Conception et réalisation de filtre optique multicouche à grand nombre de couches minces dans le domaine spectral de 0,3 à 15 µm

Design and realization of multi-layer optical filter with large number of thin layers in the spectral range from 0,3 to 15 µm

• Auteur / Autrice : Maxime Duris
• Direction : Joël Charrier, Loïc Bodiou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 29/09/2020
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON (Lannion ; 2000-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sulfure de zinc

Germanium

Couches minces

Filtres optiques

Mots clés libres

Filtres optiques

Évaporation sous vide par faisceau d'électrons avec assistance ionique de compactage

Dépôt de couches minces

Plan d’expériences

Germanium

Sulfure de Zinc

Moyen infrarouge

Ion assisted deposition

E-Beam evaporation

Optical filter

Germanium

Zinc Sulfide

Thin films deposition

Design of experiments

Thin layer

Mid-Infrared

Résumé

Les filtres optiques à grand nombre de couches minces constituent un élément clé de la performance et de l’innovation des systèmes optiques. Les revêtements de surface dédiés à l’optique sont des vecteurs de recherche dans tous les secteurs industriels associés à l’optique. La conception et la réalisation des filtres optiques multicouches à grand nombre de couches minces opérant dans le moyen infrarouge de 2 µm à 15 µm sont la problématique de recherche de ces travaux de thèse. Dans cette thèse, l’accent a été mis sur l’étude, le déploiement, l’amélioration et l’optimisation des procédures de dépôt du Sulfure de Zinc (ZnS) et de Germanium (Ge). L’optimisation des constantes optiques du Germanium en fonction des paramètres de dépôt par la méthode des plans d’expériences est présentée et discutée. Un plan d'expérience a été utilisé pour étudier et optimiser les conditions de dépôt du Germanium. Ce plan d'expérience traitait 4 paramètres de dépôt : la vitesse de dépôt, le vide avant dépôt, la pression de dépôt et l'assistance ionique (IAD) Les résultats extraits du plan d’expérience comprennent les effets importants de la vitesse de dépôt, de l’assistance ionique de compactage et de leurs interactions, l’effet dissipatif du vide avant dépôt et de la pression de dépôt dans l'enceinte de dépôt sur l’énergie de croissance de la couche mince, et l’obtention d’un ensemble de conditions de dépôt optimisées pour réaliser des couches minces de Germanium avec un indice de réfraction le plus haut possible et un coefficient d’extinction le plus bas possible. Les mises en empilement des matériaux nous ont permis de réaliser plusieurs types de filtres optiques, des revêtements antireflets de 2 µm à 14 µm composés de 2 à 11 couches minces, un miroir à 10,6 µm en 9 couches minces ou bien un filtre dichroïque composé d'un miroir de 2 µm à 5 µm et d'un revêtement antireflet de 8 µm à 14 µm constitué de 29 couches minces. Nous avons pu étudier la fiabilité et la robustesse des couches minces des matériaux améliorés et optimisés.

Optical filters with a large number of thin films are key elements in the performance and innovation of optical systems. The surface coatings dedicated to optics are vectors of research in all the industrial sectors associated with optics. The design and fabrication of multi-layer optical filters with large number of thin layers with applications in the mid-Infrared spectral range (from 2 µm to 15 µm) are the research problem of this thesis work. In this thesis, the focus was placed on the study, deployment, improvement and optimization of the deposition procedures of Zinc Sulphide (ZnS) and Germanium (Ge). The optimization of the optical constants of Germanium according to the deposition parameters by the design of experiments method is presented and discussed. A design of experiments (DOE) was used to study and optimize Germanium’s deposition conditions, the experiment plan dealt with 4 deposition parameters: deposition speed, pre-deposition vacuum, deposition pressure and ion assisted support (IAD). The results extracted from the DOE include the significant effects of deposition rate, IAD and their interactions, the dissipative effect of pre-deposition vacuum and deposition pressure in the deposition chamber on the growth energy of the thin layer, and a set of deposition conditions optimized to achieve thin layers of Germanium with the highest possible refractive index and extinction coefficient. The stacking of Ge and ZnS thin layers enabled us to fabricate several types of optical filters namely an antireflective coatings from 2 µm to 14 µm composed of 2 to 11 thin layers, a 9 thin-layers mirror at 10,6 µm or a dichroic filter consisting of a 2 µm to 5 µm mirror and an 8 µm to 14 µm antireflective coating consisting of 29 thin-film. Furthermore, we were able to study the reliability and robustness of the thin layers of improved and optimized materials.