Traitements Antireflets (AR)

Cette présentation correspond à la Section 11.3 du  Guide de Ressources en Optique Laser.

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Edmund Optics propose tous les composant optiques à transmission TECHSPEC® avec une variété d'options de traitement antireflets (AR) qui améliorent considérablement l'efficacité de l'optique en augmentant la transmission, en améliorant le contraste et en éliminant les images fantômes. La plupart des traitements AR sont également très durables et résistent aux dommages physiques et environnementaux. Pour ces raisons, la grande majorité des optiques à transmission comprennent une forme de traitement antireflets. Lorsque vous spécifiez un traitement AR pour répondre à votre application spécifique, vous devez d'abord être pleinement conscient de la gamme spectrale complète de votre système. Alors qu'un traitement AR peut améliorer considérablement les performances d'un système optique, l'utilisation du traitement à des longueurs d'onde en dehors de la plage de longueur d'onde de conception pourrait potentiellement diminuer les performances du système.

Pourquoi choisir un traitement antireflets ?

En raison de la réflexion de Fresnel, lorsque la lumière passe à travers un substrat de verre, approximativement 4% sera réfléchi à chaque surface. Il en résulte une transmission totale de seulement 92% de la lumière incidente, ce qui peut être extrêmement préjudiciable dans de nombreuses applications (Figure 1). Un excès de lumière réfléchie réduit le débit et peut entraîner des dommages induits par le laser dans les applications laser. Les traitements antireflets (AR) sont appliqués aux surfaces optiques pour augmenter le débit d'un système et réduire les risques causés par les réflexions qui se propagent en arrière dans le système et créent des images fantômes. Les rétroréflexions déstabilisent également les systèmes laser en permettant à la lumière indésirable de pénétrer dans la cavité laser. Les traitements AR sont particulièrement importants pour les systèmes contenant plusieurs éléments optiques en transmission. De nombreux systèmes à faible luminosité intègrent des optiques à traitement AR pour permettre une utilisation efficace de la lumière.

Figure 1 : Les réflexions de Fresnel se produisent à chaque interface matérielle. Une partie de chaque rayon réfléchi subira une réflexion de Fresnel supplémentaire chaque fois qu'il atteindra une interface supplémentaire¹

Les traitements AR sont conçus de manière à ce que le déphasage relatif entre le faisceau réfléchi aux limites supérieure et inférieure d'un film mince soit de 180°. Une interférence destructive entre les deux faisceaux réfléchis se produit, ce qui annule les deux faisceaux avant qu'ils ne sortent de la surface (Figure 2). L'épaisseur optique du traitement optique doit être un multiple entier impair de $\tfrac{\lambda}{4}$, où $ \small{\lambda}$ est la longueur d'onde de conception ou la longueur d'onde optimisée pour une performance maximale afin d'obtenir la différence de trajet souhaitée de $\tfrac{\lambda}{2}$ entre les faisceaux réfléchis. Lorsqu'il est atteint, cela conduit à l'annulation des faisceaux. L'indice de réfraction d'un film mince $ \small{\left( n_f \right)} $ nécessaire à l'annulation complète des faisceaux réfléchis peut être trouvé en utilisant les indices de réfraction du milieu incident $ \small{\left( n_0 \right)} $ et du substrat $ \small{\left( n_s \right)} $.

(1)$$ n_f = \sqrt {n_0 \, n_s} $$

Figure 2 : L'indice de réfraction et l'épaisseur de chaque couche de traitement est soigneusement contrôlé afin de provoquer une interférence destructive entre chaque faisceau réfléchi

Les traitements antireflets en V sont un type de traitement AR conçu pour augmenter la transmission sur une bande d'ondes très étroite centrée sur une longueur d'onde de conception (DWL) spécifique. Ce type de traitement est appelé « traitement en V » car la courbe de la transmission en fonction de la longueur d'onde forme un « V », avec un minimum au niveau de la DWL. Les couches en V sont idéales pour obtenir une transmission maximale lors de l'utilisation de lasers à fréquence unique et à faible largeur de ligne, ou de sources lumineuses à largeur à mi-hauteur (FWHM) étroite.¹ Les couches en V ont généralement une réflectivité inférieure à 0,25 % au niveau de la DWL. Cependant, la courbe de réflexion pour le traitement a localement une forme presque parabolique et la réflectivité est significativement plus élevée aux longueurs d'onde autres que la DWL (Figure 3).

Figure 3 : Exemple d'un traitement laser en V conçu pour une transmission maximale à 266 nm

Le Tableau 1 indique la réflectivité et le seuil de dommage garanti induit par le laser (LIDT) pour les couches en V standard d'EO.

TRAITEMENT EN V LASER STANDARD
DWL (nm)	Spécifications de traitement	Seuil de dommage, pulsé $ \left( \tfrac{\text{J}}{\text{cm}^2} \right) $
266	R <0,25% à la DWL	3 @ 266 nm, 20 ns, 20 Hz
343	R <0,25% à la DWL	7,5 @ 343 nm, 20 ns, 20 Hz
355	R <0,25% à la DWL	7,5 @ 355 nm, 20 ns, 20 Hz
515	R <0,25% à la DWL	10 @ 515 nm, 20 ns, 20 Hz
532	R <0,25% à la DWL	10 @ 532 nm, 20 ns, 20 Hz
980	R <0,25% à la DWL	10 @ 980 nm, 20 ns, 20 Hz
1030	R <0,25% à la DWL	15 @ 1030 nm, 20 ns, 20 Hz
1064	R <0,25% à la DWL	15 @ 1064 nm, 20 ns, 20 Hz

Tableau 1 : Spécifications de réflectivité et seuils de dommage laser garantis pour les traitements laser en V standard d'EO - longueurs d'onde personnalisées disponibles sur demande

Étant donné que la réflectivité augmente rapidement à mesure que la longueur d'onde de la source s'éloigne de la DWL, les composants optiques avec des traitements en V sont destinés à être utilisés exactement ou très près de la DWL prévue du traitement. Une caractéristique intéressante des traitements en V est que la forme de leurs courbes de transmission est semi-périodique, de sorte que la réflectivité atteint un minimum local aux harmoniques de la DWL (par exemple $ \tfrac{\lambda_0}{2} $ ou $ \tfrac{\lambda_0}{4} $) qui ne sont pas aussi optimisées pour la réflectivité qu’à la DWL. Les couches en V sont généralement composées de deux couches de traitement seulement. Les traitements en V simples peuvent consister en une seule couche d'une épaisseur de $ \tfrac{\lambda}{4} $, mais plusieurs couches peuvent être nécessaires pour ajuster la largeur de bande ou si un matériau de traitement avec un indice de réfraction approprié n'est pas disponible. Les traitements multicouches peuvent également compenser les différents angles d'incidence, mais ils sont plus complexes et ont tendance à avoir des largeurs de bande plus importantes. Si l'épaisseur des couches de traitement en V est incorrecte, la réflectivité du traitement augmente et la DWL change. Les traitements en V d'Edmund Optics atteignent généralement des réflectivités minimales nettement inférieures à 0,25%, mais toutes les couches en V standard ont des réflectivités spécifiées de <0,25% au niveau de la DWL. Cela permet d'obtenir de petits décalages de la DWL par rapport aux tolérances du traitement.

Les traitements antireflets à large bande (BBAR) sont conçus pour améliorer la transmission sur une bande d'ondes beaucoup plus large. Ils sont couramment utilisés avec des sources lumineuses à large spectre et des lasers à génération d'harmoniques multiples. Les traitements BBAR n'atteignent généralement pas des valeurs de réflectivité aussi faibles que les traitements V, mais sont plus polyvalents en raison de leur bande de transmission plus large. En plus d'être appliqués aux composants optiques à transmission, notamment les lentilles et les fenêtres, les traitements AR sont également utilisés sur les cristaux laser et les cristaux non linéaires pour minimiser les réflexions, car les réflexions de Fresnel se produisent à la rencontre de l'air et du cristal.¹

Options de traitement antireflets à large bande (BBAR)

Edmund Optics propose toutes les lentilles TECHSPEC® avec un traitement antireflet (AR) diélectrique à une seule couche en option pour réduire les réflexions de surface. En outre, des traitements personnalisés à une ou plusieurs couches, en V ou en 2V, sont disponibles pour nos commandes standard et nos commandes personnalisées de gros volumes. Pour plus d'informations, consultez la page sur les traitements personnalisés des lentilles optiques.

Figure 4 : Tableau de sélection des longueurs d'onde

$\tfrac{\lambda}{4}$ MgF₂ : Le traitement AR le plus simple utilisé est le $ \tfrac{\lambda}{4} $ MgF₂ centré à 550 nm (avec un indice de réfraction de 1,38 à 550 nm). Le traitement MgF₂ est idéal pour une utilisation à large bande, bien qu'il donne des résultats variables selon le type de verre concerné.

VIS 0° et VIS 45° : VIS 0° (pour un angle d'incidence de 0°) et VIS 45° (pour un angle d'incidence de 45°) offrent une transmission optimisée pour 425 - 675 nm, réduisant la réflexion moyenne à 0,4% et 0,75% respectivement. Le traitement VIS 0° AR est préféré au MgF₂ pour les applications visibles.

VIS-NIR : Notre traitement antireflet à large bande dans le visible et l’infrarouge proche est spécialement optimisé pour offrir une transmission maximale (>99%) dans l’infrarouge proche.

Télécom-NIR : Notre traitement AR télécom/infrarouge proche est un traitement AR à large bande spécialisé pour les longueurs d'onde de télécommunication populaires de 1200 à 1600 nm.

UV-AR et UV-VIS : Les traitements ultraviolets sont appliqués à nos lentilles en silice fondue UV et à nos fenêtres en silice fondue UV afin d'augmenter leurs performances dans la région ultraviolette.

NIR I et NIR II : Nos traitements AR à large bande dans l’infrarouge proche I et II offrent des performances exceptionnelles dans les longueurs d'onde de l’infrarouge proche des fibres optiques, des modules de diodes laser et des lumières LED les plus courantes.

SWIR : Traitement AR à large bande dans l'infrarouge à ondes courtes pour des applications de 900 à 1700 nm.

La Figure 5, la Figure 6 et le Tableau 2 montrent les options de traitement BBAR standard d'EO.

Figure 5 : Les traitements AR standard d'EO pour le spectre visible

Figure 6 : Les traitements AR standard d'EO pour le spectre infrarouge proche (NIR) couvrent 400 à 1600 nm, mais des traitements personnalisés peuvent être conçus au-delà de 2 µm

Figure 7 : Les traitements AR standard d'EO pour le spectre infrarouge (IR)

Tableau 2 : Spécifications de réflectivité pour les traitements BBAR standards d’EO

Les traitements antireflets sont disponibles sur les optiques TECHSPEC® suivantes

Lentilles

Prismes

Fenêtres

Références

1. Paschotta, Rüdiger. Encyclopedia of Laser Physics and Technology, RP Photonics, October 2017, www.rp-photonics.com/encyclopedia.html

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