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Les filtres linéairement variables ... ou comment réaliser un spectromètre ultra-compact



Les filtres linéairement variables sont des composants de filtrage multicouches pour lesquels les épaisseurs déposées évoluent de manière linéaire le long d’une direction privilégiée à la surface du substrat. L’obtention de ce gradient d’épaisseur nécessite, la plupart du temps, l’insertion de dispositifs de masquage entre la source de matière et la surface à traiter.

Dans le cadre de la Thèse de Lætitia Abel-Tiberini (soutenue en 2005), nous avions développé un premier procédé, semi-collectif, de réalisation de filtres linéairement variables de type passe-bande et qui permettait d’obtenir des composants présentant des lignes d’iso-épaisseur rectilignes. Associé à une matrice de photo-détecteurs, ce type de filtre permet en effet de réaliser un spectro-imageur de très faible encombrement par association directe avec une caméra CCD et un dispositif de balayage ligne (cf. premier schéma placé ci-contre). Ces développements avaient à l’époque bénéficié du soutien du LESIA.

Dans le cadre du programme ESA UCS (Ultra Compact medium-range Spectrometer for land application), Frédéric Lemarquis, Lætitia Abel-Tibérini et Cihan Koc ont poursuivi le développement, sous maitrise d’œuvre Galileo Avionica, de ces filtres passe-bande linéairement variables, en abordant la question centrale de la réjection hors bande lorsque les matériaux utilisés sont tous des diélectriques transparents. Ces travaux ont conduit à la fabrication de filtres linéairement variables tout diélectrique présentant un gradient de l’ordre de 90 nm/mm et adaptés au domaine spectral 400 nm - 1000 nm. La fonction complète de filtrage associe en final 1 filtre passe-bande 3 cavités (41 couches) et 2 filtres de blocage (passe-haut à 97 couches et passe-bas à 106 couches), soit un total de près de 250 couches.

Ces filtres nécessitent l’installation, dans le bâti de pulvérisation par faisceau d’ions et assistance ionique dont nous disposons (DIBS, Dual Ion Beam Sputtering), d’un mécanisme assurant le déplacement du substrat devant un masque métallique à ouverture trapézoïdale dont la forme est adaptée au gradient d’épaisseur recherchée (cf. deuxième schéma placé ci-contre). Le procédé de fabrication est dans ce cas de type unitaire (et non semi-collectif).

La photo placée ci-contre montre, dans leur structure support, à droite le substrat portant le filtre linéairement variable, reconnaissable à son irisation arc en ciel, et à gauche le témoin de contrôle, de couleur homogène, et qui est utilisé pour le pilotage du dépôt grâce à la mise en œuvre d’un contrôle optique large bande. Le graphe placé en bas du cadre ci-contre présente l’accord entre prédiction du calcul et mesure in situ réalisée à achèvement du dépôt de la fonction passe-bas sur le témoin de contrôle (on notera que la résolution spectrale du moyen de mesure était moindre que celle utilisée pour le calcul).


Les filtres hybrides

Une combinaison réussie entre réseau de Bragg
et empilement multicouches



On désigne sous l’appellation générique de filtre hybride le composant de filtrage qui associe un réflecteur distribué de type réseau de Bragg et un miroir diélectrique classique constitué par un empilement de couches quart d’onde alternativement haut et bas indice.

Le profil d’indice d’un tel filtre est représenté ci-contre, en haut, le réseau de Bragg apparaissant en bleu, le miroir multicouches (ici, un miroir à 7 couches ou M7) en vert, et la couche d’adaptation entre ces deux structures réfléchissantes en rouge. En partie basse, nous avons fait figurer la condition de résonance d’une telle structure, et l’on voit qu’elle fait simultanément intervenir le déphasage introduit par cette couche d’adaptation et la phase à l’origine de la modulation volumique d’indice.

Le graphe placé ci-contre représente les profils spectraux théoriques respectivement associés, en rouge, à la transmission du filtre hybride correspondant à une telle structure et, en vert, au facteur de réflexion du miroir multicouches.

Durant la période 2003/2004, Julien Lumeau et Michel Cathelinaud ont réalisé une démonstration expérimentale de ce concept dans le cas particulier d’un réseau de Bragg sur fibre, la couche d’adaptation et le miroir multicouches étant directement déposés à l’extrémité d’une fibre optique monomode de type télécom, dans le cœur de laquelle le réseau de Bragg avait été préalablement inscrit par irradiation UV transverse (cf. schéma placé ci-contre).

L’ajustement fin de l’épaisseur de la couche d’adaptation était obtenu grâce à une mesure in situ du spectre en réflexion de la structure réalisé à l’aide d’un laser accordable sur la bande C des télécommunications (1520 – 1570 nm).

Le graphe placé ci-contre, en bas, présente le spectre en transmission d’un tel filtre mesuré autour de la résonance : on notera la valeur élevée de la transmission crête (70%), la très faible largeur spectrale obtenue (80 picomètres FWHM), ainsi que le niveau relativement modeste de la réjection hors bande (de l’ordre de 10%), entièrement défini par les propriétés de réflexion du miroir multicouches utilisé.


Les traitements absorbeurs de lumière, ou comment forcer un flux lumineux à être absorbé par une surface



On désigne par absorbeurs de lumière des traitements métal/diélectrique qui peuvent être apposés sur des substrats de nature variées (verres, métaux) pour réduire de manière drastique leur coefficient de réflexion (surface plane en utilisation spéculaire) et/ou leur albédo (surfaces rugueuses ou surfaces planes hors réflexion spéculaire).

Ces traitements métal/diélectrique présentent, par rapport aux peintures et aux anodisations noires souvent utilisées en pareil cas, des avantages importants en termes de faible épaisseur et de tenue aux environnements climatiques. Ils permettent également d’atteindre des coefficients d’absorption A particulièrement élevés, avoisinant dans certains cas les 99,9% (R = 0,1%, T = 0, A = 1 – RT). Le schéma de principe de ces empilements est présenté ci-contre (image du haut).

En 2003, nous avons réalisé sous contrat EADS SODERN des traitements absorbeurs monochromatiques, c’est-à-dire présentant des performances optimales à une longueur d’onde spécifiée (ici 852 nm). Ils étaient destinés au Dispositif Anti Lumière Parasite (DALP) de l’horloge atomique PHARAO, dispositif constitué de baffles en titane sur lesquels nous avons déposé une alternance de couches Hf métal/HfO2, de manière à obtenir une dépendance spectrale du coefficient de réflexion dont la prédiction théorique est représentée ci-contre.

Ce traitement absorbeur a permis en pratique de ramener le coefficient de réflexion du titane à une valeur inférieure à 0,1% sous faible incidence et inférieure à 1% en faisceau ouvert d’incidence inférieure à 45°. Ces traitements, réalisés en technologie RLVIP (Reactive Low Voltage Ion Plating) ont en outre passé avec succès l’ensemble des tests de qualification spatiale.

En 2007, Bruno Badoil, Frédéric Lemarquis et Michel Cathelinaud ont mis à profit la disponibilité du système de contrôle optique large bande in situ, développé dans le cadre de la thèse de Bruno Badoil et fonctionnant simultanément en transmission et en réflexion, pour réaliser, sous contrat CNES et à notre connaissance pour la première fois au monde, des traitements absorbeurs très large bande, c’est-à-dire présentant une transmission nulle et un coefficient de réflexion inférieur à 0,5% sur toute la gamme spectrale allant de 450 nm à 950 nm. La dépendance spectrale de ce coefficient de réflexion (prédictions théoriques en rouge et mesures expérimentales en bleu) est présentée ci-contre (graphes du bas).