Photosensitive thin films for the fabrication of diffractive optical element and microstructured optical interference filter
COUCHES MINCES PHOTOSENSIBLES POUR LA REALISATION D'ELEMENTS OPTIQUES DIFFRACTIFS ET DE FILTRES OPTIQUES INTERFERENTIELS SPATIALEMENT STRUCTURES
Résumé
In recent years, there has been a tremendous progress in the complexity of thin film optical filters but also an important improvement in the deposition techniques, especially in the field of process automation. The accuracy of the coatings is now at the nanometric or even at the atomic scale, in stacks with up to several hundreds of layers. However, some filters require ultimate performances especially in terms of uniformity and absolute position of their spectral responses. Achieving these characteristics requires a precise and local control of the optical thickness of each of the layers of the stack. To overcome some of these fabrication constraints, the use of a material which index of refraction or thickness can be locally changed after deposition is an attractive solution. The chosen material is AMTIR-1, a chalcogenide glass. These glasses are known for their broad transparency in the near and far infrared and have the unique characteristic of being photosensitive. In particular, AMTIR-1 is a commercial glass which refractive index decreases when exposed to light source having a wavelength included in the band-gap of the material. Thin films of this material were deposited by electron beam deposition and optical properties were characterized by spectrophotometric measurements combined with Tauc-Lorentz model for the reverse engineering. Photo-induced refractive index changes of ~ 4.10-2 were recorded at λ = 1 μm. These refractive index variations were then used to design and fabricate spatially structured thin films-based optical components. In particular, binary diffractive optical elements were recorded in the volume of a thick chalcogenide single layer. This is performed by structured exposure using an optical arrangement based on a digital micromirror device. A close to perfect agreement between theory and experiment has been obtained. The insertion of these chalcogenide-based photosensitive layers in multilayer optical interference filters has also been investigated. A demonstration of the local control of the spectral response of a Fabry-Perot bandpass filter was performed. Finally the impact associated with adding these layers in long-pass filters or anti-reflection coatings is presented, including the improvement or the correction of their spectral response. For each of these applications both theoretical and experimental study were performed, demonstrating the potential of this new approach for the production of optimized optical components
Ces dernières années, le domaine des couches minces optiques a vu les fonctions de filtrage se complexifier et les techniques de dépôt se perfectionner, notamment dans le domaine de l’automatisation des procédés. La précision des dépôts est devenue nanométrique voire atomique et ce pour plusieurs centaines de couches. Cependant, certains filtres requièrent des performances ultimes notamment en termes d’uniformité et de centrage de leur réponse spectrale. Atteindre ces spécificités requiert un contrôle local et précis de chacune des épaisseurs optiques des couches de l’empilement. Pour s’affranchir de certaines contraintes de fabrication, l’utilisation d’un matériau dont l’indice de réfraction ou l’épaisseur peuvent être modifiés localement après le dépôt est une solution. Le candidat retenu est l’AMTIR-1, un verre de chalcogénures. Ces verres sont connus pour leur transparence dans le proche et lointain infrarouge et possèdent la caractéristique unique d’être photosensible. En particulier, l’AMTIR-1 est un verre commercial dont l’indice de réfraction décroit sous l’action d’un champ électrique lumineux ; la longueur d’onde de ce champ étant comprise dans le bandgap du matériau. Des couches minces de ce matériau ont été déposées par évaporation par canon à électrons et leurs propriétés optiques ont été caractérisées par mesures spectrophotométriques combinées à un modèle de Tauc-Lorentz pour le reverse engineering. Des variations d’indice photo-induites de l’ordre de ~4.10-2 ont été enregistrées à λ = 1 μm. Ces variations d’indice ont ensuite été exploitées pour concevoir des composants à base de couches minces optiques spatialement structurés. En particulier, des composants optiques diffractifs binaires ont été enregistrés dans le volume d’une monocouche épaisse de chalcogénures par exposition structurée. Celle-ci est réalisée à l’aide d’un montage optique basé sur une matrice de micro-miroirs. Un accord quasi parfait entre théorie et expérience a ainsi été obtenu. L’insertion de ces couches photosensibles à base de chalcogénures dans des filtres optiques interférentiels multicouches a également été investiguée. Une démonstration du contrôle local de la réponse spectrale d’un filtre passe-bande de type Fabry-Perot a été réalisée. Enfin l’impact associé à l’ajout de ces couches dans des filtres passe-haut ou des traitements antireflets est présenté, notamment pour l’amélioration ou la correction de leur réponse spectrale. Pour chacune de ces applications une étude à la fois théorique et expérimentale a été réalisée, démontrant ainsi le potentiel de cette nouvelle approche pour la réalisation de composants optiques optimisés.