CAVITE OPTIQUE AMPLIFICATRICE DE TYPE FABRY-PEROT

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

[0001] L'invention se rapporte à une cavité optique amplificatrice de type FABRY- PéROT apte à être utilisée en combinaison avec un laser puisé picoseconde à haute cadence pour la production de rayons X monochromatiques.

[0002] La présente invention concerne le domaine technique des cavités optiques amplificatrices pour la production de rayons X monochromatiques par réaction COMPTON, c'est-à-dire par l'interaction de paquets d'électrons propagés au sein du tube à vide d'un accélérateur avec un signal laser puisé asservie sur un résonateur optique de haute finesse.

[0003] Les applications visées sont multiples dés lors qu'elles nécessitent une source de rayons X monochromatiques de haut flux qui soit suffisamment compacte pour être utilisée dans des centres d'étude locaux plutôt que dans des centres d'essais spécialisés présentant du matériel de grandes dimensions. à titre d'exemple, un tel dispositif pourrait être employé dans le domaine médical, notamment pour la radiothérapie résonante, la radiographie à fort contraste ou bien l'angiographie. Il existe également d'autres domaines d'application en pharmacologie pour l'analyse de la structure des protéines et de molécules, dans l'industrie nucléaire pour l'aide au retraitement des déchets par l'analyse non destructrice de containers, en physique des particules pour la mise en œuvre de sources de faisceaux de positrons polarisés, etc.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

[0004] II est connu de l'état de la technique plusieurs méthodes permettant d'augmenter la puissance d'une source laser. La plus classique de ces méthodes consiste à utiliser une cascade d'amplifications à fibres dopées, ce qui permet d'augmenter de façon importante la puissance crête P _CRêTE du signal laser.

[0005] Néanmoins, une telle méthode ne permet pas d'obtenir une puissance moyenne P _MOY suffisante pour les applications visées puisque celle-ci ne dépasse généralement pas la centaine de Watts.

[0006] Une autre méthode consiste à amplifier le signal laser dans un résonateur optique, ou cavité amplificatrice, de type FABRY-PéROT. En effet, pour accroître le nombre de photons produit par effet COMPTON lors d'un croisement entre le faisceau d'électrons et le faisceau laser, il est nécessaire de réduire au maximum les dimensions transverses et longitudinales des deux faisceaux. Or, pour réduire la dimension transverse minimum d'un faisceau laser dans une cavité FABRY- PéROT constituée de deux miroirs sphériques, il faut que la distance entre ces deux miroirs soit la plus proche possible du double du rayon de courbure des miroirs.

[0007] Toutefois, une telle cavité étant instable, elle ne peut être utilisée, pour une application réelle. C'est la raison pour laquelle, plusieurs dispositifs de production de rayons X monochromatiques générés par effets COMPTON, tels que ceux présentés dans la revue OPTICS LETTERS / Vol. 32, No. 19 /October 1st, 2007 ainsi que dans le document de brevet n° US 2008002813, utilisent une cavité amplificatrice de type FABRY-PéROT présentant quatre miroirs co-planaires dont deux miroirs sphériques. La dimension transverse minimum peut alors être réduite de l'ordre de la dizaine de microns tout en présentant une bonne stabilité mécanique.

[0008] Cependant, les états propres de polarisation d'une cavité à quatre miroirs co-planaires ont été calculés et il apparaît que lorsque la finesse de la cavité est grande, c'est-à-dire lorsque le gain de la cavité est supérieur à 1000 environ, ces états propres varient fortement en fonction des inévitables désalignements et vibrations des miroirs. La polarisation du faisceau laser injecté dans la cavité étant fixe, de telles variations entraînent non seulement une variation de la polarisation intra-cavité mais aussi une variation de la puissance intra-cavité. Ces variations de puissance sont préjudiciables dans la mesure où la puissance moyenne P _MOY intra- cavité en est réduite.

[0009] Par ailleurs, les dispositifs existants présentent également des défauts relatifs à la précision de l'orientation laser qui détermine pourtant en partie les dimensions transverses du faisceau laser. Notamment, la combinaison de pièces mécaniques utilisées pour orienter les réflecteurs optiques à l'intérieur de la cavité

et dans les conditions d'expérimentation sous vide engendrent des jeux qui altèrent la finesse de la cavité.

[0010] Un autre problème soulevé par ces systèmes concerne l'utilisation de moteurs en milieu sous vide. En effet, les moteurs standards vendus comme compatibles UHV dans le commerce ne répondent pas totalement aux exigences de l'ultra vide telle que l'utilisation d'un résonateur optique l'exige, notamment en raison des contraintes fortes de non pollution liées à l'intégration sur accélérateur. Dans les produits commerciaux disponibles, les articulations des montures d'optique sont réalisées avec des jeux très faibles ou précontraintes et donc graissées pour garantir un positionnement précis sans risque de grippage. Deux raisons excluent ce type d'articulation sous vide. D'une part, l'utilisation de graisse y est proscrite et, d'autre part, il se créée entre les surfaces en contact de même nature des phénomènes de microsoudures qui rendent impossible leur glissement relatif, particulièrement sous vide où les pièces sont très propres pour répondre aux conditions UHV.

[0011] Ces problèmes sont d'autant plus essentiels que le nombre de moteurs nécessaires aux réglages de la cavité accroît fortement le niveau de pollution.

EXPOSE DE L'INVENTION

[0012] La présente invention vise à pallier les inconvénients de l'état de la technique en proposant une cavité optique amplificatrice de type FABRY-PéROT permettant d'obtenir un rayon laser puisé fortement focalisé et présentant une grande stabilité de la puissance moyenne P _M0Y .

[0013] L'invention vise également à fournir une cavité optique amplificatrice présentant une sensibilité de réglage importante, c'est-à-dire un faisceau laser présentant des dimensions transverses réduites, sans générer de bruits à l'intérieur de l'enceinte sous vide.

[0014] En outre, l'invention vise à réaliser un système de production de rayons X monochromatiques de haut flux par réaction COMPTON, qui soit à la fois compacte et puissante.

[0015] Pour stabiliser la polarisation des modes propres de la cavité amplificatrice, et par conséquent la puissance intra cavité, l'invention propose de réaliser une configuration de miroirs non planaire, et plus particulièrement de forme sensiblement tétraédrique.

[0016] Plus précisément, l'invention a pour objet une cavité optique amplificatrice de type FABBRY-PéROT pour la production de rayons X monochromatiques par réaction COMPTON d'un faisceau laser puisé picoseconde à haute cadence avec un faisceau d'électrons synchronisé, la cavité présentant une enceinte fermée apte à être placée sous vide, traversée par un tube à faisceau d'électrons, l'enceinte comportant des moyens d'entrée du faisceau laser, des moyens de maintien et de positionnement de deux réflecteurs optiques plans, des moyens de maintien et de positionnement de deux réflecteurs optiques sphériques aptes à focaliser le faisceau laser au niveau d'un point d'interaction avec le faisceau d'électrons, dans laquelle les moyens de maintien et de positionnement des réflecteurs optiques sont agencés de sorte que lesdits réflecteurs optiques définissent sensiblement les sommets d'un tétraèdre.

[0017] Une telle configuration selon un tétraèdre permet d'obtenir un faisceau de haute finesse tout en obtenant des propriétés de stabilité intéressantes. Les modes propres d'une telle cavité sont dits « astigmatiques généralisés », c'est-à- dire que le profil d'intensité est une ellipse dont les axes propres tournent durant la propagation, ce qui affecte peu les facteurs de luminosité géométriques de l'interaction électron-laser par rapport aux modes « astigmatiques standards » d'une cavité planaire à quatre miroirs. L'astigmatisme, c'est à dire le rapport de la taille du faisceau le long des grands et petits axes de l'ellipse, est également réduit par rapport à une configuration planaire équivalente.

[0018] Selon un mode de réalisation, les moyens de maintien et de positionnement des deux réflecteurs optiques sphériques présentent deux dégagements complémentaires, agencées de sorte à définir une travée pour le passage du tube à faisceau d'électrons.

[0019] La réalisation de deux dégagements complémentaires dans les moyens de maintien et de positionnement des deux réflecteurs sphériques permet de placer

les miroirs sphériques au plus près du faisceau d'électrons et donc d'obtenir l'angle le plus fermé au point de collision entre le laser et le faisceau d'électrons.

[0020] Avantageusement, les moyens de maintien et de positionnement d'au moins un réflecteur optique comportent un organe d'orientation dudit réflecteur confectionné en une pièce mécanique unique, composée d'au moins trois parties distinctes, mobiles les unes par rapport aux autres par l'intermédiaire d'articulations flexibles.

[0021] L'utilisation d'un organe d'orientation de miroir réalisé en une pièce unique présentant des articulations flexibles permet de réaliser des mouvements relatifs sans frottement et sans jeu. Une telle configuration est particulièrement adapté pour garantir un positionnement précis sous ultra-vide.

[0022] De préférence, les trois parties distinctes de l'organe d'orientation présentent une mobilité autour de deux axes de rotation concourants en un point sensiblement confondus avec le centre optique du réflecteur.

[0023] Le fait que les trois parties distinctes de l'organe d'orientation présentent une mobilité autour de deux axes de rotation concourants et sensiblement confondus avec le centre optique du réflecteur facilite le réglage de l'orientation des réflecteurs et concoure à l'obtention d'une orientation précise.

[0024] Avantageusement, les moyens de maintien et de positionnement des réflecteurs optiques sont actionnés par des moteurs électriques linéaires encapsulés dans une enceinte étanche d'acier inoxydable prolongée par un soufflet.

[0025] Encapsuler des moteurs linéaires dans une enceinte étanche prolongée par un soufflet permet de s'affranchir des contraintes de non pollution liées à l'intégration sur accélérateur. D'autre part, l'utilisation de graisse entre les parties en mouvement redevient possible et le choix des moteurs n'est plus déterminé par son aptitude à fonctionner sous vide, mais dépend essentiellement de ses

caractéristiques mécanique et de précision sur le positionnement. Cela permet aussi de régler indépendamment les orientations et la position en z des miroirs.

[0026] De préférence, les moteurs électriques linéaires sont maintenus en contact permanent vis à vis des moyens de maintien et de positionnement des réflecteurs optiques par le biais d'un élément ressort générant une force de rappel.

[0027] L'utilisation d'un élément ressort permet de contrer la force due au vide et de conserver un contact ponctuel permanent entre la tige du moteur et la pièce à translater.

[0028] Avantageusement, les moyens de maintien et de positionnement d'au moins un réflecteur optique présentent une table de translation selon un axe Z, le table de translation supportant deux moteurs linéaires aptes à actionner l'organe d'orientation du réflecteur.

[0029] L'utilisation d'une table de translation supportant les moteurs linéaires utilisés pour la mise en mouvement de l'organe d'orientation permet d'améliorer la précision du dispositif.

[0030] De préférence, les moyens de maintien et de positionnement d'au moins un réflecteur optique comportent un actuateur piézoélectrique orienté selon la direction de l'axe optique du réflecteur et maintenu en position par l'intermédiaire d'une bague ressort.

[0031] L'actuateur piézoélectrique monté sur l'élément de support de miroir permet d'adapter la longueur du trajet optique du faisceau laser de quelques nanomètres à des fréquences de quelques centaines de Hertz. Il permet d'implémenter un asservissement entre la longueur du trajet aller-retour dans la cavité et la distance entre 2 paquets d'électrons successifs. En outre, l'utilisation d'une bague ressort pour maintenir cet actuateur piézoélectrique permet d'appliquer su le miroir, quand le serrage est maximal, un effort de maintien déterminé, lié à la géométrie des parties souples et à l'épaisseur du miroir.

[0032] Avantageusement, l'ensemble des moyens de maintien et de positionnement des réflecteurs optiques sont positionnés sur un support principal, ledit support principal étant la seule pièce en contact avec l'enceinte fermée.

[0033] Cette construction permet également d'isoler la cavité des vibrations extérieures en limitant au maximum les points de contacts avec l'enceinte.

[0034] Selon un autre aspect, l'invention se rapporte également à un système de production de rayons X monochromatiques par réaction COMPTON, comportant une cavité optique telle que susmentionnée.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0035] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture qui suit d'exemples de réalisation détaillés, en référence aux figures annexées qui représentent respectivement :

- La figure 1 , un organigramme fonctionnel d'un système de production de rayons X monochromatiques par réaction COMPTON selon l'invention ;

- La figure 2, un organigramme général de la partie optique du système selon l'invention ;

- La figure 3, une vue en perspective d'une cavité optique amplificatrice de type FABRY-PéROT selon l'invention, dont l'enceinte étanche n'est que partiellement représentée ;

- Les figures 4a et 4b, deux vues en perspective et de face des miroirs plans et sphériques, du faisceau laser et du tube à faisceau d'électrons se propageant dans une cavité optique selon l'invention ;

- Les figures 5a et 5b, deux vues en coupe et en perspective d'un actionneur pour la mise en mouvement des moyens de maintien et de positionnement des miroirs M1 à M4 d'une cavité optique selon l'invention ;

- Les figures 6a, 6b et 6c, une vue en perspective, une vue de droite et une vue de gauche d'un organe d'orientation de miroir appartenant à des

moyens de maintien et de positionnement d'une cavité optique selon l'invention ;

- Les figures 7a et 7b, une vue en perspective d'un chariot soutenant l'organe d'orientation de miroir et une vue de face de deux organes d'orientation de miroirs sphériques M3, M4 appartenant à une cavité optique selon l'invention ;

- Les figures 8a et 8b, deux vues en perspective et de face d'une table de translation appartenant à une cavité optique selon l'invention ;

- La figue 9, une vue en perspective d'une table de translation 70 montée sur un support principal 80 appartenant à une cavité optique selon l'invention ;

- la figure 10, deux vues en perspective, dont une vue éclatée, d'un élément de support de miroir plan M ₁ ; M ₂ appartenant à une cavité optique selon l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION Description générale

[0036] La figure 1 représente un organigramme fonctionnel du système de production de rayons X monochromatiques par réaction COMPTON selon l'invention.

[0037] Une cavité laser puisé 10 produit un faisceau laser puisé 12. Ce faisceau laser 12 est avantageusement contrôlé par deux types d'actuateurs rassemblés dans un module d'actuateurs et d'électronique de pilotage associée 14. La cavité laser puisé 10 présente une longueur d'onde 800nm, c'est-à-dire dans le domaine de l'infrarouge, une énergie par implusion de 1OnJ et une puissance moyenne de

1W. Elle comprend un laser produisant un faisceau continu de 6W utilisé pour le pompage d'un cristal Titane :Saphire situé dans un résonateur optique dont la longueur de 2m entre ses miroirs détermine la fréquence de répétition de 76MHz des impulsions émises.

[0038] Un premier type d'actuateurs permet d'asservir la longueur de la cavité laser puisé 10 à la longueur d'une cavité optique amplificatrice de type FABRY- PéROT 40 (décrite ultérieurement). Ce premier type d'actuateurs regroupent un actuateur piézo-électrique 14a et un moteur de translation linéaire 14b tous les deux intégrés physiquement à l'intérieur de la cavité laser puisé 10. L'actuateur piézo-électrique 14a, piloté par une électronique associée, permet de modifier l'écart relatif δL entre la longueur de la cavité du résonateur et celle de la cavité FABRY-PéROT 40, dans la bande de fréquence 0-4OkHz, avec une dynamique de l'ordre de 100 picomètres à 1 micromètre. Quant au moteur de translation linéaire 14b, il permet de modifier l'écart relatif δL entre la longueur du résonateur et celle de la cavité FABRY-PéROT 40, dans la bande 0-10Hz avec une dynamique de l'ordre de 100 nanomètres à plusieurs millimètres. L'électronique de pilotage de ce moteur de translation linéaire 14b est fournie avec le moteur.

[0039] Un deuxième type d'actuateurs permet de corriger la phase δφ entre le champ électromagnétique et son enveloppe dans la cavité FABRY-PéROT 40. Ils regroupent un modulateur de pompage optique 14c et un modulateur de fréquence

14d, tous les deux situés à l'extérieur de la cavité laser puisé 10. Le modulateur de pompage optique 14c et le modulateur de fréquence14d sont avantageusement tout deux des modulateurs acousto-optiques qui permettent respectivement de moduler la puissance du pompage optique et de décaler le spectre optique du laser, afin de modifier la phase relative δφce entre le champ électromagnétique et son enveloppe dans la cavité FABRY-PéROT.

[0040] Une fois l'asservissement réalisé, la puissance dans la cavité FABRY- PéROT 40 est amplifiée par un coefficient qui dépend de la Finesse des miroirs qu'elle contient. L'asservissement nécessite plusieurs mesures spécifiques, regroupées dans un module de mesures et d'électronique d'interface associée 20 qui rassemble :

- Un élément de mesure en transmission 20a indépendante, nommé Front- End Transmission qui traite le signal optique transmis en sortie de la cavité FABRY-PéROT 40.

- Un élément de mesure en réflexion 20b plus complexe, nommé Front-End

Reflexion qui traite le signa! optique réfléchi en entrée de cavité FABRY- PéROT 40 par l'emploi d'une technique particulière dite Pound-Drever-Hall.

[0041] Cette technique est notamment décrite en mode continu dans la publication RW. Drever et al., laser phase and frequency stabilization using an optical resonator. Appl. Phys. B 31 , 97-105 (1983), et en mode puisé dans la publication RJ Jones et JC. Diels, Stabilisation of femtosecond lasers for optical metrology and direct optical to radio frequency synthesis. Phys. Rev. Lett. 86, 3288-3291 (2001).

[0042] Un système électronique d'asservissement 22 réalise l'acquisition et la conversion numérique des signaux analogiques issus des Front-Ends en transmission et en réception, effectue les calculs d'asservissement en temps réel et délivre les ordres de pilotage transmis aux actuateurs 14a à 14d de manière à maintenir la cavité FABRY-PéROT 40 en résonance.

Description de la partie optique

[0043] La figure 2 représente un organigramme général de la partie optique du système utilisée pour accumuler, à l'intérieur de la cavité optique FABRY-PéROT 40, l'énergie optique des impulsions laser brèves, jusqu'à atteindre plusieurs micro-Joules par impulsion, avec une fréquence de répétition de l'ordre de la centaine de MHz.

[0044] Pour ce faire, un train d'impulsions laser issu de la cavité laser puisé 10 est asservi sur une cavité optique FABRY-PéROT 40 par la technique dite de Pound- Drever-Hall permettant de disposer de grandeurs électriques images des propriétés optiques du faisceau contrôlé.

[0045] De façon avantageuse, la partie optique du système est composée :

- d'un laser de largeur d'impulsions picoseconde avec un taux de répétition de

76Mz, incluant des actuateurs. Il n'y aucune restriction sur la fréquence de répétition à l'intérieur d'un intervalle qui va de quelques MHz à quelques GHz. De même, la largeur temporelle peut être choisie dans un intervalle

allant d'un centaine de femtosecondes à quelques dizaines de picosecondes ;

- d'une cavité optique amplificatrice de type FABRY-PéROT 40 qui sera décrite plus en détail ultérieurement ;

- d'éléments optiques 24 permettant le transport du faisceau laser depuis la cavité laser puisé 10 jusqu'à la cavité FABRY-PéROT 40 ; et

- d'un réseau de diffraction 26 permettant de séparer les paramètres à asservir

[0046] Un train d'impulsions picoseconde est émis par le laser Titane :Saphire (Ti:Sa) fonctionnant en régime de blocage de modes. L'énergie d'une impulsion est de l'ordre de 10nJ, la fréquence de répétition des impulsions est de 76MHz. Le train d'impulsions est envoyé sur un modulateur électro-optique 24a qui génère deux bandes latérales autour de chaque raie du peigne de fréquence du laser qui sont employées par la technique dite de Pound-Drever-Hall pour obtenir les signaux d'erreur. Il n'y a aucune restriction sur le choix de la longueur d'onde à condition que l'oscillateur soit à blocage de mode passif.

[0047] Un Isolateur de Faraday 24b protège le laser puisé du rayon réfléchi par la cavité FABRY-PéROT 40 et le séparateur de faisceau 24c envoie le faisceau sur le réseau 26. Le séparateur de faisceau 24c associé à une lame quart d'onde 24d forment un ensemble qui sépare le rayon réfléchi par la cavité FABRY-PéROT 40. Un télescope galiléen 24e est utilisé pour accorder en position et en diamètre les paramètres de faisceau laser avec les paramètres de mode de la cavité. En outre, deux miroirs externes 24f alignent les directions d'axes de faisceau laser et de mode de la cavité.

[0048] Le faisceau laser 12 réfléchi par la cavité est redirigé par le séparateur de faisceau 24c sur le réseau de diffraction 26 ce qui permet de diffuser les différents composants spectraux dans des directions spatiales séparées. Les signaux de plusieurs photodiodes 28 acquièrent les différentes parties du spectre et sont utilisés pour la production des signaux d'erreur transmis au système d'asservissement électronique 22.

Description de la cavité optique de type FABRY-PéROT

[0049] La figure 3 représente une vue en perspective d'une cavité optique 40 amplificatrice de type FABRY-PéROT selon l'invention.

[0050] Celle-ci est dotée d'une enceinte fermée 42 qui n'est que partiellement représentée ainsi que d'une pompe ionique à ultra-vide 44. La cavité FABRY- PéROT 40 comporte quatre miroirs indépendants, dont deux miroirs plans M ₁ , M ₂ et deux miroirs sphériques M ₃ , M ₄ . Elle comporte également un tube sous vide à faisceau d'électrons 46 qui la traverse de part en part. Le faisceau laser puisé 12 est injecté dans la cavité 40 à travers le premier miroir plan M ₁ , puis est redirigé en direction du miroir plan M ₂ , puis vers les miroirs sphériques M ₃ et M ₄ , et à nouveau ver le miroir plan M ₁ , avant de refaire le même parcours. La longueur totale parcourue est notée l_c _AV .

[0051] La cavité optique FABRY-PéROT 40 a pour but de faire interagir le faisceau laser 12 avec un faisceau d'électrons se propageant dans le tube à faisceau d'électrons 46. Pour ce faire, une disposition et une orientation des miroirs M ₁ à M ₄ vis-à-vis du tube à faisceau d'électron 46 est réalisée telle que représentée sur les figure 4a et 4b.

[0052] Les centres des deux miroirs planaires M ₁ , M ₂ et des deux miroirs sphériques M ₃ , M ₄ définissent les sommet d'une géométrie tridimensionnelle en forme de tétraèdre. Cette configuration permet de stabiliser la polarisation des modes propres de la cavité FABRY-PéROT 40 et par conséquent la puissance intra-cavité.

[0053] La forme tétraédrique n'est pas nécessairement régulière, de sorte à conserver la possibilité d'avoir des distances différentes entre les deux miroirs sphériques et les deux miroirs plans.

[0054] II est à noter que la précision du positionnement et de l'orientation des miroirs est primordiale pour réaliser l'interaction entre le faisceau laser 12 puisé et les paquets d'électrons. De ce fait, chaque miroir M ₁ à M ₄ est supporté par des moyens de maintien et de positionnement SM ₁ à SM ₄ indépendants les uns des autres et présentant plusieurs réglages. Ainsi, chaque miroir M ₁ à M ₄ présente un

degré de liberté en rotation autour d'un axe X et un degré de liberté en rotation autour d'une axe Y sensiblement perpendiculaire. Les réglages angulaires θ _x et θ _y permettent d'aligner le faisceau laser 12 dans la cavité 40.

[0055] Chaque miroir M ₁ à M ₄ présente en outre un réglage en translation selon une direction de translation confondu avec l'axe Z perpendiculaire aux axes X et Y. Le réglage en translation δZ entre les 2 miroirs sphériques M ₃ , M ₄ permet d'ajuster la taille du faisceau, ou waist, au point d'interaction avec le faisceau d'électrons tout en conservant constante la longueur L _CAV entre les deux miroirs plans M ₁ , M ₂ . Grâce à un actuateur Piézo-électrique (décrit ultérieurement), le miroir plan M ₂ pourra se déplacer selon son axe optique de quelques centaines de nanomètres à des fréquences de quelques centaines de Hertz pour accorder la longueur de la cavité optique 40 avec l'intervalle entre deux paquets du faisceau d'électrons.

[0056] Selon un mode de réalisation, il est possible de supprimer deux réglages en translation selon l'axe Z sur l'un des deux miroirs plans et sur l'un des deux miroirs sphériques. Une solution particulièrement avantageuse consiste à monter l'actuateur piézo-électrique sur l'un des miroir plan et les moyens de translation selon l'axe Z sur l'autre miroir plan de manière à éviter les résonances mécaniques.

Description des actionneurs

[0057] Les figures 5a et 5b représentent une vue en coupe et en perspective d'un actionneur pour le déplacement des miroirs M1 à M4.

[0058] Les moyens de maintien et de positionnement des miroirs M ₁ à M ₄ sont actionnés par douze moteurs linéaires 50, de préférence identiques, encapsulés dans une enceinte étanche 52 à l'intérieur de laquelle ils fonctionnent à la pression atmosphérique. Avantageusement, cette enceinte étanche 52 est réalisée en acier inoxydable. Ainsi, le choix du moteur n'est plus déterminé par son aptitude à fonctionner sous vide, mais dépend essentiellement de ses caractéristiques mécaniques et de sa précision sur le positionnement. En outre, à l'intérieur de cette enceinte 52, l'utilisation de graisse entre les parties en mouvement redevient

possible. Ce système est développé pour obtenir un positionnement précis sur une course d'environ ± 2mm.

[0059] Selon un mode de réalisation préféré, le moteur fonctionne à la pression atmosphérique et seul l'extérieur de l'enceinte étanche 52 est en contact avec l'ultra-vide. Les pièces mécaniques impliquées dans la transmission du mouvement sont isolées de l'ultra-vide par des soufflets 54. Ainsi, le moteur 50 est fixé sur un support et la pièce à translater est reliée à l'extrémité du soufflet 54.

[0060] La pièce à déplacer n'est pas supportée par le soufflet 54, elle est uniquement poussée par contact ponctuel grâce à une bille située à l'extrémité de la tige du moteur. En outre, un ressort de rappel 56 permet de contrer la force due au vide et de conserver un contact ponctuel permanent entre la tige du moteur et la pièce à translater. Pour garantir la qualité du contact, la bille vient en appui sur une pastille en acier dur. Ce contact peut, le cas échéant être graissé dans la mesure où il est positionné à l'intérieur de l'enceinte étanche 52.

[0061] Les connexions électriques du moteur se font par une traversée étanche située à l'arrière de l'enceinte 52, d'où part un faisceau de fils 58 individuels, avantageusement isolés par une gaine en Kapton ultra vide et équipés de connecteurs sertis, reliés finalement à l'enceinte générale 44 de la cavité par une autre traversée étanche similaire.

Description de l'organe d'orientation du miroir

[0062] Les figures 6a, 6b et 6c représentent une vue en perspective et deux vues de droite et de gauche d'un organe d'orientation 60 de miroir M ₁ ; M ₂ ; M ₃ ; M ₄ pouvant être utilisé pour réaliser une cavité optique selon l'invention.

[0063] En effet, selon un aspect de l'invention, les moyens de maintien et de positionnement des miroirs M ₁ à M ₄ comportent un organe d'orientation 60 de miroir M ₁ ; M ₂ ; M ₃ ; M ₄ reprenant le principe d'un cardan à axes concourants et à pivot central. à ce titre, l'organe d'orientation 60 de miroir M ₁ ; M ₂ ; M ₃ ; M ₄ comprend 3 parties distinctes, une parti haute 60a, une partie intermédiaire 60b et une partie fixe 60c mobiles les unes par rapport aux autres par l'intermédiaire

d'articulations flexibles 64 confectionnées en une seule et même pièce mécanique. Les articulations flexibles 64 utilisent la souplesse naturelle du métal, et sont obtenues en créant un point de faiblesse pouvant être déformé tout en restant dans le domaine élastique. Comme mentionné précédemment, les axes de rotation de l'organe d'orientation 60 permettent d'orienter le miroir M ₁ ; M ₂ ; M ₃ ; M ₄ autour de deux directions X et Y perpendiculaires et concourantes au niveau d'un point d'intersection 62, confondu avec le centre du miroir M ₁ ; M ₄ .

[0064] Ce principe permet de réaliser des mouvements relatifs entre deux pièces sans frottement et sans jeu. De ce fait, il est particulièrement adapté pour garantir un positionnement précis sous ultra-vide.

[0065] Les angles d'incidences du faisceau laser 12 et des miroirs M ₁ à M ₄ sont relativement importants puisqu'ils sont de 6 et 8°. Les amplitudes de réglage de l'organe d'orientation 60 de miroirs M ₁ ; M ₂ ; M ₃ ; M ₄ étant faibles (± 20 mrad), il convient, de préférence, d'installer cette déviation de 6 et 8° sur l'organe d'orientation 60 de miroirs. Ainsi, l'offset n'est plus sur les moyens de maintien et de positionnement SM ₁ à SM ₄ de miroirs M ₁ à M ₄ , mais sur l'organe d'orientation 60.

[0066] La figure 7a illustre un chariot 66 soutenant l'organe d'orientation 60 de miroir M ₁ à M ₄ .

[0067] Le réglage des miroirs M ₁ à M ₄ autour des axes X et Y se fait par l'intermédiaire de deux bras de liaison 68 reliés à la partie supérieure de l'organe d'orientation 60. Ces miroirs M ₁ à M ₄ sont actionnés par deux moteurs linéaires 50 positionnés dans leur enceinte étanche 52 respective et soutenus par le chariot 66. La longueur des bras de liaison 68 permet de gagner en précision.

[0068] La figure 7b représente le tube accélérateur 46 vue en bout, deux miroirs M ₃ , M ₄ maintenus en position par deux chariots 66, ainsi que deux bras de liaison 68 chacun et un organe d'orientation 60 chacun.

[0069] Comme représenté, il est avantageux pour obtenir l'angle le plus fermé au point de collision entre le laser 12 et le faisceau d'électron, que les miroirs sphériques M ₃ , M ₄ soient positionnés au plus près du tube à faisceau d'électron

46. Pour ce faire, les moyens de maintien et de positionnement des deux réflecteurs optiques sphériques M ₃ , M ₄ présentent deux dégagements 69 complémentaires, agencées de sorte à définir une travée pour le passage du tube à faisceau d'électrons 46. Ainsi, les deux réflecteurs optiques sphériques sont positionnés de part et d'autre et à proximité du tube à faisceau d'électrons.

Description de la table de translation

[0070] L'ensemble composé de l'organe d'orientation 60 de miroir M ₁ à M ₄ , des deux bras de liaison 68 et des deux moteurs linéaires 50a, 50b actionnant les bras 68 est en outre avantageusement placé sur une table de translation 70 selon l'axe Z perpendiculaire aux axe X et Y.

[0071] Une telle table de translation 70 est représentée en perspective et de face sur les figures 8a et 8b.

[0072] Elle comporte trois billes 72, une tôle 74, deux rails 76 et deux supports 78. Les trois billes 72 définissent un plan et donnent une bonne stabilité sans précontrainte. Deux de ces trois billes 72 roulent entre les rails 74 et donnent la direction de la translation, tandis que la troisième bille 72 définit le plan de la translation. Le déplacement des supports 78 se fait intégralement par roulement et sans frottement. Les trois billes 72 se déplacent à la même vitesse et une fine tôle 74 permet de déterminer et de conserver un écartement entre elles.

[0073] Les rails 76 sont réalisés en inox et les billes 72 peuvent avantageusement être confectionnées dans les matériaux suivants : céramique, rubis ou inox. Si elles sont réalisées comme les rails 76 en inox, alors il convient de les traiter par incrustation au bisulfure de molybdène pour éviter les phénomènes de microsoudures. C'est le poids de l'élément à déplacer qui maintient les 2 parties ensembles et garantit un guidage efficace. Le centre de gravité de l'élément à déplacer est positionné au plus bas et placé au plus près de celui du triangle formé par les 3 billes.

[0074] La figure 9 représente une vue en perspective d'une table de translation 70 montée sur un support principal 80 et sur laquelle sont disposés le chariot

supérieur 66, l'organe d'orientation 60 de miroir, les deux moteurs 50 encapsulés dans une enceinte étanche 52 pour le positionnement autour des axes X et Y ainsi qu'un moteur linéaire 50 également encapsulé dans une enceinte 52 afin de permettre le déplacement en translation du chariot 66 selon l'axe Z.

[0075] L'ensemble de la construction et l'utilisation de moteurs 50 encapsulés permet de monter les 4 miroirs, avec leurs réglages indépendants, sur le support principal 80 qui devient la seule pièce en contact avec l'enceinte 42. Ce support principal 80 relié à l'enceinte 42 par trois points très rigide permet de garantir la stabilité géométrique entre les 4 miroirs M ₁ à M ₄ de la cavité. Cette construction permet également d'isoler la cavité des vibrations extérieures en limitant au maximum les points de contacts avec l'enceinte. Les moteurs 50 permettent également un ajustement à distance de la cavité pendant le fonctionnement de l'accélérateur.

[0076] Les moteurs de positionnement en Z sont montés sur un support en Invar (alliage de fer 64 % et de nickel 36 %) dont le coefficient de dilatation thermique très faible (2,69 μm/°C) permet de minimiser les asservissements requis pour maintenir cette longueur constante. Avantageusement, ces pièces sont réalisés dans une même pièce mécanique pour minimiser le nombre d'assemblages. Par ailleurs, les pièces sont volontairement massives pour augmenter leur inertie et limiter la propagation des vibrations.

[0077] II est à noter que la longueur de la cavité, notée Lc _AV , est égale à la distance parcourue par le laser entre les 4 miroirs, soit de 1679,5 mm.

Description de l'élément de support de miroir avec PZT

[0078] Afin d'obtenir un asservissement entre la longueur de la cavité et la distance entre 2 paquets d'électrons, il est nécessaire de réaliser un déplacement sur son axe optique de la lentille d'au moins un des miroirs plans M ₁ ou M ₂ . Pour des miroirs M ₁ ou M ₂ présentant un diamètre de 25.4mm et d'une épaisseur de 6mm, le déplacement à réaliser est de quelques centaines de nanomètres à des fréquences de quelques centaines de Hertz.

[0079] La figure 10 illustre deux vues en perspective, dont une vue éclatée, d'un exemple de réalisation d'un élément de support 82 de miroir plan M ₁ ; M ₂ comportant un actuateur piézoélectrique 84.

[0080] De façon avantageuse, cet élément de support 82 comporte ainsi successivement, un élément de support arrière 86, l'actuateur piézoélectrique 84, un bague de précontrainte 88 de I' actuateur piézoélectrique 84, un miroir plan M ₁ ; M ₂ et une bague ressort 90.

[0081] II est avantageux d'incorporer l'actuateur piézoélectrique 84 sur les moyens de maintien et de positionnement SM1 ; SM2 de ce miroir plan M ₁ ; M ₂ afin de gérer, avec la précision requise, le déplacement du miroir plan M ₁ ; M ₂ selon l'axe optique de la lentille.

[0082] En outre, la bague ressort 90 présente des caractéristiques mécaniques lui permettant de se déformer quand les trois vis de fixation sont serrées. Un calcul mécanique précis permet d'appliquer sur le miroir, quand le serrage est maximal (ce qui évite par ailleurs le desserrage), un effort de maintien déterminé, lié à la géométrie des parties souples et à l'épaisseur du miroir.

[0083] Pour obtenir la précontrainte sur l'actuateur piézoélectrique 84, le même principe est utilisé, faisant intervenir cette fois la bague de précontrainte 88 et le support arrière 86. Le miroir plan M ₁ ; M ₂ est fixé sur l'avant de la bague de précontrainte 88 et le support arrière 86 permet également la fixation de l'élément de support 82 sur l'organe d'orientation du miroir M ₁ ; M ₂ .

[0084] Une telle configuration est avantageuse dans la mesure où la fixation du miroir M ₁ ; M ₂ est ferme de sorte qu'il suive parfaitement le mouvement, mais sans force de contrainte trop importante pour éviter des phénomènes optiques de biréfringence. Elle permet également d'intégrer l'élément de support 82 sur l'élément d'orientation 48 du miroir tout en minimisant le poids des pièces en mouvement afin de pouvoir atteindre les fréquences et amplitudes souhaitées.

[0085] L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés.

Par exemple, la cavité pourrait être utilisée pour d'autre largeur temporelles, jusqu'à la femtoseconde.