Couches minces optiques

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Design et caractérisation de matériaux en couches minces

Une des premières thématiques d’intérêt de l’équipe RCMO est le développement de méthodes robustes et performantes de détermination, à partir de mesures spectrophotométriques, des caractéristiques opto-géométriques des matériaux en couches minces susceptibles d’intervenir dans la constitution des empilements.
Cette étude est critique puisque c’est l’étape préliminaire requise avant la réalisation du design d’une structure. Celle-ci est rendue possible par la mise au point de méthodes d’optimisation et le développement de programmes dédiés qui peuvent être mis en œuvre non seulement sur des monocouches, mais également sur des empilements plus complexes (on parle alors de reverse engineering).

Ces développements ont ainsi été appliqués à la détermination des dispersions d’indice de réfraction et de coefficient d’extinction de divers matériaux diélectriques et métalliques classiques (Nb2O5, SiO2, Si, Ag, Au, Cr…). Un ensemble de propriétés déterminées au cours de ces études peut être retrouvé sur le site refractiveindex.info.

La deuxième étape lors de la réalisation d’un filtre à base de couches minces optiques est l’étape de synthèse (ou design), qui consiste à déterminer la séquence de couches (matériaux et épaisseurs) qui vont permettre de réaliser la fonction de filtrage souhaitée. Celle-ci fait appel soit à des solutions analytiques, i.e. avec des formules théoriques dont les performances répondent ou approchent celles désirées, ou bien purement numériques avec des méthodes originales couplées à des algorithmes d’optimisation locale ou globale. Dans ce cas, on cherche à minimiser une fonction coût, écart entre performances souhaitées et calculées. Mais il est également important de prendre en compte l’aspect technologique du problème, puisque les formules ainsi générées doivent présenter des caractéristiques qui les rendent accessibles aux procédés de dépôt dont dispose l’Institut FRESNEL.

Ainsi, l’optimisation pourra être contrainte, par exemple avec des bornes d’épaisseur minimale et maximale de couche à déposer, ou par les méthodes de contrôle de dépôt pressenties pour la fabrication. Enfin, en simulant des distributions d’erreurs sur les épaisseurs des couches (propres aux méthodes de contrôle choisies), voire de faibles variations d’indices, il devient ainsi possible de prédire la faisabilité d’un filtre avant même sa fabrication.