Mesure de la phase du champ diffracté dans le domaine optique. Contribution à la résolution de problèmes inverses

Measurement of the phase of the diffracted field in the optical domain contribution to the resolution of inverse problems

• Auteur / Autrice : Nathalie Destouches
• Direction : Hugues Giovannini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, électronique, optronique et systèmes
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Réfractométrie

Problèmes inverses

Interférométrie

Microscopie à force atomique

Ondes électromagnétiques

Diffraction

Résumé

La caractérisation des composants diffusant ou diffractant dans le domaine optique est généralement effectuée de manière statistique grâce à des mesures d'intensité. On peut améliorer cette caractérisation en mesurant l'amplitude complexe du champ diffusé. Cette amplitude peut être reconstituée à partir de la connaissance de l'intensité et de la phase du champ électromagnétique. Nous proposons une technique expérimentale et numérique permettant de déterminer les variations angulaires de la phase du champ diffusé par une surface rugueuse. Cette technique complète les mesures d'intensité traditionnellement effectuées grâce à des diffusomètres. L'étude expérimentale que nous réalisons est menée sur des réseaux de diffraction. Les résultats obtenus nous amènent d'une part à nous intéresser à la résolution de problèmes inverses en optique et d'autre part à étudier finement les phénomènes de résonance électromagnétique. On montre par exemple que la mesure de l'amplitude complexe du champ diffracté par un réseau permet, dans certaines conditions, de déterminer les propriétés opto-géométriques de la structure diffractante, à l'aide d'une méthode très simple à mettre en œuvre. Par ailleurs, les mesures de phase nous permettent d'aborder l'étude des résonances plasmons de surface des réseaux métalliques, en polarisation TM, sous un angle nouveau. Dans une autre partie, nous nous intéressons à la détermination de l'indice de réfraction de surfaces rugueuses à partir de la seule connaissance de l'intensité diffusée. Cette étude nous amène dans un premier temps à comparer les données de la diffusion lumineuse à celle fournies par la microscopie à force atomique dans la même fenêtre fréquentielle. Nous montrons ensuite que l'indice peut également être obtenu en mesurant l'atténuation ou l'augmentation de la diffusion due au dépôt d'une couche mince sur la surface. Ces méthodes s'adaptent aux échantillons plans et homogènes ayant une rugosité de surface de quelques nanomètres à plusieurs centaines de nanomètres.

In optics, the use of scattering techniques to characterize diffracting structures generally gives access only to the statistical properties of the object. In order to improve characterization, one can measure the complex amplitude of the diffracted field. This amplitude can be reconstructed if knowing both the intensity and the phase of the electromagnetic field. We propose here an experimental and numerical technique to determine the angle resolved variations of the phase of the field diffracted by a rough surface. This complements the classical intensity measurements usually performed with scatterometers. The experimental study is performed with the use of diffraction gratings ; the results lead us to different tasks. We concern ourselves first with the resolution of scattering inverse problems then with the accurate study of electromagnetic resonance phenomena. For example, we show that the optogeometrical properties of diffracting structures can be deduced from the measurements of the complex amplitude of the diffracted field with an easy-to-use method and in specific conditions. Moreover, the phase measurements allow to develop a new approach to deal with the surface plasmon resonance phenomena of metallic gratings which occur in TM polarization. Another part is devoted to the determination of the refractive index of rough surfaces based on the knowledge of the scattered intensity. Two methods are proposed. The first one is based on a comparison of light scattering and atomic force microscopy in the same frequency bandpass. The second one is based on the surface overcoating and allows to determine the refractive index from the measurement of the enhancement or of the reduction of scattering due to the coating. . . .