Soutenance de thèse de THULLIER François
Titre de thèse
Rayonnement thermique photo-induit des filtres interférentiels
Photo-induced thermal radiation in optical interferential filters
Résumé de la thèse
Les filtres interférentiels interviennent dans quasiment tous les systèmes optiques modernes, et couvrent un large champ d'applications allant des télécommunications à la microélectronique. Les progrès obtenus sur la fabrication et la synthèse de ces composants sont considérables. Des outils sophistiqués de métrologie ont été également développés pour étudier les processus d'absorption, de diffusion et d'endommagement sous flux, ainsi que les propriétés non optiques de composants.
Dans ce contexte de haute précision, le rayonnement thermique des systèmes multicouches a été plus rarement étudié, alors qu'il est susceptible de fournir de précieuses informations sur l'état du composant, son émissivité/absorption, ainsi que sa température lorsqu'il est soumis à une excitation optique continue, pulsée ou cadencée. La connaissance de cette température est essentielle pour appréhender les phénomènes de dégradation thermique sous flux lumineux. Enfin, les systèmes multicouches sont susceptibles d'aider à contrôler le rayonnement thermique sinon de le transférer vers certaines plages spectrales préétablies, ce qui ouvre la voie à d'autres applications de type sécurité/défense/énergie.
Ce travail de doctorat est ainsi consacré à la conception et la mise en œuvre d'un système optique capable de mesurer le rayonnement thermique des absorbeurs de lumière large-bande (métallo-diélectriques), en réponse à une excitation optique pulsée (ns). Les performances de l'instrument dans le domaine du moyen infra-rouge, dont notamment la dynamique, la précision et le seuil de détectivité, sont exposées en détail.
Les mesures de rayonnement sont ensuite mises à profit pour extraire l'évolution temporelle de la température à l'échelle de quelques ns, sur toute la durée du signal thermique. Plusieurs méthodes sont proposées dans ce but. On montre que l'accord calcul/mesure s'avère très satisfaisant, à condition de tenir compte de la répartition spatiale de la température sur l'échantillon.
Thesis resume
Interference filters are used in all modern optical systems and cover a wide range of applications, from telecommunications to microelectronics. Significant progress has been achieved in the fabrication and synthesis of these components. Sophisticated metrology tools have also been developed to investigate absorption, scattering, and laser-induced damage processes, as well as various non-optical properties of the components.
In this high-precision context, the thermal radiation emitted by multilayer systems has been comparatively less studied, even though it can provide valuable information about the state of the component, its emissivity/absorption, and its temperature under continuous, pulsed, or modulated optical excitation. Knowing this temperature is essential for understanding thermally induced degradation phenomena under optical flux. Moreover, multilayer systems can be engineered to control thermal radiation or redirect it toward specific spectral bands, thereby opening the way to additional applications in security, defense, and energy.
This doctoral work is dedicated to the design and implementation of an optical system capable of measuring the thermal emission from broadband light absorbers (metal–dielectric structures) in response to nanosecond optical pulses. The performance of the instrument in the mid-infrared domain—particularly its dynamic range, accuracy, and detectivity threshold—is presented in detail.
The thermal emission measurements are then used to reconstruct the temporal evolution of the temperature on a nanosecond timescale, over the full duration of the thermal signal. Several methods are proposed for this purpose. It is shown that the agreement between calculations and measurements is very good, provided that the spatial distribution of temperature across the sample is properly taken into account.