Résumé sur les états de surface

Dans cette section, nous avons détaillé une procédure permettant de définir des tolérances sur la qualité des surfaces optiques. Cette procédure est basée sur la méthode développée par l’expé-rience Advanced Virgo [115,116].

Dans un premier temps nous avons défini les observables optiques que nous souhaitons garantir, à savoir l’énergie encerclée E_eet la forme du profil transversal du faisceau à l’IP. Cette forme de profil est estimée par le résidu R de sa projection sur un mode gaussien. Dans un deuxième temps nous avons déterminé comment définir une optique et comment agir dessus pour en améliorer les performances. Deux descriptions principales ont été utilisées pour définir nos optiques, l’une en terme de macrostructure et l’autre en terme de microstructure. La macrostructure est décrite par la décomposition des défauts de surface en polynômes de Zernike et la microstructure est caractérisée par l’utilisation de la PSD sur les défauts de surface résiduels de l’optique. Enfin nous avons déterminé les tolérances acceptables sur l’état de surface de nos miroirs par le biais de simulations utilisant une méthode de Monte-Carlo simulant complètement le recirculateur sous Code V.

Dans ce cadre nous avons découplé les effets de chaque type de miroir (plans et paraboliques) pour en déterminer leurs tolérances. Lors de cette étude nous sommes arrivés à la conclusion qu’un tirage aléatoire de moyenne nulle des différents coefficients des polynômes de Zernike définissant la macrostructure (les principales aberrations) des miroirs des MPS est nécessaire. Ceci garantit qu’aucun effet critique d’accumulation ne puisse se produire tels que ceux rencontrés avec la courbure. Un PV inférieur à 17 nm assure les performances que nous avons fixées à moins de 10 %, pour les pertes d’énergie encerclée Eeet le résidu R non gaussien du profil du faisceau laser à l’IP. De plus nous avons constaté que la microstructure des miroirs plans n’a pas d’influence sur les performances optiques. La tolérance sur l’écart-type des défauts de surface des miroirs

3.8. Résumé de chapitre 141

paraboliques est fixée à σ_{RM S} ≤ 10 nm afin d’assurer les performances que nous souhaitons. À la fin, pour vérifier nos spécifications, nous avons pris en compte simultanément les tolérances pour les miroirs plans et paraboliques, et nous avons démontré que les performances voulues du recirculateur étaient atteintes.

Enfin à chaque étape de notre analyse nous avons comparé les résultats des observables E_e et R aux pertes réelles de TASD. La corrélation entre ces observables et la TASD relative s’est avérée très grande. Cela nous a donc confortés dans notre compréhension de la provenance des pertes de TASD, à savoir l’énergie encerclée et la forme du faisceau laser.

3.8 Résumé de chapitre

La conception d’un multipassage aussi complexe que celui d’ELI-NP-GBS, doit absolument prendre en compte tous les défauts potentiels, de la mécanique à l’optique. La difficulté prin-cipale de ce système optique est la combinaison entre les performances optiques, spatiales et temporelles. Chacune des performances requises entraîne des contraintes différentes pour abou-tir à un système sur-contraint. Dans ces conditions nous avons dû développer des éléments de simulations, d’alignement et de synchronisation pour mener à bien l’étude et la mise en route du multipassage.

Le multipassage d’ELI-NP-GBS permet de faire recirculer une impulsion laser 32 fois en la focalisant sur un point unique dans l’espace : le point d’interactions avec les électrons. Le faisceau laser à l’IP est prévu d’avoir un rayon de 28.3 µm et un angle de croisement avec les électrons de 7.54^◦.

Les contraintes spatiales et temporelles influencent directement la mécanique du système et les performances des différents moteurs. Afin d’atteindre les performances requises pour ELI-NP-GBS il est nécessaire d’avoir un alignement de l’ordre du micromètre pour la position des miroirs et du microradian pour leur orientation. Pour obtenir cet alignement on a choisi de procéder à un pré-alignement mécanique inférieur à la centaine de micromètres et à la centaine de microradians puis d’utiliser un algorithme d’alignement spécialement conçu. L’utilisation de moteurs avec une précision de positionnement inférieure à 0.5 µm pour les translations et inférieure à 0.5 µrad pour les rotations en écart-type est nécessaire pour garantir une excellente TASD relative finale.

Les contraintes optiques influencent, quant à elles, les qualités des optiques. Étant donné qu’un multipassage recycle un faisceau lumineux, une accumulation des défauts induits par les éléments optiques est observée. Avec une simulation dédiée du système, il est possible de contraindre la qualité des miroirs en fonction de leur type (miroirs plans ou concaves). Nous avons ainsi trouvé que pour les miroirs paraboliques une très haute qualité est nécessaire et que pour les miroirs plans des MPS il ne doit pas y avoir de défaut systématique. Une forte synergie est donc nécessaire entre

les polisseurs, les entreprises chargées des revêtements et les mécaniciens dans le but d’atteindre cette spécification inhabituelle.

Au moment de la rédaction de ce document, plusieurs simulations de l’alignement global du recirculateur sont en cours. Ces simulations prennent à présent en compte tous les défauts du système, de l’alignement mécanique des MPS et des différents miroirs aux états de surface en passant par la précision des moteurs. L’algorithme d’alignement considère le profil d’intensité du faisceau laser recirculant et le traitement d’image nécessaire à l’extraction de nos observables. Les résultats obtenus permettront de faire un premier ajustement de l’algorithme d’alignement.

Une propriété importante de la géométrie dragon-shape est qu’elle induit une compensation topo-logique de certains défauts tels que certaines aberrations optiques ou le dichroïsme. Cela entraîne une préservation de la polarisation du faisceau laser incident nécessaire pour des expériences de physique nucléaire.

Chapitre 4

Prototype et preuves de principes

C’est pourquoi il est dit qu’il est possible de savoir comment vaincre, mais sans nécessairement vaincre pour autant.

— Sun Tzu, L’Art de la Guerre

Nous avons détaillé, dans le chap.3, la conception du multipassage d’ELI-NP-GBS, ainsi que les méthodes d’alignement et de synchronisation de ce système. Afin de tester ces méthodes nous devons mettre en place un prototype ainsi que des expériences de faisabilité. Le prototype devra refléter au mieux la réponse du recirculateur aux désalignements.

De plus, de nouvelles contraintes imposées par la phase de fabrication nous obligent à ajuster la géométrie du recirculateur. Nous commencerons donc ce chapitre par parachever la conception du recirculateur en prenant en compte ces dernières contraintes, avant de présenter la conception du prototype. La fin de ce chapitre est consacrée au travail expérimental que j’ai effectué : l’étude et le développement de la technique de synchronisation du recirculateur d’ELI-NP-GBS.

4.1 Parachèvement de la conception du recirculateur

L’étude de fabrication du recirculateur a soulevé de nouvelles contraintes en plus de celles que nous avons considérées dans le chap. 3. Les principales contraintes proviennent des éléments optiques et de nos demandes sur leurs performances.