4.2.1 Montage optique
Le modeleur d’impulsions représente la partie la plus importante du montage. Basé sur une technique proposée par Durnin [5], le modeleur d’impulsions utilisé pour produire des faisceaux Bessel-Gauss spatiotemporels est identique au modeleur d’impulsions développé par Michaël Dallaire dans son article de 2009 [15], tel qu’on le voit à la figure4.4.
On suppose une impulsion femtoseconde incidente gaussienne. Tel que présenté à la sec- tion 2.5, la transformée de Fourier d’un faisceau Bessel-Gauss spatiotemporel est un anneau dans le domaine des fréquences spatiotemporelles. La première étape est donc de faire passer l’impulsion incidente dans ce domaine des fréquences spatiotemporelles. Le premier élément optique est un réseau de 1200 lignes par mm. Ce dernier vient décomposer le faisceau inci- dent en son contenu fréquentiel. Le premier ordre est utilisé pour conserver le plus d’énergie possible.
À une distance focale du réseau se trouve une lentille cylindrique, dans le même axe que la dispersion des fréquences. Cette lentille collime le faisceau lors du premier passage, pour
Figure 4.4: Schéma du modeleur d’impulsions utilisé pour produire le faisceau de Bessel- Gauss spatiotemporel. Image tirée de la thèse de Dallaire [16] avec permission.
obtenir une réflexion droite sur le masque réflectif.
Après cette collimation, le faisceau se trouve dans le domaine des fréquences spatiotem- porelle. Le masque réfléchissant, un anneau réflectif en or déposé sur un substrat, ne réfléchit qu’une partie du faisceau incident. La majorité des pertes de puissance se trouvent à cette étape. Il serait intéressant de trouver une méthode causant moins de pertes que le masque ré- flectif. Cependant, puisque la transformée de Fourier doit être faite à la fois dans les domaines temporel et spatial, un simple élément optique comme un axicon n’est pas suffisant. L’anneau lui-même n’est pas nécessairement circulaire. Plusieurs anneaux elliptiques ont été utilisés, ces anneaux ne faisant que changer l’échelle entre les deux axes du BGST.
Lors du deuxième passage dans la première lentille cylindrique, l’anneau réfléchi est foca- lisé au même endroit sur le réseau de diffraction qu’à l’arrivée. Ceci effectue donc l’opération inverse et recombine les différentes fréquences. Essentiellement, c’est une transformée de Fou- rier inverse dans le domaine temporel qui s’effectue. Le réseau est légèrement incliné, de façon à ce que le faisceau de retour soit légèrement au dessous du faisceau incident. Cette disposition amène le faisceau sur un miroir de repliement, qui est un demi-cercle ; ainsi, il ne bloque pas le faisceau incident et permet de recueillir le faisceau après la transformée de Fourier. Une der- nière lentille cylindrique doit finalement effectuer la transformée de Fourier dans le domaine
spatial. La focale de la lentille est choisie pour que coïncident les positions de l’étranglement selon les axes temporel et spatial. Au bout du modeleur sort un faisceau BGST de faible puissance.
4.2.2 Anneau réflecteur
L’anneau réflecteur est un élément très important du modeleur d’impulsions. Puisque cet élément retourne les fréquences spatiotemporelles sélectionnées, le faisceau BGST est essen- tiellement la transformée de Fourier en 2D du profil de l’élément réflecteur. Ce dernier doit donc bien être construit, sans petite erreur qui viendrait déformer le faisceau.
L’anneau réflecteur, utilisé dans le modeleur d’impulsions spatiotemporelles, est fabriqué par dépôt métallique sur un substrat en silice. Des substrats ronds de 25,4 mm de diamètre de bonne qualité optique, soit de λ/10 ou mieux, ont été utilisés afin de produire les masques finaux.
L’or est le métal choisi pour créer les masques réflecteurs. L’or est un métal idéal pour la fabrication de masques, car il ne s’oxyde pas, se conserve longtemps et possède une haute réflectivité (>95% aux longueurs d’onde plus grandes que 600 nm).
Les anneaux circulaires ont été créés par évaporation dans une chambre à vide sur un substrat en rotation, caché par un masque troué de sorte que le dépôt forme un cercle. Avec cette technique, le dépôt ne peut être que circulaire si on veut obtenir une distribution uniforme du métal réflectif. L’épaisseur optimale qui permet d’avoir une bonne réflectivité en évitant la divergence des rayons réfléchis a été estimée à 60 nm.
Afin de fabriquer des masques elliptiques, une deuxième technique a été utilisée, soit la gravure chimique humide. Cette méthode consiste à plonger le substrat dans une solution chimique qui attaque la surface qui est non revêtue d’une couche protectrice. Les principales étapes sont résumées à la figure4.5. Une couche de chrome est déposée sur un substrat préa- lablement nettoyé, suivie d’une couche d’or. Puisque le chrome s’oxyde rapidement au contact de l’air, ces deux couches sont déposées une à la suite de l’autre dans une chambre à vide contenant deux bateaux, sans ouvrir la chambre entre les deux évaporations. L’or se fixe soli- dement à la couche de chrome, créant ainsi un miroir résistant. Une couche de 5 nm de chrome est suffisante alors qu’une épaisseur de 60 nm d’or est déposée comme lors de la première technique. Ensuite, une couche d’environ 1 à 3 µm d’épaisseur de photorésine S-1813 est dé- posée sur l’or à l’aide d’une centrifugeuse programmée à 500 rotations par minute pendant 10 secondes, puis 4000 rotations par minute pendant 30 secondes.
Le substrat, recouvert d’un masque, est alors exposé aux rayons ultraviolets pendant 60 secondes. Ce masque consiste en une pellicule transparente sur laquelle est imprimée l’anneau à être reproduit. L’anneau peut être circulaire ou elliptique. Le masque doit être centré et
Figure 4.5: Gauche : Principales étapes de la gravure chimique humide. 1) Après le dépôt du chrome, de l’or et de la photorésine sur le substrat, exposition de la photorésine aux rayons ultraviolets avec un masque annulaire. 2) Développement de la photorésine et gravure chimique de l’or. 3) Gravure chimique du chrome. 4)-5) Seconde exposition du substrat aux rayons ultraviolets sans masque et développement. Droite : Masque vu du dessus. L’anneau elliptique est imprimé sur une pellicule transparente.
collé sur le substrat afin d’éviter la diffraction des rayons. Puisque la photorésine utilisée est positive, la partie exposée est enlevée lors du développement.
Après l’exposition, le substrat est immergé dans le développeur MF-319 pendant 45 se- condes. Il est ensuite immergé dans l’eau distillée afin d’arrêter l’effet du développeur. La photorésine forme alors un anneau recouvrant l’or et le chrome. L’or est gravé à l’aide d’une substance d’iodure de potassium dans laquelle le substrat est plongé jusqu’à ce que tout l’or désiré soit retiré. De la même façon, le chrome est gravé à l’aide d’une solution de nitrate de cérium, d’ammonium et d’acide nitrique.
Le substrat est alors réexposé à la lumière ultraviolette pendant 60 secondes et la photo- résine est développée de la même façon que précédemment. Puisque des petites particules d’or ou de chrome peuvent demeurer collées sur le substrat, il est plongé dans un bécher contenant une solution d’isopropanol puis ce bécher est placé dans un bain à ultrasons pendant 60 se- condes. Le substrat est retiré lentement du bécher à l’aide du système automatique de façon à éviter les coulisses. Une fois sorti de l’alcool, il est placé dans un four pour compléter le séchage.
Pour minimiser les réflexions, du Solvesso 150 est placé derrière le masque avec un adhésif noir. Le Solvesso est un liquide ayant un indice de réfraction de 1.52. On espère ainsi minimiser les réflexions sur le substrat qui pourraient venir se superposer au faisceau BGST et fausser les résultats.