Utilisation d’un miroir d´eformable

Nous disposons d’un miroir d´eformable ILAO Star de Imagine Optic permettant de modifier le front d’onde d’un faisceau laser se r´efl´echissant `a sa surface. Ce miroir est compos´e de 19 actuateurs, r´epartis sur une surface de 22 mm de diam`etre. Chaque actuateur peut pousser ou tirer la fine membrane r´efl´echissante avec une force maximale de ±5 N, r´esultant en une d´eformation locale de la surface d’environ 20 µm PV et 5 µm RMS.

Pour tester la plus-value qu’apporterait une correction du front d’onde `a notre syst`eme, nous avons plac´e un miroir d´eformable dans la ligne d’injection d’une cavit´e optique deux miroirs. Le sch´ema optique est repr´esent´e sur la Fig. 5.16.

Figure 5.16: Sch´ema optique de l’utilisation d’un miroir d´eformable dans la ligne d’injection d’une cavit´e deux miroirs.

Le faisceau laser continu produit par notre oscillateur NKT Koheras passe dans un t´elescope x4 pour arriver avec une taille suffisante sur le miroir d´eformable. Le faisceau r´efl´echi passe par un second t´elescope pour l’adaptation au mode transverse 00 de la cavit´e optique. La cavit´e est compos´ee de deux miroirs de faible r´eflectivit´e, dont la basse finesse permet un asservissement ais´e

5.4. Optimisation exp´erimentale du couplage spatial

et stable. L’oscillateur est asservi en fr´equence par la m´ethode PDH, voir Chap. 3 Sec. 3.4.1 et la variation de puissance stock´ee est mesur´ee par la photodiode (PD) en transmission. Le miroir d´eformable est utilis´e de mani`ere aveugle, en utilisant un algorithme tr`es simple : on bouge l’un des actuateurs, si la puissance diminue on bouge ce mˆeme actuateur dans l’autre sens jusqu’`a ce que la puissance diminue `a nouveau puis on change d’actuateur. Un des r´esultats apr`es 50 it´erations est donn´e sur la Fig. 5.17. On voit que la puissance stock´ee a presque doubl´e, avant de se stabiliser rapidement.

Figure 5.17: Signal observ´e en transmission de la cavit´e optique en fonction du nombre d’it´erations du miroir d´eformable.

Il est difficile d’associer cette augmentation `a la correction du front d’onde uniquement car la puissance stock´ee peut augmenter si le miroir d´eformable am´eliore l’alignement du faisceau incident. Nous pensons qu’un meilleur d´ecouplage des deux contributions est possible si le faisceau laser arrive en incidence normal sur le miroir d´eformable. En outre la puissance mesur´ee `a la photodiode fluctue beaucoup, rendant difficile la reproductibilit´e des r´esultats. Nous attribuons ces fluctuations au fait que la cavit´e optique ne soit pas sous vide.

Une ´etude des d´eformations m´ecaniques induites par les actuateurs sur la membrane du miroir d´eformable a ´et´e effectu´ee sur ANSYS pour mieux comprendre son fonctionnement. Nous en avons d´eduit qu’il n’est pas possible de bouger les actuateurs ind´ependamment les uns des autres. En effet ceux-ci sont coll´es `a la membrane et le mouvement de l’un d’entre eux entraˆıne

Chapitre 5. Couplage spatial

n´ecessairement le mouvement des actuateurs adjacents. Nous avons alors boug´e les actuateurs de mani`ere plus coordonn´ee lors de nos exp´eriences, sans observer d’am´elioration significative. Finalement nous avons impl´ement´e les valeurs `a appliquer `a chaque actuateur pour d´ecrire les six premiers modes de Zernike [184]. Cela permet de r´eduire le nombre de degr´es de libert´e et faire tourner l’algorithme plus rapidement. Une nouvelle fois, nous n’avons pas observ´e d’am´elioration. Il apparaˆıt donc tr`es difficile d’am´eliorer dynamiquement le couplage spatial du faisceau incident au mode propre de la cavit´e avec ce syst`eme. Le miroir d´eformable devrait n´eanmoins `a terme ˆetre install´e sur ThomX pour corriger les aberrations et ”nettoyer” le faisceau incident. Cela n´ecessiterait peut-ˆetre l’utilisation d’un second miroir d´eformable, comme explicit´e dans la Ref. [185]. Cette ´etude n’a pas ´et´e faite pour l’instant pour ThomX car les couplages obtenus avec les t´elescopes sont excellents (> 80 %), mˆeme `a haute puissance, voir Sec. 6.3.3.

5.5 R´esum´e du chapitre

Dans ce chapitre, nous avons d´efini le couplage spatial sous forme d’une int´egrale de recouvrement entre deux champs laser. Nous avons trouv´e une forme analytique compacte de cette int´egrale dans un cas assez g´en´eral, correspondant au recouvrement entre n’importe quel mode d’Hermite-Gauss avec un faisceau incident d´esax´e, d´esalign´e, de taille et de position de waist diff´erente. L’exploitation de ce r´esultat a permis de comprendre quels modes chaque d´efaut pouvait exciter. En particulier, on retrouve le r´esultat connu que les d´efauts de waist impliquent l’excitation de modes m et n paires uniquement. L’apparition de modes impaires t´emoigne donc n´ecessairement d’un d´esalignement.

Nous avons impl´ement´e sur nos cavit´e optiques plusieurs m´ethodes exp´erimentales permettant d’am´eliorer le couplage spatial. L’utilisation de lentilles cylindriques tout d’abord, a permis d’obtenir des couplages de plus de 80 %. Leur simplicit´e d’utilisation et leurs performances nous ont conduit `a les utiliser sur ThomX comme installation de base. L’impl´ementation d’un miroir d´eformable dans la ligne d’injection d’une de nos cavit´e optique a ´egalement ´et´e effectu´e. Ce sch´ema n’a pas cependant pas permis d’am´eliorer significativement le couplage et n’a pas donn´e de r´esultats suffisamment reproductibles lorsqu’il ´etait associ´e `a une boucle de r´etro-action. Ce miroir d´eformable pourrait n´eanmoins ˆetre utilis´e sur ThomX de mani`ere statique pour adapter le faisceau incident aux aberrations du mode intra-cavit´e `a haute puissance. Cela n´ecessiterait probablement l’installation d’un second miroir d´eformable, comme d´etaill´e dans la Ref. [185]. Enfin nous avons utilis´e des actuateurs thermiques pour modifier le rayon de courbure des miroirs et compenser les effets thermiques

5.5. R´esum´e du chapitre

intra-cavit´e. Cette ´etude a r´ev´el´e que ce syst`eme ´etait trop complexe pour des miroirs de petites tailles principalement `a cause du chauffage des montures, qui d´esaligne la cavit´e. Il faudrait utiliser des miroirs suspendus, comme pour Ligo ou Virgo, ce qui est contraire `a la mise en place d’un syst`eme optique compacte pour ThomX.

Chapitre 6

Effets thermiques et r´esultats `a

haute puissance

6.1 Introduction

La source de rayons γ Mightylaser [48] en activit´e au Japon entre 2010 et 2013, fonctionnait sur le mˆeme mod`ele que ThomX, `a savoir une cavit´e optique pour stocker la puissance laser et un anneau de stockage d’´electrons. Cette exp´erience a r´ev´el´e de nombreux probl`emes d’effets thermiques dans la cavit´e optique, en particulier au niveau des miroirs de la cavit´e qui se d´eformaient en modifiant les propri´et´es du mode intra-cavit´e, r´eduisant, entre autres, le couplage spatial et donc la puissance stock´ee. Ce chapitre a pour but de pr´esenter les mod`eles de d´eformations que nous avons utilis´es dans cette th`ese pour comprendre et anticiper ces effets thermiques. La r´eduction de ces derniers, principalement `a travers le choix du mat´eriau du substrat des miroirs de la cavit´e, ainsi que l’ensemble des connaissances d´etaill´ees dans les chapitres pr´ec´edents, nous ont permis de stocker jusqu’`a 400 kW de puissance moyenne. Ce r´esultat permet de conforter les attentes autour du projet ThomX en termes de flux, et fait de notre groupe le second au monde `a atteindre de telles valeurs, apr`es les auteurs de la Ref. [1]. Ces derniers ont utilis´e un faisceau laser incident de 340 W et une cavit´e de finesse 4000 pour stocker 670 kW. A l’inverse nous avons utilis´e un faisceau laser de seulement 40 W dans une cavit´e optique de finesse 24000. Ce dernier choix technologique est bien moins coˆuteux mais n´ecessite une R& D pouss´ee car personne au monde n’utilise des cavit´es de si haute finesse pour stocker de la puissance. Ces cavit´es sont en effet habituellement utilis´ees pour stabiliser en fr´equence un oscillateur laser. Ce chapitre d´etaille les conditions de l’exp´erience et les pr´e-requis au stockage de forte puissance moyenne. Une analyse des r´esultats et de l’´evolution du mode intra-cavit´e est effectu´ee grˆace aux diagnostiques mis en place.

Chapitre 6. Effets thermiques et r´esultats `a haute puissance