Team : Diffusion de la lumière

Home › The Institute › TeamsCONCEPTThématiques › Modélisation et contrôle de la diffusion lumineuse dans les filtres (...)


Modélisation et contrôle de la diffusion lumineuse dans les filtres interférentiels

Compte tenu des progrès et de la complexité des filtres interférentiels qui sont aujourd’hui constitués de plusieurs centaines de couches minces, nous avons entièrement redéveloppé et ré-implémenté la théorie perturbative (électromagnétique au premier ordre) des processus de diffusion dans les systèmes multicouches. Ce travail était absolument nécessaire pour améliorer des « modèles dans le modèle » afin de mieux analyser les résultats de mesure. Il s’agissait en particulier de redéfinir la notion de cohérence mutuelle entre sources multiples de diffusion aux interfaces, qui est le paramètre clé régissant les phénomènes interférentiels et autorisant les effets d’inhibition, exaltation, annulation…; ces efforts nous ont amenés à la conclusion que la cohérence mutuelle était toujours unitaire à l’échelle du speckle, et qu’il fallait tenir compte de la nature multi-échelle de la diffusion. Un autre effort a porté sur le modèle statistique à choisir pour le spectre de rugosité, qui ne peut s’affranchir ni des effets de convolution par le paquet d’onde incident, ni des effets d’intégration par le détecteur. Ces 2 améliorations étaient indispensables dans le cas où le modèle électromagnétique est quelquefois amené à utiliser des données initiales mesurées par microscopie optique (interférométrie en lumière blanche) et non par diffusion lumineuse.

Le cas de la diffusion aux grands angles

Les composants interférentiels pour le spatial sont très sélectifs en longueur d’onde grâce aux cavités multiples qui les constituent (effets Fabry-Pérot). Mais ces cavités sont par ailleurs pénalisantes du point de vue de la diffusion, parce qu’elles créent des résonances parasites intenses dans certaines directions de l’espace (anneaux de diffusion). Pour réduire ces effets de diffusion aux grands angles, il faut donc parvenir à mettre en évidence, pour des propriétés optiques imposées (celles du filtre Fabry-Pérot), des formules de filtre qui minimisent la diffusion. Il s’agit d’un problème délicat car diffusion et transmission ne sont pas indépendantes (notamment aux petits angles), et les aspects de synthèse ont toujours concerné, jusqu’ici, exclusivement les propriétés optiques spéculaires. Dans ce contexte nous avons initié un projet de recherche faisant appel à l’apprentissage profond (deep learning) avec des résultats déjà concluants pour un nombre modéré de couches minces.

Le cas de la diffusion piégée

Le cas de la diffusion piégée restait un domaine encore non exploré. Toutefois la priorité à la « chasse au ppm », telle qu’annoncée par la communauté des ondes gravitationnelles, nous a amenés à reconsidérer ce domaine. Il s’agit ici de la quantité de lumière piégée dans l’empilement sous forme de modes électromagnétiques, grâce à un phénomène de couplage par rugosité. Ces modes électromagnétiques sont alors absorbés au cours de la propagation, et cette absorption « délocalisée » (qui s’étend au-delà du spot d’éclairement) ne doit pas être confondue avec l’absorption « classique » (proportionnelle au carré du champ sous le spot d’éclairement). Ce travail théorique a été intense et soutenu pendant plusieurs mois, notamment eu égard au fait qu’il fallait parfaitement décrire en amont le passage « continu » entre l’optique en espace libre et l’optique modale. Ce problème est aujourd’hui parfaitement résolu et les résultats numériques donnent des valeurs de diffusion piégée du même ordre de grandeur que celles de la diffusion émergeant hors de l’empilement. Il s’agit ainsi d’un résultat majeur qui évite par exemple de modifier les propriétés stoechiométriques du dépôt pour réduire l’absorption, lorsque cette dernière est induite par la rugosité. On trouvera de plus amples détails dans le livre [] que nous avons rédigé (parution Novembre 2020). Pour conclure, on peut signaler ici que cet outil de modélisation est unique sur la scène internationale.