Correcteurs de front d onde

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1 Correcteurs de front d onde Frédéric Rooms ALPAO Mai 2009 Tel : + Tel 33 : Mail : : contact@alpao.fr ALPAO - 410, rue de la Piscine Domaine Universitaire Saint Martin d'hères France 1

2 2 Plan du cours Partie I - Introduction, Définitions, Exemples de senseurs de surface d onde, J.-C. Chanteloup (CNRS) Partie II - Les principales techniques d analyse de surface d onde utilisées en optique adaptative, J. Primot (ONERA) Partie III Correcteurs de front d onde, F. Rooms (Alpao) Partie IV - Optique adaptative appliquée aux lasers, J.-C. Chanteloup (CNRS) / B. Wattellier (Phasics) 2

3 Notes introductives Un panorama exhaustif n est pas possible en 1h30 Principales réalisations présentées Ne pas confondre les limites d une technologie avec les limites d une réalisation particulière. 3

4 Principe 3 éléments fonctionnant en boucle: Étoile lointaine un senseur pour mesurer la «qualité» un correcteur de front d onde un ordinateur faisant le lien entre le correcteur et l ordinateur Miroir déformable Lame séparatrice Signal Utile Signal d asservissement 4

5 Plan 1. Classification des différents types de correcteurs? 2. Revue de différentes méthodes de correction 3. Comment choisir son correcteur de front d onde? 4. Questions/Réponses 5

6 Classification? D après Technology Tracking, IOP 6

7 Les critères res retenus But: : introduire un déphasage d relatif entre différentes zones Transmission Lentilles Cristaux liquides Lentilles à focale variable Réflexion Miroirs déformablesd Technologie MEMS Miroirs bi-morphes Miroirs piézo zo-électriques Miroirs à actionneurs magnétiques Mise en oeuvre 7

8 Plan 1. Classification des différents types de correcteurs? 2. Revue de différentes méthodes m de correction 3. Comment choisir son correcteur de front d onde? 4. Questions/Réponses 8

9 Correcteurs en «transmission» Les faisceaux en incidence oblique sont déviés lors du changement de milieu (Snell-Descartes) Distance focale f1 Distance focale f2 n2 n2 n2 L épaisseur ou l indice de réfraction sont modulés en fonction de la consigne. 9

10 Lentilles à focale variable (transmission) Technique de l électro-mouillage (Varioptic) ARCTIC 416 de la société Varioptic D après: Simulation d électro-mouillage par S. Walker: D après 10

11 Lentilles à focale variable (transmission) Points forts compacité facilité de mise en œuvre faible consommation Points faibles focus uniquement peu de tenue à la puissance diamètre (quelques millimètres) Principales applications: téléphones portables, caméras laptop, lecteur de codes barres, etc. D après 11

12 Cristaux Liquides Modulation de la phase: ϕ = 2πn ( λ) z λ Modulation de l indice Principe: le retard dépend de l alignement du cristal liquide l alignement dans chaque zone est contrôlé par des électrodes individuelles la lumière réfléchie présente un déphasage local fonction de la tension appliquée localement Quelques spécifications de la série X10468 d Hammamatsu: 12

13 Cristaux Liquides Points forts Points faibles nombre de degrés de correction prix stabilité en boucle ouverte possibilité de contrôle dans différentes zones diffraction (surface non continue) chromaticité lent (aberration quasi-statiques) phase wrapping polarisation efficacité Motif 1 Motif 2 Motif 3 Motif 4 Vision Through a Liquid-Crystal Spatial Light Modulator, Thibos et al. Ex. d application: simulateur de vision binoculaire 13

14 Cristaux Liquides: lecteurs DVD But: ajuster la distance de focalisation sur une des deux couches. Autre: implémentation par Pioneer (Japon) Augmenter la vitesse de lecture en réduisant l influence de la non planéité des disques. Fast switching liquid crystal lenses for a dual focus digital versatile disk pickup, M. Hain et Al, Optics Communication 188 (2001) 14

15 Composants fonctionnant en réflexionr Modulation de la phase: ϕ = 2πn( λ) z( x, y) λ Modulation du profil z du miroir x Miroirs déformables: asservissement de la distance z(x,y) ou asservissement de la force en z(x,y) surface segmentée ou surface continue contrôle «modal» ou contrôle «zonal» 15

16 Miroirs bi-morphes «directs» (surface continue, contrôle «modal») bi-morphe semi-passif/mono-morphe δd = d31v d t bi-morphe parallèle bi-morphe série d 31 : coefficient piézo-électrique V: différence de potentiel électrique t: épaisseur de la plaque d: dimension latérale de la plaque D après Technology Tracking, IOP Actionneurs puissant la plaque étant généralement épaisse, il est possible de déposer un traitement de surface diélectrique multi-couches: Réflectivité élevée (>99.99%) Applications de laser intense ou ultra-rapides 16

17 Miroir mono-morphe morphe Diamètre = 98 mm Tenue au flux = 6 GW.cm -2 (testé à ~2J/cm 2 ) Actuateurs = 30+1 Revêtement diélectrique Excursion = 6 λ 17

18 18 Différents miroirs déformables bimorphes 100 mm glass mirror, YAG laser, 80 J, 100 ps 120 mm Cu mirror, 50 kw CW CO 2 laser 40 mm Cu mirror, 5 kw CW CO 2 laser 40 mm Si mirror with central hole 30 mm glass mirror, TiSa laser, 1.5 J, 100 ps IPLIT RAN Adaptive Optics for Industrial & Medical Applications Group Ag coated glass mirror, TiSa laser, 1.5 mj, 5fs 40 mm pure PZT mirror 18 Transparent fourni par M. Chanteloup.

19 Miroirs déformables d bi-morphes Points forts Points faibles qualité optique (pas de phénomènes d empreintes) traitement diélectriques multi-couches possibilité de refroidir par eau connu depuis 30 ans répandu dans la communauté «laseriste» stabilité en boucle ouverte (creeping) d ε Creeping: = dt C σ d dérive en boucle ouverte taille haute tension non linéarité b m e Qt kt 19

20 Miroirs piézo zo-électriques (contrôle «zonal»,, actionneur de position) Stack Array Mirror: δz = N d * V * 33 Photographie (d après site web Cilas) Principe (d après Cilas) Distance entre deux actionneurs: 3 à 5mm Même phénomène de creeeping (céramique PZT) Course maximale: ~10µm Nombre actionneurs: ~50 à ~4000 Face arrière du SAM 349 de Xinetics 20

21 Miroirs électrostatiques (contrôle «zonal»,, actionneur de force) Force proportionnelle au carré de la tension: F ~ V² δz ~ V² Une recherche sur Google de «principle of mems mirror» indique réponses Un principe et une réalisation (d après Technology Tracking) Seul un exemple illustratif sera présenté. 21

22 Un exemple de fabrication Réalisation en salle blanche: potentiellement bas coût si applications de volume Exemple de réalisation: «Optical MEMS for adaptive optics applications», Y-A. Peter et Al. 22

23 Limite importante: course Dans de nombreuses applications, la course est trop faible. En conséquence, les qualités des MEMS (compacité, nombre d actionneurs) sont mariées aux qualités d un autre miroir ayant de grandes courses. Exemple: MEMS Boston Micromachine ALPAO dm52 «Derivation and experimental evaluation of a pointspread-function reconstruction from a dual-defomablemirror adaptive optics system», Keskin et Al, Optical Engineering 47(4),

24 Miroirs déformables d électrostatiques Points forts Points faibles coût compacité nombre d actionneurs vitesse course faible diffraction (si surface non continue) diamètre limité non linéarité 24

25 Miroirs à actionneurs magnétiques (contrôle «zonal»,, actionneur de force) 15mm Membrane continue (avec traitement de surface) Hi-Speed dm97 (ALPAO): Distance entre deux actionneurs: 1.5mm Forces magnétiques Course 3x3 > 20µm (miroir) Pousser/Tirer >1µm 25

26 Miroirs à actionneurs magnétiques (contrôle «zonal»,, actionneur de force) +/- 5% 1 ms Linéarité: erreur non mesurable Vraie bande passante de 1kHz 26

27 Miroirs déformables d Hi-Speed Magnétiques ALPAO Points forts Points faibles compacité (distance entre actionneurs jusqu à 1.5mm) grande course (globale et pousser/tirer) bande passante élevée (1kHz) linéarité/hystérèse boucle ouverte technologie souple miroirs à façon. basse tension pas qualifié pour les applications à haute puissance/haute énergie nombre d actionneurs aujourd hui limité à 241 (technologie extensible jusqu à 1024) 27

28 Autres Miroirs tip/tilt: miroirs plans tournant autour de deux axes Miroirs magnétiques liquides (université de Laval) Et certainement bien d autres existant ou à venir! 28

29 Plan 1. Classification des différents types de correcteurs? 2. Revue (non exhaustive) de différentes méthodes de correction 3. Comment choisir son correcteur de front d onde d? 4. Questions / Réponses 29

30 Pistes de réflexion r pour bien choisir son correcteur de front d onded Quelle est la nature de mon aberration? Spatialement Fréquence spatiale nombre de degrés de liberté nécessaires Amplitude grande course ou petite course? Aberration filtrée Aberrations non corrigées Attention: sur-dimensionner le miroir a un coût en terme de performances! 30

31 Pistes de réflexion r pour bien choisir son correcteur de front d onded Quelle est la nature de mon aberration? Temporellement: fluctuations rapides ou lentes? Même si les aberrations lentes, attention à ne pas tromper le senseur! Frame rate: 60 Hz, DM bandwidth: 200 Hz n th frame (n+1) th frame Point clef: Mirror shape Actuator command True Residual WFE Demander la vraie réponse temporelle du miroir lorsque vous vous renseigner. Matlab Simulink simulation 31

32 Pistes de réflexion r pour bien choisir son correcteur de front d onded Quel mode de fonctionnement? Boucle fermée Boucle ouverte? Utilisation de plusieurs miroirs? Choix du miroir suivant la linéarité/stabilité. Quel niveau de puissance (moyenne/crête)? Quelle efficacité en transmission/réflexion? Quel est le budget disponible? 32

33 Pistes de réflexion r pour bien choisir son correcteur de front d onded Quelles sont les caractéristiques de mon système? Si vous avez un système existant veiller à une intégration harmonieuse Nouveau système: approche globale/intégrée de l application: Ne pas choisir les composants de la boucle sans tenir compte de l ensemble. «La robustesse/performance d une chaîne dépend de son maillon le plus faible» 33

34 Pistes de réflexion r pour bien choisir son correcteur de front d onded A la fin, vous voudrez: Un miroir grande course et une très grande résolution, Infiniment rapide Avec plusieurs milliers d actionneurs Stable Parfaitement linéaire et sans hystérèse Supportant une puissance infinie Pas cher Il faudra cependant faire des choix car le miroir déformable idéal adapté à toutes les applications n existe pas. 34

35 Merci à Jean-Christophe Chanteloup pour les transparents sur les miroirs bi-morphes morphes. Merci pour votre attention! Je suis à votre disposition pour toutes vos questions! 35

36 Plan 1. Classification des différents types de correcteurs? 2. Revue (non exhaustive) de différentes méthodes de correction 3. Comment choisir son correcteur de front d onde? 4. Questions / RéponsesR 36