Brevet FR2140382A1 — publié le 19730119

la présente invention concerne un procédé pour la réalisation de séparateurs spectraux à couches interférentielles qui se prêtent notanent à l'utilisation dans le domaine spectral infrarouge. Il est connu de réaliser des filtres interférentiels optiques de façon à appliquer sur des supports des systèmes à couches multiples non absorbants susceptibles d'interférences, et comportant en superposition alternative, des couches de substances non absorbantes à indice de réfraction élevé et à indice de réfraction faible, le nombre, l'ordre de superposition lès indices de réfraction et les épaisseurs optiques des couches superpoaées étant fonction @ de leur destination.De tels systèmes à couches multiples non absorbants peuvent etre utilisés cone des filtres longs, courts ou à bande. I1 est en outre connu et pour la plupart usuel de réaliser les systèmes à couches de tels filtres interférentiels par vaporisation sous vide poussé de matières appropriées. Vu que la structure des systèles à couches interférentielles multiples est le plus souvent compliquée, les procédés ordinaires de dép8t par vaporisation réclament des dépenses considérables, avant tout dans la technique de mesure, pour pouvoir satisfaire aux exigences rapide nuent croissantes du point de vue de la précision de l'épaisseur optique et de l'indice de réfraction de chaque couche.Le procédé de vaporisation quantitative qui est simple et peu coûteux mais assez imprécis, n'est donc presque plus utilisé. Le nombre de substances convenables à la vaporisation et disponibles est peu élevé. Le choix des substances à superposer en couches devient problématique notaient dans le domaine de 1 J infrarouge moyen ( A 15,t) parce que pour ce domaine il y a grande pénurie de matières non absorbantes à faible indice de réfraction et en même temps insolubles dans l'eau. Lorsqu'il s'agit de systèles comportant un grand nombre de couches, on rencontre souvent des difficultés additionnelles dues à l'apparition de ten-. sions entre les couches et à des faibles forces d'adhérence ce qui entrain la création de fissures ou des décollements des systêlos de leur support. Lorsque le nombre de couches est éle vé, il se manifeste encore un autre défaut qui consiste dans un accroissement rapide de la porosité des dernières couches déposées par vaporisation ce qui aboutit, d'une part, à une dis pension trop forte et souvent indésirable et, d'autre part, à diminution de l'indice de réfraction de la dernière couche déposée par rapport à l'indice de réfraction de la première couche, de sorte qu'il est souvent nécessaire, durant la,vaporisa- tion, que les systèmes de couches sensibles multiples soient corrigés.En raison des difficultés qui viennent d'être mentionnées, il est fréquemment impossible de réaliser des systèmes prévus du point de vue théorique. Pour obtenir certaines caractéristiques spectrales, par exemples des-larges bandes d'arrêt ou de transmission, il est également connu d'assembler plusieurs systèmes de couches interférentielles multiples (appelés, dans la suite, systèmes individuels) de manière que, dans le but d'obtenir l'allure désirée du spectre, chaque système individuel ne soit chargéque dMnesseule fonction partielle. On veut ainsi éliminer les difficultés déjà mentionnées dues au nombre élevé de couches. Dans ce cas, les systèmes individuels sont réunis entre eux au moyen de luts optiques.Cependant, dans le domaine de l'infrarouge moyen et lointain, les luts optiques connus sont très absorbantes et, par conséquent, ils ne se prê- tent pas à l'utilisation dans des filtres infrarouges. C'est pourquoi il faut laisser ces systèmes au contact de l'air et s'accommoder des inconvénients en rEsultant~souvent, comme de l'effet nuisible de l'humidité delfairetc. On connaît en outre un filtre infrarouge de transmission qui est composé de deux systèmes individuels comportant des couches non absorbantes à indices de réfraction alternativement élevé et faible, le polyéthylène étant utilisé comme substance à indice de réfraction faible et le polyéthylène contenant du Ge ou du Si étant utilisé comme substance à indice de réfraction élevé.Les différentes couches à indice de réfraction élevé ou faible sont fabriquées de façon à laminer, dans un dispositif à rouleaux et à une température de 12O0C, des feuilles de polyéthy lène godes dess épaisseurs prédéterminéés. Simultanément avec le laminage, le polyéthylène est mélangé avec de la poudre de Ge ou de Si. Les couches minces ainsi obtenues sont superposées d'une manière définie et fermentent liées entre elles et avec leurs supports, dans un procédé de compression sous vide et à une température élevée.En comparaison des procédés déjà mentionnés de dépôt par vaporisation, ce procédé de fabrication est relativement compliqué et dispendieux, vu qu'il faut lami- ner les feuilles jusqu'à des épaisseurs optiques de l avec une 4 précision de + 3 %. La faible résistance à la chaleur des ma- tières sythétiques est également un facteur gênant quX peut entraîner, d'une part, des changements indésirables des épaisseurs des couches1 et d'autre part, des tensions nuisibles apparaissant à l'intérieur des systèmes et dues aux différences entre les coefficients de dilatation des couches individuelles. De plus, il est désavantageux que les systèmes individuelssoient couplés entre eux par interférence optique. Les possibilités de la sélection de certaines caractéristiques spectrales du filtre sont alors dès le départ limitées. En outre, à cause des effets de dispersion dus au Ge ou Si incorporés, ces filtres ne sont pas utilisables dans le domaine au-dessous de 40 . Le domaine d'utilisation est limité également par l'absorption propre du polyéthylène laquelle commence au-dessous de 15 p. Il est enfin défavorable que la caractéristique de transmission ne présente pas un lissage suffisant. Cela résulte du couplage par interférence optique des systèmes. L'invention a pour but de proposer un procédé pour la réalisation de séparateurs de spectre à couches interférentielles qui permette de fabriquer en série des systèmes optiques à plusieurs couches minces dans des conditions économiquement avantageuses. L'invention est basée sur le problème de créer, par une combinaison d'opérations connues en soi, un procédé simplifié qui réunit les avantages des procédés mentionnés au début cepen dantil évite leurs inconvénients. Conformément à l'invention, ce problème est résolu par le fait que les systèmes optiques à plusieurs couches minces interférentielles (les systèmes individuels) sont déposés par vaporisation sur des supports de couches et reliés entre eux par compression. Il est avantageux d'utiliser des supports de couches en matière comprimée polycristalline non absorbante. Le procédé conforme à l'invention présente, en comparaison des procédés de fabrication appartenant à l'état de la technique, les avantages suivants : les systèmes individuels, dont la structure n'est pas compliquée et qui comportent un nombre de couches peu élevé, peuvent être confectionnés d'une manière plus simple. Vu que chaque système individuel ne doit remplir qu'une seule fonction partielle de la caractéristique spectrale désirée; le calcul du système n'est pas difficile non plus. En outre, le petit nombre de couches rend les systèmes individuels relativement insensibles aux imprécisions de l'épaisseur, si bien qu'il est possible d'utiliser pour le dépôt des couches par vaporisation le procédé peu coûteux de vaporisation quantitative et les dépenses de mesure, normalement nécessaires lors de la vaporisation des substances à déposer, sont de ce fait éliminées.La liaison des systèmes individuels entre eux et avec leurs supports de couches respectifs s'effectue, suivant l'invention, par une simple compression. Par conséquent, on n'a pas besoin de luts optiques. Un couplage des systèmes individuels par interférence optique est évité grâce au dépôt des couches par vaporisation sur des supports polycristallins dont la structure de surface est irrégulière. De plus, étant donné que chaque système individuel est intercalé entre deux supports de couches, il est possible d'utiliser pour les couches même des substances solubles dans l'eau. Pour cette raison, les effets climatiques nuisibles sont également éliminés.De même, les gaz et les vapeurs absorbés lors de l'aération de la couche, par exemple H20, C 2 02, sont le plus largement désorbés lors de la compression sous vide et à haute température, de sorte que les systèmes à couches gardent à peu près leur état initial. Les problèmes de la force d'adhérence et des ten sions neg8nentpasnonplus, parce que le système à plusieurs couches est serré entre les supports de couches comprimés en même temps. Enfin, les systèmes à couches conformes à l'invention présentent grâce au petit nombre de couches des systèmes individuels une faible dispersion de lumière. Toutefois, la diminution de la dispersion est due également au fait que les couches, même lorsque la puissance de pression est convenablement choisie, sont comprimées.De même une "correction" des couches poreuses déposées en dernier lieu n'est pas nécessaire, vue que celles-ci sont comprimées plus que les premières couches relativement compactes. Le contrôle de l'épaisseur des couches par mesure des quantités de substance déposées par vaporisation est ainsi facilité. Un exemple de réalisation de l'invention, dont la description va suivre, est représenté au dessin annexé. Supposons que l'on demande un filtre à franges passe-long, représenté à la figure, présentant dans le domaine - 30 à 40 une transmission aussi grande que possible et, dans le domaine spectral de Comme support de couches S, on utilise un disque en wRS 5 qui possède une épaisseur moyenne d'approximativement 0,1 à 0,2 n et qui peut être fabriqué en comprimant de la poudre de KRS 5 dans un dispositif approprié non représenté (modèle d'utilité RDÂ 8217) qui est chauffé et évacué à un torr environ. Il faut alors veiller à ce que les disques présentent une surface rugueuse et irrégulière (ce qui est indiqué à la figure d'une manière exagérée) et, pour éviter tout couplage par interférence optique des systèmes individuels à empiler, à ce que les faces supérieure et inférieure des disques ne soient ni planes ni parallèles entre elles.On produitenst1ite, en déposant par vaporation sous vide poussé alternativement du Ge et du Kir sur le support de couches S, un système de couches interférentielles 1 préalablement calculé et composé de sept couches minces de G. (a,b) et de KBr (c) alternativement superposées. Les épais seurs optiques des couches a et c sont égales à #/4, celles des couches b à #/8 . Les couches b ne servent qu'au lissage complet de la courbe spectrale de transmission au-delà de la longueur d'onde des franges de 30 environ.Les autres systèmes individuels sont réalisés d'une manière analogue il faut cependant choisir les épaisseurs des couches de façon (par exemple en prévoyant des écarts différents, mais définis et reproductibles, de la source d'évaporation par rapport au support à recouvrir) que les longueurs d'onde des franges soient chaque fois décalées vers les longueurs d'onde courtes de valeurs qui sont un multiple entier de la largeur d'arrêt du système à couches 1. Après avoir confectionné un Jeu de systèmes individuels de 1 à 7 accordés l'un à l'autre, on les empile l'un au-dessus de l'autre de manière que chaque fois un système avoisine avec le dos non recouvert par vaporisation du système suivant.Sur le dernier système on pose comme contre-pièce un disque-support de couches D en KRS 5 non recouvert par vaporisation. De ce fait, chaque système à couches se trouve intercalé entre deux disques en KRS 5. Tout le jeu de systèmes individuels est ensuite remis se place dans le dispositif à comprimer mentionné ci-dessus, qui a été évacué à un torr et chauffé à approximativement 2000C, où il est comprimé, sous une pression de 2000 kg/cm2 environ de façon à former une unité compacte. On obtient de ce fait un fil- tre à franges infrarouge résistant aux effets du climat et présentant une zone d'arrêt qui s'étend sur plusieurs octaves et dont la transmission est inférieure à 0,01 %. Malgré le nombre élevé de couches du système entier, la transmission au-dessus de la longueur d'onde des franges s'élève à plus de 50 %. Lorsque par un traitement approprié, les surfaces extérieures des supports en KRS 5 sont rendues non réfléchissantes, on peut porter la transmission facilement à 70 %. il est également utile de monter le système transmettant l'onde la plus longue plusieurs fois en série, afin de raidir la pente de la frange d'onde la plus longue. Il est évident que l'invention n'est pas limitée au procédé de réalisation d'un filtre infrarouge à franges suivant l'exem- ple de réalisation représenté. L'invention peut store également appliquée à la fabrication de séparatburs de spectre à couches interférentielles qui présentent un comportement spectral diffé rent et qu'on peut utiliser, par exemple, dans le domaine de l'infrarouge proche. il suffit de choisir une combinaison appropriée des couches lesquelles, afin d'éviter un couplage des systèmes individuels par interférence optique, doivent etre déposées par vaporisation et assemblées de la même façon comme il a été décrit ci-dessus. REVENDICÂTIONS 1 - Procédé pour la réalisation de séparateurs spectraux à couches interférentielles comportant au moins deux systèmes de couches interférentielles multiples dont chacun se compose d'une suite de couches alternantes à indice de réfraction élevé et à indice de réfraction faible, caractérisé en ce que les systèmes à couches interférentielles multiples sont déposés par vaporisation sur des supports de couches et sont reliés entre eux par compression. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les supports de couches sont réalisés à partir d'une matière polycristalline non absorbante et que leur fabrication s'effectue par compression. 3 - Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les systèmes à couches interférentielles multiples à comprimer déposés par vaporisation sur des supports de couches sont Juxtaposés de manière que chaque système de couches interférentielles multiples se trouve inséré entre chaque fois deux supports de couches. 4 - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la compression des systèmes à couches interf6- rentielles multiples s'effectue, à une puissance de pression d'approximativement 2000 kg/cm2, dans un dispositif à comprimer qui présente un vide de un torr environ. 5 - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que durant l'opération de compression, le dispositif à comprimer est chauffé à une température comprise entre approximativement 150 et 300 C.