Les performances et la conception des couches minces optiques

Presque toutes les pièces optiques doivent utiliser des films minces optiques pour modifier leurs caractéristiques de transmission ou de réflexion dans les systèmes optiques. Bien que les couches minces optiques soient omniprésentes, de nombreux concepteurs de systèmes optiques ne connaissent pas les compromis liés à la conception ou à l’utilisation de couches minces ou ne comprennent pas les caractéristiques des diverses technologies de dépôt de couches minces. Ce qui suit est une introduction détaillée de la conception importante des couches minces optiques et des facteurs de dépôt de couches minces optiques associés.

Le film mince optique comprend des couches de matériaux présentant un indice de réfraction élevé et un indice de réfraction faible. Son principe de fonctionnement est d'utiliser l'interférence lumineuse pour améliorer la transmission d'une ou plusieurs longueurs d'onde ou de préférence réfléchir, ou transmettre une polarisation pour accomplir ces tâches. Les couches contiennent parfois des dizaines ou des centaines de couches et sont composées de nombreux matériaux ayant des indices de réfraction différents.

Cependant, les matériaux dont dispose le concepteur du film ne sont pas illimités, ce qui signifie que le revêtement lui-même doit être construit avec un indice de réfraction limité. De plus, le processus de dépôt du revêtement ne peut pas contrôler de manière totalement précise l’épaisseur et l’indice de réfraction de chaque couche.

Par conséquent, les ingénieurs en conception optique doivent comprendre les performances de divers films minces optiques, telles que la rentabilité du film, l'effet de la transmission sur le système, l'adaptabilité à l'environnement et la capacité à résister aux dommages causés par le laser. Ce qui suit est une introduction aux performances et à la conception de divers films minces optiques et schémas de dépôt de films minces optiques.

Revêtement antireflet (AR)

Les performances d'un revêtement antireflet (AR) sont généralement spécifiées par la transmission moyenne d'une seule longueur d'onde ou d'une plage de longueurs d'onde, et bien sûr, elles peuvent également être mesurées par la réflexion restante maximale autorisée par le concepteur. Pour des matériaux optiques spécifiques, le coefficient d'absorption du matériau est fixe.

Il peut être plus raisonnable, pour certaines occasions spéciales, d'utiliser la réflexion résiduelle maximale autorisée pour mesurer. Pour un film AR à longueur d'onde unique et à angle d'incidence unique, il peut obtenir des performances très élevées. Par exemple, sur la surface d'un verre optique, dans la bande de lumière visible, il est courant que la réflexion résiduelle de chaque surface soit inférieure à 0,1 %.

À mesure que le nombre de couches augmente, la réflexion résiduelle sur la surface diminue (la transmission augmente), mais la plage de largeur spectrale diminue également. À mesure que la bande passante spectrale ou l’angle d’incidence augmentent, les hautes performances des films AR deviennent de plus en plus difficiles à maintenir.

Par conséquent, en tant que concepteur optique, il est nécessaire de savoir si la performance spécifiée est la transmission maximale (réflectance restante) ou la transmission moyenne (réflectance restante) dans toute la plage spectrale ou la plage d'angles d'incidence. Sinon, une petite erreur peut avoir un impact énorme.

Pour les angles non nuls, notamment pour les films AR supérieurs à 30°, l'état de polarisation de la lumière incidente a un impact significatif sur la conception et les performances du revêtement, et il est essentiel de déterminer l'état de polarisation de la lumière incidente. Dans le cas de tous les angles incidents non nuls, la polarisation S a une réflectivité plus élevée à la surface du milieu que la polarisation P.

Par conséquent, s'il y a des composants inclinés dans le système et nécessitent une transmission relativement élevée, le concepteur optique doit utiliser l'optique correspondante. La structure permet au composant optique de rencontrer la lumière polarisée P.

À mesure que l’angle d’incidence augmente, les performances du film AR se déplacent vers des longueurs d’onde plus courtes. Par exemple, un revêtement AR conçu pour produire la réflectivité minimale à une incidence normale fournit la plus petite réflectivité à une longueur d'onde plus courte et à un angle d'incidence de 45°. Sur une lentille de petit rayon, l'angle incident au centre est de 0°, tandis que l'angle incident au bord peut être de 70°.

Même si le système optique utilise une seule longueur d’onde, le film AR doit avoir des performances élevées dans une large plage spectrale. Même avec l'augmentation de l'angle d'incidence, lorsque la réponse du film change, il peut toujours fonctionner correctement à la longueur d'onde nominale. En fait, pour les surfaces optiques de petit rayon, des moyens ou des outils spéciaux peuvent être nécessaires pour maintenir des performances constantes. Par conséquent, certains compromis sont nécessaires entre la complexité, le coût et les performances du film.

En raison du nombre limité de matériaux capables de transmettre simultanément la lumière visible et l’infrarouge, il est incroyablement difficile de concevoir et de plaquer un film AR qui fonctionne simultanément dans les bandes visible et infrarouge.

Les films AR multibandes sont très courants dans les systèmes optiques militaires. Il est relativement facile d'obtenir une transmission élevée sur une large bande pour plusieurs longueurs d'onde spécifiques, et le coût sera également réduit. De plus, la conception peut analyser les exigences spécifiques du système pour chaque bande, spécifier les performances relativement élevées d'une longueur d'onde et assouplir les exigences des autres bandes, ce qui peut également produire un effet multiplicateur.

Film hautement réfléchissant

Le film hautement réfléchissant peut être réalisé de trois manières : film métallique, film métallique/diélectrique et film diélectrique. L’avantage d’un film métallique est qu’il présente de bonnes performances dans une large gamme spectrale. Par exemple, la réflectivité du film réfléchissant en aluminium dans la plage de 400 nm à 10 μm est supérieure à 85 %, et la réflectivité du film réfléchissant en or de 2 μm à l'infrarouge lointain est supérieure à 99 %. Il est quasiment impossible que toutes les membranes diélectriques atteignent ce niveau. De plus, la différence de réflectivité entre la polarisation S et la polarisation P du film métallique réfléchissant est généralement beaucoup plus petite que celle du film diélectrique.

Cependant, la réflectivité maximale du film métallique réfléchissant est inférieure à la réflectivité maximale du film diélectrique. Même le film réfléchissant doré avec une réflectivité de 99,5 % dans la bande infrarouge ne peut être comparé au film diélectrique. Le film diélectrique peut fournir 99,99 % à une seule longueur d'onde. Réflectivité encore plus élevée. La faible absorption du film métallique limite sa réflectivité maximale, ce qui entraîne une limitation importante de l'utilisation du film métallique, et la capacité d'endommagement du laser n'est pas aussi bonne que celle du film diélectrique.

La durabilité physique du film métallique (résistance à l'abrasion, à la chaleur humide, à l'exposition au sel) n'est pas aussi bonne que celle du film diélectrique. Par exemple, dans le cas de la réflectivité de l'argent, afin d'éviter l'oxydation, sa surface doit être recouverte d'un autre matériau, réduisant ainsi sa réflectivité.

Pour tous les composants hautement réfléchissants dotés de films diélectriques, lors de la spécification d'une réflectivité extrêmement élevée (> 99,995 %), la qualité de la surface du composant doit être prise en compte car la diffusion de surface devient le principal facteur limitant les performances, et la rugosité de la surface optique doit être spécifiée. surface super lisse Des techniques spéciales de polissage et de test sont également nécessaires, et le coût correspondant augmentera.

Film spectroscopique

Les performances du film spectroscopique dépendent dans une large mesure de la structure de l'élément spectroscopique. Il existe généralement deux types de structures de l'élément spectroscopique, de type cube ou de type plat. La structure cubique est préférée pour la lumière non polarisée, qui est intrinsèquement moins sensible à la polarisation d'entrée que le type à écran plat.

Au contraire, le séparateur de faisceau de polarisation peut utiliser la différence inhérente entre la polarisation S et la polarisation P en réflexion pour obtenir des performances très élevées. Les polariseurs plats sont toujours configurés pour refléter la polarisation S via la polarisation P et fonctionnent généralement mieux lorsque l'angle de Brewster (le coefficient de réflexion de la polarisation P tombe à 0). Pour les longueurs d'onde de la lumière visible et les substrats en verre optique, cet angle est supérieur à 56°.

Il est beaucoup plus facile pour les séparateurs de faisceaux de polarisation à plaque plate ou en forme de cube d'éliminer la lumière polarisée S dans le faisceau transmis que d'éloigner la lumière polarisée P du faisceau réfléchi. C'est-à-dire que pour la lumière visible, le taux d'extinction de transmission de 10 000 : 1 est correct. Il est difficile d'atteindre un taux d'extinction par réflexion supérieur à 100:1. Ces caractéristiques de performance doivent être gardées à l’esprit lors du processus de conception du système.

Dans le séparateur de faisceau, plusieurs facteurs peuvent entraîner la complexité du revêtement. Par exemple, à mesure que l’angle d’incidence augmente, la différence de réflectivité entre la polarisation S et la polarisation P devient plus grande, ce qui rend difficile la fourniture de miroirs ayant les mêmes performances pour les deux états de polarisation. Il est donc avantageux de ne traiter qu'une seule polarisation dans ce cas.

Si la lumière non polarisée est inévitable, il est préférable de concevoir un système optique dans lequel le séparateur de faisceau fonctionne à un angle d'incidence plus petit afin de minimiser l'effet de division du faisceau. La plage spectrale (bande passante spectrale) est également un facteur important. Pour le film insensible à la polarisation le plus à gauche, dont la plage spectrale dépasse ± 10 % de la longueur d'onde centrale (par exemple, 550 nm ± 50 nm), constitue un défi de taille.

La manière dont les tolérances du séparateur de faisceau sont spécifiées est également importante. Par exemple, il existe une grande différence entre un séparateur de faisceau qui doit maintenir ses performances nominales dans une plage d'incidence de 45° ± 5° et un séparateur de faisceau qui doit atteindre ses performances nominales dans la même plage.

Dans le premier cas, les performances du séparateur de faisceau doivent respecter la plage d'angles d'incidence de tous les angles supérieurs à 40° à 50° ; dans le deuxième cas, les performances du séparateur de faisceau ne sont satisfaites que dans la plage de 40° à 50°, et l'utilisateur pourra les ajuster. Les composants du séparateur de faisceau ont été intégrés dans leur système et inclinés pour obtenir les performances requises. Les exigences du séparateur de faisceau dans le premier cas sont beaucoup plus exigeantes que celles du second cas.

Le séparateur de faisceau cubique est constitué de prismes par liaison et collage, introduisant des erreurs de front d'onde, affectant ainsi les performances. De plus, l’absorption dans l’adhésif provoquera une diffusion, ce qui réduira considérablement le seuil de dommage du laser. (À l'heure actuelle, certains fabricants utilisent la technologie de liaison covalente activée (ACB) pour éviter l'influence des adhésifs)

Demande de films militaires

Les fonctions spécifiques requises par les exigences militaires posent souvent de sérieux défis au film. Par exemple, certains systèmes optoélectroniques fonctionnent généralement dans des bandes multispectrales, qui couvrent la lumière visible (400 nm ~ 600 nm), le laser de sécurité oculaire (1,54 μm) et l'infrarouge à ondes moyennes (3 μm ~ 5 μm), etc. Ces couches de films optiques sont également souvent spécifiés pour fonctionner dans une large plage d'angles d'incidence et sont insensibles à la polarisation.

Afin de minimiser la taille et le poids du système, en particulier dans les systèmes portables et aéroportés, les ingénieurs optiques peuvent comprimer le diamètre des composants optiques, augmentant ainsi la densité de puissance du faisceau laser. Par conséquent, le seuil de dommage du laser est également l’une des questions qui nécessitent une attention particulière.

Afin d'obtenir des fonctions avancées, les films minces optiques peuvent devoir introduire davantage de couches, ce qui entraînera également des films relativement épais susceptibles de présenter des contraintes mécaniques plus élevées. Afin de réduire le poids, le système peut contenir des pièces avec un rapport d'aspect relativement petit, et la contrainte du film déformera ces pièces, augmentant ainsi la distorsion du front d'onde de l'ensemble du système.

Les systèmes militaires doivent résister à d'importantes fluctuations de température et à la corrosion causée par les brouillards salins, la fumée et d'autres polluants présents dans l'air. Certaines membranes absorbent de l'eau, et en fonction des changements de température, les performances de la membrane peuvent changer. On peut constater que la stabilité des performances et la durabilité du film sont également des facteurs à prendre en compte.

La solution de dépôt optique de couches minces

Il existe de nombreuses techniques de dépôt pour revêtir des films optiques minces, et différents processus de revêtement ont des effets différents sur la stabilité, la durabilité, le seuil de dommage laser et la contrainte interne du film. Les ingénieurs optiques doivent avoir une compréhension de base des caractéristiques, des avantages et des limites de ces techniques de dépôt.

L'évaporation thermique (en utilisant un chauffage par résistance ou un chauffage par faisceau d'électrons) est de loin la méthode la plus largement utilisée. Son avantage est que la méthode offre une large gamme de travaux (de l'ultraviolet à l'infrarouge lointain) et un faible coût. Le plus gros inconvénient de cette méthode est qu'elle produit un film poreux, qui absorbe facilement l'humidité, modifiant ainsi l'indice de réfraction effectif du film, ce qui rend difficile le maintien des performances requises du film lorsqu'il est exposé à des changements de température et d'humidité environnementales.

De plus, la couche de membrane poreuse est susceptible de contenir des défauts qui conduisent à une détérioration de la qualité de la surface, et la couche de membrane d'évaporation thermique présente la pire durabilité mécanique parmi toutes les techniques de dépôt.

Le dépôt assisté par ions (IAD) est une amélioration du dépôt par évaporation thermique. Il utilise des ions chargés pour comprimer chaque couche de dépôt. IAD fournit un film mince optique plus dense. La technologie de dépôt IAD atteint le meilleur équilibre entre durabilité et performances, en particulier dans la plage infrarouge des ondes moyennes de 3 μm à 5 μm.

Dans le dépôt par pulvérisation ionique (IBS), un faisceau d'ions à haute énergie est dirigé vers une cible (généralement composée de métal ou d'oxyde), et les atomes ou molécules de la cible sont pulvérisés avec une énergie élevée. Ces particules s'écoulent alors hors de la source et se déposent ensuite sur le substrat. IBS produit un film mince optique complètement dense, qui évite l'absorption d'eau du film et est également très stable lorsque l'environnement change.

Les matériaux déposés par IBS ont des caractéristiques d'indice de réfraction reproductibles, associées à un contrôle précis de l'épaisseur du film, le film a une très haute précision et peut systématiquement correspondre parfaitement au film réel avec les attentes de conception. Il s'agit de la production de films multispectraux. Et la couche de film qui satisfait une large gamme d’angles et de caractéristiques de polarisation spécifiques revêt une grande importance.

Par rapport au dépôt par évaporation, l’IBS utilise une gamme limitée de matériaux, ce qui ne pose pas de problème dans les bandes du visible et du proche infrarouge. Étant donné que les matériaux ZnS et fluorures ne sont pas compatibles avec l'IBS, cela devient un problème dans la plage de 3 μm à 5 μm. Un problème potentiel avec tous les films minces optiques denses est qu'ils peuvent contenir des contraintes qui affectent négativement la distorsion du front d'onde.

En tant que fabricant leader de lentilles optiques infrarouges, QUANHOM a développé certaines méthodes pour contrôler ces problèmes potentiels. Par exemple, le processus de recuit post-film est utilisé pour réduire la contrainte interne, pré-calculé et créé délibérément une erreur de surface, puis la contrainte provoquée par le film est corrigée.

Les lentilles optiques infrarouges produites par QUANHOM adoptent une conception optique à couche mince raisonnable et bonne, qui peut répondre aux indicateurs de performance du système. Si vous avez encore des doutes sur la conception du film optique mince après avoir examiné ce qui précède, vous pouvez nous contacter pour une solution complète.

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