Soutenance de thèse de Antoine BOURGADE

Au cours de ces dernières décennies, d’énormes progrès ont été réalisés dans le domaine de la synthèse et de la fabrication de filtres optiques interférentiels, c’est-à-dire à base de couches minces optiques. Or, ces progrès ont été essentiellement tournés vers l’amélioration des techniques de calcul d’empilements ou des procédés de dépôts (en particulier le contrôle des procédés et des épaisseurs optiques déposées), mais très peu de développements ont été menés, au sein de cette communauté, sur l’intégration de nouveaux matériaux. A ce jour, les filtres intègrent essentiellement des couches à base d’oxydes (silice, pentoxyde de tantale, niobia) pour les domaines visibles et proche infrarouge tandis que des matériaux moins stables tels que du sulfure de zinc, du germanium, et des fluorures d’yttrium ou d’ytterbium sont utilisés pour les applications infrarouge. Ces matériaux sont communément utilisés dans le domaine de filtres optiques interférentiels, on voit donc que très peu d’évolutions sur le choix des matériaux utilisés se sont produites. En même temps, il est intéressant de noter que, dans la communauté scientifique des matériaux, de très nombreux nouveaux verres ont vu le jour au cours de ces dernières décennies. En particulier des verres de phosphates ou des verres de chalcogénures ont été produits, avec une vaste gamme de composition, ainsi qu’un nombre d’applications croissant (capteurs, fibres…) mais aucune (ou très peu) d’applications dans le domaine des composants optiques multicouches complexes. Dans le cadre de cette thèse, nous avons cherché à démontrer que des couches minces à base de verres de chalcogénures de qualité optique peuvent être fabriquées à l’aide des technologies modernes de dépôts de couches minces optiques et ce afin de permettre la réalisation de composants optiques multicouches à base de verres de chalcogénures avec des performances identiques voire meilleures que celle obtenues avec des procédés classiques de fabrication. Une étude détaillée des couches d’As2S3 pour la réalisation de filtres optiques multicouches a été réalisée. Nous avons ainsi montré que des couches homogènes et uniformes pouvaient être fabriquées par évaporation par canons à électrons avec des épaisseurs comprises entre 100 et 5000 nm. Ces couches présentent des propriétés de photosensibilité et il a été montré que ces variations photo-induites d’épaisseur optique (d’indice et/ou d’épaisseur) pouvaient être soit positive (+4%) soit négative (-2%) résultant en une variation relative de phase proportionnelle. Nous avons également montré qu’en utilisant des bicouches Ag/As2S3 il était possible, par phénomènes photoinduits, de contrôler l’amplitude locale transmise. Nous avons ensuite montré que ces couches de chalcogénures étaient compatibles avec la fabrication de filtres optiques interférentiels passe-bande du type Fabry-Perot simple et multi-cavités et que que l’emploi de couches à base de verres de chalcogénures permet non seulement la fabrication d’empilement complexes à performances spectrales similaires à celles obtenus avec des matériaux classiques en couches minces optiques mais également d’améliorer ces performances en réalisant une correction a postériori des variations des propriétés optiques de par la surface du composant afin de produire des composants à très grande uniformité. Enfin, nous avons montré que l’emploi de couches à base de verres de chalcogénures offrait une nouvelle approche pour la réalisation d’éléments diffractifs optiques de volume. Pour ce faire, nous avons développé une technique analogue à celles couramment utilisées pour la réalisation d’éléments optiques diffractifs par lithographie pour la réalisation d’éléments optiques diffractifs similaires mais basés sur des variations d’indice photoinduites

During the last few decades, large progress has been made in the field of the design and the manufacturing of optical interference filters based on multilayer structures. However, these evolutions have been mainly focused on the improvement of stack design techniques or deposition processes (in particular process control and the monitoring of deposited optical thicknesses), but very few developments have been carried out within this community, on the integration of new materials. To date, the filters mainly include oxide-based layers (silica, tantalum pentoxide, niobia) for the visible and near-infrared spectral ranges while less stable materials such as zinc sulfide, germanium, and yttrium or ytterbium fluorides are used for infrared applications. Commonly used in the field of interference optical filters, we therefore see that very few changes in the materials used have occurred. At the same time, it is interesting to note that in the scientific community of materials, many new glasses have emerged in recent decades. In particular, phosphates glasses or chalcogenide glasses have been produced, with a wide range of compositions, as well as a growing number of applications (sensors, fibers, etc.) but no (or very few) applications in the field of complex multilayer optical components. Within this thesis, we have demonstrated that optical quality thin layers based on chalcogenide glasses can be manufactured using modern optical thin-film deposition technologies and allow the fabrication of multilayer optical components with same or better performances than that obtained with conventional manufacturing processes. We carried out a detailed study of As2S3 layers for the realization of multilayer optical filters. We have shown that homogeneous and uniform layers can be manufactured by electron beam deposition with thicknesses ranging from 100 and 5000 nm. These layers have photosensitive properties and it has been shown that photoinduced optical thickness (index and / or thickness) variations can be either positive (+ 4%) or negative (-2%) resulting in a relative proportional phase variation. We have also shown that by using Ag/As2S3 bilayers, it is possible, by photoinduced phenomena, to control the local transmitted amplitude. We then demonstrated that these chalcogenide layers are compatible with the fabrication of single and multi-cavity Fabry-Perot band-pass optical interference filters and that the use of chalcogenide-based layers not only allows the fabrication of optical filters with performances similar to those obtained with conventional optical thin film materials but also to improve these performances by performing an a-posteriori correction of the variations of the optical properties over the surface of the component and produce components with very high uniformity. Finally, we have shown that the use of chalcogenide glass layers offers a new approach for the fabrication of optical diffractive optical elements. To achieve this, we have developed a technique similar to those commonly used for the production of diffractive optical elements (i.e. by lithography) for producing similar diffractive optical elements but based on photoinduced index variations.