0.2
0.3
0.40.5
0.6
0.7
0.8
0.9
φ
/(
2
π
)
Figure A.8 – Prédictions théoriques d’ATFilms (points bleus). Simulation par matrice de transfert pour 32 couches au total avec nl= 1,479 et nh = 2,078 (courbe rouge). En haut : coefficient de réflexion en énergie en fonction de la longueur d’onde. En bas : phase acquise par le champ lors de la réflexion en fonction de la longueur d’onde.
A.1 Fabrication des miroirs fibrés 137 des pellicules denses et sans défaut. Cette technique est maîtrisée par quelques entreprise à travers le monde comme ATFilms16 qui à ce jour, a réalisé des traitements réfléchissants de très haute qualité (Finesse > 100 000) sur des fibres traitées par laser CO2.
A.1.3.b Préparation des fibres pour le traitement réfléchissant
Pour atteindre une telle qualité de réflexion il est indispensable de protéger les fibres de toute poussière entre l’irradiation CO2 et le dépôt du miroir. Après l’irradiation, les fibres sont directement placées dans un support dont la géométrie est adaptée à la machine de l’entreprise qui réalise le dépôt. La figure A.9 montre un support de 24 fibres et la façon dont il est fixé pour l’envoi à l’entreprise de dépôt.
Figure A.9 – À gauche : image d’une des boîtes dans lesquelles sont envoyées les fibres. À droite : image du support, et des cylindres maintenant les fibres optiques. Ce support, une fois retourné permet d’avoir accès à la face des fibres pour le traitement réfléchissant comme pour la caractérisation.
Lors du dépôt, le support et retourné et fixé sur un des 4 emplacements dont dispose ATFilms, laissant ainsi les faces des fibres optiques libres de recevoir le traitement réfléchissant. Les fibres sont maintenues dans un cylindre en aluminium avec une gaine en téflon qui permet de serrer une vis maintenant la fibre à une hauteur optimale pour le dépôt du miroir.
Les fibres irradiées au laser CO2 sont, pour des raisons pratiques, coupées assez courtes (50 cm) et devront donc être fusionnées (« splice ») lors de leur future utilisation pour être rallongées. Cette étape est réalisée à l’aide d’un arc électrique dans un « splicer » à fibre habituellement utilisé dans les télécommunications17. Cette technologie est très bien contrôlée pour des fibres classiques et permet des pertes optiques très faible (< 0,01 dB) au passage du « splice ». Pour des fibres avec un revêtement en cuivre, il faut cependant s’assurer que le revêtement conducteur ne soit pas trop près des électrodes. Certaines fibres multimodes notamment, possèdent sous la couche de cuivre, une très fine couche de carbone qu’il est préférable de retirer (à la flamme). Les pertes optiques mesurées sont généralement autour de 0,1 dB.
16. Advanced Thin Films, 5733 Central Ave. Boulder, Colorado 80301. 17. Arc-fusion-splicer, Fujikura, F SM − 45P M − LDF .
FigureA.10 – Facettes de fibres optiques observées au microscope après le dépôt du miroir. À gauche les limites du revêtement réfléchissant semblent visibles contrairement à l’image de droite. Cependant il n’a pas été constaté de différences sur les propriétés du traitement réfléchissant.
A.2 Caractérisation 139
A.2 Caractérisation
Une caractérisation de la rugosité de surface a été effectuée à l’aide d’un microscope à force atomique (AFM) [202], avant le dépôt du miroir. La résolution de l’appareil (∼ 0,1 nm) permet d’extraire les variations de hauteur (z(x, y)) autour de la surface moyenne. La valeur efficace de la rugosité18 σRM S de la fibre traitée par laser CO2 vaut 0,24 nm rms, ramenée à 0,21 nm rms après prise en compte du bruit de mesure. La rugosité joue un rôle critique dans la qualité du traitement réfléchissant qui peut être déposé sur la surface. Pour une rugosité de l’ordre de l’ordre de 0,2 nm rms, il est possible de déposer un traitement réfléchissant de haute qualité [205] en limitant les pertes par diffusion (cf. §I.3.3). Cependant pour caractériser plus en avant le traitement réfléchissant, il est nécessaire de s’intéresser aux pertes de la cavité formée en alignant deux miroirs (cf. §I.3.1).
La caractérisation géométrique des structures obtenues est effectuée à l’aide d’un profilomètre optique, dont nous expliquerons le principe, avant de présenter les géométries obtenues. La géométrie des miroirs permettra par la suite (cf. §I.1.2) de connaître les propriétés géométriques des modes de cavité.
A.2.1 Profilomètrie optique
La profilométrie permet de caractériser une surface, ou un état de surface et est très utilisée dans l’industrie comme dans la recherche. Comme nous allons le voir, un profilomètre optique est un moyen rapide d’obtenir une reconstruction tri-dimensionnelle de la surface de la fibre. A.2.1.a Interférences sur la surface de la fibre :
À l’aide d’un objectif interférométrique19 et d’une diode électroluminescente (LED) verte (λv = 505 nm), on réalise des interférences entre la lumière provenant de la surface de la fibre et celle provenant d’une surface de référence (un miroir placé dans l’objectif). Après alignement de la face de la fibre avec la surface de référence, une caméra permet de prendre une image de la figure d’interférence (cf. figure A.11).
L’intensité mesurée I(x, y) est donc reliée à la hauteur de la surface z(x, y) par l’intermédiaire de la différence de phase entre la surface de la fibre et la surface de référence φ(x, y) :
I(x, y) = I0(x, y)(1 + γ(x, y) cos(φ(x, y))) et z(x, y) = λφ(x, y)
4π . (A.4) Sur une coupe de la figure d’interférence, on repère les franges brillantes et sombres (∆φ = ±π) et l’on en déduit la différence de hauteur de la surface (∆z = λ/4) sachant que la structure est concave. Les directions transverses sont calibrées à l’aide du diamètre de la fibre. Malgré sa simplicité, ce dispositif20 permet déjà d’obtenir une bonne estimation des paramètres caractérisant la surface (cf. A.2.2).
18. σ2
RM S = 1 LxLy
RRLx,Ly
0,0 z2(x, y) dxdy
19. Objectif de type Mirau : NIKON OFN25 WD 4.7. 20. Le dispositif à été mis en place par Natalie Thau.
Figure A.11 – Figure d’interférence obtenue avec un objectif interférométrique afin de caractériser la géométrie d’un miroir fibré (cf. figure A.6).
A.2.1.b Profilomètrie optique par décalage de phase :
Un profilomètre optique à décalage de phase s’appuie sur le même principe consistant à faire interférer la lumière provenant de la surface de l’échantillon à analyser avec la lumière provenant d’une surface de référence. Il est cependant doté d’une platine de translation piézo-électrique capable de changer très finement la distance entre l’échantillon et le miroir de référence. La précision de la mesure est alors améliorée en prenant plusieurs interférogrammes pour des distances différentes de l’ordre d’une fraction de longueur d’onde. À l’aide d’un algorithme de déroulement de la phase, on remonte au profil de la structure, en évitant au maximum les sauts de phase.
Des mesures ont été effectuées sur deux appareils. Le premier21 sert pour caractériser les structures pendant les phases d’optimisation des paramètres du laser CO2 (cf. figure A.12). Le second22 est placé en salle blanche et permet une caractérisation des fibres avant le traitement réfléchissant dans les meilleurs conditons (cf. figure A.13).
Bien que ces profilomètres annoncent une résolution verticale de l’ordre de 0,1 nm, en pratique la résolution est limitée à quelques nanomètres23.
A.2.2 Analyse des structures
La surface de la facette de la fibre est donc extraite par profilométrie, et l’on peut réaliser un ajustement des profils.
21. Profilomètre Fogale Micromap3D prêté par le groupe de D. Chateney du laboratoire de physique statistique de l’ENS.
22. Profilomètre Veeco : Wyko NT 9100, à l’ESPCI.
A.2 Caractérisation 141
FigureA.12 – Interférogramme (en haut à gauche) et surface 2D et 3D extraite à l’aide du profilomètre Fogale Micromap3D et du logiciel F3DViewer.
Figure A.13 – Surface 2D et 3D extraite à l’aide du profilomètre Wyko NT 9100 et du logiciel Vision.
A.2.2.a Ajustements gaussiens
L’ablation laser prédit des géométries gaussiennes (cf. §A.1.1) et l’accord avec les profils expérimentaux est vérifié pour une grande gamme de pramètres CO2[202]. Les paramètres de l’ajustement gaussien peuvent être extraits à 10% près à l’aide de l’objectif interférométrique (cf. figure A.14), et à moins de 1% à l’aide d’un profilomètre (cf. figure A.15).