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Accompagnement spécifique des travaux de recherches et d’innovation Défense (ASTRID)
Edition 2012


ILOOP


Optimisation optique de lasers intenses pour la propagation

ILOOP
Optimisation optique de lasers intenses pour la propagation

Enjeux et objectifs
Traditionnellement les faisceaux lasers intenses en fin de chaine, après compression, ont une distribution en amplitude de type gaussienne ou super-gaussienne sans que cela soit déterminé et une phase spatiale soit quasi-plane, si un miroir déformable est implanté, soit aberrante si ce n’est pas le cas. Ainsi les conditions de propagation du faisceau intense ne sont pas contrôlées mais simplement dictées par les formes de l’amplitude et de la phase. Que l’on cherche à maximiser la fluence laser du faisceau focalisé sur une cible à distante ou à optimiser l’interaction et la position d’un ensemble de filaments de plasma, le meilleur moyen pour y parvenir consiste à contrôler l’amplitude et la phase initiale du faisceau laser avant propagation. Or il nous semble maintenant tout à fait intéressant et possible de pouvoir contrôler complètement l’amplitude et la phase après la compression par une mise en forme à l’aide d’optiques adaptatives multi-conjuguées, ce qui dans notre cas sera deux miroirs déformables positionnés dans des plans adéquats et piloter par un senseur de front d’onde basé sur le principe de la diversité de phase.
Acronyme du projet : ILOOP
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Il sera ainsi possible de réaliser un faisceau annulaire dont la propagation est contrôlée ou bien de réaliser un faisceau présentant des modulations importantes en amplitude afin de générer par exemple un réseau de filaments d’espacement contrôlé. Des études liées à ces utilisations semblent tout à fait pertinentes pour les applications DGA. Le contrôle dans le domaine spatial de l’amplitude et de la phase est aussi très intéressant lors de la focalisation des lasers intenses, de type multi-pétawatts en physique des plasmas. Cela permettra de maximiser l’éclairement lors de l’interaction et donc de tirer profit au maximum du laser intense.

Méthodes
ILOOP s’articulera autour de deux tâches.
1.Réalisation de miroirs femtoseconde à haute tenue au flux :
Seront développer des miroirs (~1 J/cm²) pour des impulsions de 10 à 15 fs permettant le transport de faisceau après compression. Actuellement de tels miroirs n’existent pas.
Cette tâche s’étalera sur toute la durée du projet avec des itérations successives au fil des « runs » de traitements et de la fourniture de composants test. Cette tâche est divisée en 4 sous-tâches.
Elle débutera par l’étude de design du miroir. Des prototypes de miroirs seront ensuite réalisés et caractérisés en tenue au flux mais aussi en dispersion de vitesse de groupe. Ces deux actions représentent les deux autres sous-tâches de cette tâche.
2.Boucle d’optique adaptative multi-conjuguée :
Le déroulement des activités envisagé concernant l’OAMC est le suivant.
Nous mènerons en premier lieu une phase de caractérisation des perturbations:
A partir de ces mesures, du besoin en termes de correction et de mise en forme du faisceau laser ainsi que des composants disponibles (miroirs déformables), le système d’OAMC sera défini. Pour cela, le modèle direct décrivant la propagation et la correction par un ou plusieurs miroirs déformables sera mis en œuvre. A partir de ce modèle, un algorithme sera développé pour l’inversion de ce problème,
Ces outils permettront alors de mener la phase de dimensionnement en étudiant l’influence des paramètres de la correction, de l’erreur de mesure et des perturbations à corriger sur la qualité du faisceau mis en forme.
L’implantation opto-mécanique sur le laser sera étudiée et le senseur sera réalisé.
Ces dimensionnements seront utilisés pour réaliser et intégrer l’OAMC sur le laser du projet.
Les deux tâches scientifiques du projet (miroirs et optique adaptative) alimente les modifications du faisceau laser au cours de l’avancée selon les jalons définis par les sous-tâches.
Toutes les actions renseignent la tâche de coordination du projet.

Résultats

Pas de résultats à l'heure actuelle

Perspectives

Le principal objectif du projet ILOOP est de pouvoir totalement contrôler le profil du faisceau dans le plan d'intérêt.

Productions scientifiques et brevets

Aucune pour le moment

Partenaires

CNRS Laboratoire d'Optique Appliquée

ONERA Département Optique Théorique et Appliquée

SAGEM-REOSC SAGEM REOSC

Aide de l'ANR 253 985 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2013 - 24 mois

Résumé de soumission

Le projet ILOOP a pour objectif l’optimisation des caractéristiques de propagation d’un laser femtoseconde par l’utilisation d’une part de miroirs femtoseconde à haute tenue au flux et d’autre part d’optiques adaptatives multi-conjuguées reliées à un senseur de surface d’onde par diversité de phase. Cette optimisation vise à terme des applications pour la génération de manière contrôlée de multi-filaments et à l’éblouissement de cibles. Il s’inscrit dans le thème 5 du présent appel d’offre et plus particulièrement dans le sous-thème 2.5.2. Cette optimisation est menée suivant deux axes s’inscrivant eux dans le sous-thème 2.5.3. Les applications concernées par ce projet concernent aussi bien le secteur civil que militaire. , parmi lesquelles on peut mentionner l’accélération de particules, la génération de sources de rayonnement X intense, la contre-mesure optronique ou le guidage de forts courants par filamentation laser.
Les sources laser intenses ont connues de nombreux développements depuis le début des années 90, ceci dans le but d’accroître les puissances crêtes. D’importants progrès ont également été faits vers des puissances moyennes de plus en plus élevées. Des développements continuent notamment pour les systèmes tels que le programme ILE-Apollon en France. Les différents piliers européens des programmes ELI en République Tchèque, en Roumanie et en Hongrie sont en phase de construction et visent des puissances crêtes de 10 PW avec des durées d’impulsions de 15 femtosecondes et une énergie de 150 joules. Ces lasers sont au maximum de l’état de l’art mais bien d’autres systèmes de moindre puissance sont aujourd’hui en construction soit par les institutions elles mêmes soit achetés à des entreprises que sont Amplitude Technologies Thales. Une exigence commune à tous ces systèmes est d’atteindre le plus fort éclairement dans le plan d’intérêt, avec des applications tant du coté civil que militaire.
Pour atteindre ces exigences, ces sources laser intenses requièrent des composants optiques de grande qualité (réflectivité, planéité et seuil d’endommagement) et aussi de grandes dimensions.
La qualité spatiale du faisceau, tant en propagation qu’en focalisation, essentielle pour atteindre les densités de flux recherchées, est quant à elle améliorée grâce à l’utilisation d’optiques adaptatives.
L’analyse de l’état de l’art sur ces deux éléments montre que des améliorations substantielles des performances des lasers peuvent être envisagées. Le projet ILOOP va s'y attacher :
- en développant des miroirs à réflexion maximale qui présenteront un seuil d’endommagement élevé afin d’assurer le transport des impulsions recomprimées tout en réduisant les dimensions de faisceau. Le partenaire pour ce développement est SAGEM-REOSC. Il s’agit pour des raisons stratégiques évidentes de disposer d’un fournisseur français de miroirs compatibles avec les impulsions femtosecondes. Ces compétences font cruellement défaut en France aujourd’hui, obligeant les leaders français du domaine, Amplitude Technologies et Thales à s’approvisionner à l’étranger. Dans le cadre de ce projet SAGEM-REOSC entend développer les savoirs faire pour se positionner en tant que fournisseur français sur ce marché stratégique.
- en intégrant sur un laser femtoseconde une Optique Adaptative Multi-Conjuguée (OAMC) couplée à un nouveau senseur de front d’onde basé sur la diversité de phase pour contrôler à la fois l’amplitude et la phase spatiale. Le partenaire pour l’implantation de cette boucle est l’équipe Haute Résolution Angulaire (HRA) du Département d’Optique Théorique et Appliquée (DOTA) de l’ONERA qui dispose d’un savoir faire reconnu dans le dimensionnement et la mise en œuvre des optiques adaptatives. Le recours à deux miroirs déformables placés dans deux plans appropriés permettra une mise en forme dynamique du faisceau de façon à optimiser ses propriétés de propagation (mise en forme annulaire ou en top-hat) mais aussi de focalisation.

 

Programme ANR : Accompagnement spécifique des travaux de recherches et d’innovation Défense (ASTRID) 2012

Référence projet : ANR-12-ASTR-0008

Coordinateur du projet :
Monsieur Gilles CHÉRIAUX (Laboratoire d'Optique Appliquée)
gilles.cheriaux@nullensta-paristech.fr

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.