Brevet FR2065540A1 — publié le 19710730

La présente invention concerne les filtres multi-couch.es utilisés en optique, et plus précisément les filtres multi-couch.es à structure périodique à couches métalliques et diélectriques. On a déjà réalisé des filtres optiques neutres.Cependant, il est très difficile de modifier la transmissioii des filtres réalisés jusqu'à présent sans modifier l'intensité et la phase de la lumière réfléchie. En conséquence, la présente invention concerne un nouveau filtre multi-couches amélioré qui ne présente pas cet inconvénient . le filtre multi-couches de l'invention comprend un substrat sensiblement transparent sur lequel est déposé un revêtement multi-couches . Le revêtement multi-couches comprend une partie à structure périodique, et il peut aussi comporter une partie d'infrastructure calculée de manière à laisser sensiblement constantes l'intensité et la phase de la lumière réfléchie par le filtre, lorsqu'on ajoute on qu'on retire des éléments périodiques à la partie de structure périodique. Cette dernière comprend au moins un élément périodique qui comporte au moins deux couches dont l'une est métallique et les autres diélectriques. De plus, le revêtement peut aussi comprendre une partie de superstructure déposée sur la partie à' st .ture périodique et qui donne le facteur de réflexion désiré :au filtre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre, donnée en référence au dessin annexé sur lequel : la figure 1 est une coupe d'un filtre multi-couches donnée à titre d'exemple de la présente invention ; et les figures 2 à 4 sont des diagrammes représentant en fonction de la longueur d'onde la valeur de la transmission et du facteur de réflsrion de certains filtres réalisés selon l'invention. La. figure 1 représente un filtre multi-couches selon la présente invention. Il comprend un substrat 11 en matière sensiblement transparente, par exemple en verre, comportant une surface 12. Une partie d'infrastructure 13 est déposée sur la surface 12. BAD ORIGINAL 70 38445 2 2065540 Au-dessus de la partie d'infrastructure 13, on trouve une partie à structure périodique 14 et une partie de superstructure 16. Gomme on le verra dans la description ci-dessous, on peut éliminer les parties de superstructure et même d'infrastructure dans certaines 5 applications de l'invention. La partie 13 comprend une ou plusieurs couches et sur la figure 1, on l'a représentée avec une couche 17 unique en matière diélectrique convenable d'indice de réfraction peu élevé, par exemple en fluorure de magnésium dont l'indice de réfraction est égal /on'- ■' ■ -10 à 1,38. On peut utiliser d'autres matières , par exemple/diélectrique ou un métal. La partie 13 modifie la phase de l'énergie réfléchie d'une valeur appropriée, mais n'a qu'un faible effet sur l'intensité ou la grandeur de l'énergie réfléchie. La partie 14 à structure périodique comprend au moins un 15 élément périodique, chaque élément comportant une couche métallique et au moins une couche diélectrique. Ainsi, sur la figure 1, la partie 14 comprend un élément périodique unique formé par une couche métallique 18 et une couche unique 19 en diélectrique convenable d'indice de réfraction élevé. On peut utiliser pour la couche métal-20 lique tout métal convenable, par exemple du nickel.Ce métal doit donner un dépôt formant une pellicule fine semi-transparente. On peut utiliser pour la ou les couches diélectriques de chaque élément toute matière diélectrique non absorbante convenable. Celle-ci doit avoir un indice de réfraction compris entre 1,35 et 2,5. Par exemple, 25 on peut utiliser l'oxyde métallique décrit dans le Brevet des Etats-Unis d'Amérique ÏT0 3-034.924 et dont l'indice de réfraction est égal a 2,08• _ , L'épaisseur optique de la couche 17 peut être comprise entrë le 1/8 et là moitié de la longueur d'onde de calcul, mais de préférence 30 son épaisseur est égale au quart de cette longueur d'onde. Dans la partie à structure périodique, la couche 18 peut avoir une épaisseur réelle comprise entre 10 et 500 Angstroms, et la couche 19 une épaisseur optique comprise entre le 1/8 et la moitié de la longueur d'onde de calcul. 35 La partie de superstructure 16 comprend trois couches 21, 22 et 23. La couche 21 est en métal convenable du type déjà décrit, par exemple en nickel. La couche métallique 21 doit avoir une épaisseur 70 38445 3 2065540 réelle comprise entre 10 et 500 Angstroms,et de préférence environ égale à 100 Angstroms ; en d'autres termes, son épaisseur donne une transmission à peu près égale à 50 7°. la couche 22 est en une matière diélectrique convenable d'indice de réfraction élevé compris entre 5 1,6 et 2,4, et son épaisseur optique est comprise entre le 1/8 et la moitié de la longueur d'onde de calcul .Une matière qui convient particulièrement bien pour la réalisation de cette partie de superstructure est l'oxyde métallique décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique îl° 3.034.924 précité et qui possède un indice de 10 réfraction de 2,08. La couche 23 est en une matière diélectrique d'indice de réfraction faible, compris entre 1,35 et 1,55, et possède une épaisseur optique comprise entre le 1/8 et la moitié de la longueur d'onde de calcul. Le fluorure de magnésium dont l'indice de réfraction est égal à 1,38 convient particulièrement bien pour réa-15 liser cette couche. Les diagrammes des figures 2 à 4 donnent les caractéristiques d'un certain nombre de filtres multi-couches réalisés selon la présente invention. La disposition utilisée pour obtenir les caractéristiques de la figure 2 comporte six couches et est représentée sur 20 la figure 1. Le substrat est en verre et possède un indice de réfraction de 1,5. Le milieu dans lequel baigne le filtre est de l'air et son indice de réfraction est égal à 1,0. Les couches utilisées, en les comptant du milieu externe jusqu'au substrat,possèdent les caractéristiques suivantes, les épaisseurs réelles et optiques étant exprimées 25 en nanomètres. Tableau I 30 Couche 1 3 4 5 6 îj;„ ■'.( re f.lurruK' de mil - ausiuia v * ' G ué^ul? Lqi 3 i.! • Lel fjx -'e mé- .'ili' ue ni ke 1 fl joruï ma? ~né s: Indice de réfraction 1,38 2,0 b * 2,08 * 40 * vcir -Hble- de 1,38 (I ci-dess us Epaisseur réelle 56,94 40,46 11,50 58,67 11,50 153,05 Epaisseur optique (quart de longueur d'onde) 314,3088 336,6272 488,1344 844,8360 BAD ORIGINAL 70 38445 4 2065540 Longueur d'onde (nm) 400 -500 600 700 Tableau II Indice de réfraction complexe (partie réelle) (partie imaginaire) 2,17 2,34 2,57 3,16 1,75 2,17 2,51 2,58 la figure 2 représente la transmission et le facteur de réflexion de ©e filtre. Le facteur de réflexion est mesuré du côté 10 du milieu ou de l'air. On voit sur le diagramme que. le facteur de réflexion sst nul à la longueur d'onde de calcul, qui est de 550 nanomètres,et elle est effectivement proche de 0 dans la partie principale du spectre visible. Le filtre possède une transmission à peu près égale à 24 ?<>. 15 Le filtre qui possède les caractéristiques représentées sur la figure 3 a une disposition analogue à celle du filtre ~ qui donne les caractéristiques de la figure 2, à ls différence près qu'il comporte huit couches au lieu de six. Les parties d'infrastructure et de superstructure sont identiques. La partie à structure pé-20 riodique diffère, car elle comprend deux éléments périodiques au lieu d'un seul. Les couches, numérotées depuis le milieu jusqu'au substrat, possèdent les caractéristiques du tableau III ci-dessous. Tableau III 25 Oouche Matière Indice de réfraction Epaisseur réelle Epaisseur optiaue (auart de longueur d'onde) 1 fluorure de magnésium 1,38 56,94 314,3088 30 2 oxyde métallique ' 2,08 40,46 336,6272 3 nickel * 11,50 4 oxyde métallique 2,08 58,67 488,1344 5 nickel * 11,50 35 6 oxyde métallique 2,08 58,67 488,1344 7 nickel * 11,50 8 fluorure de magné sium 1,38 153,05 844,8360 40 * voir tableau II BAD ORIGINAL 70 38445 5 2065540 le substrat se trouve à la suite de ces couches et possède un indice de réfraction de 1,5. Comme le montre la figure 3, le facteur de réflexion est encore égal à 0 à la longueur d'onde de calcul et reste sensiblement 5 nul dans tout le spectre visible. Cependant, la transmission est réduite à à peu près la moitié de celle de la figure 2, c'est-à-dire qu'elle vaut environ 12 ^ sur tout le spectre visible. Lorsqu'on observe à l'oeil le revêtement ayant les-" caractéristiques de la figure 2, on trouve que le filtre vu du côté de la par-10 tie de superstructure ou du côté du milieu extérieur a une teinte légèrement bleuâtre.Par transmission le filtre est neutre et a un aspect gris. Le filtre utilisé pour obtenir les caractéristiques de la figure 3 présente aussi un très faible facteur de réflexion , avec un aspect légèrement bleuâtre du côté du milieu externe. Par trans-15 mission, il paraît gris neutre mais plus sombre que le filtre qui correspond à la figure 2. La disposition qui donne les caractéristiques représentées sur la figure 4 est identique à celle des deux dispositions précédentes, à la différence près qu'elle comprend dix couches, les parties de 20 superstructure et d'infrastructure étant identiques, mais la partie de structure périodique comporte trois éléments périodiques au lieu d'un seul pour la figure 2 et de deux pour la figure 3. Les couches numérotées depuis le milieu externe jusqu'au substrat possèdent les caractéristiques du tableau IV ci-après. 70 38445 6 2065540 Tableau IV Epaisseur optique Indice de - Epaisseur (quart de Couche Matière réfraction réelle longueur d'onde) 5 1 fluorure de magnésium 1,38 56,94 314,3088 2 oxyde métallique 2,08 40,46 336,6272 3 nickel voir tableau II 11,50 10 4 oxyde métallique 2,08 58,67 488,1344 5 nickel voir tableau II 11,50 6 oxyde métallique 2,08 58,67 488,1344 15 7 nickel voir tableau II 11,50 8 oxyde métallique 2,08 58,67 488,1344 9 nickel voir tableau II 11,50 20 10 fluorure de magnésium 1,38 153,05 844,8360 Comme le montre la figure 4, le facteur de réflexion reste nul à la longueur d'onde de calcul et sensiblement nul dans tout le spectre visible. La transmission est encore réduite de moitié par rapport à la valeur précédente, c'est-à-dire à environ 6 f°. 25 D'après les différents modes de réalisation décrits, on voit que le rôle de la couche unique 17 de la partie d'infrastructure est de modifier le facteur de réflexion de la valeur donnée par le substrat non revêtu à ce qui est nécessaire pour utiliser la partie à structure périodique, de manière qu'on puisse ajouter des éléments 30 périodiques supplémentaires à la partie de structure périodique sans modifier la valeur du facteur de réflexion. En d'autres termes, le facteur de réflexion du filtre doit rester constant d'un filtre à l'autre lorsque la seule modification apportée est 1Lad-dit ion ou l'élimination d'éléments périodiques de la partie de struc-35 ture périodique. Par exemple, si le filtre possède une couleur intense, verte par exemple, on peut réaliser un, deux, trois-éléments périodiques OU-plus dans la structure sans modifier la- couleur refléchie. 70 38445 7 2065540 Cependant, la transmission est modifiée dans tous les cas et diminue lorsque le nombre d'éléments périodiques augmente. Ainsi, on voit que les caractéristiques des parties d'infrastructure et de superstructure dépendent des résultats qu'on désire obtenir du 5 filtre. Elles ne sont pas absolument essentielles à l'observation du phénomène périodique obtenu avec la présente invention grâce à laquelle on obtient un facteur de réflexion très faible dans tout le spectre visible. Avec certaines valeurs du facteur de réflexion et de nombreuses couleurs, il n'est pas du tout nécessaire de disposer 10 de couches dans les parties de superstructure et d'infrastructure. Cependant, dans la plupart des cas, la partie d'infrastructure est nécessaire. En général, les parties de superstructure et d'infrastructure donnent le résultat final dans la mesure où on utilise le facteur de 15 réflexion désiré et la partie à structure périodique pour modifier la transmission. Normalement, si on choisit une certaine structure périodique, on peut déterminer la disposition de la superstructure et de l'infrastructure en fonction du facteur de réflexion désiré finalement, le facteur de réflexion (r2) de l'infrastructure (r2) 20 doit satisfaire à la formule : s1r2+ )r2 +r1=0 dans laquelle r^, s^ et t^ sont les facteurs de réflexion vers l'avant et vers l'arrière et la transmission de l'élément périodique. Les grandeurs utilisées dans cette formule sont des grandeurs comple-25 xes, c'est-à-dire que chacune comprend une partie réelle et une partie imaginaire, correspondant à l'amplitude et à la phase. lorsqu'on considère l'infrastructure d'éléments périodiques absorbants, il faut noter qu'une couche absorbante, lorsqu'elle est ajoutée à une infrastructure unique, ne modifie pas l'amplitude et 30 la phase de la lumière réfléchie. En d'autres termes, le facteur de réflexion complexe de l'infrastructure et de l'élément périodique est identique à celui de l'infrastructure seule. Il se pose alors la question de savoir quelle est l'infrastructure qui convient à un élément périodique multi-couches donné. 35 En général, on calcule simultanément l'élément périodique et l'infrastructure; cependant, il est possible de déduire l'infrastructure convenable des propriétés de l'élément périodique. 70 38445 8 2065540 On peut décrire une couche multiple de façon générale en termes de réflexion- et de transmission. Ainsi, r, s et t, qui désignent les facteurs de réflexion vers l'avant, vers l'arrière et la transmission permettent de décrire de façon convenable toute 5 couche multiple lorsqu'on veut déterminer son comportement dans certaines conditions d'irradiation» les grandeurs r, s et t sont en général des nombres complexes comportant une amplitude et une phase. - Si on combine deux couches multiples, le dispositif obtenu 10 est équivalent à une couche multiple unique dont le facteur de réflexion est égal à : 2 r1+r2^1~r1s1) r = 1 - r2s, 15 où les indices désignent les deux couches multiples d'origine. Si le dispositif 2 est l'infrastructure et le dispositif 1 l'élément périodique absorbant, la définition de l'élément périodique impose l'égalité du facteur de réflexion total (r) et du facteur de réflexion de l'infrastructure (). la formule ci-dessus devient 20 alors 2 r1+r2^t1~r1S1^ r2 = 1 - r2s1 qu'on peut réécrire sous la forme : 2 2 25 s1r2+(^i-r1s1~^)r2+r1=0 la résolution de cette équation en r2, une fois connues les propriétés de l'élément périodique absorbant (r^, s^ et t^),donne le facteur de réflexion demandé de l'infrastructure. Bien qu'on ait décrit l'élément périodique sous la forme d'une 30 première couche métallique et d'une couche diélectrique, il faut noter qu'on peut inverser cet ordre et que la couche diélectrique peut être la première et la couche métallique la seconde. De plus, il faut noter que bien qu'on ait considéré l'utilisation d'une seule couche métal-35 lique pour chaque élément périodique, il est possible d'utiliser d'autres couches diélectriques pour chaque élément périodique. BAD ORIGINAL 70 38445 9 2065540 la description précédente montre clairement que le nouveau filtre perfectionné est particulièrement utile pour maintenir le facteur de réflexion à une valeur déterminée, par exemple sensi-"bla»ent nulle, dans tout le spectre visible, tout en rendant pos-5 sible la modification de la transmission en changeant simplement le nombre d'éléments périodiques de la structure. Il va de soi que l'invention n'a été décrite qu'à titre illustratif et non limitatif, et qu'elle est susceptible de nombreuses variantes sans sortir de son cadre. 70 38445 10 2065540 KEVMDICATIONS 1. Filtre multi-couches, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat sensiblement transparent à la surface duquel est déposé un revêtement multi-couches qui comporte une partie à structure pé-5 riodique comprenant au moins un élément périodique formé d'au moins deux couches dont l'une est en métal et l'autre en diélectrique, la fonction de cette partie à structure périodique étant de modifier la transmission en laissant sensiblement constant le facteur de réflexion. 10 2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie à structure périodique comprend deux éléments périodiques. 3. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie à structure périodique comprend trois éléments périodiques. 4. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le 15 revêtement multi-couches comprend aussi-une partie d'infrastructure placée entre la surface du substrat et la partie à structure périodique, dont le rôle est de donner le facteur de transmission désiré en coopération avec la partie à structure périodique et qui est constituée d'une matière diélectrique dont l'indice de réfraction 20 est faible et compris entre 1,35 et 1,55. 5. Filtre selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie d'infrastructure comporte une couche en fluorure de magnésium dont l'indice de réfraction est égal à 1,38 et dont l'épaisseur optique est environ égale à 844 nanomètres. 25 6. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement multi-couches comprend une partie de superstructure placée sur la partie à structure périodique et comprenant au moins une couche . 7. Filtre selon la revendication 6, caractérisé en ce que la 30 partie de superstructure comporte au moins trois couches dont l'une est en métal, une autre en une matière possédant un indice de réfraction élevé, et la dernière en une matière possédant un indice de réfraction faible. 70 38445 n 2065540 8. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal utilisé dans la partie à structure périodique est du nickel et la couche diélectrique possède un indice de réfraction élevé compris entre 1,6 et 2,4. 5 9. Filtre selon la revendication 8, caractérisé en ce que la matière diélectrique est un oxyde métallique qui possède un indice de réfraction voisin de 2,1. BAD ORIGINAL