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Présentation
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RÉSUMÉ
Ces dernières années, les fonctions optiques, réalisées dans de nombreux secteurs, se sont multipliées et complexifiées, nécessitant l'emploi incontournable des couches minces optiques. Diversité des substrats et des matériaux déposés, la technologique a énormément progressé, rendant possible maintenant le dépôt de plusieurs centaines de couches avec une précision nanométrique. Des méthodes permettent de calculer la réponse optique d'un système multicouche et d'accéder aux paramètres de réflexion, transmission et absorption, front d'onde et polarisation, durée d'impulsion. La méthode des admittances complexes offre l'avantage du calcul analytique dans la prédiction de ces phénomènes. La programmation rapide du profil spectral d'un composant est non seulement rendue accessible, mais généralisable à l'étude des résonances et modes guidés.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Claude AMRA : Directeur de recherche au CNRS, Institut Fresnel
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Catherine GRÈZES-BESSET : Directeur technique à CILAS Marseille
INTRODUCTION
Dans le domaine de l'espace libre, les couches minces optiques demeurent incontournables dans de nombreux secteurs. Ce constat résulte d'une maturité acquise au cours des trente dernières années, et de la diversité et la complexité des fonctions optiques réalisées : respect de contraintes simultanées sur l'intensité et la phase, la polarisation, l'achromaticité ou la résonance, la stabilité à l'incidence... Ce type de composant trouve également sa force dans la diversité des substrats (verres, cristaux, plastiques) et des matériaux déposés (oxydes, sulfures, nitrures, fluorures, métaux), qui lui permettent d'adresser de larges domaines spectraux (UV/VIS/PIR/MIR). Par ailleurs, ce domaine est quasiment le seul à bénéficier de logiciels de synthèse élaborés faisant appel aux techniques d'optimisation les plus récentes (algorithmes génétiques, recuit simulé, méthode des aiguilles...). Si, dans les années 2000, des progrès spectaculaires ont été réalisés dans le domaine de la fabrication de filtres destinés aux applications microélectronique, télécommunications optiques à haut débit et biomédical, la technologie a encore progressé au cours des cinq dernières années, notamment dans le domaine de l'automatisation des procédés, et rend aujourd'hui accessible le dépôt de plusieurs centaines de couches avec une précision nanométrique. Ces progrès ont été accompagnés par une métrologie de plus en plus sophistiquée dont la tenue au flux, qui est devenue un réel verrou dans le contexte d'intégration photonique et d'augmentation de la puissance des sources laser. Parallèlement les contraintes non optiques (dureté, adhésion, sensibilité à l'environnement, vieillissement, auto nettoyage) ont pris une place considérable, notamment dans le domaine des applications grand public.
Cet article est consacré au calcul de la réponse optique d'un système multicouche : réflexion, transmission et absorption, front d'onde et polarisation, durée d'impulsion... Nous utilisons pour cela la méthode des admittances complexes, qui offre l'avantage du calcul analytique pour mieux comprendre et prédire les phénomènes. Les résultats permettent de programmer rapidement le profil spectral d'un composant ; par ailleurs, ils sont immédiatement généralisables à l'étude des résonances et modes guidés.
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Réflexion totale, résonances et modes de propagation
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5. Premiers exemples numériques
Dans ce qui suit, on considérera des matériaux diélectriques, donc faiblement dissipatifs (à faible absorption) : la partie imaginaire de l'indice de réfraction est faible devant la partie réelle. On désigne par matériau haut ou bas indice un matériau quasi transparent dont l'indice de réfraction réel (nH ou nB) est supérieur (nH > ns) ou inférieur (nB < ns) à l'indice réel ns du substrat. Les diélectriques utilisés pour le calcul numérique sont en général l'air (superstrat d'indice n0 = 1), le verre (substrat d'indice ns = 1,52), le sulfure de zinc (ZnS) d'indice nH = 2,3 et la cryolithe (Na3AlF6) d'indice nB = 1,3, bien que ces deux derniers matériaux ne soient plus que rarement utilisés. Ces valeurs d'indice sont données pour la longueur d'onde λ = 633 nm. La dispersion d'indice est négligée, par souci de simplicité. On se limite également au spectre visible. Lorsque des calculs d'absorption sont donnés, ils mettent en jeu une valeur de 10–4 pour l'indice imaginaire de chaque matériau. On rappellera cependant que les métaux, sous forme de fines couches partiellement transparentes, sont aussi fréquemment utilisés dans les empilements de couches minces.
5.1 Dioptre nu
Le cas du dioptre nu se résume simplement à :
( 84 )
En incidence normale et pour un dioptre air/verre dans le visible, ce coefficient est négatif et déphase donc le champ réfléchi tangentiel d'une valeur égale à π (par rapport au champ incident) :
( 85 )
On retrouve ainsi, en termes de chemin optique et pour rejoindre l'optique géométrique, une différence de marche de λ/2 à la réflexion.
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Premiers exemples numériques
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MacLEOD (H.A.), MacLEOD (A.) - Thin film optical filters. - Taylor and Francis Ed. 3 (2001).
-
(2) - DOBROWOLSKI (J.A.) - Optical properties of films and coatings. - In Handbook of Optics, BASS (M.) et al., McGraw-Hill (1995).
-
(3) - BAUMEISTER (P.W.) - Optical coating technology. - SPIE Press Book (2004).
-
(4) - THELEN (A.) - Design of optical interference coatings. - McGraw-Hill (1989).
-
(5) - FURMAN (S.A.), TIKHONRAROV (A.V.) - Basics of optics of multilayer systems. - Éditions Frontières (1992).
-
(6) - PETIT (R.) - Ondes électromagnétiques en radio-électricité et en optique. - Masson (1992).
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