Les optiques diffractives binaires en pratique

Les structures sub-λ possèdent des propriétés optiques originales qui procurent un certain nombre d’avantages aux optiques diffractives binaires par rapport aux optiques diffractives de type échelette. Mais ces avantages doivent être pondérés par les difficultés de fabrication.

Difficultés de fabrication

La fabrication d’optiques diffractives binaires utilise des techniques de nanofa- brication qui restent pour l’instant des techniques de laboratoire. Par exemple dans le domaine visible, le dessin de motifs plus petits que la longueur d’onde impose le recours à la lithographie électronique. Et quel que soit le domaine spectral considéré, il faut graver des structures plus petites que la longueur d’onde sur des hauteurs comparables à la longueur d’onde, c’est-à-dire des structures possédant de grands rapports d’aspect. Cela nécessite des techniques de gravure performantes et forte- ment anisotropes.

Malgré cela, la réalisation d’optiques diffractives binaires n’est pas utopique. Un article récent a montré la possibilité d’utiliser des techniques de photolithographie, une technologie relativement bon marché, pour fabriquer des composants diffractifs binaires pour l’imagerie thermique dans la bande 8–12µm [Lee04]. En ce qui concerne le domaine visible, la Figure 4.8 montre la photo prise au microscope électronique à balayage d’un réseau blazé binaire formé de structures bidimensionnelles gravées dans de l’oxyde de titane TiO2.

Avantages de l’utilisation de structures sub-λ

Réaliser des optiques diffractives en utilisant des structures sub-λ présente un cer- tain nombre d’avantages par rapport à l’utilisation d’un profil continu plus classique. Tout d’abord, il est possible d’obtenir des composants blazés faiblement sensibles à la polarisation en utilisant des structures bidimensionnelles [Che95, Che96, Lal98b, Lal99b].

Mais le plus gros intérêt de l’utilisation de nanostructures réside dans la possi- bilité d’obtenir des composants diffractifs efficaces de grande ouverture numérique. Ainsi, des efficacités supérieures à celles théoriquement accessibles à des optiques diffractives classiques ont été démontrées expérimentalement, pour des réseaux de petite période [Lal98b, Lee00b] et pour des lentilles diffractives de grande ouver- ture numérique [Lal99b, Lee02]. La Figure 4.9 montre la photo prise au microscope électronique à balayage d’une telle lentille.

C’est une propriété optique originale des structures sub-λ qui permet de s’affran- chir de l’effet d’ombrage dont souffrent les composants diffractifs de type échelette. En effet, dans un composant binaire semblable à celui de la Figure 4.6, les gros piliers

4.2 Les optiques diffractives binaires 91

PSfrag replacements

(a) (b)

Figure 4.8: Réseau blazé binaire formé de piliers d’oxyde de titane sur

un substrat de verre et conçu pour fonctionner dans le visible. Ce réseau a été fabriqué au Laboratoire de Microstructures et de Microélectronique par Edmond Cambril.

PSfrag replacements

(a) (b)

Figure 4.9: Lentille diffractive hors-axe formée de piliers d’oxyde de

titane sur un substrat de verre et conçue pour fonctionner dans le visible à λ0 = 860nm. La focale de la lentille est de 400µm et sa taille est de

200µm. Cette lentille a été fabriquée au Laboratoire de Microstructures

jouent le rôle de guides d’onde : l’énergie incidente dans la zone d’ombre est ainsi canalisée dans l’ordre de diffraction utile alors qu’elle serait perdue par réflexion totale interne dans le cas d’un composant à profil continu. C’est cet effet de guidage propre aux optiques diffractives binaires qui permet d’obtenir de grandes efficacités aux grandes ouvertures numériques ou en incidence oblique [Lal99a].

4.3 Conclusion

Nous avons introduit dans ce Chapitre les principaux concepts de l’optique dif- fractive. En particulier, nous avons mis en évidence les deux limitations fondamen- tales des optiques diffractives classiques à profil continu : l’effet d’ombrage et la diminution de l’efficacité quand la longueur d’onde s’écarte de la longueur d’onde de blaze. Nous avons ensuite introduit le concept de matériau artificiel à la base de l’optique diffractive binaire. Nous avons défini quantitativement l’indice effectif associé à des structures sub-λ et nous avons vu que la conception d’optiques dif- fractives à l’aide de telles structures présentait un certain nombre d’avantages, en particulier la possibilité de s’affranchir de l’effet d’ombrage.

Les structures sub-λ possèdent d’autres propriétés optiques originales qui peuvent être utilisées dans le cadre de l’optique diffractive, en particulier leurs propriétés de dispersion. Nous allons voir dans le Chapitre suivant comment utiliser cette disper- sion pour réaliser des composants diffractifs efficaces sur une large plage spectrale et s’affranchir ainsi d’une autre limitation fondamentale des optiques diffractives classiques.

Fonctionnement large bande grâce à la dispersion des matériaux artificiels 93

Chapitre 5

Fonctionnement large bande grâce

à la dispersion des matériaux

artificiels

Les matériaux artificiels décrits au Chapitre précédent ne sont rien d’autre que des cristaux photoniques bidimensionnels opérant en-dehors de leur bande inter- dite. Ces structures peuvent présenter des dispersions très différentes de celles d’un matériau homogène classique [Lin96, Not00] et ce constat a déjà été le point de départ de nombreux travaux. En particulier, des prismes très dispersifs ont été réa- lisés [Kos98, Wu02], ainsi que des structures présentant une dispersion négative [Cub03, Ber04] ou une dispersion permettant le guidage de la lumière par auto- collimation [Kos99, Wu03, Yu03]. Dans toutes ces applications, c’est la dispersion ressentie par une onde se propageant dans le plan de périodicité qui a été utilisée.

Ces structures présentent également une dispersion forte pour une onde se propa- geant perpendiculairement au plan de périodicité. Ainsi, le comportement spectral d’un composant diffractif binaire peut être très différent de celui d’un composant à profil continu. L’objet de ce Chapitre est de concevoir des optiques diffractives efficaces sur une large plage spectrale en utilisant les propriétés de dispersion des matériaux artificiels. Ce travail a fait l’objet d’un dépôt de brevet en collaboration avec Thales Research and Technology [Lee05] ainsi que d’une publication dans la revue Optics Letters [Sau04c].

Nous allons tout d’abord développer un modèle approché qui permet d’appré- hender simplement les paramètres physiques essentiels à la conception d’optiques diffractives large bande. Ce modèle constitue un véritable outil qui peut tenir compte d’un certain nombre de contraintes technologiques. Des calculs numériques rigoureux viennent compléter cette analyse et permettent de tester la validité du modèle.

5.1 Modèle simplifié pour l’efficacité des optiques

diffractives binaires

Afin de comprendre en détail le rôle joué par la dispersion du matériau artificiel, nous reprenons point par point le raisonnement de la section 4.1.3 qui a conduit à

l’expression de l’efficacité des composants à profil continu de type échelette. Moyen- nant deux approximations qui seront détaillées ultérieurement, nous proposons un modèle simplifié qui permet d’obtenir une expression analytique de l’efficacité de diffraction des optiques diffractives binaires. L’intérêt de ce modèle est de mettre en évidence les paramètres physiques essentiels à la conception.