Température et rayonnement thermique photo-induits dans les filtres optiques interférentiels

Photo-induced temperature and thermal radiation in optical interference filters

• Auteur / Autrice : Paul Rouquette
• Direction : Claude Amra, Myriam Zerrad
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Optique, photonique et traitement d’image
• Date : Soutenance le 29/11/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Fresnel (Marseille, France) - Cilas ArianeGroup
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Destouches
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matteo Barsuglia, Sophie Brasselet, Jean-Jacques Greffet, Hélène Krol, Karine Mathieu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karl Joulain, Detlev Ristau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Rayonnement thermique

Microscopes interférentiels

Filtres optiques

Optique

Mots clés libres

Filtres optiques interférentiels

Rayonnement thermique

Température photo-induite

Optical interference coatings

Thermal radiation

Photo-induced temperature

Résumé

L’objectif de cette thèse est de proposer des outils théoriques permettant de modéliser avec précision les phénomènes thermiques photo-induits dans les couches minces optiques, en régime arbitraire d’illumination (pulsé, cadencé, continu). Malgré les nombreux problèmes engendrés par ces phénomènes (dégradation, baisse des performances), leur description demeure une étape difficile. Ces processus trouvent leur origine dans l’absorption des composants, dont la densité volumique constitue la source de chaleur responsable d’une élévation de température, appelée température photo-induite. Une description complète est proposée, permettant de mieux cibler l’influence des différents paramètres d’entrée, et d’aborder plus avant les phénomènes d’endommagement laser ou d’auto-organisation de nanoparticules. L’élévation de température donne lieu à une modification du rayonnement thermique du filtre, dont on propose une modélisation directe. Cela signifie que l’on s’appuie sur les différents travaux de la physique statistique qui permettent de relier l’agitation thermique des particules à des densités volumiques de courant électrique. Ces courants sont insérés dans les équations de Maxwell pour obtenir, le champ électromagnétique rayonné en espace libre, appelé rayonnement thermique, ainsi que la part du rayonnement qui est transférée sous forme de modes guidés à la structure. La méthode permet aussi de concevoir des filtres qui confinent et exaltent leur propre rayonnement thermique dans une faible bande spectrale ou angulaire. Cela ouvre la voie au contrôle du rayonnement thermique, qui constitue un important domaine de recherche dans les secteurs de la Défense et de l’Energie

The objective of this thesis is to propose theoretical tools to accurately model photo-induced thermal phenomena in optical thin films, under arbitrary illumination regimes (pulsed, clocked, continuous). Despite the numerous problems caused by these phenomena (degradation, drop in performance), their description remains a difficult step. These processes originate in the absorption of the components, whose volume density constitutes the heat source responsible for a temperature rise, called photo-induced temperature. A complete description is proposed, allowing to better target the influence of the different input parameters, and to further address the phenomena of laser damage or self-organisation of nanoparticles. The temperature increase leads to a modification of the thermal radiation of the filter, for which a direct model is proposed. This means that we rely on the various works of statistical physics that allow us to link the thermal agitation of the particles to the volume densities of electric current. These currents are inserted into Maxwell's equations to obtain the electromagnetic field radiated in free space, called thermal radiation, as well as the part of the radiation that is transferred in the form of guided modes to the structure. The method also allows the design of filters that confine and exalt their own thermal radiation in a small spectral or angular band. This opens the way to the control of thermal radiation, which is an important area of research in the defence and energy sectors