FABRY-PÉROT 40. Ils regroupent un modulateur de pompage optique 14c et un modulateur de fréquence
14d, tous les deux situés à l'extérieur de la cavité laser puisé 10. Le modulateur de pompage optique 14c et le modulateur de fréquence14d sont avantageusement tout deux des modulateurs acousto-optiques qui permettent respectivement de moduler la puissance du pompage optique et de décaler le spectre optique du laser, afin de modifier la phase relative ΔΦce entre le champ électromagnétique et son enveloppe dans la cavité FABRY-PÉROT.
[0040] Une fois l'asservissement réalisé, la puissance dans la cavité FABRY- PÉROT 40 est amplifiée par un coefficient qui dépend de la Finesse des miroirs qu'elle contient. L'asservissement nécessite plusieurs mesures spécifiques, regroupées dans un module de mesures et d'électronique d'interface associée 20 qui rassemble :
- Un élément de mesure en transmission 20a indépendante, nommé Front- End Transmission qui traite le signal optique transmis en sortie de la cavité FABRY-PÉROT 40. - Un élément de mesure en réflexion 20b plus complexe, nommé Front-End
Reflexion qui traite le signa! optique réfléchi en entrée de cavité FABRY- PÉROT 40 par l'emploi d'une technique particulière dite Pound-Drever-Hall.
[0041] Cette technique est notamment décrite en mode continu dans la publication RW. Drever et al., laser phase and frequency stabilization using an optical resonator. Appl. Phys. B 31 , 97-105 (1983), et en mode puisé dans la publication RJ Jones et JC. Diels, Stabilisation of femtosecond lasers for optical metrology and direct optical to radio frequency synthesis. Phys. Rev. Lett. 86, 3288-3291 (2001).
[0042] Un système électronique d'asservissement 22 réalise l'acquisition et la conversion numérique des signaux analogiques issus des Front-Ends en transmission et en réception, effectue les calculs d'asservissement en temps réel et délivre les ordres de pilotage transmis aux actuateurs 14a à 14d de manière à maintenir la cavité FABRY-PÉROT 40 en résonance.
Description de la partie optique
[0043] La figure 2 représente un organigramme général de la partie optique du système utilisée pour accumuler, à l'intérieur de la cavité optique FABRY-PÉROT 40, l'énergie optique des impulsions laser brèves, jusqu'à atteindre plusieurs micro-Joules par impulsion, avec une fréquence de répétition de l'ordre de la centaine de MHz.
[0044] Pour ce faire, un train d'impulsions laser issu de la cavité laser puisé 10 est asservi sur une cavité optique FABRY-PÉROT 40 par la technique dite de Pound- Drever-Hall permettant de disposer de grandeurs électriques images des propriétés optiques du faisceau contrôlé.
[0045] De façon avantageuse, la partie optique du système est composée :
- d'un laser de largeur d'impulsions picoseconde avec un taux de répétition de
76Mz, incluant des actuateurs. Il n'y aucune restriction sur la fréquence de répétition à l'intérieur d'un intervalle qui va de quelques MHz à quelques GHz. De même, la largeur temporelle peut être choisie dans un intervalle allant d'un centaine de femtosecondes à quelques dizaines de picosecondes ;
- d'une cavité optique amplificatrice de type FABRY-PÉROT 40 qui sera décrite plus en détail ultérieurement ;
- d'éléments optiques 24 permettant le transport du faisceau laser depuis la cavité laser puisé 10 jusqu'à la cavité FABRY-PÉROT 40 ; et
- d'un réseau de diffraction 26 permettant de séparer les paramètres à asservir
[0046] Un train d'impulsions picoseconde est émis par le laser Titane :Saphire (Ti:Sa) fonctionnant en régime de blocage de modes. L'énergie d'une impulsion est de l'ordre de 10nJ, la fréquence de répétition des impulsions est de 76MHz. Le train d'impulsions est envoyé sur un modulateur électro-optique 24a qui génère deux bandes latérales autour de chaque raie du peigne de fréquence du laser qui sont employées par la technique dite de Pound-Drever-Hall pour obtenir les signaux d'erreur. Il n'y a aucune restriction sur le choix de la longueur d'onde à condition que l'oscillateur soit à blocage de mode passif.
[0047] Un Isolateur de Faraday 24b protège le laser puisé du rayon réfléchi par la cavité FABRY-PÉROT 40 et le séparateur de faisceau 24c envoie le faisceau sur le réseau 26. Le séparateur de faisceau 24c associé à une lame quart d'onde 24d forment un ensemble qui sépare le rayon réfléchi par la cavité FABRY-PÉROT 40. Un télescope galiléen 24e est utilisé pour accorder en position et en diamètre les paramètres de faisceau laser avec les paramètres de mode de la cavité. En outre, deux miroirs externes 24f alignent les directions d'axes de faisceau laser et de mode de la cavité.
[0048] Le faisceau laser 12 réfléchi par la cavité est redirigé par le séparateur de faisceau 24c sur le réseau de diffraction 26 ce qui permet de diffuser les différents composants spectraux dans des directions spatiales séparées. Les signaux de plusieurs photodiodes 28 acquièrent les différentes parties du spectre et sont utilisés pour la production des signaux d'erreur transmis au système d'asservissement électronique 22. Description de la cavité optique de type FABRY-PÉROT
[0049] La figure 3 représente une vue en perspective d'une cavité optique 40 amplificatrice de type FABRY-PÉROT selon l'invention.
[0050] Celle-ci est dotée d'une enceinte fermée 42 qui n'est que partiellement représentée ainsi que d'une pompe ionique à ultra-vide 44. La cavité FABRY- PÉROT 40 comporte quatre miroirs indépendants, dont deux miroirs plans M1, M2 et deux miroirs sphériques M3, M4. Elle comporte également un tube sous vide à faisceau d'électrons 46 qui la traverse de part en part. Le faisceau laser puisé 12 est injecté dans la cavité 40 à travers le premier miroir plan M1, puis est redirigé en direction du miroir plan M2, puis vers les miroirs sphériques M3 et M4, et à nouveau ver le miroir plan M1, avant de refaire le même parcours. La longueur totale parcourue est notée l_cAV.
[0051] La cavité optique FABRY-PÉROT 40 a pour but de faire interagir le faisceau laser 12 avec un faisceau d'électrons se propageant dans le tube à faisceau d'électrons 46. Pour ce faire, une disposition et une orientation des miroirs M1 à M4 vis-à-vis du tube à faisceau d'électron 46 est réalisée telle que représentée sur les figure 4a et 4b.
[0052] Les centres des deux miroirs planaires M1, M2 et des deux miroirs sphériques M3, M4 définissent les sommet d'une géométrie tridimensionnelle en forme de tétraèdre. Cette configuration permet de stabiliser la polarisation des modes propres de la cavité FABRY-PÉROT 40 et par conséquent la puissance intra-cavité.
[0053] La forme tétraédrique n'est pas nécessairement régulière, de sorte à conserver la possibilité d'avoir des distances différentes entre les deux miroirs sphériques et les deux miroirs plans.
[0054] II est à noter que la précision du positionnement et de l'orientation des miroirs est primordiale pour réaliser l'interaction entre le faisceau laser 12 puisé et les paquets d'électrons. De ce fait, chaque miroir M1 à M4 est supporté par des moyens de maintien et de positionnement SM1 à SM4 indépendants les uns des autres et présentant plusieurs réglages. Ainsi, chaque miroir M1 à M4 présente un degré de liberté en rotation autour d'un axe X et un degré de liberté en rotation autour d'une axe Y sensiblement perpendiculaire. Les réglages angulaires θx et θy permettent d'aligner le faisceau laser 12 dans la cavité 40.
[0055] Chaque miroir M1 à M4 présente en outre un réglage en translation selon une direction de translation confondu avec l'axe Z perpendiculaire aux axes X et Y. Le réglage en translation ΔZ entre les 2 miroirs sphériques M3, M4 permet d'ajuster la taille du faisceau, ou waist, au point d'interaction avec le faisceau d'électrons tout en conservant constante la longueur LCAV entre les deux miroirs plans M1, M2. Grâce à un actuateur Piézo-électrique (décrit ultérieurement), le miroir plan M2 pourra se déplacer selon son axe optique de quelques centaines de nanomètres à des fréquences de quelques centaines de Hertz pour accorder la longueur de la cavité optique 40 avec l'intervalle entre deux paquets du faisceau d'électrons.
[0056] Selon un mode de réalisation, il est possible de supprimer deux réglages en translation selon l'axe Z sur l'un des deux miroirs plans et sur l'un des deux miroirs sphériques. Une solution particulièrement avantageuse consiste à monter l'actuateur piézo-électrique sur l'un des miroir plan et les moyens de translation selon l'axe Z sur l'autre miroir plan de manière à éviter les résonances mécaniques.
Description des actionneurs
[0057] Les figures 5a et 5b représentent une vue en coupe et en perspective d'un actionneur pour le déplacement des miroirs M1 à M4.
[0058] Les moyens de maintien et de positionnement des miroirs M1 à M4 sont actionnés par douze moteurs linéaires 50, de préférence identiques, encapsulés dans une enceinte étanche 52 à l'intérieur de laquelle ils fonctionnent à la pression atmosphérique. Avantageusement, cette enceinte étanche 52 est réalisée en acier inoxydable. Ainsi, le choix du moteur n'est plus déterminé par son aptitude à fonctionner sous vide, mais dépend essentiellement de ses caractéristiques mécaniques et de sa précision sur le positionnement. En outre, à l'intérieur de cette enceinte 52, l'utilisation de graisse entre les parties en mouvement redevient possible. Ce système est développé pour obtenir un positionnement précis sur une course d'environ ± 2mm.
[0059] Selon un mode de réalisation préféré, le moteur fonctionne à la pression atmosphérique et seul l'extérieur de l'enceinte étanche 52 est en contact avec l'ultra-vide. Les pièces mécaniques impliquées dans la transmission du mouvement sont isolées de l'ultra-vide par des soufflets 54. Ainsi, le moteur 50 est fixé sur un support et la pièce à translater est reliée à l'extrémité du soufflet 54.
[0060] La pièce à déplacer n'est pas supportée par le soufflet 54, elle est uniquement poussée par contact ponctuel grâce à une bille située à l'extrémité de la tige du moteur. En outre, un ressort de rappel 56 permet de contrer la force due au vide et de conserver un contact ponctuel permanent entre la tige du moteur et la pièce à translater. Pour garantir la qualité du contact, la bille vient en appui sur une pastille en acier dur. Ce contact peut, le cas échéant être graissé dans la mesure où il est positionné à l'intérieur de l'enceinte étanche 52.
[0061] Les connexions électriques du moteur se font par une traversée étanche située à l'arrière de l'enceinte 52, d'où part un faisceau de fils 58 individuels, avantageusement isolés par une gaine en Kapton ultra vide et équipés de connecteurs sertis, reliés finalement à l'enceinte générale 44 de la cavité par une autre traversée étanche similaire.
Description de l'organe d'orientation du miroir
[0062] Les figures 6a, 6b et 6c représentent une vue en perspective et deux vues de droite et de gauche d'un organe d'orientation 60 de miroir M1 ; M2 ; M3 ; M4 pouvant être utilisé pour réaliser une cavité optique selon l'invention.
[0063] En effet, selon un aspect de l'invention, les moyens de maintien et de positionnement des miroirs M1 à M4 comportent un organe d'orientation 60 de miroir M1 ; M2 ; M3 ; M4 reprenant le principe d'un cardan à axes concourants et à pivot central. À ce titre, l'organe d'orientation 60 de miroir M1 ; M2 ; M3 ; M4 comprend 3 parties distinctes, une parti haute 60a, une partie intermédiaire 60b et une partie fixe 60c mobiles les unes par rapport aux autres par l'intermédiaire d'articulations flexibles 64 confectionnées en une seule et même pièce mécanique. Les articulations flexibles 64 utilisent la souplesse naturelle du métal, et sont obtenues en créant un point de faiblesse pouvant être déformé tout en restant dans le domaine élastique. Comme mentionné précédemment, les axes de rotation de l'organe d'orientation 60 permettent d'orienter le miroir M1 ; M2 ; M3 ; M4 autour de deux directions X et Y perpendiculaires et concourantes au niveau d'un point d'intersection 62, confondu avec le centre du miroir M1 ; M4.
[0064] Ce principe permet de réaliser des mouvements relatifs entre deux pièces sans frottement et sans jeu. De ce fait, il est particulièrement adapté pour garantir un positionnement précis sous ultra-vide.
[0065] Les angles d'incidences du faisceau laser 12 et des miroirs M1 à M4 sont relativement importants puisqu'ils sont de 6 et 8°. Les amplitudes de réglage de l'organe d'orientation 60 de miroirs M1 ; M2 ; M3 ; M4 étant faibles (± 20 mrad), il convient, de préférence, d'installer cette déviation de 6 et 8° sur l'organe d'orientation 60 de miroirs. Ainsi, l'offset n'est plus sur les moyens de maintien et de positionnement SM1 à SM4 de miroirs M1 à M4, mais sur l'organe d'orientation 60.
[0066] La figure 7a illustre un chariot 66 soutenant l'organe d'orientation 60 de miroir M1 à M4.
[0067] Le réglage des miroirs M1 à M4 autour des axes X et Y se fait par l'intermédiaire de deux bras de liaison 68 reliés à la partie supérieure de l'organe d'orientation 60. Ces miroirs M1 à M4 sont actionnés par deux moteurs linéaires 50 positionnés dans leur enceinte étanche 52 respective et soutenus par le chariot 66. La longueur des bras de liaison 68 permet de gagner en précision.
[0068] La figure 7b représente le tube accélérateur 46 vue en bout, deux miroirs M3, M4 maintenus en position par deux chariots 66, ainsi que deux bras de liaison 68 chacun et un organe d'orientation 60 chacun.
[0069] Comme représenté, il est avantageux pour obtenir l'angle le plus fermé au point de collision entre le laser 12 et le faisceau d'électron, que les miroirs sphériques M3, M4 soient positionnés au plus près du tube à faisceau d'électron 46. Pour ce faire, les moyens de maintien et de positionnement des deux réflecteurs optiques sphériques M3, M4 présentent deux dégagements 69 complémentaires, agencées de sorte à définir une travée pour le passage du tube à faisceau d'électrons 46. Ainsi, les deux réflecteurs optiques sphériques sont positionnés de part et d'autre et à proximité du tube à faisceau d'électrons.
Description de la table de translation
[0070] L'ensemble composé de l'organe d'orientation 60 de miroir M1 à M4, des deux bras de liaison 68 et des deux moteurs linéaires 50a, 50b actionnant les bras 68 est en outre avantageusement placé sur une table de translation 70 selon l'axe Z perpendiculaire aux axe X et Y.
[0071] Une telle table de translation 70 est représentée en perspective et de face sur les figures 8a et 8b.
[0072] Elle comporte trois billes 72, une tôle 74, deux rails 76 et deux supports 78. Les trois billes 72 définissent un plan et donnent une bonne stabilité sans précontrainte. Deux de ces trois billes 72 roulent entre les rails 74 et donnent la direction de la translation, tandis que la troisième bille 72 définit le plan de la translation. Le déplacement des supports 78 se fait intégralement par roulement et sans frottement. Les trois billes 72 se déplacent à la même vitesse et une fine tôle 74 permet de déterminer et de conserver un écartement entre elles.
[0073] Les rails 76 sont réalisés en inox et les billes 72 peuvent avantageusement être confectionnées dans les matériaux suivants : céramique, rubis ou inox. Si elles sont réalisées comme les rails 76 en inox, alors il convient de les traiter par incrustation au bisulfure de molybdène pour éviter les phénomènes de microsoudures. C'est le poids de l'élément à déplacer qui maintient les 2 parties ensembles et garantit un guidage efficace. Le centre de gravité de l'élément à déplacer est positionné au plus bas et placé au plus près de celui du triangle formé par les 3 billes.
[0074] La figure 9 représente une vue en perspective d'une table de translation 70 montée sur un support principal 80 et sur laquelle sont disposés le chariot supérieur 66, l'organe d'orientation 60 de miroir, les deux moteurs 50 encapsulés dans une enceinte étanche 52 pour le positionnement autour des axes X et Y ainsi qu'un moteur linéaire 50 également encapsulé dans une enceinte 52 afin de permettre le déplacement en translation du chariot 66 selon l'axe Z.
[0075] L'ensemble de la construction et l'utilisation de moteurs 50 encapsulés permet de monter les 4 miroirs, avec leurs réglages indépendants, sur le support principal 80 qui devient la seule pièce en contact avec l'enceinte 42. Ce support principal 80 relié à l'enceinte 42 par trois points très rigide permet de garantir la stabilité géométrique entre les 4 miroirs M1 à M4 de la cavité. Cette construction permet également d'isoler la cavité des vibrations extérieures en limitant au maximum les points de contacts avec l'enceinte. Les moteurs 50 permettent également un ajustement à distance de la cavité pendant le fonctionnement de l'accélérateur.
[0076] Les moteurs de positionnement en Z sont montés sur un support en Invar (alliage de fer 64 % et de nickel 36 %) dont le coefficient de dilatation thermique très faible (2,69 μm/°C) permet de minimiser les asservissements requis pour maintenir cette longueur constante. Avantageusement, ces pièces sont réalisés dans une même pièce mécanique pour minimiser le nombre d'assemblages. Par ailleurs, les pièces sont volontairement massives pour augmenter leur inertie et limiter la propagation des vibrations.
[0077] II est à noter que la longueur de la cavité, notée LcAV, est égale à la distance parcourue par le laser entre les 4 miroirs, soit de 1679,5 mm.
Description de l'élément de support de miroir avec PZT
[0078] Afin d'obtenir un asservissement entre la longueur de la cavité et la distance entre 2 paquets d'électrons, il est nécessaire de réaliser un déplacement sur son axe optique de la lentille d'au moins un des miroirs plans M1 ou M2. Pour des miroirs M1 ou M2 présentant un diamètre de 25.4mm et d'une épaisseur de 6mm, le déplacement à réaliser est de quelques centaines de nanomètres à des fréquences de quelques centaines de Hertz. [0079] La figure 10 illustre deux vues en perspective, dont une vue éclatée, d'un exemple de réalisation d'un élément de support 82 de miroir plan M1 ; M2 comportant un actuateur piézoélectrique 84.
[0080] De façon avantageuse, cet élément de support 82 comporte ainsi successivement, un élément de support arrière 86, l'actuateur piézoélectrique 84, un bague de précontrainte 88 de I' actuateur piézoélectrique 84, un miroir plan M1 ; M2 et une bague ressort 90.
[0081] II est avantageux d'incorporer l'actuateur piézoélectrique 84 sur les moyens de maintien et de positionnement SM1 ; SM2 de ce miroir plan M1 ; M2 afin de gérer, avec la précision requise, le déplacement du miroir plan M1 ; M2 selon l'axe optique de la lentille.
[0082] En outre, la bague ressort 90 présente des caractéristiques mécaniques lui permettant de se déformer quand les trois vis de fixation sont serrées. Un calcul mécanique précis permet d'appliquer sur le miroir, quand le serrage est maximal (ce qui évite par ailleurs le desserrage), un effort de maintien déterminé, lié à la géométrie des parties souples et à l'épaisseur du miroir.
[0083] Pour obtenir la précontrainte sur l'actuateur piézoélectrique 84, le même principe est utilisé, faisant intervenir cette fois la bague de précontrainte 88 et le support arrière 86. Le miroir plan M1 ; M2 est fixé sur l'avant de la bague de précontrainte 88 et le support arrière 86 permet également la fixation de l'élément de support 82 sur l'organe d'orientation du miroir M1 ; M2.
[0084] Une telle configuration est avantageuse dans la mesure où la fixation du miroir M1 ; M2 est ferme de sorte qu'il suive parfaitement le mouvement, mais sans force de contrainte trop importante pour éviter des phénomènes optiques de biréfringence. Elle permet également d'intégrer l'élément de support 82 sur l'élément d'orientation 48 du miroir tout en minimisant le poids des pièces en mouvement afin de pouvoir atteindre les fréquences et amplitudes souhaitées.
[0085] L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Par exemple, la cavité pourrait être utilisée pour d'autre largeur temporelles, jusqu'à la femtoseconde.

Claims

REVENDICATIONS
1. Cavité optique (40) amplificatrice de type FABBRY-PÉROT pour la production de rayons X monochromatiques par réaction COMPTON d'un faisceau laser (12) puisé picoseconde à haute cadence avec un faisceau d'électrons synchronisé, la cavité présentant une enceinte fermée (42) apte à être placée sous vide, traversée par un tube à faisceau d'électrons (46), l'enceinte (42) comportant des moyens d'entrée du faisceau laser, des moyens de maintien et de positionnement de deux réflecteurs optiques plans (M1 et M2), des moyens de maintien et de positionnement de deux réflecteurs optiques sphériques (M3 ; M4) aptes à focaliser le faisceau laser (12) au niveau d'un point d'interaction avec le faisceau d'électrons, caractérisé en ce que les moyens de maintien et de positionnement des réflecteurs optiques (M1 à M4) sont agencés de sorte que lesdits réflecteurs optiques (M1 à M4) définissent sensiblement les sommets d'un tétraèdre.
2. Cavité optique (40) amplificatrice selon la revendication 1 , dans laquelle les moyens de maintien et de positionnement des deux réflecteurs optiques sphériques (M3, M4) présentent deux dégagements complémentaires, agencées de sorte à définir une travée pour le passage du tube à faisceau d'électrons (46).
3. Cavité optique (40) amplificatrice selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans laquelle les moyens de maintien et de positionnement d'au moins un réflecteur optique (M1 à M4) comportent un organe d'orientation (60) dudit réflecteur (M1 E M4) confectionné en une pièce mécanique unique, composée d'au moins trois parties distinctes (60a, 60, 60c), mobiles les unes par rapport aux autres par l'intermédiaire d'articulations flexibles (64).
4. Cavité optique (40) amplificatrice selon la revendication 3, dans laquelle les trois parties distinctes (60a, 60b, 60c) de l'organe d'orientation (60) présentent une mobilité autour de deux axes de rotation concourants en un point sensiblement confondus avec le centre optique du réflecteur (M1 à M4).
5. Cavité optique (40) amplificatrice selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle les moyens de maintien et de positionnement des réflecteurs optiques (M1 à M4) sont actionnés par des moteurs électriques linéaires (50) encapsulés dans une enceinte étanche (52) d'acier inoxydable prolongée par un soufflet (54).
6. Cavité optique amplificatrice selon la revendication 5, dans laquelle les moteurs électriques linéaires (50) sont maintenus en contact permanent vis à vis des moyens de maintien et de positionnement des réflecteurs optiques par le biais d'un élément ressort (56) générant une force de rappel.
7. Cavité optique amplificatrice selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle les moyens de maintien et de positionnement d'au moins un réflecteur optique (M1 à M4) présentent une table de translation (70) selon un axe Z, le table de translation (70) supportant deux moteurs linéaires aptes à actionner l'organe d'orientation (60) du réflecteur (M1 à M4).
8. Cavité optique (40) amplificatrice selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle les moyens de maintien et de positionnement d'au moins un réflecteur optique (M1 à M4) comportent un actuateur piézoélectrique (84) orienté selon la direction de l'axe optique du réflecteur et maintenu en position par l'intermédiaire d'une bague ressort (90).
9. Cavité amplificatrice selon l'une des revendications 1 à 8, dans laquelle l'ensemble des moyens de maintien et de positionnement des réflecteurs optiques sont positionnés sur un support principal (80), ledit support principal (80) étant la seule pièce en contact avec l'enceinte fermée (42).
10. Système de production de rayons X monochromatiques par réaction
COMPTON, comportant une cavité optique (40) amplificatrice selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
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