MÉMORIAL DES SCIENCES PHYSIQUES

MÉMORIAL

DES

SCIENCES PHYSIQUES

PARIS. — IMPRIMERIE GAUTHIER-VILLARS 140967-52 Quai des Grands-Augustins, 55.

MEMORIAL

SCIENCES PHYSIQUES

L'ACADÉMIE DES SCIENCES DE PARIS

DBS ACADÉMIES DE BELGRADE, BRUXELLES, BUCAREST, COÏMBRE, CRACOVIE, KIEW, MADRID, PRAGUE, ROME, STOCKHOLM (FONDXTION MITTAG-LEFFLER), AVEC LA COLLABORATION DE NOMBREUX SAVANTS.

DIRECTEURS : H. VILLAT

Membre de l'Institut G. RIBAUD

Membre de l'Institut

FASCICULE LIV

Propriétés optiques des lames minces solides

PAR M. P. ROUARD

PROFESSEUR A LA FACULTÉ DES SCIENCES DE MARSEILLE

PARIS

GAUTHIER-VILLARS, IMPRIMEUR-ÉDITEUR

LIBRAIRE DU BUREAU DES LONGITUDES, DE L'ÉCOLE POLYTECHNIQUE Quai des Grands-Augustins, 55

1902

Copyright by Gauthier-Villars, 1952.

Tous droits de traduction, de reproduction et d'adaptation réservés pour tous pays.

PROPRIÉTÉS OPTIQUES

DES

LAMES MINCES SOLIDES

Par M. P. ROUARD Professeur à la Faculté des Sciences de Marseille.

AVANT-PROPOS.

Les propriétés optiques d'un corps pris en lames minces sont en général différentes de celles du même corps pris à l'étal massif. Les lames minces ont en effet des « épaisseurs » qui peuvent aller du diamètre atomique ou moléculaire à quelques 'microns et leur structure est le plus souvent différente de celle du corps à l'état massif.

L'étude approfondie des propriétés de ces lames, et en particulier des propriétés optiques, présente un haut intérêt scientifique, car elle permet de soumettre à un contrôle expérimental les théories classiques de l'Optique. De plus, le fait que l'on peut obtenir des

« épaisseurs » de l'ordre de grandeur du diamètre atomique laisse espérer des renseignements précieux sur la constitution de la matière.

Les applications optiques des lames minces sont de plus en plus nombreuses et importantes : traitement antiréfléchissant des surfaces Optiques, miroirs à facteur de réflexion élevé, filtres interférentiels, polariseurs, miroirs froids, etc. Les techniques ne cessant de se perfectionner on peut augurer de grands progrès dans ce domaine.

Il n'est donc pas étonnant que ces lames aient été l'objet, surtout dans les dix dernières années, de nombreuses recherches qui ont conduit à des résultats expérimentaux très importants.

J'ai l'intention, dans les pages qui vont suivre, de donner un rapide aperçu de ces derniers et de les comparer aux prévisions théoriques. J'étudierai ensuite dans un second fascicule quelques- unes des applications optiques les plus importantes.

INTRODUCTION.

Du point do vue strictement optique les lames minces pèuvent être transparentes (en général les diélectriques : cryolithe, sulfure de zinc, etc.) ou présenter un coefficient d'absorption k = * (v, indice de réfraction ; indice d'extinction). Ce coefficient d'absorption peut varier dans d'assez larges limites, pour une radia t ion monochro- matique donnée, suivant le corps dont on est parti pour obtenir la lame mince. Entre ces limites il n'y a évidemment pas de solution de continuité pour k. Toutes les valeurs sont possibles et peuvent même se présenter pour des lames d'un même corps, ayant la même épais- seur, suivant la longueur d'onde de la radiation monochromatique utilisée pour leur étude. On peut donc obtenir des lames ayant des propriétés extrêmement diverses suivant la région du spectre utilisée et cela est très intéressant du point de vue des applications. Ces lames absorbantes sont le plus souvent obtenues à partir de métaux purs.

L'étude des propriétés optiques de ces lames minces, et en parti- culier des lames absorbantes, présente de sérieuses difficultés expé- rimentales. Il en résulte que la comparaison des résultats obtenus par les différents auteurs est parfois un peu décevante. Cela est dû en grande partie à des différences de structure ou à des altérations superficielles des lames.

Les différences de structure peuvent provenir des méthodes de préparation utilisées pour obtenir les lames, de l'évolutiom de ces dernières avec le temps, de l'influence des supports, etc. Ces diffé- rences de structure se rencontrent aussi pour des lames de même épaisseur, préparées depuis le même temps, sur le même support.

Les conditions de préparation ne sont en effet jamais rigoureusement - identiques (degré de vide, vitesse de projection, température, etc.).

Il y a une vingtaine d'années les lames étaient surtout préparées par projection cathodique, sous des vides de l'ordre du centième de

millimètre de mercure. Cela donnait, sauf pour les métaux précieux, des couches plus ou moins altérées. Depuis ce temps les progrès de la technique du vide ont permis d'utiliser l'évaporation thermique sous des vides beaucoup plus poussés ce qui fournit des couches moins altérées. De plus, des procédés mécaniques de préparation et de nouvelles méthodes chimiques ont été mis au point.

Les modalités de préparation seraient-elles rigoureusement iden- tiques qu'il ne faudrait pas s'attendre à des résultats parfaitement constants. L'étude par exemple des lames métalliques très minces par l'analyse électronique a mis en évidence des phénomènes de cristallisation, d'oxydation et même de sulfura lion qui, sans changer en apparence la surface du métal, modifient considérablement la structure interne de ce dernier. En trois quarts d'heure le diagramme électronique d une surface de cuivre fraîchement préparée exposée à l'air change, alors que cette surface paraît inaltérée.

Pour éliminer l'influence des supports, de nombreux auteurs ont préparé leurs lames sur des corps solubles ou volatils (sel gemme, acétate de cellulose, etc.). Ces lames sans support servent à étudier les propriétés des rayonnements corpusculaires ou électromagnétiques très absorbables et en particulier la diffraction des électrons.

Si les résultats obtenus ne concordent pas toujours dans les détails ils n'en forment pas moins un tout cohérent et méritent d'être exposés.

Quant aux applications pratiques elles tirent souvent leur possibilité de lames obtenues dans des conditions de préparation bien particu- lières (lames transparentes à très faible indice de réfraction préparées sous des vides peu poussés, par exemple). Tous les. résultats sont donc intéressants en eux-mêmes, quelle que soit la façon dont les lames ont été obtenues.

CHAPITRE I.

FACTEURS DE RÉFLEXION, DE TRANSMISSION ET D'ABSORPTION DES LAMES MINCES SOLIDES.

Généralités. — Les propriétés optiques des lames minces trans- parentes sont étudiées depuis fort longtemps puisque Newton en particulier s'y est intéressé. Ce sont, en effet, des lames très minces

d'air ou d'un liquide transparent qui produisent les beaux phéno- mènes d'interférences à franges localisées dits « anneaux de Newton » et c'est New Ion lui-même qui a noté la succession des couleurs obtenues en lumière incidente blanche, lorsque l'épaisseur de la lame mince croît à partir de zéro.

.Par contre, l'étude des lames absorbantes très minces est plus récente. La préparation de ces dernières n'est, en effet, devenue une chose relativement facile qu'avec lè développement des techniques nouvelles (projection cathodique, évaporation, etc.). Ces techniques nouvelles, permettant de préparer à volonté des lames d'épaisseur déterminée et rigoureusement constante, ont été à l'origine de nombreuses recherches et de multiples applications.

Si l'on a pu préparer des lames métalliques sans support ayant des épaisseurs voisines d'une dizaine de millimicrons, il est très difficile, à cause de leur fragilité, d'obtenir des lames d'épaisseur plus faible et en particulier inférieure à 5 mp.. Le plus souvent les lames sont déposées sur un support transparent (verre, quartz, mica, etc.).

Il en résulte qu'il faut alors considérer deux facteurs de réflexion : l'un pour la réflexion dans l'air sur le métal, que nous désignerons par R, l'autre pour la réflexion dans le support transparent sur le métal, que nous désignerons par R'. Par contre, le facteur de trans- mission T est toujours le même.

Les couches ainsi déposées sur support transparent peuvent être simples ou multiples, transparentes ou plus ou moins absorbantes.

Nous étudierons d'abord le cas d'une couche unique déposée sur support transparent.

Etant donné une lame mince d'indice connu (ce dernier étant complexe dans le cas où la lame est absorbante) on peut se proposer de déterminer ses facteurs de réflexion et de transmission R, R' et T et plus généralement ses propriétés optiques, théoriques, pour diverses valeurs de l'épaisseur et une incidence déterminée, ou pour diverses valeurs de l'Incidence et une épaisseur déterminée. Réci- proquement d'ailleurs, les propriétés optiques ayant été mesurées, on peut chercher à en déduire les paramètres caractérisant la lame mince (indice réel ou complexe, épaisseur).

Des problèmes analogues se posent pour les couches multiples ou pour les couches non homogènes dont l'indice varie de façon continue.

Ces calculs sont tous, en fait, basés sur la théorie électromagné- tique de la lumière. Ils peuvent être conduits de deux façons : ou bien en écrivant les équations de Maxwell et en les intégrant, ou bien en opérant suivant la méthode utilisée en particulier par Perot et Fabry pour la théorie de leur interféromètre, c'est-à-dire en consÍ- dérant les amplitudes complexes des divers rayons réfléchis et en faisant leur somme.

De nombreux auteurs se sont occupés de la question et de très grands progrès ont été accomplis dans ces dernières années dont on trouvera l'exposé dans ,un fascicule consacré à la théorie des lames et qui paraîtra prochainement. Les résultats obtenus par les diffé- rentes méthodes sont identiques et les formules obtenues tout d'abord pour une et deux lames minces ont été étendues à un nombre quel- conque de telles lames grâce à des relations de récurrence.

Des méthodes graphiques, mises' au point en particulier par M. Perrot, P. Gotton, D. Malé et P. Bousquet, permettent actuel- lement de tracer très rapidement et très facilement, avec une précision suffisante, les courbes donnant les facteurs de réflexion et de transmission,, ainsi que les changements de phase corres- pondants, en fonction de l'épaisseur et des constantes optiques.

Lorsque l'incidence est normale on n'a pas à tenir compte de l'état de polarisation du faisceau incident. Au contraire en incidence oblique les résultats ne sont pas les mêmes pour une lumière pola- risée dans le plan d'incidence ou normalement à ce dernier.

Nous insisterons surtout sur le cas de l'incidence normale.

Une seule lame mince.

Ce cas est évidemment le plus simple et il a été très étudié. Il reste cependant encore beaucoup de choses à faire.

Dans la pratique la lame mince est employée soit pour diminuer, soit pour augmenter le facteur de réflexion du support (lames anti- reflets, lames à facteur de réflexion élçyé, couches semi-réfléchis- santes, etc.).

Même dans ce cas simple la question de la détermination des propriétés optiques de l'ensemble lame-support n'est pas facile à résoudre. Si, par exemple, la lame et son support sont absorbants les propriétés optiques (facteurs de réflexion et de transmission,

LIBRAIRIE-IMPRIMERIE GAUTHIER-VILLARS 1 55, QUAI DES GRANDS-AUGUSTINS, PARIS (6e)

Envoi dans toute l'Union Postale contre mandat-poste ou valeur sur Paris. - -- Frais de port en sus (Chèques postaux : 29 323.) R. C. Seine 99506.

MÉMORIAL DES SCIENCES PHYSIQUES

Fasc. "■

31. J. Villey. — Le Rendement des Moteurs thermiques.

32. Il. Pariselle. — Polarimétrie et Chimie.

33. J. Villey. — Propriétés générales des Fluides moteurs.

34. A. Buhl. — Analogies corpusculaires et ondulatoires.

35. G. Moreau. — Déformations élastiques et plastiques des réseaux cristallins.

36. Jean-J. Trillat. — Moments électriques, adsorption et lubrification.

37. A. Guillet. — Les bases de la Stroboscopie.

38. A. Guillet et M. Aubert. — Propriétés électrostatiques des systèmes sphériques 39. E. Darmois et M. Cohu. — La pliotométrie industrielle.

40. G. Ribaud. — La convection forcée de la chaleur en régime d'écoulement laminaire.

41. Vergne et Villey. — Équilibre thermodynamique des fluides homogènes.

42. J. Timmermans et L. Deffet. — Le polymorphisme des composés organiques.

43. M. Aubert. — L'analyse des mélanges de carbures par les méthodes optiques.

44. H. Vergne et J. Villey. — Les variations de l'équilibre thermodynamique.

45. E. Darmois et M. Cohu. — Lampes à incandescence et lampes à décharge.

46. G. Ribaud et E. Brun. — La Convection forcée de la chaleur en régime d'écou- lement turbulent.

47. M. Parodi. — Applications des polynomes électrosphériques à l'étude des sys- tèmes oscillants à un grand nombre de degrés de liberté.

48. E. Darmois. — La solvatation des ions.

49. J. Becquerel. — Propriétés magnétiques générales de divers composés des élé- ments du groupe du fer.

50. G. Ribaud et E: Brun. — La convection forcée de la chaleur. Fluide s'écoulant normalement à un cylindre.

51. G. Ribaud et E. Brun. — La convection de la chaleur aux grandes vitesses.

52. T. Kahan. — Physique des guides d'ondes électromagnétiques.

53. F.-M. Devienne. — Condensation et adsorption des molécules sur une surface en atmosphère raréfiée.

54. P. Rouard. — Propriétés optiques des lames minces solides.

Fascicules en préparation : 4

P. Rouard. — Applications .optiques des lames minces solides.

Blanc-Lapierre, Colombani et Perrot. — Propriétés électriques et magnétiques des lames minces solides.

T. Kahan. — Les Cavités électromagnétiques et leurs applications en Physique..

F.-M. Devienne. — Conduction thermique dans les gaz raréfiés. Coefficient d'accom- modation.

F.-M. Devienne. — Écoulement des gaz raréfiés.

140967-52 Paris. — Imprimerie Gauthier-Villars, 55, quai des Grands-Augustins.

Dépôt légal imprimeur, 1952, no 795. — Dépôt légal éditeur, 1952, ne 456.

Poids : okg, 160 \

Participant d’une démarche de transmission de fictions ou de savoirs rendus difficiles d’accès par le temps, cette édition numérique redonne vie à une œuvre existant jusqu’alors uniquement

sur un support imprimé, conformément à la loi n° 2012-287 du 1^er mars 2012 relative à l’exploitation des Livres Indisponibles du XX^e siècle.

Cette édition numérique a été réalisée à partir d’un support physique parfois ancien conservé au sein des collections de la Bibliothèque nationale de France, notamment au titre du dépôt légal.

Elle peut donc reproduire, au-delà du texte lui-même, des éléments propres à l’exemplaire qui a servi à la numérisation.

Cette édition numérique a été fabriquée par la société FeniXX au format PDF.

La couverture reproduit celle du livre original conservé au sein des collections de la Bibliothèque nationale de France, notamment au titre du dépôt légal.

*

La société FeniXX diffuse cette édition numérique en accord avec l’éditeur du livre original, qui dispose d’une licence exclusive confiée par la Sofia

‒ Société Française des Intérêts des Auteurs de l’Écrit ‒ dans le cadre de la loi n° 2012-287 du 1^er mars 2012.