«Quelques exemples de contrôle de surface d’onde pour le LMJ...DSP 3 -1,55 Sur-intensités & 1mm à Pertes d’énergie 1µm EQM, DSP (surface) EQM < 2 nm DSP 6 -1,55 Rugosimétrie

CEA-CESTA– Stéphane BOUILLET 1

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Marseille - 16 juin 2011

« Quelques exemples de contrôle de surface d’onde

pour le LMJ »

Stéphane BOUILLET

Laboratoire de Métrologie OptiqueCEA - CESTA




• Une installation de 300m de long, dimensionnée pour 240 faisceaux lasers.

• L’énergie ( = 351nm, = quelques ns) est focalisée sur une cible

millimétrique, positionnée dans une chambre d’expérience Ø 10m

INTRODUCTION : Le LMJ

Ce défi technologique s’appuie en partie sur les productions de

plusieurs milliers de grands composants optiques de grande qualité !

X

X

X




INTRODUCTION : La chaîne laser

M1

MT2

L3

Pol

L4

Demi-tour

MT1

Section faisceau =

400mm x 400mm

L2L1

cible

MT3

MT4 ...

R3 wHC

R1 w

LAE

LdP

7 plaques

ampli9 plaques

ampli

KDP DKDP

Transport

InjectionHTA

PEPC

Plaques ampli : Amplification

Lame de phase :Tache focale

KDP I et II : Conv. Fréquence

Réseau 3w : Focalisation

Polariseur / PEPC :Interrupteur

Lentilles :Filtrage

Miroirs :Transport

Hublots :Etanchéité

Réseaux 1w &3w : Chicane

• 1 faisceau ~ 40 grandes optiques (dont ~ 85% dans l’IR)




INTRODUCTION : Domaines de compétences du LMO

Observation

Contrôle d’aspect

Métrologie de

l’endommagement

laser

Photométrie(Facteurs de réflexion et de transmission)

Rugosimétrie(État de surface)

Interférométrie(Déformation de la surface d’onde)




INTRODUCTION : Spécifications de surface d’Onde

Découpage selon différentes bandes de périodes spatiales :

Périodes

spatiales

Paramètre

spécifié

Spécification

typique Critère « laser » Moyen de contrôle

- 10

mm

Courbure PV < 500 nm FocalisationInterférométrie

« Pleine Pupille »

&

« Sous-pupille »

PQM < 1 µrad Tache Focale

10mm -

1mm

EQM, DSP

(surface d’onde)

EQM < 2,5 nm

DSP 3 -1,55 Sur-intensités

&

Pertes d’énergie1mm à

1µm

EQM, DSP

(surface)

EQM < 2 nm

DSP 6 -1,55 Rugosimétrie

• EQM = Ecart Quadratique Moyen de la surface

• PQM = EQM des pentes de la surface d’onde (hors courbure)

• DSP (nm2.mm) = répartition/amplitude des défauts en fonction de leur fréquence spatiale

Uniformité des calculs logiciel « standard » ANAPHASE




INTRODUCTION : Spécifications de surface d’Onde

DENSITE

SPECTRALE DE

PUISSANCE

PENTES

SURFACE

D’ONDE

RESULTATS

NUMERIQUES




INTRODUCTION : Moyens de contrôle

Sous-pupille Ø100mm sur

polariseur @ 1064nm / 57°

Interféromètre Ø800 – Contrôle d’un

miroir de transport @ 1064nm / 45°

Interféromètre GPI-LIL –

Ø300mm + « stitching »

Cassette Amplificatrice

Rugosimètre optique

caractérisation d’une plaque ampli

3 interféromètres + 1 rugosimètre + 1 onde

plane à 351 nm

Diamètres : jusqu’à Ø800mm.

Longueur d’onde () : 351, 633 & 1064nm(traitements – dn – RWFE sur composant à faces //)

Propreté : ISO 6

Environnement : Suivi T° et HR%

ANTALIA – Onde plane 400x400 mm² à 351 nm

Champ proche, Champ lointain, ASO …




Quelques exemples de contrôles de Surface d’onde

Quelques réalisations 2010…

• Etalonnage «3 plans» des lames de référence F 800

Amélioration de la métrologie des miroirs

• Mise en évidence de phénomènes viscoélastiques dans le BK7

Application au miroir déformable LIL/LMJ

• Métrologie de la déformation sous gravité d’un miroir

Validation de la compensation par ressorts




2

C C

2

M M M F231

0x 0xC

On a la partie paire par rapport à l’axe de rotation

AFy

z

C

M1 = AF + C

M2 = AF + B

M3 = CF + B

CCF

B 0

x

Reconstruction Cartes reconstruitesMesures

Etalonnage «3 plans» des lames de référence F 800




Etalonnage «3 plans» des lames de référence F 800

Paramètres Spécification Mesure brute Après soustraction de la TF

PV 137 nm 120 nm

PQM p>10mm




Phénomènes viscoélastiques dans le BK7

Miroir déformable LIL/LMJ : plaque de BK7 ép=9 mm

Instabilité de la forme (Courbure, Asti) attribuée d’abord à la métrologie

Utilisation d’un maintien reproductible

Mise en évidence d’un effet du cadre de transport

Maintien isostatique pour la métrologie Cadre de transport





Instabilité de la surface d’onde à corréler à la déformation du

substrat dans son cadre

Différence entre 2 métrologies espacées de

2 moisMesure sous contrainte dans le cadre





D 50.8

2

D 8

F

F

FD 50.8

2

D 8

F

F

F

Méthode de test Mesure Simulation

Essais sur échantillons

Principe = échantillon mince sous contraintes mécaniques

Caractère irréversible de la déformation produite

Échantillons phi 50 ep 2 mm en BK7 standard poli double face

Contrainte appliquée par une masse de ~ 2 Kgs

On obtient une amplitude d’environ 14 µm




• Quand la contrainte est levée, la déformation disparaît instantanément (comportement

élastique), sauf une petite partie, qui disparaît lentement (comportement visco-élastique)

• Evolution des substrats nus dans leurs cadres

– Résidu de la déformation due au cadre ?

• Déformation pendant le dépôt PVD (chauffage)

– Le même effet, amplifié par le chauffage ?

t

Contrainte

C

tc

Déformation





t

Contrainte

C

tc

Déformation

t

Contrainte

C

tct

Contrainte

C

tc

Déformation

0

50

100

150

200

250

300

350

1.00E-02 1.00E-01 1.00E+00 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04

Temps (heure)

A (

1/2

PV

SM

, D

45m

m)

en

nm

10-0573 (31 jours)10-0570 (19 jours)10-0572 (6 jours)10-0571 (3 jours)10-0574 (2h)10-0575 (30min)Modele 10-0573Modele 10-0570Modele 10-0572Modele 10-0571Modele 10-0574Modèle 10-0575

x

14 µm


Les données expérimentales collent très bien à ce modèle

Fonction “exponentielle étirée” ou KWW (Kohlrausch 1847 , Williams&Watts 1970)

Loi empirique adaptée à de nombreux phénomènes de relaxation

Pas vraiment de justification théorique satisfaisante

(phénomènes en // avec des temps caractéristiques ≠ ou au contraire réactions en chaîne)

Nous permet de réduire nos données à 3 paramètres…

t

eAtA .)( 0




Déformation sous gravité d’un miroir

Mesure Simulation NX-NASTRAN

Courbure = -607 nm.

PV = 772 nm.

RMS = 211 nm.

Astigmatisme à 0° = 740 nm PV.


Courbure = -511 nm.

PV = 727 nm.

RMS = 199 nm.






Déformation sous gravité d’un miroir

4 ressorts

Sans ressorts Efforts nominaux Efforts supérieurs




Conclusion

Métrologie

Fabrication

Retour

d’expérience

SpécificationsOptimisation

« coût / performances »

pour le LMJ

Exemple 1 : Amélioration de la métrologie

= Amélioration de notre connaissance des performances réelles

= Affinage des spécifications

Exemple 2 : Mesures sur échantillons

= Participation aux études / mise au point des gammes de fabrication

Exemple 3 : Validation de concepts opto-mécaniques

= Cohérence des spécifications optique/mécanique/…




FIN




INTRODUCTION : Performances des optiques à garantir

Garantir l’énergie déposée sur la cible Facteurs T ou R,

Rugosité

Maîtriser la durée de vie des composants

sur chaîne Tenue au Flux

Limiter les surintensités dans la chaîne

dégradation prématurée des composants

Défauts d’Aspect,

Défauts périodiques

Maîtriser la position, la forme et la

dimension de la tache laser

Qualité des Surfaces d’Ondes

Besoin / critère : Type de spécification :

Contrôles systématiques chez les industriels

Le CEA qualifie les fabricants: procédés de fabrication ET métrologie

Suivi des productions par prélèvement.




On ajoute une cycle thermique sous contrainte (pour copier le process PVD)


Solution : recuit sans contrainte ou changement de matériau

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