Couches minces optiques

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Diffusion lumineuse & composants optiques



Activité portée par : Myriam ZERRAD, Michel LEQUIME et Claude AMRA

Doctorante : Simona LIUKAITYTE (bourse DGA)
Ingénieur : Marc MINDA (SATT Sud Est)
Collaborateurs internes : Fabien Lemarchand, Thomas Begou, Julien Lumeau (équipe RCMO)
Collaborateurs externes :
Laboratoires : Fraunhofer Institute Jena, GREYC, Gravitational-Wave Physics and Astronomy Center, Laboratoire Astroparticule et Cosmologie
Organismes et industriels : CNES, DGA, ESA, SATT-SE, CILAS, Airbus, Thales, Sodern,Viavi Solutions, Semrock, Iridian, TFSI....



Historiquement associée au thème des couches minces optiques, l’activité diffusion lumineuse a connu un regain d’intérêt considérable sur la période 2011-2016, pour différentes raisons :

  • Les procédés de fabrication de filtres interférentiels ont bénéficié d’une rupture technologique qui autorise aujourd’hui la fabrication courante d’empilements présentant plusieurs centaines de couches minces ; la complexité de ces composants décuple ainsi les phénomènes de diffusion par les rugosités d’interface et les hétérogénéités de volume
  • Les exigences du spatial se sont sévèrement accrues, notamment dans le cadre du développement de micro-imageurs hyper-spectraux (sous forme de barrettes ou pixels). Les taux de diaphonie et les lobes de diffusion aux grands angles des filtres interférentiels sont devenus des verrous pour le fonctionnement de ces composants.
  • Le succès lié à la détection des ondes gravitationnelles a mis au premier plan les performances ultimes requises sur les miroirs, dont notamment la diffusion lumineuse

Dans ce contexte, l’équipe a dû faire face à plusieurs challenges scientifiques qui n’avaient pas été relevés jusqu’ici :

Métrologie de surface :

- Reconstruction de topographie

Les techniques de diffusion lumineuse (TDL) sont couramment utilisées pour caractériser les états de surface via des mesures d’intensité en champ lointain. Bien qu’incontournables à ce jour pour les applications optiques, elles souffraient cependant de la « non-restitution de topographie » ; en effet, l’intensité diffusée étant proportionnelle à la densité spectrale de puissance de la rugosité (le spectre de rugosité), c’est ce spectre qui est utilisé comme signature des échantillons, dont l’intégration sur la bande passante fournit l’écart quadratique moyen de la rugosité. Pour pallier cette difficulté et sortir de ce mode de caractérisation limité aux moments statistiques de la rugosité, nous avons mis en oeuvre une méthode originale utilisant 2 faisceaux dans une géométrie simplifiée (échantillon et détecteur immobiles), toujours en champ lointain. Ce système unique résout ainsi un problème récurrent depuis les années 80. Il a été breveté et bénéficie d’un projet de maturation en cours.

- Extraction des défauts localisés

Eu égard aux précisions attendues, la métrologie de surface souffrait également d’une ambiguïté sur la valeur mesurée pour la rugosité. Il est en effet majeur de discriminer, dans cette rugosité d’une fraction de nanomètre, le poids de la valeur intrinsèque (rugosité dérivable liée à la réplication du substrat), du poids des défauts localisés (dislocations apparues en cours de dépôt). En particulier les défauts isolés sont caractéristiques de la technologie de dépôt (et non du substrat), et constituent des centres initiateurs de l’endommagement laser. Pour résoudre ce problème, un nouvel instrument spécifique a été construit sur le principe de réciprocité (détecteur fixe) pour mettre en bijection, via un système télé-centrique en sortie de fibre, chaque pixel de surface avec chaque pixel d’une matrice CCD. On enregistre ainsi un million d’indicatrices de diffusion pour le même échantillon, et pour chacune d’elles on extrait le spectre de rugosité, ce qui confère en premier lieu la stationnarité de la topographie. Mais surtout, pour chaque pixel de surface, on analyse la présence d’oscillations caractéristiques de la présence d’un défaut isolé ; cette procédure fournit ainsi 2 caractérisations conjointes de l’échantillon, la première liée à la rugosité intrinsèque, la seconde constituée de défauts localisés. Là encore, la performance de cet instrument est unique et rend d’innombrables services à la communauté de couches minces optiques. Une description est donnée (instrument AOS) dans la rubrique « Plateforme », avec des illustrations.

- Diffusomètre blanc instantané

Comme toujours, parallèlement à une demande de complexité instrumentale (plus de données, plus de précision…), émerge une exigence de simplicité pour des applications annexes. Ces applications concernent les situations où :

  • l’échantillon à mesurer n’est pas accessible ou manipulable
  • le détecteur ne peut pas tourner autour de l’échantillon (problème d’encombrement)
  • la mesure doit être instantanée (caractérisation « en ligne » d’échantillons)

Pour répondre à cette exigence, nous avons élaboré un nouveau système avec une source d’éclairage en lumière blanche, qui a été breveté et bénéficie d’un projet de maturation en cours. On montre en effet qu’à condition d’introduire un filtre en « puissance de longueur d’onde », la mesure de diffusion blanche dans une direction donnée est proportionnelle à la rugosité de l’échantillon. On dispose ainsi pour la première fois d’une mesure instantanée de la rugosité, sans mouvement mécanique ou balayage en longueur d’onde. On montre aussi, le cas échéant, qu’une série de filtres permet de reconstruire le spectre de rugosité en lumière blanche.

Diffusion aux grands angles

- Nouvelle instrumentation

L’analyse de filtres complexes passe par l’acquisition d’un instrument dédié à la mesure de la diffusion. Les données mesurées servent ensuite à l’extraction de la rugosité des interfaces ou des hétérogénéités de volume, des lois de corrélation ou des défauts localisés… Cependant ces grandeurs sont toutes données pour une bande passante liée à la longueur d’onde d’éclairement, alors que les filtres étudiés affichent un gabarit optique fonctionnant sur toute une plage spectrale. Il existe donc là une difficulté récurrente qui a motivé la communauté à construire des diffusomètres fonctionnant sur plusieurs raies laser, mais cela ne répond pas aux besoins extrêmement variés des opticiens. Nous avons voulu relever ce troisième challenge en construisant un diffusomètre fonctionnant sur toute la plage spectrale d’un laser à super-continuum, avec des performances analogues (8 décades de dynamique sous l’étalon lambertien), pour chaque longueur d’onde, à celles d’un diffusomètre mono-raie (laser). Si la mise au point de l’instrument (SALSA) a requis 4 années de travail (et d’innombrables difficultés) avec le soutien inconditionnel du CNES et de la DGA, il bénéficie aujourd’hui d’un succès considérable, ce dont témoigne le nombre de sollicitations auxquelles nous devons faire face (Semrock, Iridian, Viavi Solution, CILAS, Sodern, Thales....), ou les tables rondes auxquelles nous convie l’ESA ou l’AFNOR. Cet instrument est unique au monde et devrait être rapidement étendu à l’UV et l’IR, voire à la luminescence et au rayonnement thermique. On notera par ailleurs qu’un bloc de l’instrument SALSA donne accès à la mesure de spectres de transmission jusqu’à 11 décades (figure 1), une performance supérieure de 5 décades aux meilleurs systèmes sur le marché. Il est donc possible pour la première fois de vérifier les fortes réjections des systèmes interférentiels. Une description est donnée (instrument SALSA) dans la rubrique « Parc Instrumental », avec des illustrations.

Figure 1 : Mesure du coefficient de transmission spectral d’un filtre passe bande à forte réjection réalisée avec l’instrument SALSA. Comparaison à une mesure réalisé avec un spectrophotomètre Perkin Elmer Lambda 1050 et à la réponse théorique du composant . [Liukaityte 2015], production RCMO

- Contrôle des diagrammes de diffusion

Les performances des micro-démultiplexeurs spatiaux sont sévèrement limitées par les phénomènes de diaphonie, qui résultent de la diffusion aux grands angles des filtres interférentiels. Dans ce cadre, il faut analyser en détail la relation entre la formule du composant et son diagramme de diffusion, et identifier les degrés de liberté pour piloter la position et l’amplitude de ces lobes. Nous disposons pour cela de modèles perturbatifs parfaitement adaptés à cette problématique, capables de prédire les indicatrices spatiales et spectrales de la diffusion par les surfaces ou les volumes d’un système multicouche, et tenant compte de la lumière radiative (émergente) ou piégée (sous forme de modes), etc… Toutefois le nombre de paramètres est très grand, et parmi eux les coefficients de corrélation entre interfaces sont très sensibles. Ces coefficients jouent en effet le rôle de cohérence mutuelle entre les sources de diffusion qui sont excitées aux interfaces par la distribution de champ stationnaire dans l’empilement.
Une étape majeure a donc consisté à démontrer qu’avec les nouvelles technologies de fabrication (Dual Ion Beam Sputtering, Magnetron Sputtering…), l’effet de réplication de la rugosité du substrat est l’effet dominant. Ce résultat confère ainsi une corrélation quasi-parfaite aux empilements, ce qui réduit de façon drastique le nombre de paramètres. A titre d’illustration, l’accord calcul/mesure donné en figure 2 est excellent alors qu’aucun ajustement de paramètres n’a eu lieu pour cet empilement d’une centaine de couches minces.


Figure 2 : Mesure et modelisation de l’indicatrice spectrale et angulaire de diffusion d’un filtre optique complexe constitué d’une centaine de couches minces et fabriqué par l’équipe RCMO [Zerrad 2016].

Compte tenu de son positionnement international, cette activité est à l’interface entre les milieux académiques, industriels et grands organismes ; elle est de fait fait génératrice de nombreuses collaborations et partenariats avec ces différents types de structure. Son bilan quantitatif représente un budget d’environ 500 k€ sur la période 2011-2016 répartis sur une quinzaine de contrats de recherche.

Sur la même période, l’activité a donné lieu à 5 publications de rang A, 2 brevets, 7 conférences invitées et 24 autres conférences.

Valorisation

  • Nombreuses actions R&T avec le CNES
  • Nombreux contrats industriels
  • Projet ANR soumis en 2015 et 2016 (FIRST) avec le GREYC
  • 2 brevets et projets de maturation (SATT AMU)

Publications et brevets

  1. M. Zerrad, S. Liukaityte, M. Lequime, C. Amra. « Light scattered by optical coatings : numerical predictions and comparison to experiment for a global analysis”, Applied optics, Optical Society of America, 2016, 55, pp.9680-9687.
  2. M. Zerrad, C. Amra, M. Lequime, « Appareil et procédé de mesure d’un état de surface ou de volume d’un objet par diffusion en champ lointain », France, N° de brevet : FR1654500 2016
  3. M. Lequime, S. Liukaityte, M. Zerrad, and C. Amra, "Ultra-wide-range measurements of thin-film filter optical density over the visible and near-infrared spectrum," Opt. Express 23, 26863-26878 (2015)
  4. S. Liukaityte, M. Lequime, M. Zerrad, T. Begou, and C. Amra, "Broadband spectral transmittance measurements of complex thin-film filters with optical densities of up to 12," Opt. Lett. 40, 3225-3228 (2015)
  5. D. Vander-Hyde, C. Amra, M. Lequime, F. Magana-Sandoval, J. R. Smith, and M. Zerrad, "Optical scatter of quantum noise filter cavity optics," Classical and Quantum Gravity 32 (2015).
  6. C. Amra, M. ZERRAD, M. Lequime, « Diffusomètre sans mouvement » ICG30205 FR , 3 juillet 2015
  7. M. Zerrad, M. Lequime, and C. Amra, "Spatially resolved surface topography retrieved from far-field intensity scattering measurements," Applied Optics 53, A297-A304 (2014).
  8. M. Zerrad, and M. Lequime, "Instantaneous spatially resolved acquisition of polarimetric and angular scattering properties in optical coatings," Applied Optics 50, C217-C221 (2010).
  9. M. Lequime, M. Zerrad, C. Deumie, and C. Amra, "A goniometric light scattering instrument with high-resolution imaging," Optics Communications 282, 1265-1273 (2009).