Conception du porte-cible haute cadence

La grande difficulté du développement d’une cible d’interaction laser-matière à haute ca- dence réside dans la nécessité (1) de renouveler la surface ou le volume d’interaction à chaque tir, et (2) d’assurer à chaque impulsion laser consécutive des conditions d’interaction identiques. Dans le cas d’une interaction laser-solide, il s’agit de présenter une surface d’interaction intacte à chaque tir, présentant les mêmes caractéristiques en terme de position par rapport au point focal du laser, ainsi qu’en terme d’orientation, c’est-à-dire d’angle entre la normale à la cible et la direction du laser. La condition sur la position est la plus contraignante. En effet, pour assurer une interaction répétable, il est indispensable que l’erreur résiduelle dans le positionne- ment de la cible reste bien inférieure à la longueur de Rayleigh du laser, qui est typiquement de quelques microns pour les plus fortes focalisations (8 microns dans notre cas).

Nous avons choisi un porte-cible en rotation et translation, sur lequel est monté un substrat circulaire (dont la surface, de qualité optique, est polie à λ/20) de 14 cm de diamètre (voir Figure 3.10). La cible est placée verticalement, au point focal du laser, avec un angle choisi en fonction des conditions expérimentales souhaitées. De façon à maximiser le nombre de tirs par surface de cible, la cible est mise en rotation pendant un tour complet, les impacts laser formant ainsi un cercle, puis est translatée de telle sorte que le second cercle d’impacts soit concentrique au premier. Ce motif est reproduit sur toute la surface de la cible, donnant un

60 Le porte-cible kHz

50 µm

Figure 3.10 – Porte-cible kHz et observation au microscope des impacts laser. La distance entre les impacts est de 100 µm. On observe l’éclatement de la surface autour du point d’impact dû à la diffusion thermique après l’interaction.

nombre approximatif de tirs N = πR2_/a2, où R est le rayon de la cible et a l’écart entre deux

tirs consécutifs. Pour déterminer la distance entre les tirs, nous avons effectué des séries de tirs dans différentes conditions, et observé la taille du cratère créé par le plasma. Au vu de la plus grande surface détruite par le laser (voir Figure 3.10), nous avons choisi de laisser 100 µm entre chaque tir. Ainsi, dans nos conditions, l’utilisation de cette cible avec un système laser kHz d’énergie mJ, fournit plus de 1.5 millions de tirs par face.

Le choix d’une géométrie de cible circulaire en rotation/translation, plutôt qu’une cible rec- tangulaire translatée par exemple, se justifie par deux raisons : tout d’abord la géométrie choisie minimise l’encombrement généré dans l’enceinte, où la place est chère, lors du déplacement de la cible. Ensuite, cette configuration permet d’adopter un mouvement continu et d’éviter au maximum les phases d’accélération et de décélération, contrairement à une configuration en translation.

La Figure 3.11 schématise le mode de fonctionnement du porte cible kHz. Un axe met la cible en rotation, dont la normale à la surface est alignée à l’axe de rotation par deux pico actuateurs placés sur la partie en rotation de la cible (jaune). La rotation de cette partie est rendue possible par un roulement à bille (rouge), lequel est fixé en trait-point-plan sur un cadre fixe (violet) par trois piezomoteurs, qui permettent les alignements fins de la surface de la cible. Ce cadre est lui-même placé sur une platine de translation destinée à scanner latéralement la cible une fois qu’une rotation complète est effectuée.

Pour permettre la rotation de la cible par rapport au support, nous avons opté pour un roulement à bille axial cylindrique de haute précision (INA YRT50). Cette géométrie présente l’avantage de supporter des charges excentrées tout en limitant le mouvement résiduel angulaire à seulement une dizaine de µrad. Ce type de roulement remplit les conditions du cahier des

Moyens expérimentaux et numériques de caractérisation de l’émission 61 Partie en rotation Roulement à bille (b) (a) Partie en translation Axe de rotation Actuateurs piezo Actuateurs pico Partie fixée en trait-point-plan Cible

Figure 3.11 – Schéma de fonctionnement du porte-cible. (a) Vue de dessus, identifiant la partie en rotation (jaune), la partie fixée en trait-point-plan (rouge) et la partie en translation (violet). (b) Vue de coté.

charges : en effet, la cible sera nécessairement déportée par rapport au roulement, et nous sou- haitons, après alignement, pouvoir maintenir le mouvement résiduel en profondeur en dessous de la longueur de Rayleigh à moins de quelques microns. Le prix à payer est le haut couple de friction à appliquer pour mettre le roulement en rotation : pour cela, notre choix s’est porté sur un moteur à haut couple et haute vitesse de rotation (Mitsubishi ? ?), que nous avons du placer à l’extérieur de l’enceinte pour la dissipation de la chaleur et la minimisation des vibrations. Pour autoriser la translation du porte cible, l’axe moteur et l’axe du roulement sont découplés par deux cardans successifs, et connectés par un système de fourreau permettant le glissement axial. Ce système permet donc un positionnement libre dans l’enceinte du porte-cible par rap- port au moteur de rotation. Enfin, une platine de translation motorisée permet le scan radial de la cible. Les dessins CAO sont présentés sur la Figure 3.12.

La vitesse de rotation du porte-cible Ω est donnée par la distance entre impacts consécutifs

a, le taux de répétition du laser f et la position radiale du point focal laser par rapport au centre

de la cible R, par Ω = fa/R. La translation de la cible est définie par la distance souhaitée entre les cercles concentriques.