Towards a direct optical determination of opto-mechanical and thermo-optical coefficients of thin films materials
Vers une détermination optique directe des coefficients opto-mécaniques et thermo-optiques des couches minces optiques
Résumé
The optical properties of multilayer thin film coatings, under a mechanical or thermal stress, are a critical point, due to the increasing and therefore restricting specifications of optical components. In order to rigorously and precisely predict the evolution of optical performances under solicitation, we need to know the refractive index and the thickness variations of each thin film, for each material composing the stack. Therefore, the knowledge of thermo-optical and mechanical coefficients for the layer; i.e. the thermal expansion coefficient ac, the Poisson's ratio n, the refractive index dependence with temperature coefficient bc and the élasto-optical coefficients p11 and p12; are required. However, even if the overall effect of a solicitation on a stack is measurable, these coefficients are, most of the time, unknown for individual thin films as the optical and mechanical effects, resulting from a solicitation on a few hundred of nanometers thick single layer are very small. To precisely evaluate these coefficients, we investigate an optical method based on Fabry-Perot interferometer including the layer to be characterized, and subject to a thermal stress. The study follows two directions. First, we optically investigate the principle of measurement and its stability facing experimental errors and noise. Our second consideration is purely mechanical and explores canonical structures to minimize the mechanical strain of each slide composing the interferometer. This latter causes errors in the evaluation of thin film's coefficients. The combination of these two investigations allowed to develop a global method of measurement and thus, an optical set-up dedicated to rigorously extract thermo-optical and mechanical coefficients, with a resolution in wavelengths below the picometer. We present the first experimental results proving the ability of such measurement.
Le comportement d'un empilement multicouche interférentiel soumis à une sollicitation extérieure, de type thermique ou mécanique, est devenu un point critique, au regard des exigences de stabilité de plus en plus sévères exprimées aujourd'hui sur les performances des empilements. Afin de prédire de manière rigoureuse et précise l'évolution de ces performances optiques sous sollicitation, quelle que soit la formule de l'empilement, il est nécessaire de connaître les variations de l'indice de réfraction n et de l'épaisseur e de chaque couche, de chaque matériau, de l'empilement. Cela implique la connaissance des paramètres permettant de décrire ces variations, à savoir le coefficient d'expansion thermique a, le coefficient de Poisson n, le coefficient de dépendance de l'indice de réfraction avec la température b, et enfin les coefficients élasto-optiques p11 et p12. Cependant, si l'effet global d'une sollicitation est mesurable sur un empilement complet, ces coefficients sont quasi inconnus au niveau d'une couche mince individuelle tant le même effet devient faible sur une couche de quelques centaines de nanomètres d'épaisseur. Pour mesurer ces paramètres à ce niveau élémentaire, nous présentons une méthode optique basée sur l'utilisation d'un interféromètre de Fabry-Perot comportant une couche du matériau à caractériser, soumis à un échelon de température. L'étude se scinde selon deux axes. Le premier, purement optique, s'intéresse particulièrement au principe de la mesure et à la stabilité de la méthode face aux erreurs et aux bruits de mesures. Le second, purement mécanique, montre comment s'affranchir des inévitables déformations mécaniques des lames de l'interféromètre soumis à la sollicitation thermique, ce qui est indispensable pour parvenir à la mesure des coefficients recherchés. La réunion de ces deux axes a permis de finaliser la méthode de mesure et de concevoir puis réaliser un banc expérimental ayant une résolution en longueur d'onde inférieure au picomètre, dédié à l'extraction de ces paramètres avec la précision requise. Nous en présentons les premiers résultats expérimentaux dédiés à montrer la faisabilité de la mesure.
Loading...