Une Introduction aux Traitements Optiques

Cette note d’application correspond aux sections 11.1, 11.2 et 11.7 du Guide des Ressources en Optique Laser.

Les traitements optiques sont utilisés pour améliorer les propriétés de transmission, de réflexion ou de polarisation d'un composant optique. Par exemple, environ 4% de la lumière incidente sera réfléchie sur chaque surface d'un composant en verre non traité. Un traitement antireflet pourrait être appliqué pour réduire la réflexion à chaque surface à moins de 0,1% et un traitement diélectrique hautement réfléchissant pourrait également être appliqué pour augmenter la réflectivité à plus de 99,99%. Un traitement optique consiste d'une combinaison de fines couches de matériaux tels que des oxydes, des métaux ou des terres rares. Les performances d'un traitement optique dépendent du nombre de couches, de leur épaisseur et de la différence d'indice de réfraction entre elles. Cette note d'application traite de la théorie des traitements optiques, des différents types de traitements courants et des méthodes de fabrication des traitements.

Les traitements optiques à couches minces sont généralement créés en déposant des matériaux diélectriques et métalliques, tels que le pentoxyde de tantale (Ta₂O₅), l'oxyde d'aluminium (Al₂O₃) ou l'oxyde de hafnium ((HfO₂), en couches minces alternées. Afin de maximiser ou de minimiser l'interférence, ils ont généralement une épaisseur optique de λ/4 (QWOT) ou de λ/2 (HWOT) de la longueur d'onde de la lumière utilisée dans l'application. Ces couches minces alternent entre un indice de réfraction élevé et un indice de réfraction faible, induisant ainsi les effets d'interférence nécessaires (Figure 1).

Figure 1 : Dans un traitement antireflet à large bande (BBAR) à trois couches, le choix correct des épaisseurs de traitement λ/4 et λ/2 permet d'obtenir une transmission élevée et une faible perte par réflexion.

Les traitements optiques sont conçus pour améliorer les performances d'un composant optique pour un angle d'incidence et une polarisation de la lumière spécifiques, tels que la polarisation s, la polarisation p ou la polarisation aléatoire. L'utilisation du traitement à un angle d'incidence ou à une polarisation différents de ceux pour lesquels il a été conçu entraînera une dégradation importante des performances. Des écarts suffisamment importants dans l'angle d'incidence et la polarisation peuvent entraîner une perte totale de la fonction du traitement.

Théorie des traitements optiques

Pour bien comprendre les traitements optiques, il faut connaître les équations de Fresnel sur la réfraction et la réflexion. La réfraction est le changement de direction de la propagation d'une onde lorsqu'elle passe d'un milieu optique à un autre. Elle est régie par la loi de Snell de la réfraction :

(1)$$ n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2 $$

n₁ est l'indice de réfraction du milieu incident, θ₁ est l'angle du rayon incident, n₂ est l'indice du milieu réfracté/réfléchi, et θ₂ est l'angle du rayon réfracté/réfléchi (Figure 2).

$Figure 2 : Déplacement de la lumière d'un milieu à faible indice vers un milieu à indice élevé, entraînant la réfraction de la lumière vers la normale à l'interface$

Figure 2 : Déplacement de la lumière d'un milieu à faible indice vers un milieu à indice élevé, entraînant la réfraction de la lumière vers la normale à l'interface

L'angle d'un rayon n'importe où dans un traitement multicouche de couches minces constitué de surfaces planes et parallèles d'indices de réfraction différents peut être trouvé en utilisant la loi de Snell. L'angle interne du rayon dans le film est indépendant de l'ordre du film ou de l'emplacement du film dans la pile car la loi de Snell s'applique à chaque interface (Figure 3):

(2)$$ n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2 = n_3 \sin \theta_3 = n_4 \sin \theta_4 $$

$Figure 3 : L'angle de réfraction d'un rayon au niveau d'une couche quelconque d'un traitement multicouches minces constitué de surfaces planes et parallèles est indépendant de l'ordre des couches et peut être trouvé en utilisant la loi de Snell$

Figure 3 : L'angle de réfraction d'un rayon au niveau d'une couche quelconque d'un traitement multicouches minces constitué de surfaces planes et parallèles est indépendant de l'ordre des couches et peut être trouvé en utilisant la loi de Snell-Descartes

Le rayon sortant de la Figure 3 sera parallèle au rayon incident car n₁ = n₄. Les traitements optiques sur des surfaces courbes ne sont pas vraiment des structures parallèles planes en raison de la courbure de l'optique. Cependant, cette approximation est toujours valable en raison de la finesse des traitements.¹

La loi de la réflexion stipule que l'angle d'un rayon réfléchi, par rapport à la normale à la surface, est de même grandeur que l'angle d'incidence, mais de direction opposée par rapport à la normale à la surface.

(3)$$ \theta_1 = -\theta_2 $$

Si l'angle d'incidence d'un rayon passant d'un milieu à un autre ayant un indice de réfraction inférieur est supérieur à l'angle critique d'un matériau (θ_C) défini par le rapport des deux indices de réfraction, une réflexion interne totale se produira et le rayon sera complètement réfléchi (Figure 4). L'angle de réfraction est égal à 90° lorsque l'angle incident est exactement égal à l'angle critique.²

(4)$$ \theta_C = \frac {n_2}{n_1} $$

Figure 4 : Démonstration de la réflexion interne totale (TIR) lorsque l'angle d'incidence est supérieur à Θ_c

Les coefficients d'amplitude pour la transmission et la réflexion à l'interface entre deux milieux optiques sont régis par les équations de Fresnel pour la transmission et la réflexion :³

(5)$$ t_s = \frac {2n_1 \cos \theta_1}{n_1 \cos \theta_1 + n_2 \cos \theta_2} $$

(6)$$ r_s = \frac {n_1 \cos \theta_1 - n_2 \cos \theta_2}{n_1 \cos \theta_1 + n_2 \cos \theta_2} $$

(7)$$ t_p = \frac {2n_1 \cos \theta_1}{n_1 \cos \theta_2 + n_2 \cos \theta_1} $$

(8)$$ r_p = \frac {n_1 \cos \theta_2 - n_2 \cos \theta_1}{n_1 \cos \theta_2 + n_2 \cos \theta_1} $$

Où t_s et t_p sont les coefficients de transmission d'amplitude pour les polarisations s et p, r_s et r_p sont les coefficients de réflexion d'amplitude pour les polarisations s et p, n₁ et n₂ sont les indices de réfraction des deux milieux optiques, θ₁ est l'angle incident, et θ₂ est l'angle transmis ou réfléchi. En incidence normale, θ₁ et θ₂ sont égaux à 0, ce qui fait que tous les termes en cosinus sont égaux à 1 et que les coefficients d'amplitude sont les mêmes pour les deux états de polarisation. Cela a un sens intuitif car il n'y a pas de distinction entre les états de polarisation s et p à l'incidence normale.

La réflexion se produit lorsque la lumière frappe des électrons à la surface du matériau qu'elle pénètre. Les électrons absorbent et réémettent la lumière avec une certaine perte d'énergie. Les matériaux miroirs brillants et hautement réfléchissants ont plus d'électrons à mobilité libre, ce qui entraîne une réflexion maximale et une transmission minimale.

Technologies de traitement

Il existe plusieurs technologies de dépôt physique en phase vapeur couramment utilisées pour appliquer des traitements optiques, notamment le dépôt en phase vapeur par faisceau d'électrons assisté par ions (E-Beam IAD), le traitement par pulvérisation ionique (IBS), la pulvérisation avancée par plasma, le dépôt par pulvérisation cathodique magnétron assistée par plasma (PARMS) (Tableau 1). Aucune technologie de traitement ne constitue le choix idéal pour toutes les applications, car chaque technologie possède des atouts uniques qui la rendent optimale pour certains cas d'utilisation spécifiques qui se recoupent.

	E-Beam IAD	APS	PARMS	IBS
Performances spectrales	Stables	Stables	Stables	Très stables
Contrainte du traitement	Faible-moyenne	Moyenne-élevée	Moyenne-élevée	Élevée
Répétabilité	Moyenne-élevée	Élevée	Élevée	Très élevée
Densité des couches	Moyenne-élevée	Élevée	Élevée	Très élevée
Lissage des couches	Moyen-élevé	Élevé	Élevé	Très élevé
Durée du processus	Rapide	Intermédiaire	Lente-Intermédiaire	Lente
Capacité UV	Élevée	Moyenne-élevée	Moyenne	Faible-moyenne
Géométrie du substrat	Très polyvalente	Polyvalente	Limitée	Limitée
Prix relatif	$	$$	$$	$$$

Tableau 1 : Les paramètres clés des technologies de traitement courantes montrent que la technologie de traitement idéale pour une situation donnée dépend fortement de l'application (E-Beam IAD : dépôt en phase vapeur par faisceau d'électrons assisté par ions, IBS : traitement par pulvérisation ionique, APS : pulvérisation avancée par plasma et PARMS : pulvérisation cathodique magnétron assistée par plasma)

Dépôt en phase vapeur par faisceau d'électrons assisté par ions

Le dépôt en phase vapeur par faisceau d'électrons assisté par ions (IAD e-beam) est une technique de traitement dans laquelle un canon à électrons bombarde et vaporise des matériaux sources dans une chambre à vide. La vapeur qui en résulte se condense sur les surfaces optiques et forme des couches uniformes, à faible contrainte, d'une épaisseur spécifique. Les traitements IAD e-beam se caractérisent par de faibles pertes dans le spectre ultraviolet (UV) et des seuils de dommage laser (LIDT) élevés dans le spectre proche infrarouge (NIR). Cette technique offre également plus de souplesse pour la conception des traitements que les autres méthodes, car elle peut utiliser la plus large gamme de matériaux utilisables. Les machines de dépôt en phase vapeur par faisceau d'électrons IAD produisent également des traitements à un coût inférieur à celui des autres méthodes et s'adaptent à des chambres de traitement de plus grande taille. Cette technologie de traitement est idéale pour les situations où la flexibilité et le coût sont les priorités absolues par rapport à la haute performance. En fonction de la source d'ions exacte utilisée, cette technique peut donner lieu à des traitements présentant des densités plus faibles, un lissage et une réflectivité limités, et des propriétés moins reproductibles. Cela peut rendre le contrôle précis de l'épaisseur de la couche plus difficile que lors de l'utilisation de la pulvérisation ionique ou par magnétron. Pour cette raison, le dépôt en phase vapeur par faisceau d'électrons IAD ne peut pas créer des traitements à très faible ou très forte réflectivité, comme un traitement antireflet en V avec une transmission de 99,95% à 1064 nm.

Le traitement par pulvérisation ionique

La traitement par pulvérisation ionique (IBS) est une technologie de traitement hautement reproductible qui permet de créer des traitements d'une qualité optique et d'une stabilité très élevées. Au cours de l'IBS, un faisceau d'ions à haute énergie bombarde une cible du matériau de traitement souhaité, ce qui provoque la « pulvérisation » des atomes de la cible (Figure 5). Les atomes cibles subissent une énergie cinétique importante (~10 à 100 eV), ce qui les amène à former un film dense, dur et lisse sur la surface des composants optiques.5 L'un des principaux avantages de l'IBS est qu'il permet un suivi et un contrôle précis des paramètres, notamment la vitesse de croissance de la couche, le niveau d'oxydation et l'apport d'énergie, ce qui permet d'obtenir des traitements hautement reproductibles. La rotation à grande vitesse du substrat contribue également à une précision exceptionnelle de l'épaisseur des couches. Cela permet à l’IBS de créer certains des traitements optiques les plus exigeants, notamment des miroirs à très faibles pertes avec des valeurs de réflectivité supérieures à 99,9%, des miroirs chirpés pour les applications laser ultrarapides et des filtres avec des transitions spectrales très nettes. Les performances des traitements IBS sont également moins affectées par les facteurs environnementaux, tels que la température et l'humidité, que celles des autres technologies de traitement. Cependant, les traitements IBS présentent plusieurs inconvénients, notamment une contrainte plus élevée et une perte dans le spectre UV. Les taux de croissance plus lents et la taille des chambres entraînent également un coût relatif nettement supérieur à celui des autres méthodes de traitement, ce qui limite l'IBS à certaines applications lorsque des performances élevées sont requises.

Figure 5 : L'IBS est un procédé hautement contrôlable qui utilise un canon à ions à haute énergie pour pulvériser du matériau d'une cible sur des substrats rotatifs, ce qui permet d'obtenir des traitements optiques très précis et reproductibles

La pulvérisation avancée par plasma

La pulvérisation avancée par plasma (APS) est une version modifiée du dépôt par évaporation par faisceau d'électrons IAD qui bénéficie de capacités de traitement automatisé avancées. L'APS utilise un plasma de décharge lumineuse à cathode chaude en courant continu au lieu d'un faisceau d'ions pour déposer le matériau de traitement. Le plasma remplit toute la chambre de traitement, libérant des ions cibles et les déposant sur les surfaces optiques. L'APS permet d'obtenir des traitements lisses, denses et durs qui offrent des propriétés optiques plus stables que le faisceau électronique IAD tout en conservant le haut niveau de polyvalence de ce dernier. L'APS peut également déposer des traitements en volume à une structure de prix similaire à celle du dépôt par évaporation par faisceau d'électrons IAD, ce qui le rend préférable pour les gros volumes de traitements dont les exigences de performance sont légèrement plus élevées. Cependant, l'APS subit des contraintes plus importantes, présente plus de pertes dans le spectre UV et nécessite un développement itératif du processus, ce qui entraîne un coût légèrement supérieur à celui du dépôt par évaporation par faisceau d'électrons IAD. À bien des égards, l'APS, ainsi que la pulvérisation magnétron, peuvent être considérés comme une solution intermédiaire pour de nombreux paramètres entre le dépôt par évaporation par faisceau d'électrons IAD et l'IBS.

Pulvérisation cathodique magnétron assistée par plasma

Le dépôt par pulvérisation cathodique magnétron assistée par plasma (PARMS) est une autre technologie de traitement basée sur la génération de plasma. Un plasma à décharge lumineuse est généré comme dans l'APS, mais un champ magnétique le « confine » près de la cible au lieu de remplir toute la chambre de traitement. Le plasma accélère les ions positifs sur la cible, éjectant les atomes de la cible qui se déposent sur les surfaces optiques. La PARMS fonctionne à une pression de chambre relativement faible avec un rendement élevé en raison du confinement du plasma. Cette faible pression réduit le temps de préparation et permet un traitement plus économique des optiques de grand volume. Les traitements en couche mince formés par la PARMS sont durs et denses en raison des gaz réactifs ajoutés pour améliorer la stœchiométrie des traitements. La PARMS est hautement répétable, mais pas autant que l'IBS. Cependant, la PARMS a un débit plus élevé, ce qui en fait une solution intermédiaire intéressante entre le prix et les performances élevés de l'IBS et les technologies de traitement plus économiques telles que le dépôt par évaporation à faisceau d'électrons IAD. La PARMS est souvent utilisée pour fabriquer des filtres de fluorescence, car cette technologie offre un équilibre entre des performances optiques relativement élevées et un débit relativement important.

Capacités d'Edmund Optics® en matière de traitement optique

Références

Willey, Ronald R. Field Guide to Optical Thin Films. SPIE Optical Engineering Press, 2006.
Greivenkamp, John E. Field Guide to Geometrical Optics. SPIE Optical Engineering Press, 2004.
Paschotta, Rüdiger. Encyclopedia of Laser Physics and Technology, RP Photonics, October 2017, www.rp-photonics.com/encyclopedia.html.
Vandendriessche, Stefaan. « No One-Size-Fits-All Approach to Optical Coatings. » Photonics Spectra, Photonics Media, décembre 2016.
« IBS Mirror Coatings for Highly Demanding Applications. » Photonics News, Laser Components Group, août 2016, www.lasercomponents.com/uk/news/ibs-mirror-coatings-for-highly-demanding-applications

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