Applications des couches minces en optique - (Exposé d'ensemble)

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Applications des couches minces en optique - (Exposé d’ensemble)

P. Giacomo

To cite this version:

P. Giacomo. Applications des couches minces en optique - (Exposé d’ensemble). Journal de Physique,

1964, 25 (1-2), pp.237-244. �10.1051/jphys:01964002501-2023701�. �jpa-00205746�

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APPLICATIONS DES COUCHES MINCES EN OPTIQUE

(EXPOSÉ D’ENSEMBLE)

Par P. GIACOMO,

Faculté des Sciences de Caen.

Résumé.

On essaye de dégager les difficultés générales (calcul, contrôle, uniformité, stabilité, matériaux), ^{comment elles} guident le choix des solutions adoptées ^et comment elles limitent la

qualité des résultats. Anti-reflets, ^miroirs semi-transparents ^et opaques, filtres colorés, polariseurs,

filtres d’amplitude ^sont analysés ^{de ce} point ^{de vue.}

Abstract.

An attempt ^{is made to} disentangle ^the general difficulties (calculation, control, uniformity, durability, materials), ^how they guide the choice of the methods adopted, ^{and how} they ^{limit the} performance. Anti-reflection coatings, semi-reflecting ^and opaque mirrors, ^color filters, polarizers, amplitude ^{filters are} reviewed in this respect.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ^TOME 25, JANVIER-FÉVRIER 1964,

Il a été souvent question, ^dans les communi- cations précédentes ^{de mesures} précises ^des pro-

prietes optiques ^des couches minces : pouvoir ^re-

flecteur R (ou R’) transmission T, d6phasages ^cor-

.

respondants Ar{ (ou A,,), At, auxquels ^{il no.us sera}

utile d’ajouter l’absorption ^{A = 1}

^{R - T} (ou ^{A’ = 1}

^R’

T). ^{Ces mesures visaient a}

obtenir des renseignements ^{sur les} proprietes ^des

matériaux constituant les couches et sur leur structure.

Pour Ie physicien paresseux, il est tentant d’uti- liser toute cette doumentation dans un autre but :

on a souvent besoin de modifier les propri6t6s optiques ^d’une surface, par exemple d’augmenter

son pouvoir r6flecteur, ou, ^au contraire, ^{de le dimi-}

nuer, ^sans modifier ses propriétés géométriques ; ^en

cherchant bien dans les nombreux exemples déjà 6tudi6s, ^{on a} quelque chance de trouver ^une couche mince susceptible de rendre le service attendu.

Comme la chose semble facile, ^on pourra meme

empiler ^{les unes sur les autres} plusieurs ^{couches et}

obtenir ainsi des propri6t6s int6ressantes ou amu-

santes.

Cette demiere idee 61argit effectivement beau-

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01964002501-2023701

coup le champ d’application ^{des couches minces en} optique, ^{mais cela ne va pas sans} quelques ^diffi-

cult6s.

Nous essaierons d’abord de donner ane vue d’en- semble de ces difficultés. Cela nous permettra, ^sur quelques exemple d’applications, ^{de mieux} d6gager

les probl6mes ^{resolus ou a r6soudre.}

I. Problèmes gdn6raux.

^{1-1. PROBLÈMES DE}

CALCUL.

On sait calculer les proprietes optiques

d’une couche mince (a ^faces planes ^et paralleles, . homog6ne, isotrope) ^{dont on connait} 1’epaisseur e

et l’indice de refraction _n, d6pos6e ^{sur un} support

massif dont on connait 6galement l’indice, pour diverses longueurs ^{d’ondes X. Ceci reste valable} lorsque les indices sont complexes.

Pour un empilement de couches minces di6lec-

triques, le calcul des propri6t6s optiques, ^a partir

des valeurs de n et e pour chaque couche, ^n’est simple que dans quelques ^cas particuliers. ^{Dans le}

cas general, ^on peut ^faire appel ^{a des} proc6d6s graphiques ^ou analogiques ; malgr6 ^leur precision modeste, ^{ils ont} l’avantage ^{de donner} rapidement

une vue d’ensemble. On peut aussi utiliser des machines digitales [1] : ^un programme, 6tabli ^une fois pour toutes, permet ^{de faire tous} les calculs

avec precision ; ^{encore faut-il} qu’il fournisse, ^{a la} sortie, des r6sultats rapidement utilisables. ,

Le calcul est sensiblement plus compliqu6 ^{si les}

couches sont absorbantes. 11 risque d’ailleurs d’6tre

un peu illusoire, ^{au moins dans le cas des} m6taux,

1 es « constantes optiques » apparentes ayant ^fàcheu-

sement tendance a varier. 11 vaut mieux alors

partir ^des propri6t6s optiques ^nlesurées pour chaque

couche métallique.

En vue des applications, ^le problème ^se pose différemment. On a besoin, par exemple, ^{d’un reve-}

Lement donnant it R des valeurs d6termin6es pour

plusieurs longueurs ^{d’ondes X,} imposées. ^lj’id8al

serait cie pouvoir déàuire des valeurs de R et À lc nombre de couches, les indices et les 6paisseurs

necessaires pour obtenir ^ce r6sultat. Meme dans le

cas de couches diélectriques parfaites, ^{ceci est beau-}

coup plus difficile. II semble que ^tres peu d’auteurs soient arrives a une solution alg6brique formelle du

problème [.2]. ^Plus souvent, ^{on a} cherche des solu- tions par approximations successives : partant ^d’un empilement ^connu, ayant ^des propr]6t6s ^voisines

tlu but cherche, ^{on essaie de s’en} approcher par variation des epaisseurs ^ou des indices. Les calculs sont generalement ^{effectués a} la machine [3], [4].

La principale difficulté est de trouver une m6thode

rapidement convergente.

1-2. PROBLEMES DE REALISATION.

Le calcul conduit a des valeurs d6termin6es des indices, ^et

des 6paisseurs.

1-2.1. Epaisseurs.

^{Pour les} épaisseurs, ^cela

se traduit par trois conditions distinctes.

a) Uniformité: L’epaisseur ^{doit avoir la même}

valeur sur toute la surface considérée : la couche doit etre « uniforme ». Les consequences des d6fauts d’uniformité sont variables suivant leur (, longueur

d’onde spatiale » ^A [5,6].

Si A « x, ^{ils se} traduisent _par 1’existence de couches de passage apparentes ; les couches de passage, apparentes ^ou r6elles, ^sont heureusement peu g6nantes, ^{tout au} moins pour les angles ^d’inci-

dence faibles.

Si A » x les d6fauts d’uniformit6 se traduisent par des différences de propri6t6s optiques ^{entre les}

differentes regions ^{de la surface} consideree ; ^on peut ^les appeler ^alors aberrations g6om6triques, quoiqu’il s’agisse aussi bien de variations d’ampli-

tude que de variations de phase ; ^on pourra traiter leurs effets par les lois de l’optique geometrique.

l,e cas intermediaire est couvert par le ^terme

assez vague de ⁽⁽ diffusion ».

11 n’y ^a pas, ^en fait, ^{de limite} nette entre la diffusion et les aberrations g6om6triques, ^cette

limite dependant essentiellement des conditions d’utilisation.

Une discussion complete ^serait trop longue, ^mats

on peut ^en indiquer ^les grandes lignes.

Le param6tre important ^est la resolution utills6e

apr6s travers6e de la couche mince. On peut ^carac.

t6riser cette resolution par l’ouverture Ao ^{du « dia-} phragme juste r6solvant)), ^{i.e. le} diaphragme, ^situc

dans le plan diffusant, ^{donnant une} tache de dif- fraction de largeur égale 4 la limite de resolution titills6e. Seuls les d6fatits d’uniformité de periode spatiale ^A Ao ^se traduiront par ^{unc «} diffusion ^»

plus ^{ou moins} genante, la lum]6re qu’ils diffractent

se dispersant abusivement apr6s ^{travers6e de la}

couche non uniforme.

Si Ao correspond ^a l’existence, apres ^{la couche} mince, ^d’un diaphragme limitant 1’ouverture nile des faisceaux, ^{ces defauts se} traduiront _par une

perte ^de luminosite ; ^si Ao correspond ^{au besoin de}

r6soudre des détails de l’image ^d’un objet etendu,

les def auts de A A0 ^se traduiront par ^une perte

de resolution et de contraste. Ces deux effets coexistent en general.

Enfin, ^les d6fauts d’uniformite des couches se

repercutent ^{sur les} propriétés optiques par 1’inter- m6diaire des deformations des surfaces d’ondes :

l’amplitude des defauts des surfaces d’ondes corres-

pondant ^{a un} def aut d’unif oi-m it6 donne sera multi-

pli6e par ^un facteur complexe dont le module peut

etre bien supérieur ^{a 1 si r ou t} (complexes) ^varient

tres rapidement ^{en fonction des} 6pa*sseur .

-

b) recision : ^{Le calcul} pr6voit’une ^epaisseur

(g6n6ralement ^une epaisseur optique) bien deter- min6e pour chaque couche. La tolerance sur cette

epaisseur ^{est souvent} faible. On doit donc pouvoir

controler avec precision l’épaisseur des couches

d6pos6es. ^Les proc6d6s ^les plus ^{sur sont ceux utili-}

sant les proprietes optiques elles-memes de 1’empi-

lement en cours de preparation. ^{Mais les} propri6t6s

de l’ ensemble. ^ne sont pas toujours ^fonction simple

de celles de chaque couche : les empilements ^de

couches _p. X/4 (p entier) ^seront relativement f at;iles a controler, parce que 1’6paisseur optique p. X/4 correspond ^{a des} propri6t6s optiques remarquables;

il n’en sera pas de ^meme pour des couches d’épais-

seur optique quelconque.

c) Procédés de préparation : ^{Parmi les} procédés

de préparation, l’évaporation ^{sous vide} pousse ^est

le seul qui permette ^a la fois d’obtenir des couches uniformes sur de grandes surfaces, d’en controler

l’épaisseur ^avec precision ^et de travailler avec des substances tres vari6es. Encore faut-il que ^ces substances supportent 1’evaporation ^{sans decom-} position (thermique ^ou par reaction avec le creuset).

1-2.2. Indices de réjraction.

^L’indice (com- plexe) ^{est lie a la nature} chimique de la couche.

Si l’on veut obtenir un indice defini, bien repro-

ductible, ^{il est} n6cessaire que le procédé ^de prepa-.

ration soit « chimiquement propre » l’évaporation

sous vide et meme sous ultravide est a cet 6gard,

le plus ^{sur. Mais} les substances susceptibles ^d’être 6vapor6es ^{sous vide sans} decomposition ^{et donnant}

des couches bien uniformes sont en nombre limite ;

par voie de consequence, le choix des indices de refraction utilisables 1’est 6galement. ^{Deux m6-}

thodes permettraient d’échapper ^{a cette} limitation.

La premiere consiste a utiliser des couches for- mcees de melanges, ^en proportions variables, ^de

deux substances d’indices nettement differents [7, 8]. ^{Si l’on veut obtenir une} valeur d6termin6e de

l’indice, ^{il faut} pouvoir controler la proportion ^des

deux substances. La complexité ^{du controle simul-} tané, ^{sur une meme} couche, de l’indice et de

1’epaisseur optique, ^limite I’application ^{de ce} pro- cede a des cas Oll 1’un au moins de ces controles n’a pas besoin d’être precis.

La seconde [9] résulte de la remarque suivante :

11 n empilement de couches d’indices _n, et n2 a dis- tribution synlétrique des indices et des 6paisseurs,

est equivalent ^{a une couche} unique ^{d’indice n} (nl ^rz n2). ^Le choix de la distribution des llpaisseurs ^{et de} 1’epaisseur ^totale permet ^{de simuler}

une couche unique ^d’indice arbitraire, compris.

entre n, ^et n2 ^et d’6paisseur quelconque. Pour que i’indice et 1’epaisseur equivalents restent constants dans un domaine de longueurs ^d’onde appréciable.

i 1 sufnt que chacune des couches ait une epaisseur petite ^{devant la} longueur d’onde. Ce procédé, ^outre

des difficult6s de controle, ^a l’inconv6nient d’aug-

menter fortement le nombre de couches. Si elles

présentent ^{des def auts} d’uniformité, ^on _peut

craindre que leur accumulation ^{entraine une} dif- fusion importante.

1-2.3. Fragilité.

^{Si toutes les} conditions pr6c6-

dentes sont remplies, ^{il taut encore} que les couches obtenues conservent leurs propri6t6s pour ^une duree

suffisante, ^{et ceci} malgr6 les mauvais traitements

qu’on ^est oblige ^{de leur} infliger : ^{mise en contact}

avec 1’atmosphere, parfois ^{humide ou} corrosive, nettoyage, ^{etc... Ceci} interdit, ^{ou limite a des} appli-

cations délicates a mettre en 0153uvre, l’emploi ^de

certains mat6riaux, ^{m6taux ou} halogenures ^alca-

lins par exemple, ^{dont les} propri6t6s optiques

seraient pourtant ^tres int,eressantes.

Toutes ces difficulties ’ont des importances ^va-

riables suivant les applications envisages.

II. Exemples d’applieations.

II 1. COUCHES

ANTI-REFLET.

11 est tres profitable ^de supprimer

les reflexions sur les faces des lentilles des qu’une optique comprend ^un nombre élevé de dioptres :

on augmente ^la transmission, ^{qui peut passer de}

(0,96)16 ~ 0,5 ^a (0,995) ^cr 0,9, ^{mais surtout on} supprime la lumi6re parasite qui, par reflexions

multiples, ^{vient se} superposer ^a l’image definitive,

diminuant le contraste.

On peut ^aussi etre amene a supprimer ^une

reflexion m6tallique ^au profit ^de l’absorption, par

exemple pour ameliorer 1’efficaeit6 d’un r6cepteur photoélectrique [10] ^{ou d’un} r6cepteur ^ther- mique [11], ^{dans ce dernier} cas, ^{on a} interet, ^simul- tan6ment, ^a augmenter l’absorption ^du rayon- nement incident et a diminuer le rayonnement

propre, ^il s’agit ^donc plutot ^d’un probl6me ^de filtrage.

11-1.1. Anti-reflet simple.

^{Pour un} support

d’indice _n3 reel, ^{en contact avec un milieu d’in-}

dice _ni r6e], ^on peut supprimer ^{la reflexion sous}

incidence normale a la longueur ^d’onde Xo ^avec

une couche di6lectrique appropri6e. ^Le principe ^et

Ie calcul sont simples : ^en premiere approximation,

il suflit que les amplitudes r 1 ^et r2 des deux _pre- mieres ondes réfléchies par ^les deux faces de la couche mince soient 6gales ^{en module et} oppos6es

en phase, ^les reflexions multiples ^6tant n6g]l- geables. ^{Le calcul} complet, gu6re plus difficile, ^con-

duit aux memes conditions : n2 - _{n, n3} ^et

n2 e ⁼⁼ XO/4 (ou (2p ⁺ 1) À/4). ^Pour l’incidence

oblique (en s6parant ^{les deux} polarisations princi- pales) ^ou pour ^un support ^d’indice n2 complexe, ^le

calcul conduit facilement a des r6sultats analogues :

indice et epaisseur determines.

L’application pr6sente quelque ^{f acilite} puisqu’il

suf’it de controler 1’6paisseur pendant ^la prépa- ration, par la propriété désirée elle-meme : s’il

s’agit d’un anti-reflet _{pour le} vert, ^la surface,

6clair6e en lumiere blanche, ^sous l’incidence d’utili-

sation, donnera par reflexion ^{une teinte} sensible ;

le controle est a la fois simple ^et precis. ^{On trou-}

vera dans la literature divers proc6d6s photo- m6triques ^de controle, adaptables ^{a toutes les} longueurs d’onde, parfois ^tres precis 6galement.

La valeur de l’indice n6eessaire est fondamentale,

l’utilisation de couches fragiles pratiquement

exclue. La probabilite pour qu’une ^{meme sub-}

stance remplisse simultanernent ces deux condi-

tions est faible. Heureuseinent, ^on dispose, ^{sur l’in-} dice, d’une certaine latitude : si _n2 s’écarte de la valeur id6ale, R,augmente progressivement ^mais

reste inf6rieur a celui du support ^tant que n2 ^reste

compris ^entre nl et n3. 11 faut chercher le meilleur

compromis ^entre 1’efficacit6 et la solidite.

Ainsi, pour les anti-reflets sur verre d’indice n3 ⁼ 1,52, ^{en contact avec 1’air} (nl ⁼ 1), ^{on a}

besoin d’une substance d’indice n2 ⁼ 1,23. F2Ca, evapore ^{dans certaines} conditions, ^{donne bien cet} indice, ^{mais des couches tres} fragiles. Na3AlFs, FLi, F3Al, F2Ig ^{ont des} indices de plus ^en plus 6loign6s de la valeur optimale. F2Mg, ^{a un indice}

sensiblement trop ^élevé (1,38), ^{laissant subsister}

un pouvoir r6flecteur de 1 %, ^{mais il} donne, par des traitements thermiques appropri6s, des couches

remarquablement resistantes. Le compromis ^le plus couramment utilise est F2Mg : ^{pour les} appli-

cations courantes, la solitité 1’emporte ^{sur 1’effl-}

cacité.

11-1.2. Antireflets 4 ^couches multiples.

^Si F2lVIg

a un indice trop élevé, Irli ^est superieur ^a Ir21.

On peut y remedier, ^{comme l’a} propose ^J. Strong,

en augmentant lr2l ^a 1’aide d’une couche mince

supplémentaire. La solution proposee ^{consiste a} d6poser préalablement, ^{sur le} verre, ^une couche de transition dont l’indice varie progressivement depuis ^{n3 =} 1,52 jusqu’a n’ ⁼ (1,38)2 ^~ 1,9. ^On

utilise pour cela ^une couche form6e d’un m6lange

de Si02 ^et Ti02 ^{dont les} proportions varient lente- ment lorsqu’on s’éloigne ^{du verre.} SiO2 ^et TiO2

donnant des couches tres resistantes, ^{cette solution}

am6liore refticacite sans nuire a la solidite ; ^on perd ^un peu de la simplicite ^de preparation ^{et de}

controle.

Les deux solutions pr6c6dentes conservent une

faiblesse : l’antireflet n’est tres efficace qu’au ^voisi-

nage de Ào. Or l’utilisation de deux couches permet

le choix arbitraire de quatre parametres : ^deux

indices et deux épaisseurs ; l’annulation ^{de R cor-} respondant ^a deux conditions (une pour la partie

r6elle de _r, une pour ^sa partie imaginaire), ^{on doit} pouvoir la r6aliser pour deux longueurs ^d’ondes À1, À2. On pourra de m6me annuler R pour trois lon- gueurs d’ondes ^avec trois couches, p longueur

d’ondes avec p couches. On peut esp6rer qu’entre

ces longueurs d’ondes, R ^restera faible. Le calcul conduit a des empilements de couches p ^X XO/4

pour ^une longueur ^d’onde m6diane ; la commodite de controle subsiste. De plus, ^les longueurs ^d’ondes Xi, X2, ^{..., li6es aux} indices des couches, ^{ne sont}

pas fix6es de façon imperative. ^{Le choix des}

indices utilisables est donc plus large.

Toutefois, l’intérêt de ces couches anti-reflet 6tant de diminuer R dans un domaine 6tendu de

longueurs d’ondes, ^le visible par exemple, ^on peut

se demander _{s’il y} ^a int6r6t a choisir À1 ?2

proches ^ou 6loign6s ^et si, dans les meilleures condi-

tions, ^un tel anti-retlet est plus efficace que les

precedents. ^De tels calculs relèvellt des machines

digitales. ^On peut ^{meme les} agr6menter ^{en tenant} compte de l’ouverture angulaire ^{des faisceaux} [4]

et thercher ainsi le meilleur compromis ^entre

1’efficacit6 pour ^un spectre ^{6tendu et un faisceau} ouvert, ^et la solidite des couches.

En augmentant le nombre de couches, ^{donc le}

nombre de zeros de R(À) ^on peut esp6rer ^r6aliser

des anti-reflets durables et d’efficacité remarquable,

sans que les difficultés de preparation ^{et de con-}

tr6le (couches p ^x Ào/4) deviennent importantes.

On _{verra, a} propos des miroirs semi-réfléchissants,

que de ^tels empilements sont couramment utilis6s ;

mais on atteint alors facilement, du fait de la diffusion par les irrégularités superficielles, ^des absorptions apparentes de l’ordre de 1 %.

Une diffusion de cet ordre de grandeur, r6p6t6e

sur de nombreux dioptres, peut ^devenir plus ^nui-

sible qu’un fond continu : schématiquement, ^il

vaut mieux observer la lune en plein jour que la nuit par temps ^de brouillard. C’est d’ailleurs parce

qu’ils deviennent diffusants _que les anti-reflets

fragiles ^{ne sont} gu6re utilisables.

Le probl6me des anti-reflets sur support ^m6tal- lique n’est pas sensiblement different. Comme il ^ne

s’agit plus ^{de former une} image apr6s traversee de la couche anti-reflet, mais seulement de diminuer

1’energie ^{r6fi6chie au} profit ^de 1’energie absorbee,

une diffusion beaucoup plus importante peut ^etre

tol6r6e. Les solutions a nombre de couches 6lev6, permettant d’étendre l’efficacité a un domaine

spectral ^tres large, s’appliquent. ^Par contre, pour les r6cepteurs photoelectrique, ^la presence ^de

couches minces sur le support photosensible risque,

par diffusion d’impuretés, de diminuer la sensi- bilit6. C’est une limitation suppl6mentaire impor-

tante au choix des substances utilisables.

11-2. MIROIRS SEMI-TRANSPARENTS A HAUT POU- VOIR RÉFLECTEUR.

Ils sont couramment utilises dans les systèmes interférentiels a ondes multiples:

interféromètre de Fabry-Perot, syst6mes ^a franges

localis6es pour 1’examen des surfaces, plus ^r6cem-

ment laser. Ces applications demandent des surfaces de pouvoir r6flecteur eleve, ^{donnant des} franges ^fines (ou, ^en langage ^de radioelectricien, des surtensions

importantes), mais aussi de transmission non petite

par rapport ^a l’absorption puisque la lumiere non

r6fl6chie a l’int6rieur du systeme ^{doit en sortir}

pour etre utilisee : 1

R ⁼ T + A doit etre

petit, ^{sans que} T /A ^{le soit.}

Les argentures ^{pour le} visible, ^les aluminiures pour l’ultraviolet ^ont longtemps ^ete les seuls reve- tements utilisables a cet egard.

Les couches di6lectriques multiples permettent,

au prix ^d’une complexite ^de preparation sup6- rieure, d’obtenir des absorptions plus faibles donc des pouvoirs eflecteurs utiles plus ^élevés.

11-2.1. Principe.

Ici encore, le principe ^est

simple : ^on superpose des couches alternativement de haut indice nH et de bas indice nB et on choisit les ep alsseurs ^{de telle} façon que ^toutes les ondes r6fl6chies une fois aux interfaces se retrouvent en

phase ; il faut pour cela que chaque ^{couche ait une} epaisseur optique À/4. Ce raisonnement approche

est moins correct que dans le ^cas de l’antireflet ; ^le

calcul complet conduit n6anmoins a la m6me condi- tion pour le maximum de pouvoir r6flecteur. Si

l’absorption des substances est nulle, ^on peut empiler ^un nombre q de couches aussi élevé qu’on veut, 1 - ^{R tendant alors vers 0 comme} (nBlnn)q.

11-2.2. Indices, absorption ^et diffusion.

^Pour

obtenir un pouvoir r6flecteur élevé avec un petit

nombre de couches, ^{on a} intérêt a utiliser nA/nB

.

aussi grand que possible. ^Mais l’indice élevé est souvent lie au voisinage d’une bande d’absorption.

L’absorption A du miroir due au coefficient d’ex- tinction k des substances croit avec celui-ci mais reste sensiblement ind6pendante du nombre de

couches ; ^{elle est en gros} proportionnelle ^à k/(nH

nB) [131.

Il peut ^{done etre} plus avantageux ^{de se limiter à}

une valeur plus ^{faible de nu si elle} correspond ^à

une valeur plus ^{faible de} k/(nH- nB). ^{Mais la dimi-}

nution de nH - nB s’accompagne d’autres effets. En

particulier ^{Ar et At} deviennent plus ^{sensibles aux}

d6fauts d’uniformité des couches ; la diffusion due

aux irrégularités superficielles peut alors devenir

plus g6nante que l’absorption proprement ^{dite. Il}

y ^{a encore} lieu de choisir le meilleur compromis ; malgr6 quelques ^{travaux sur} les effets respectifs ^du

coefficient d’extinction ou des irregularites ^{de sur-}

face [14], [15] ^{ils restent,} dans 1’6tat actuel de la

technique, trop peu previsibles 1’exp6rimentation

est le meilleur guide.

Vers l’ultraviolet, ^les absorptions ^{faibles et Ies}

indices 6lev6s se font _rares, la diffusion devient

plus importante, ^{il est} certain, a priori, que les difficult6s iront croissant.

Effectivement, ^dans l’infrarouge ^on dispose ^de

substances transparentes d’indice allant jusqu’a ⁴ (Ge, Si, Te). ^{Dans le} visible, ^le choix s’amenuise

quand ^les longueurs ^d’ondes diminuent : Sb2S3, ZnS, Sb203, PbC’21 ^PbFCI deviennent successi- vement trop absorbants entre 8 000 Å et 3 000 Å.

Vers 2 500 Å, ^{on a} propose RbI, ^{CsI et} PbF2 [15], [16] ; leurs indices sont voisins de 2 ; ^{les deux} premiers ^sont trop ^{sensibles a} I’humidit6 _{pour etre}

d’emploi commode ; PbF2 ^{semble etre} actuellement le seul utilisable.

Alors que, dans le visible, ^on arrive a obtenir des miroirs ZnS cryolithe ^{avec A ~} 0,5 %, ^à

2 537 A les meilleurs miroirs (CsI cryolithe ^ou PbF2 cryolithe) ^{ont des A - 2} %. ^{On a} pu montrer,

pour le visible, que la diffusion peut ^intervenir

pour ^une large part dans A. 11 en est vraisem- blablement de meme dans l’ultraviolet.

11-2.3. Chromatisme.

Alors que R d6pend peu

de la longueur ^d’onde pour les argentures ^{et alumi-}

niures semi-transparentes ^{utilis6es en interfero-} m6trie, ^les empilements ^de couches x/4 ^{n’ont un} pouvoir r6flecteur élevé que dans ^un domaine de

longueurs ^{d’ondes limité. Ce domaine est d’autant} plus large que ^le rapport des indices (haut ^et bas)

utilises ^est plus grand ; il atteint environ 0,4 X

pour les couches ZnS-cryolithe.

On peut élargir ^ce domaine, pour ^un meme nombre de couches de deux substances donn6e8,

en sacrifiant en partie ^le pouvoir r6flecteur : on ne

prend plus des couches toutes À/4, ^{mais des}

couches d’épaisseur ^variées (progression ^arithmé- tique, ^{ou une s6rie} À1/4 suivie d’une s6rie À2/4).

Partant d’une de ces combinaisons, ^on peut meme,

par approximations successives calcul6es a la

machine, ^{chercher une} combinaison qui ^{rende R le} plus ^constant possible ^{dans le domaine ou il reste}

élevé. Quelle que soit ]a combinaison finale- ment adopt6e, ^elle necessite, ^{A R} donne, ^un plus grand ^nombre de couches d’épaisseurs ^vari6es.

Bien que ^nous n’ayons pas d’indications sur

l’absorption ^{de tels} rev6tements, il y ^a lieu de penser qu’elle ^{doit etre} superieure ^{a celle des} empi-

lements X/4. ^D’une part, ^{a T} 6gale, la lumi6re transmise traverse davantage de mati6re. D’autre

part, ^les d6phasages ^{A, et At varient tres} rapi-

dement en fonction de la longueur d’onde ; ^ils

varient donc aussi tres rapidement ^en fonction des

6paisseurs ^des couches ; ^les def auts d’unif ormite peuvent ^{se traduire} par des deformations ampli-

fi6es des surfaces d’ondes réfléchies (ou transmises),

d’ou une diffusion accrue.

Une autre façon d’obtenir des miroirs semi-

transparents peu chromatiques consiste a ^« am6- liorer » des couches semi-reflechissantes m6talliques

en leur ajoutant quelques ^couches diélectriques.

Cette m6thode peut ^{se discuter} simplement : ^elle

revient a remplacer ^les premi6res ^{couches d’un} empilement de couches diélectriques, par ^une couche m6tallique (Ag). 11 suffit donc de comparer

ces deux sous-couches : pour ^une seule longueur d’onde, les couches di6lectriques ^sont moins absor-

bantes, mais, pour ^un spectre 6tendu, ^{la sous-}

couche metalliqu e ^{est moins} chromatique. ^Suivant

que ^le chromatisme ou l’absorption jouent ^{un role} plus determinant on sera amene a pr6f6rer ^{l’une ou}

l’ autre solution.

11-3. MIROIRS _OPAQUES.

Iaes couches m6tal-

liques opaques constituent ^sans doute la plus

ancienne application des couches minces. Elles per- mettent d’augmenter ^le pouvoir r6flecteur des sur-

faces de _verre, plus ^{faciles a} polir que les m6taux,

sans modifier de façon appreciable ^leur géométrie.

Dans l’infrarouge lointain, ^{les m6taux} bons conduc- teurs fournissent, ^{en couches} opaques, des pouvoirs

r6flecteurs ^~ 1. Mais ce pouvoir r6flecteur d6crolt

fortement aux alentours du visible ^ou de l’ultra-

violet. De plus ^la majorite ^des m6taux s’altèrent a 1’ air.

On les protège efficacement _par une couche mince transparente (SiO, A12O3) d’épaisseur ^suffi-

samment petite pour que le pouvoir r6flecteur ne

soit pas modifi6 par interference. On peut, ^{au con-} traire, ^choisir 1’epaisseur telle que les interferences, constructives, am6liorent le pouvoir r6flecteur.

Mais, si les interferences sont constructives pour

une longueur d’onde, ^{elles seront} destructives pour

une autre. On rend donc le miroir plus ^chroma- tique.

Cette derni6re solution pr6sente ^{un intérêt} parti-

culier lorsque ^les longueurs ^d’ondes d6savantag6s

tombent dans une region inutilisable pour d’autres raisons. C’est le _cas, par exemple, lorsqu’on ^{« ame-}

liore ^» le pouvoir r6flecteur de l’aluminium ^{dans la}

region ^{1 000 - 2 000 Å} [17] ; les couches transpa-

rentes ajout6es diminueraient le pouvoir ^r6flecteur

pour les longueurs ^{d’ondes nettement} plus ^{courtes ;}

comme le pouvoir r6flecteur devient, ^{de toute} fagon, insuffisant dans ces regions, ^cela importe peu.

On notera l’analogie ^{6troite entre ce cas et celui des} amplificateurs dits ((video)) : pour élargir ^{la bande} d’amplification du cote hautes fr6quences ^on aug- mente une impedance ^de charge ^au voisinage ^{de la} frequence de coupure, ^sans la modifier sensible- ment pour les f requences inf6rieures, ^{et sans se}

soucier de sa diminution _{pour des} fr6quences ^nette-

ment plus ^6lev6es.

La discussion des possibilités d’accroissement de R est la meme que pour les miroirs semi-trans-

parents. ^Elle peut ^{conduire a} utiliser, ^comme

miroir _{« opaque»} un empilement de couches unique-

ment diélectriques, ^{dans la mesure ou A = 1- R}

est plus faible dans ce cas.

11-4. FILTRES CHROMATIQUES. - 11-4.1. Filtres 6 bande étr.oite.

Le filtre interférentiel le plus

connu est un etalon de Fabry ^Perot de tres faible

epaisseur : ^{la lame m6diane est une} couche mince

transparente, s6parant ^deux miroirs semi-trans-

parents. Les miroirs sont constitués, ^{comme il a 6t6}

dit plus haut, de couches m6talliques ^{ou di6lec-} triques, ^{le tout est} depose ^{sur un} support jouant ^un

role exclusivement m6canique. On constitue ainsi

un filtre a une ou plusieurs ^bandes passantes

etroites. En I’absence de d6fauts d’unitormite, ^la

transmission maximum est d6termin6e, ^comme

pour ^tout Fabry-Perot, par le rapport T JA ^relatif

aux miroirs. D’ou l’intérêt des miroirs multi-di6lec-

triques, ^avec l’inconv6nient que le filtre devienne

transparent lorsqu’on s’61oigne beaucoup ^{de la}

bande passante ^{centrale. Les miroirs} m6talliques

ne présentent pas ^ce d6faut. La largeur ^{des bandes} passantes ^est d6termin6e par l’ordre d’interf6- rence, le pouvoir r6flecteur des miroirs, ^{et les varia-}

tions de Ar sur les miroirs en fonction de la lon- gueur d’onde. Ces deux derniers facteurs sont a

l’avantage ^{des miroirs} diélectriques ; ^ils compen- sent en general F inconvenient precedent.

La position de la bande passante ^{est d6termin6e} principalement par 1’epaisseur ^{optique de la couche}

mediane, ^{mais aussi} par Ar, ^donc par 1’6paisseur ^des

couches formant les miroirs. Un controle precis

de ces 6paisseurs ^{est ici} indispensable. ^{Pour la}

meme raison la stabilite dans le temps des pro-

pri6t6s optiques des couches est critique.

L’importance ^{des def auts} d’uniformité peut ^etre

evaluee globalement : la transmission t (complexe)

varie tres rapidement, ^{en module et en} phase, ^en

fonction de la longueur d’onde, donc aussi de

1’epaisseur des couches. Les def auts d’unif ormite se

traduiront par des variations importantes d’ampli-

tude et de phase de 1’onde transmise. D’ou abais- sement de la transmission maximum, 61argissement

relatif de la bande passante, diffusion intense de la lumiere transmise.

Ces conclusions restent valables quel que soit le

type ^{de filtre a bande 6troite considere} (filtres ^à grande dispersion ^de phase, ^{filtres a} reflexion totale

frustr6e, filtres par reflexion). L’amélioration de la

transparence ^et de la finesse de ces filtres est donc intimement 116e a F amelioration de l’uniformit6 et de la stabilite des couches utilis6es.

L’effet de l’ouverture des faisceaux est analogue, puisque l’ épaisseur optique qui ^{entre en} ligne ^de compte, ^{net cos} 0, varie aussi bien avec cos 0

qu’avec ^{e. On voit de suite} que les variations admis- sibles de 0 ne seront grandes qu’au voisinage ^de

6 = 0. Les filtres a bande 6troite n’admettront des 6tendues de faisceau importantes qu’en ^incidence

normale. L’angle ⁰ étant l’angle d’incidence à 1’inté- rieur des couches, ^{cette 6tendue sera en outre} plus importante lorsque les couches auront des indices 6lev6s.

11-4.2. Autres filtres.

^{On a souvent besoin de}

filtres passe-haut, passe-bas, passe-bande ^ou coupe-

bande, ^{en reflexion ou en} transmission, ^de sepa-

rateurs de faisceaux dichromes, ^etc... Les miroirs

semi-transparents ^a couches X/4 multiples ^cons-

tituent des filtres passe-bande par reflexion, coupe- bande par transmission de realisation ^assez facile.

La largeur de la bande de reflexion peut ^6tre ajust6e par ^un choix judicieux ^des indices, ^on peut 1’61argir ^{encore en associant} plusieurs ^{miroirs a}

bandes de reflexion d6cal6es. De tels miroirs sont couramment utilises comme filtres ^« anti-calo-

riques ^» laissant passer le visible mais r6fl6chissant la majeure partie ^de l’infrarouge proche.

Ici, ^le probl6me ^{est souvent d’obtenir une cou-}

pure franche. 11 ^ne suffit malheureusement pas, pour cela, d’augmenter ^{Ie nombre} de couches d’un miroir X/4 : ^{la courbe} RCA) ^reste tangente, quel que soit Ie nombre de couches, ^{a une} enveloppe ^{dont la} pente ^{reste modeste. La recherche de} combinaisons a coupure franche ^{est un} probl6me ^{de calcul} pr6a-

lable qui ^n’a pas, a ^notre connaissance _reçu de

solution. Bien que le probl6me ^{ne se} pose pas

encore sur le plan pratique ^on peut pr6voir que les conditions essentielles a respecter ^{seront sensi-}

blement les memes que pour ^un filtre a bande étroite : le filtre a coupure franche est equivalent

a cc la moiti6 ⁾⁾ d’un filtre a bande 6troite. On peut

donc reprendre ^{les memes} arguments : ^en rempla- gant ^« largeur ^{de bande »} par ^{« zone} de coupure ^»,

on sera amene aux memes conclusions.

11-5. POLARISEUR RECTILIGNE.

La realisation de polariseurs ^en couches minces se ram6ne aux

probl6mes precedents, agr6ment6s, ^cette fois, ^de propri6t6s propres a l’incidence oblique. ^{11 faut en}

effet se placer ^{sous incidence} oblique pour obtenir

une difference importante ^de propri6t6s optiques

des couches minces vis-h-vis des deux polarisations principales. ¹¹ y ^a trois famous d’aborder le prob]6me

du polariseur rectiligne ^en couches minces : La premiere ^consiste a chercher un revetement,

antireflet pour la polarisation 1, ^{dont le} pouvoir

r6flecteur reste élevé pour la polarisation ^{2. L’inci-}

dence oblique s’y prete bien, puisque les facteurs de reflection seront faibles aux interfaces _pour une

polarisation (voisinage ^de l’angle ^de Brewster) ^et beaucoup plus importants pour 1’autre. Un choix

judicieux ^de F angle d’incidence, ^des 6paisseurs ^et

des indices permet ^de remplir ^ces conditions. Le

probl6me ^{est, avant tout, un} probl6me d’antireflet.

La seconde consiste à partir d’un revetement tr6s reflechissant pour la polarisation 2 et;h annuler son

pouvoir r6flecteur pour la polarisation 1. Si l’on

prend ^un empilement de couches altern6es _{ns, nB,} eclaire sous l’incidence de Brewster a la s6pa-

ration nH/nB, ^{on annule la r6flexion aux interfaces}

pour la polarisation 1. 11 suffit de prendre ^des 6paisseurs optiques ^X/4 pour la polarisation 2,

pour que le syst6me ^se comporte ^{comme un tr6s}

bon miroir. Accessoirement, ^il peut ^etre utile, ^{si cet} empilement ^est limit6 par deux milieux d’indices .diff6rents de ns et _nB, d’ajouter ^a 1’extr6mit6

un antireflet pour la polarisation ^1.

La troisi6me utilise les diff erences entre les lon- gueurs d’ondes des bandes passantes ^transmises

par ^un filtre interférentiel (a ^bande 6troite) pour les deux polarisations, ^{sous incidence} oblique (filtre

a reflexion totale frustr6e, par exemple). ^Cette

troisi6me solution n’est applicable qu’en ^lumi6re monochromatique, alors que les pr6c6dentes ^sont

utilisables avec des spectres ^6tendus.

Toutes trois ont le def aut de l’incidence oblique :

6tendue de faisceau utilisable relativement faible.

On peut proposer ^{une autre} solution, ^a rapprocher

de la troisi6me, mais utilisant un filtre sous inci- dence normale : un filtre interférentiel a lame m6diane birefringente (mica) pr6sente, pour les deux polarisations paralleles ^aux lignes ^neutres,

des bandes passantes differentes. L’étendue de faisceau utilisable reste malheurement faible, ^la

faible birefringence ^{du mica} obligeant ^{a utiliser}

des ordres d’interférence 6lev6s.

Dans tous les cas, le ^taux de polarisation ^sera limit6, ^{en dernier} ressort, par les d6fauts des couches. Les def auts d’uniformité de grandes ^{A se}

traduiront par R 1 =f=. ⁰ (ou T2 0 0) ^en differentes

regions ^du polariseur ; ^{ceux de} petites A, par dif-

fusion, superposeront ^un peu de la polarisation

transmise a la polarisation ^{r6fl6chie et vice versa.}

III-6. FILTRES D’AMPLITUDE.

Par ordre de

complexite croissante, ^on peut citer les 6crans

neutres, ^{echelons et coins} photométriques, ^6crans apodiseurs.

Tous ces dispositifs ^doivent avoir, pour ^un

spectre 6tendu, ^une transmission T tres stable dans le temps ^et pratiquement ^neutre (ind6pen-

dante de la longueur d’onde). ^Les couches di6lec-

triques ^sont inutilisables dans ce cas. Les substances a indice d’extinction faible, utilisables en grandes epaisseurs, ^{ne le sont} plus ^{en couches} minces, ^les

interferences introduisant un effet chromatique important. Restent les m6taux. Parmi ceux-ci,

seuls les metaux peu alt6rables ^et leurs alliages

sont a envisager.

Ceci laisse un choix assez important ^{de m6taux}

et alliages ^donnant des couches de neutralite com-

parables ^a celle des meilleurs 6crans neutres (verre

ou gelatine). ^Certain (Cr, Inconel) donnent des couches d’une solidit6 remarquable.

Dans le cas des 6crans neutres, ^{il reste a r6soudre}

les probl6mes d’uniformité et de controle. Le con-

tr6le photometrique, ^sur la transmission elle-meme,

est assez facile ; l’uniformit6 obtenue _par 6vapo-

ration sous vide est satisfaisante, ^au moins pour des surfaces modestes.

Les trois autres applications posent ^un probl6me supplémentaire : ^il s’agit d’obtenir des couches, ^non uniformes, dont la transmission varie suivant une

loi impos6e ^a l’avance, ^en fonction d’une abscisse

(echelons ^{ou coins} photometriques, apodiseurs linéaires) ^ou d’un rayon (apodiseurs circulaires).

On peut envisager ^de pr6parer ^un echelon par

plages successives, contr6l6es une a _{une ;} une telle m6thode n’est gu6re applicable pour ^une variation continue. On utilise alors ^un cache, de forme appro-

pri6e, ^derri6re lequel le verre-support ^se d6place, ^en

translation ou en rotation. Le controle de la trans- mission s’effectue sur une plage de reference unique.

La precision ^avec laquelle ^une distribution d6ter- min6e des transmissions pourra etre r6a]is6e ^r6-

sulte, essentiellement, ^{de la} reproductibilite : ^la

transmission doit etre une fonction parfaitement reproductible ^de 1’epaisseur, 1’epaisseur ^{doit 6tre}

elle-même une fonction parfaitement reproductible

de l’ouverture du cache. La seconde condition est surtout 1]6e a la géométrie ^du dispositif, ^la premiere

a la structure des couches et a leur constitution

chimique.

Conclusion.

Nous n’avons pas insisté ^sur 1’excellence de certains r6sultats. Ce n’était _pas notre but. Il ne faudrait _pas en tirer des conclu- sions pessimistes. L’utilisationgcroissante ^des

couches minces, ^{dans toutes les branches de} l’optique, ^{suffirait a} nous rassurer.

Mais il faut se tourner vers l’avenir. Sur quels points les efforts devront-ils se porter pour élargir

et am6liorer ces applications ?

Nous avons vu que la plupart ^des probl6mes poses peuvent, ^{ou devraient} pouvoir, etre resolus par 1’emploi de couches multiples, ^{d’indices et} d’épaisseurs ^varies. Qu’il s’agisse ^du calcul, ^du controle, ^des mat6riaux, ^{de leur stabilite dans le,} temps, des solutions existent, plus ^{ou moins} bonnes, qu’il ^faudra parfois perfectionner. ^{Mais on se heur-}

tera immanquablement ^{a un obstacle commun : le}

défaut d ’uniformité ^{des couches.} C’est lui qui limite, d6j a, pour quelques applications, ^les perfor-

mances utilisables.

Un meilleure connaissance de la structure des couches et des facteurs qui la determinent devrait permettre, par ^un controle plus ^{spur de} l’uniformit6,

d’améliorer les r6sultats deja ^{obtenus et d’utiliser}

sans inconvenient des empilements ^{a tres} grand

nombre de couches.

Discussion

M. HEAVENS. - Je crois que le probl6me ^de

diffusion dans les couches deviendra moins severe

au fur et a mesure que ^nos experiences ^conti-

nueront.

11 suffit d’arriver a des conditions experimentales (temperature ^{et nature du} support, ^{taux de} d6po- sition, etc...), qui ^{assurent une diffusion minimum.}

Bien entendu, ^{il est} deja possible ^de produire ^des

couches multiples ^{dont la} perte de lumiere _par diffusion ne d6passe pas 0,2 %.

BIBLIOGRAPHIE En dehors des références précisées ^{dans le texte, on}

trouvera une abondante bibliographie ^{dans :}

(a) ^Les propriétés optiques ^des lames minces solides, Colloques Internationaux du C. N. R. S., XXIII, Paris,

1950 et J. Physique Rad., 1950, 11.

(b) ^Les progrès ^{récents en} spectroscope interféren-

tielle, ibid., LXXX, Paris, 1958 ^et ibid., 1958, ^18.

Et dans les ouvrages généraux ^{comme :}

HEAVENS (O. S.), Optical properties ^{of thin} films, London,1955.

HOLLAND (L.), ^Vacuum deposition ^{of thin} films, London, 1958.

MAYER (H.), Physik ^dünner Schichten, Suttgart, 1955.

[1] Voir références de l’article ci-contre de BADOUAL (R.)

et GIACOMO (P.).

[2] ^TRICOLES (G.), Article ci-contre.

[3] BAUMEISTER (P. W.) ^{et STONE} (J. M.), ^J. Opt. ^Soc.

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[5] ^MARÉCHAL (A.), Optica Acta, 1958, ^{5, 70.}

[6] BOUSQUET (P.), ^Rev. Optique, 1962, ^{41, 277.}

[7] ^BASSET (Y.) ^{et JACQUINOT} (P.), ^J. Physique Rad., [8] JACOBSSON (R.), ^Arkiv Fysik, 1963, 24,14.

[9] ^EPSTEIN (L. I.), ^J. Opt. ^Soc. Amer., 1952, 42, 806.

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[11] ^PERROT (M.), ^TOUCHAIS (M.) ^{et OUALID} (J.), ^dans Applications thermiques ^de l’énergie solaire, ^Coll.

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[12] ^STRONG (J.), ^Dans (a).

[13] ^GIACOMO (P.), ^Rev. Optique, 1956, 35, 317 ^{et 437.}

[14] ^GIACOMO (P.), ^Dans (b).

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[15] ^STEUDEL (A.) ^{et LENNUIER} (R.), ^Dans (b).

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