Le diagnostic VISAR

Le VISAR, acronyme pour Velocity Interferometer System for Any Reflector, est un diag- nostic optique usuellement utilisé pour des mesures de vitesse de surfaces réfléchissantes. Dans toutes nos expériences, nous utiliserons des fenêtres transparentes (plastique ou diamant) en face arrière des différents échantillons. Cette surface réfléchissante correspondra alors à la surface du choc qui métallise ces matériaux transparents, permettant ainsi un accès direct à la vitesse de choc.

Ce diagnostic est composé d’un interféromètre de Mach-Zehnder dans lequel on a introduit un étalon permettant de retarder l’un des deux bras par rapport à l’autre. Ce retard, essentiel dans ce système, permet, lorsque l’on fait réfléchir un faisceau sonde sur une surface en mouvement, de remonter à la vitesse de cette surface par exploitation de l’effet Doppler [40, 70]. Pour plus de clarté, étudions plus en détail le fonctionnement de ce diagnostic, dont le schéma de principe est représenté sur la figure 1.1.4.1.

Le faisceau sonde, qui est réfléchi sur la cible, est séparé en deux faisceaux à l’entrée de l’interféromètre grâce à une première lame séparatrice S1, le premier faisceau étant envoyé sur le miroir M1, l’autre sur le miroir M2, miroir qui est précédé de l’étalon d’épaisseur e et d’indice n. Précisons que ce dernier miroir est monté sur une translation piézo-électrique de manière à ajuster finement la différence de chemin optique entre les deux bras.

Comme le retard t entre les deux bras de l’interféromètre introduit par l’étalon est dû à la fois à la différence d’indice entre l’étalon et l’air et à la réfraction entrainant un effet piscine, en considérant un aller-retour du faisceau sonde dans l’étalon, on peut écrire :

⌧ = 2e c (n 1) + 2e c (1 1 n) = 2e c (n 1 n) (1.22)

où l’on a considéré un indice n constant. Néanmoins, cet indice est fonction de la longueur d’onde et, en supposant qu’il varie linéairement par rapport à celle-ci, peut être écrit sous la forme :

n( ) = n0+dn

Figure 1.11: Schéma de principe de la mesure de la vitesse d’une surface réfléchissante avec un diagnostic VISAR. Un faisceau sonde est transporté jusqu’à la cible, où il est réfléchi par une surface en mouvement, ici au niveau du front de choc. Sa réflexion est transportée par un système optique, séparée dans un interféromètre de type Mach-Zehnder dont un des bras possède un étalon, recombinée et focalisée en face arrière de la deuxième séparatrice de ce dernier. Une dernière lentille permet de faire l’image de cette séparatrice, et donc de la figure d’interférence, sur une caméra à balayage de fente qui possède une résolution temporelle. Lorsque la surface réfléchissante entre en mouvement, les franges d’interférence se déplacent dû à l’effet Doppler et leur mouvement est enregistré par la caméra. Lors de chaque expérience, le système optique (grandissement, transport et vignettage) a été conçu afin de maximiser la détection de signal et calculé à l’aide du logiciel de conception optique OSLO.

Dans le cas où le faisceau sonde se réfléchit sur une surface immobile, l’interférogramme ne varie pas. Il est constitué de franges rectilignes d’interfrange i=l/sin(a) si l’on a pris soin de tourner légèrement la séparatrice de sortie d’un angle a de manière à se retrouver avec un interféromètre en configuration coin d’air. En revanche, lorsque la surface sondée est en mouvement, ces franges évoluent au cours du temps du fait de l’effet Doppler, qui introduit un changement de fréquence du faisceau sonde :

(t) = 0

1 v(t)_c

1 +v(t)_c (1.24)

avec v(t) la vitesse de la surface réfléchissante, c la vitesse de la lumière et l0 la longueur d’onde

Ainsi, en faisant l’hypothèse d’une vitesse non-relativiste (v(t) <‌< c) et en introduisant la notation de Barker et al. [18, 19], d, on obtient la nouvelle expression du retard :

⌧ = ⌧0+ 2⌧0 v(t) c (1.25) avec = 0n0 n2 0 1 dn d et ⌧0= 2en(n0 n01 )

Par une étude plus poussée développée par Goosman et al. [70], on peut également obtenir l’expression de la phase ' de l’intensité lumineuse à la sortie du VISAR en fonction du temps, qui est nulle avant que la surface ne se mette en mouvement, ainsi que le déplacement en nombre de franges, F :

F = ' 2⇡ =

2(1 + )⌧0v(t)

0 (1.26)

De manière pratique, pour les expériences, on définit la sensibilité du VISAR, s’exprimant habituellement en km.s-1_.frange-1_{, par :}

S = 0

2(1 + )⌧0 (1.27)

On obtient alors de manière simple la vitesse de la surface réfléchissante dans le vide :

vvide(t) = S.F (t) (1.28)

Notons également que si le choc se propage dans un milieu transparent tel que le plastique, et donc que la vitesse est mesurée à travers ce milieu d’indice n, cet indice doit être pris en compte et la vitesse s’exprime alors :

vn(t) =

F.S(t)

n (1.29)

D’autre part, lors de l’analyse des interférogrammes enregistrés à la sortie du Mach Zehnder par une caméra à balayage de fente, seul le décalage correspondant à une fraction de frange peut être mesuré. Pour lever l’ambigüité sur le nombre entier de franges décalées, il est alors nécessaire d’utiliser en parallèle deux dispositifs VISAR, avec des étalons aux sensibilités distinctes, c’est-à- dire d’épaisseurs différentes lorsqu’on utilise, comme dans notre cas, un matériau étalon identique. Le diagnostic VISAR permet ainsi de suivre temporellement la vitesse instantanée du choc dans des matériaux transparents métallisés par ce dernier. Il permet également de fournir en parallèle une information sur la réflectivité des surfaces réfléchissantes étudiées. Il suffit pour cela d’étudier la luminosité des franges au cours du temps. Cette dernière propriété permet en outre de pouvoir mesurer des vitesses moyennes du choc dans certains matériaux transparents même si ce choc est trop faible pour permettre leur métallisation et suffisamment fort pour le rendre transparent. En effet, imaginons le cas d’une cible constituée d’un matériau métallique suivi d’une

fenêtre transparente, cas que l’on retrouvera notamment lors de nos études sur le fer. La luminosité des franges pourra être reliée au métal jusqu’à ce que le choc débouche dans la fenêtre, puis à la face arrière de la fenêtre jusqu’à ce que le choc débouche dans le vide. Les franges disparaîtront ensuite. Le diagnostic VISAR donnera donc accès au temps de transit du choc dans la fenêtre et par conséquent à la vitesse moyenne de ce choc dans cette dernière partie de l’échantillon.

Cette dernière information peut également être obtenue à l’aide d’un autre diagnostic optique que nous avons couplé lors de chaque expérience au diagnostic VISAR de manière à avoir deux informations indépendantes et vérifier la cohérence de nos mesures : il s’agit du diagnostic d’émission propre, appelé également SOP.