FR2896794A1

FR2896794A1 - Procede et dispositif de traitement preventif d'une surface optique exposee a un flux laser

Info

Publication number: FR2896794A1
Application number: FR0650302A
Authority: FR
Inventors: Philippe Bouchut; Jean Guillaume Coutard; Anne Lise During
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2007-08-03
Anticipated expiration: 2026-01-27
Also published as: FR2896794B1; EP1976661A2; US20090188899A1; WO2007085744A3; WO2007085744A2

Abstract

Le dispositif de traitement préventif d'une surface optique (4) exposée à un flux laser, comprend une source d'excitation thermique (1) pour réaliser un recuit thermique de ladite surface à traiter. Le dispositif comprend en outre un organe (5) pour mesurer en temps réel lors dudit recuit thermique une première grandeur représentative de la surface optique à traiter (4) et un organe (2, 3, 6) pour modifier une seconde grandeur représentative de la source d'excitation (1) quand la première grandeur a atteint une consigne (NC) choisie au préalable.

Description

La présente invention se rapporte au traitement préventif d'une surface

optique 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, 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 de ladite surface à traiter. Selon une définition générale de l'invention, le dispositif comprend en outre un organe pour mesurer en temps réel lors dudit recuit thermique une première grandeur représentative de la surface optique à traiter et un organe pour modifier une seconde grandeur représentative de la source d'excitation quand la première grandeur a atteint une consigne choisie au préalable. Un tel dispositif a l'avantage d'imposer une modification à une grandeur représentative de la source d'excitation en fonction d'une grandeur représentative de la surface optique à traiter, 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. En pratique, la grandeur représentative de la source d'excitation est la puissance linéique de la source d'excitation. Selon une réalisation, la source d'excitation est un laser 002 continu. Selon une autre réalisation, la mesure de la première grandeur représentative de la surface optique à traiter est de type thermoluminescence. Par 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, dans lequel le traitement comprend une étape de recuit thermique de ladite surface à traiter à l'aide d'une source d'excitation thermique.

Selon un autre aspect de l'invention, on mesure en temps réel lors dudit recuit thermique une grandeur représentative de la surface optique à traiter et on modifie une seconde grandeur représentative de la source d'excitation thermique quand la première grandeur a atteint une consigne choisie au préalable.

En pratique, la modification consiste en une variation de la puissance linéique d'excitation. D'autres 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 ; 3 - 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 sur une grandeur représentative de la source d'excitation, lorsqu'une grandeur représentative de la surface à traiter atteint une consigne contrôlée en temps réel lors du recuit thermique de la surface à traiter. En pratique, la grandeur représentative de la surface optique à traiter est la puissance linéique de la source d'excitation. 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 AT au centre d'un faisceau laser de puissance linéique P,, sur un site de conductivité thermique apparente C est AT . Le Demandeur a observé que la conductivité thermique apparente 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 AT si la puissance linéique P, est prédéfinie et constante. Cependant, le Demandeur a observé qu'il est possible d'atteindre la consigne AT 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 temps réel de la thermoluminescence permet d'établir une ou des valeurs de consigne NC pour lesquelles il y a modification de la puissance linéique P, d'excitation. En référence à la figure 1, on a représenté l'enchaînement de plusieurs modifications 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 P, (tronçon de la courbe TO). Synchronisé à cette ouverture, le rayon caractéristique du faisceau laser d'excitation sur le composant optique, diminue, ce qui, à puissance laser fixe, provoque l'augmentation de puissance linéique et la montée en température du site. La réduction du rayon caractéristique s'arrête quand le niveau de consigne de thermoluminescence NC = 1 est atteint (tronçon de la courbe Ti). A ce niveau de consigne NC = 1, il y a un temps de latence où la puissance linéique n'évolue pas (tronçon de la courbe T2). Puis, la puissance linéique décroît par diminution de la puissance laser, en gardant le rayon caractéristique fixe, ce qui provoque la diminution de 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 ce qui permet à la température de revenir à la température ambiante à plus grande vitesse (tronçon de la courbe T4).

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, la puissance linéique est modifiée lorsque la thermoluminescence contrôlée en temps réel lors du recuit thermique atteint une valeur de consigne NC choisie.

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 d'absorption. En pratique, la variation de la puissance linéique permet d'atteindre 5 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 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 l'adaptabilité 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 puissance linéique est susceptible d'avoir lieu. Il peut même y avoir des paliers ou des temps de latence. 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 ou ensemble pour adapter la variation de puissance linéique. 6 Le Demandeur a également observé que lorsque le procédé est limité à un seul niveau de consigne de thermoluminescence NC, correspondant à une température supérieure au point de ramollissement d'un matériau amorphe, le procédé selon l'invention conduit à une meilleure reproductibilité de la profondeur de gravure dans le matériau. 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. 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, la consigne de thermoluminescence est NC = 5 u.a (unité arbitraire), la profondeur de gravure réalisée est 9,8 pm 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.Delrive, D.Decruppe, P.Garrec, Proc.of SPIE vol 5273, p250-257 (2004), dans lequel le recuit des sites 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 à chaque site conforme à l'invention permet de réduire la dispersion de profondeur de gravure. Par exemple, 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 d'excitation évolue de façon proportionnellement inverse mais le temps caractéristique d'interaction évolue

quadratiquement car z o- où D est la diffusivité thermique du matériau. La D

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 oeuvre le procédé préventif selon l'invention.

Par exemple, un laser CO2 continu 1 est la source d'excitation pour opérer le recuit thermique. La longueur d'onde d'émission du laser 1 est par exemple 10,59 pm 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 pm 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.

8 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'l 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. Le dispositif mettant en oeuvre l'invention comprend en outre un dispositif de contrôle et de stabilité de la puissance du laser 2. Le dispositif 2 comprend 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 à une consigne NC et donc de faire varier la puissance linéique appliqué au site à recuire. Le dispositif 2 peut aussi être complété par un obturateur qui laisse ou non passer le faisceau laser et un mesureur de puissance laser qui permet de vérifier que la consigne de puissance NC est bien atteinte. 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. Le dispositif mettant en oeuvre l'invention comprend en outre 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 en test. 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 9 sont des matériaux sur lesquels le procédé conforme à l'invention peut être adapté. Un dispositif de photométrie 5 est prévu pour recueillir les photons émis par la zone thermoluminescente. 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 pm et la détection peut être dans la gamme de transparence de la silice c'est-à-dire entre 0,2 et 4 pm 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 qu'à la résolution spatiale du capteur de photométrie. La variation de la puissance linéique de recuit est ici assurée par deux moteurs 6. 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, 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 en translatant la lentille de focalisation 3. 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 de ladite surface à traiter (4), caractérisé en ce qu'il comprend en outre un organe (5) pour mesurer en temps réel lors dudit recuit thermique une première grandeur représentative de la surface optique à traiter (4) et un organe (2, 3, 6) pour modifier une seconde grandeur représentative de la source d'excitation (1) quand la première grandeur a atteint une consigne (NC) choisie au préalable.

2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la seconde grandeur est la puissance linéique d'excitation.

3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la source d'excitation (1) est un laser CO2 continu.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la mesure de la première grandeur est de type thermoluminescence.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau de la surface optique à traiter (4) est de la silice

6. 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 de ladite surface à traiter 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 surface optique à traiter (4) et en ce qu'on modifie une seconde grandeur représentative de la source d'excitation (1)thermique quand la première grandeur a atteint une consigne (NO) choisie au préalable.

7. Procédé de traitement préventif d'une surface optique selon la 5 revendication 6, dans lequel la modification consiste en une variation de la puissance linéique d'excitation.