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1 Exemples de transfert de technologie entre les activités Astronomie, Laser et Spatial *** Jean-Jacques FERMÉ THALES SESO 305, rue Louis Armand-CS Aix-en-Provence Cedex 3 - France

2 Sommaire Usinage de matériaux durs Traitement par magnétron sputtering Polissage basse rugosité (Superpoli) Polissage sous contrainte Polissage de grandes pièces

3 SESO Pôle d Activité d Aix-en-Provence 305, rue Louis Armand CS FR Aix-en-Provence Cedex 3 Tél Fax Internet : info@seso.com Création de la Société : THALES SESO Groupe THALES Situation : entre Aix-en-Provence et Marseille (à 30mn de l Aéroport et 15mn de la Gare TGV d Aix-en-Provence)

4 Domaines d intervention Astronomie Synchrotrons DOMAINES D ACTIVITES Espace Lasers & Industrie

5 Usinage de matériaux durs Activité initiale : allègement de miroirs pour télescope embarqué dans le domaine spatial Transfert vers l Astronomie pour miroirs nécessitant un scanning ou supports mécaniques très stables

6 Usinage de matériaux durs :Optique embarquée pour le spatial Caractéristiques Ouverture Ø 1m (Øméca 1040) Focale (EFL) 30 m FoV +/ Performance optique WFE <26 nm RMS (centre) WFE<37 nm RMS (0.03 ) Environnement (avec performance) Gamme de températures 20 +/- 10 C Ambiance / vide (10-5 torr) Encombrement: 3200 x1900 x1300 Constitution Miroirs Zerodur revêtus Ag protégé Structure panneaux Invar/Tubes en composite CFRP/Cyanate

7 Usinage de matériaux durs : Développement de l Undercutting pour allègement des substrats => Mechanical modeling and design of the cells Final result obtained (F500mm mirror) Modelisation of a lightened mirror + attachement flexures

8 Usinage de matériaux durs Machine d Allègement Visit us on SESO s est doté de moyens d ébauchage équipé de CAO/FAO de grande capacité et de précision, utilisé pour l allégement de miroirs et l usinage de forme complexe. Machine opérationnelle depuis 1998 Courses : 1600*700 mm Electrobroche : tr/mn Machine installée en 2007 Capacité plus de 2,2m

9 Usinage de matériaux durs :Allégement en astronomie Example: Convex mirror for astronomy Hyperbolic lightened convex mirror (500mm diameter) Radius: 2413 mm Conic constant: Achieved flatness: 40 nm rms (Interferometric Hindle sphere control) including mechanical fixture Working temperature below 77 K

10 Usinage de matériaux durs Besoin en structures allégées :M2 adaptatif VLT SESO has completed mid-2010 the manufacture of a very challenging ZERODUR lightened blank This piece (called «BackPlate») will be part of the Deformable Secondary Mirror (DSM) of the Very Large Telescope (VLT) of ESO The back plate is here, supporting the secondary deformable mirror (thin shell) through 1170 actuators F1,12m Global view of the complete VLT DSM assembly

11 Usinage de matériaux durs Visit us on F1,12m >80% light-weighted 1170 F16mm holes Finished Back-Plate during optical inspection More details can be found on ESO website : under «Announcement section» (September 2010)

12 Usinage de matériaux durs: scanning TIP-TILT GRANTECAN : Osiris collimator 575mmx570mm ellipsoidal off-axis mirror highly aspherical large size (approx. 1,2m) triangular frame Motorized support : - Range : +/- 1 mrad - Resolution : 0,25 µrad - Speed > 4 µrad/s -Acceleration > 0,035 µrad/s^2 Framework Mirror holder Mirror after lightening Actuator XYZ pivot holder Displacement sensor Security stop Mirror Anti-rotation rod Actuator COL assembly during final integration

13 Traitement par sputtering Initialement prévu pour traiter des miroirs pour synchrotrons

14 Traitement par sputtering Ligne de Lumière Optique adaptative Synchrotron (ESRF Grenoble) Spécificité: miroirs utilisés en incidence rasante

15 Traitement par sputtering Densité -20% Nécessaire pour améliorer la qualité des traitements pour les miroirs pour synchrotrons Densité égale à celle du matériau pur: C est cette propriété qui est à l origine du besoin car c est elle qui détermine la bande spectrale. Exemple dépôt de rhodium à 3 mrd d angle d attaque

16 2 sputtering machines: pulverization DC/DC + RF Pieces up to 1500mm by 200 mm, thickness 150mm Pieces up to 2000mm diameter and 250 mm thickness These machines are operated in clean rooms. We use special cleaning process to guarantee the stability of the coating.

17 Traitement par sputtering Exploitation dans d autres domaine: Spatial ou astronomie : la dureté du traitement le rend plus fiable en particuliers pour l argent protégé (environnement, vieillissement).attention néanmoins aux contraintes plus élevées que pour l évaporation classique Traitement effectué à froid donc applicable sur «plastiques» R et D en cours dans le domaine avionique Possibilité de déposer des matériaux de type C,B4C, SiC, TiN apportant des caractéristiques de dureté (propriétés mécaniques) Miroirs face au plasma (ITER)

18 Superpoli Visit us on Rachat d un savoir faire en polissage basse rugosité pour la microélectronique Transfert à l activité miroirs pour synchrotrons Transfert au polissage double face et en particuliers pour les composants lasers de forte puissance Développement de la technologie pour la tenue au flux à 3ω avec soutien du CEA

19 Superpoli Visit us on Diameter Φ2,3 m (for parts up to Φ680mm) Diameter Φ2,8 m (for parts up to Φ750mm) Different materials : glass, zerodur, silica, ceramics, Polishing of optical pieces with absolute surface flatness less than 3µm, up to F680mm or F750mm, but very flat transmitted WFE) Roughness as low as 1 Å RMS Parallelism of the 2 surfaces < 2 RMS Other similar machines, with lower sizes, are also existing at SESO

20 Superpoli :Principe du polissage double face Cinématique du polissage double face 1 3, = function ( 1, 2, 3) 1 = rotation of the plate 2 = rotation of external gear 3 = rotation of internal gear 2 Les avantages : un temps d usinage 20 fois plus court grâce au polissage collectif de 5 pièces à la fois Polissage des 2 faces simultanément Utilisation de pressions de polissage 2 à 3 fois supérieures

21 Superpoli pour Miroirs Rayonnement X Visit us on 1 FORME - Plan - Sphérique - Asphérique * Toroïdal * Elliptique hors-axe 2 - DIMENSIONS - Jusqu à 1500 mm - Machines de polissage spéciales fabriquées par SESO 3 - MATERIAUX Rugosité RMS - Silicium 2 Å - Zérodur - Verre 1 Å à 2 Å - Cuivre + Nickel 3 Å à 5 Å 4 QUALITE DES SURFACES - Plan ou Sphérique 0,1" à 0,5" RMS jusqu à 1500 mm - Asphérique * Toroïdal 0,3" RMS de 500 à 1000 mm * Elliptique hors-axe 0,5" RMS 21

22 Superpoli : Activité laser LASER MEGAJOULE (LMJ) SESO est impliqué dans le programme Mégajoule «LMJ» où il est nécessaire de fabriquer 240 chaînes Similaires à celle schématisée ci-dessous. SESO a déjà fabriquée une partie des composants du prototype LIL (Ligne d Intégration Laser)

23 Superpoli : Activité laser LASER MEGAJOULE (LMJ) Le procédé de finition en superpoli s est avéré comme améliorant la tenue au flux en particuliers à 350nm (3ω) Des développements continus avec le soutien du CEA ont été réalisés et donnent des résultats qui permettront d atteindre l objectif de 0 défauts sur des surfaces de 400 par 400mm avec des fluences de 15 J/cm2

24 Superpoli :Interférogramme d une lame plate de 400 mm x 400 mm épaisseur 10 mm

25 Courbure en nm Visit us on Superpoli :Courbes d apprentissage , , , , ,8 Transmitted wavefront error of 13 nm RMS Courbure de hublots pour vide - : changement de paramètres de la cinématique

26 Exemple :polissage de lames minces pour lames anti-éclat ou miroirs déformables Thin shell plate (Φ 650mm, thickness 2mm) obtained with a double-face polishing machine (moke-up to demonstrate the feasibility for use in deformable mirrorsfor astronomy)

27 Exemple :polissage de lames minces pour lames anti-éclat ou miroirs déformables Lame Ø 630mm ;épaisseur 2mm Onde transmise <60nm RMS Rugosité< 5 Å RMS

28 Polissage sous contrainte Développé au départ pour faire des lames de Schmidt Utilisé pour réaliser des profils elliptiques pour des miroirs pour synchrotron : Erreur de pente <0.25 microradian RMS Montage déformant un miroir

29 Polissage sous contrainte Utilisation pour la prochaine génération de Telescope pour l Astronomie : les ELT Primary mirror dimension between 30 m and 100 m. In Europe, the project is leaded by European Southern Observatory (ESO): Extremely Large Telescope (ELT). The primary and secondary are segmented mirrors, each individual mirror having an hexagonal contour and a size of about 1.5 m for the primary mirror with a thickness of 80 mm.

30 Polissage sous contrainte SESO+LAM patented process Step 1 : Rough spherical milling and grinding of blank Step 2: Direct off-axis aspherizing and (preliminary) polishing with stress polishing Quite standard task but industrialized one and adapted for mass production Full size spherical fine grinding and polishing, so : => Quick process => HF defects limited Step 3: Final polishing within spec. (with e.g. CCPM polishing) This step 3 is strongly reduced by the efficiency of the Step 2.

31 Polissage sous contrainte pour les M1 ELT:Principe Arms are used as flextures to induce the shape deformation

32 Mise en contrainte en utilisation : Optiques adaptatives Solution piézo-électrique Solution électro-mécanique LAM Patent

33 Exemple de besoins communs : Optiques adaptatives Sensibilité: 20 nm rms 14 termes de Zernike corrigés :

34 Polissage sous contrainte: Simulation sur segment ELT Le front d onde doit être corrigé en prenant en compte le supportage du miroir. La correction est faite par CCPM pour passer de 50 nm rms à 3 nm rms.

35 Polissage de grandes pièces Développé au départ pour réaliser des miroirs pour l astronomie Utilisé pour des miroirs spatiaux Utilisé pour les lasers de puissance Transfert en cours au polissage de grandes lentilles très courbées

36 Polissage de grandes pièces Miroirs pour bancs de test interféromètriques Collimateur de 1400mm de diamètre Miroir plan d autocollimation 1200mm de diamètre

37 Polissage de grandes pièces Exemple de besoins communs: Parabole off-axis Direct off-axis polishing of parabola (laser application) Overall diameter: 640 mm Max. thickness: 100 mm Clear aperture: Ø 560 mm Focal length 3800 ± 10 mm Off-axis distance : ± 10 mm Material: Zerodur Incidence angle: 10.5 ± 3 Wavelength l (for tests and coating):1053nm Reflectivity: 99% Polarisation: P Damage threshold: > 20 J/cm²@ pulse 3ns Flatness (wavefront error): 20 nm RMS Gradient 30 nm/cm

38 Polissage de grandes pièces Lentilles de grande dimension Lentille (Ø 980 mm) du correcteur optique De la Darkenergy Survey Caméra (DECAM) Nettoyage de la face concave Contrôle de la face convexe 38

39 Conclusion SESO s efforce en permanence d effectuer des transferts de technologie entre ses différent domaines d activité avec deux conséquences majeures Le coût de développement et d investissement est amorti sur plusieurs activités Chaque domaine peut s approprier des résultats et progresser de manière conséquente.