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Une Introduction aux Traitements Optiques
Edmund Optics Ltd

Une Introduction aux Traitements Optiques

Un traitement optique consiste d'une combinaison de films fins qui créent des effets interférentiels utilisés pour améliorer les propriétés de transmission ou de réflexion dans un système optique. La performance d'un traitement optique dépend du nombre de couches, de l'épaisseur de chaque couche et de l'indice de réfraction aux interfaces des couches. Les types de traitement les plus communs sur les optiques de précision sont les: Traitements Anti-Reflets (AR), les Traitements (Miroir) de Haute Réflexion, les Traitements de Séparateurs et de Filtres. Les traitements anti-reflets sont inclus sur la plupart des optiques de réfraction et sont utilisés pour maximiser la transmission et réduire les images fantômes. Les traitements de haute réflexion sont conçus pour maximiser la réflexion soit à une simple longueur d'onde soit sur une large gamme de longueurs d'onde. Les traitements de séparateurs sont utilisés pour diviser la lumière incidente en sorties lumineuses transmises et réflechies. Les filtres se trouvent dans un grand nombre d'applications industrielles et sont utilisés pour transmettre, réflechir, absorber ou atténuer la lumière aux longueurs d'onde spécifiques. Edmund Optics peut aussi offrir une variété de Traitements Personnalisés pour satisfaire aux besoins de toute application.

Sample Three Layer BBAR Coating Design

Figure 1: Exemple de Conception de Traitement BBAR en Trois Couches

Les traitements sont conçus pour un angle d'incidence de lumière spécifique et pour une polarisation spécifique de lumière telle que S-polarisée, P-polarisée, ou polarisation aléatoire. Si un traitement est conçu pour la lumière à un angle d'incidence de 0°, mais est utilisé avec de lumière à un angle d'incidence de 45°, le traitement ne performera pas aux spécifications de transmission/réflexion spécifiées. Similairement, traitements sont généralement conçus pour de la lumière polarisée aléatoirement donc en utilisant de la lumière S- ou P-polarisée avec un traitement conçu pour de la lumière aléatoirement polarisée ne produira a nouveau pas les spécifications indiquées.

Les traitements sont crées en déposant des matériaux diélectriques et métalliques tels que Ta2O5 et/ou Al2O3, en couches fines qui sont typiquement égaux en épaisseur à un-quart (QWOT) ou à un demi (HWOT) de la longueur d'onde de la lumière utilisée dans l'application. Ces films fins alternent couches d'index de réfraction élevé, et de faibles indices, induisant les effets d'interférence nécessaires. Regardez Figure 1 pour un exemple de conception d'un traitement anti-reflet à large bande.

Théorie du Traitement

Les traitements contrôlent la réflexion et la transmission lumineuse par un mécanisme d'interférence optique. Lorsque deux faisceaux se propagent le long de chemins conincidents et qu'ils sont en phase, la localisation spatiale des pics d'onde sont également en accordance et créeront une plus large amplitude. Lorsque les deux faisceaux ne sont pas en phase (dérive de 180°), leur superpositions résulteront en un effet soustractif de tous les pics causant l'amplitude de diminuer. Ces effets sont connus comme interférence constructive et déstructive respectivement.

Les relations dictant la réflectivité totale d'une structure de film multi-couche sont indiquées dans les équations 1-4 se trouvant ci-dessous:

(1)$$ \begin{bmatrix}B\\C\end{bmatrix}= \Bigg\{ \prod_{p=1}^q \begin{bmatrix} \cos \delta_p & i \, \sin \frac {\delta_p}{\eta_p}\\\ i\, \eta_p \, \sin \delta_p & \cos \delta_p\end{bmatrix} \Bigg\} \begin{bmatrix}1\\ \eta_{\eta}\end{bmatrix} $$
(2)$$ \delta_p = \frac {2 \pi \, N_p \, d_p \, \cos \theta_p}{\lambda} $$
(3)$$ Y = \frac {C}{B} $$
(4)$$ R = \left ( \frac {\eta_0 -Y}{\eta_0 +Y}\right) \left(\frac{\eta_0 -Y}{\eta_0 +Y}\right) $$

q

nombre de couches

δ

phase

η

admission optique des couches

Np

indice de réfraction

tp

épaisseur de couche

λ

longueur d'onde

θp

angle d'incidence

Y

admission optique

R

réflectivité

Puisque la longueur d'onde et l'angle d'incidence sont généralement spécifiés, l'indice de réfraction et épaisseur de couches peuvent être variés afin d'optimiser la performance. Des changements dans n'importe lequel de ces paramètres auront un effet sur la longueur du chemin lumineux sur le traitement, qui, lui altera les valeurs de phase lorsque du passage lumineux. Cet effet peut être expliqué simplement via l'exemple d'un traitement antireflet à couche unique. Lorsque la lumière se propage dans le système, des réflexions apparaitront aux deux interfaces de changement d'indice sur l'un des côtés du traitement. Dans le but de minimiser la réflexion, nous souhaiterions obtenir une phase de 180° entre les deux portions réflechies lorsqu'ils se rejoignent au premier interface. Cette différence de phase correspondant directement à une dérive de λ/2 de l'onde sinusoïdale, peut être accomplie en paramétrant l'épaisseur optique de la couche à λ/4. Regardez Figure 2 pour en exemple de ce concept.

180 Degree Phase Shift between Two Reflected Beams

Figure 2: Dérive de Phase de 180° entre Deux Faisceaux Réflechis

L'indice de réfraction n'influence pas seulement sur la longueur du chemin optique (et donc la phase), mais également sur les caractéristiques de réflexion à chaque interface. La réflexion est définie via les équations de Fresnel (Équation 5), offrant la somme de réflexion qui apparaitra à partir du changement d'indice de réfraction à incidence normale.

(5)$$ R = \left (\frac {n_1 -n_2}{n_1 + n_2}\right)^2 $$

Le paramètre final devant être pris en considération est l'angle d'incidence du traitement auquel celui-ci fut conçu. Si l'angle d'incidence est altéré, les angles internes et longueurs de chemin optiques seront affectés qui influenceront sur la somme du changement de phase des faisceaux réflechis. Lorsqu'une incidence est non-normale, la lumière polarisée S et P réflechiront différemment l'une de l'autre causant des différences en performances optiques aux deux polarisations. C'est ce phénomène qui permet la conception des séparateurs polarisants.

Technologie de traitement

Déposition sur évaporation

Lors de la déposition sur évaporation, les matériaux source dans une chambre sous vide sont soit vaporisés en utilisant une source de chaleur, soit bombardés par un faisceau d’électron. La vapeur qui en résulte se condense sur les surfaces optiques et la régulation précise du chauffage, la pression négative, le positionnement du substrat et la rotation lors de la vaporisation, entraînent un traitement optique uniforme ayant une épaisseur spécifique souhaitée. Le caractère relativement délicat de la vaporisation créé des revêtements qui sont peu comprimés ou poreux. Ces revêtements friables souffrent de l’absorption de l’eau qui modifie l’indice de réfraction effectif des couches ce qui entraîne une dégradation de leur performance. Les revêtements par évaporation peuvent être améliorés à l’aide d’une déposition assistée par faisceau, en dirigeant un faisceau d’ion sur la surface du substrat. Cette mesure augmente l’énergie de l’adhésion du matériau source à la surface, créant un revêtement plus dense et plus résistant, qui dispose aussi d’une contrainte supérieure.

Pulvérisation par faisceau d'ions

Durant une pulvérisation par faisceau d’ions, un champ électrique haute énergie est utilisé pour accélérer un faisceau d’ions. Cette accélération transmet aux ions une énergie cinétique considérable et lors de l’impact avec le matériau source, ils le « pulvérisent » légèrement à partir de la cible. Ces ions pulvérisés sur le matériau source sont à leur tour énergiques et créent un film dense au contact de la surface optique. Cette technologie de pulvérisation par faisceau d’ions est très répandue et connue pour sa précision et sa fiabilité.

Ion-Assisted E-Beam Deposition Process

Figure 3 : Dans la procédure de dépôt par faisceau d’électrons assistée par des ions, un canon à ions est orienté sur la surface optique pour augmenter l’adhésion et la densité du revêtement

Pulvérisation par plasma

La pulvérisation par plasma couvre toute une gamme de technologies comprenant des noms différents, dont la pulvérisation de plasma avancé et la pulvérisation magnétron. Le concept général consiste à générer un plasma. Les ions de ce plasma sont par la suite accélérés dans le matériau source et viennent frapper les ions de la source énergétique mobile qui ensuite se pulvérisent sur l’optique cible. Bien que chaque type de pulvérisation par plasma comporte ses propriétés, avantages et inconvénients spécifiques propres, nous avons regroupé ces technologies du fait qu’elles possèdent un concept de fonctionnement commun et que les différences dans ce groupe sont bien plus faibles que celles des autres technologies de traitement abordées dans cet article.

Déposition par couches atomiques

Contrairement à la déposition par évaporation, le matériau source de la Déposition par couches atomiques (ALD) ne nécessite pas l’évaporation d’un solide mais est fournie directement sous forme de gaz. Malgré l’utilisation de gaz, les températures élevées restent souvent utilisées dans la chambre sous vide. Dans l’ALD, les précurseurs sont transmis dans des pulsations non chevauchantes tandis que chaque pulsation disparaît spontanément. La conception chimique du processus est telle qu’une simple couche peut adhérer par pulsation et que la géométrie de la surface n’est pas un facteur restrictif. Nous obtenons ainsi un niveau extraordinaire de contrôle de l’épaisseur de couche et de la conception, mais pour la même raison un taux faible de dépôt.

Surfaces Structurées en Sub-longueur d’Onde

Des structures de surface plus petites que la longueur d’onde de la lumière ont représenté un sujet de recherche optique depuis la découverte du motif structuré sur les yeux du phalène. Tandis que la structuration de surface continue d’évoluer en tant que technologie, elle implique de modifier la structure de la surface d’un substrat plutôt que de déposer des couches alternées de matériaux à l’indice de réfraction élevé et faible qui sont un revêtement traditionnel à couche mince. Les caractéristiques sur les surfaces texturées peuvent être aléatoires ou périodiques comme le motif de l’oeil du phalène. Les surfaces structurées en sub-longueur d’onde peuvent être fabriquées en utilisant la photolithographie pour des motifs périodiques ou en utilisant une gravure au plasma modifiée pour les motifs aléatoires.

Fabrication d’un revêtement

Planetary Substrate Holder

Le processus de fabrication impliqué pour les traitements optiques nécessite un gros travail, des ressources élevées et demande aussi beaucoup de temps. Les facteurs qui influencent le coût d’un revêtement incluent le nombre d’optiques à traiter, le type et la dimension de l’optique, le nombre de couches de revêtement et le nombre de surfaces traitées sur l’optique. Le processus de déposition utilisé pour applique le traitement joue également un facteur énorme pour déterminer son coût mais aussi sa performance. Par ailleurs, un gros travail préparatoire est nécessaire pour garantir le plus haut niveau de qualité dans chaque optique traité.

Le nettoyage et la préparation de l’optique avant le traitement sont une partie essentielle du processus. Un élément optique doit posséder une surface propre pour que le traitement puisse adhérer. Par ailleurs, toute tâche sur le substrat qui n’est pas enlevée au préalable, peut souvent être accentuée une fois le traitement appliqué. Pour cette raison, Edmund Optics® a mis en place des méthodes de nettoyage méticuleuses qui garantissent un produit final fiable et de grande qualité.

Il existe de nombreuses technologies de dépôt différentes, et chacune comporte ses avantages et inconvénients. Edmund Optics® a mis en place de nombreuses techniques de dépôt. Veuillez nous contacter pour déterminer la technique de dépôt qui conviendra le mieux à votre application.

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