Etude des optiques diffractives en imagerie infrarouge

Diffractive optical element applied in infrared imagery

• Auteur / Autrice : Céline Millet
• Direction : Philippe Lalanne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Optique et photonique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microtechniques

Ondes -- Diffraction

Mots clés libres

Réseau Blazé

Résumé

Dans cette thèse, nous avons étudié une famille d’éléments diffractifs innovants, composés de structures binaire sub-longueur d’onde, c’est-à-dire de taille légèrement inférieure à la longueur d’onde et qui permettent d’avoir une bonne efficacité de diffraction sur une large bande spectrale, ce qui est très utile en imagerie. Afin d’étudier l’efficacité des composants diffractifs utilisés en imagerie, nous avons développé un outil de modélisation, dit hybride car il combine une analyse scalaire des grandes zones de Fresnel composant l’élément diffractif, à un traitement vectoriel des microstructures qui les consistent. L‘outil permet de prédire et d’optimiser le comportement d’une structure diffractive conçue pour l’imagerie et composée de tous types de géométrie locale. Nous avons conçu et fabriqué un réseau blazé sub-longueur d’onde gravé dans un substrat d’Arséniure de Gallium. Le modèle hybride a permis d’établir une structure diffractive parfaite lors de l’étape de conception, mais aussi grâce à sa souplesse d’utilisation, d’introduire les effets de la fabrication dans le calcul de l’efficacité de diffraction. Pour évaluer les performances du composant fabriqué, nous avons mesuré son efficacité de diffraction transmise autour de l’ordre de blaze pour une incidence oblique à 10,6 μm et en incidence normale sur la bande spectral 2-17 μm. Cette étude expérimentale montre que la fabrication de tels composants aux propriétés uniques, est compatible avec des moyens technologiques bas-coût issus de l’industrie des semi-conducteurs, tels que la lithographie optique et la gravure ICP.

This work deals with a new familiy of diffractive optical elements composed of one-leved binary sub-wavelength structures, i. E with local features that are slightly smaller than the wavelength, providing high efficiency over a large spectral band, which is very useful in imagery. In order to demonstrate the broadband behaviour of these components for use in imaging systems, we have developed a new model called hybrid model addressing components, to design and analyse them. It combines a scalar analysis of the large Fresnel zones (which are useful in imaging applications) with a vectorial treatment of the small features. The model is available for any type of diffractive structures with slowly varying phase. A blazed sub-wavelength grating etched in a Gallium Arsenide substrate has been designed and fabricated by photolithography and ICP etching. In order to evaluate the grating performances, we measured its diffraction efficiency transmitted around the blaze order for an oblique incidence at a wavelength of 10,6 μm. It has also been measured in normal incidence for wavelengths between 2 and 17 μm. . The hybrid model was used to conceive an ideal diffractive structure at first, and then to take fabrication effects into account. We validated a fabrication process and showed the quality of a two dimensional sub-wavelengh grating which period is large compared to the wavelength thanks to its diffraction efficiency higher than 80% from 8 μm to 14 μm. This experimental study shows that the fabrication of components with very interesting propeties is compatible with low-cost processes currently used in the semiconductors industry.