Brevet FR2168965A1 — publié le 19730907

La présente invention a pour objet un système antiréfléchissant pour des rayons lumineux de longueurs d'onde > et > ' telles que #' soit égal ou voisin du double de On sait que lorsqu'un faisceau lumineux passe d'un premier milieu transparent dans un deuxième milieu transparent, d'indice optique différent de celui du premier milieu, une partie de la lumière incidente est réfléchie par le dioptre délimitant les deux milieux. La quantité de lumière réfléchie dépend de la différence des indices des milieux et, dans le cas particulier d'un dioptre "air - verre", elle est voisine de 4 %.Afin de supprimer cette lumière réfléchie, on a conçu des systèmes antiréfléchissants formés par un ou plusieurs empilements de couches minces et transparentes sur le support lui-meme transparent. Cependant, les systèmes antiréfléchissants sont sélectifs et ne fonctionnent généralement que pour des rayons lumineux de longueur tonde et d'incidence bien déterminées. Le système le plus simple qui ait été imaginé comporte une seule couche transparente : on peut montrer qutil est efficace au voisinage d'une longueur d'onde > 0 si n1 = #N et n1 e1 = # o 4 n1 et N étant respectivement les indices optiques de la couche et du support et el l'épaisseur de la couche traversée par les rayons lumineux (le produit ne de l'indice par 11 épaisseur étant appelé l'épaisseur optique). Si la valeur de N est voisine de 1,5 (cas du verre), il est nécessaire que ni soit égal à 1,23. Malheureusement, on ne connait pas actuellement de matériau transparent d'indice égal à 1,23 et susceptible d'être déposé en couche mince sur du verre. les systèmes antiréfléchissants comportent donc au moins deux couches minces transparentes empilées. Une solution particulière à ce cas est : xo n1.e1 = 4 n1 = n2#N avec = = (2 k + 1) ni, et n2 désignant les indices optiques respectivement des première et deuxième couches, e1 et e2 étant les épaisseurs respectivement des première et deuxième couches, k étant une cons tante et o la longueur d'onde des rayons lumineux pour laquelle le système antiréfléchissant est efficace. En fait, les systèmes antiréfléchissants ne fonctionnent pas que pour une seule longueur d'onde #o, mais pour une bande de longueurs d'onde centrée sur #o. La largeur de cette bande dépend de la constitution du système antiréfléchissant mais, pour certaines applications, elle est beaucoup trop faible. On a alors imaginé un système antiréfléchissant efficace simultanément pour deux longueurs d'onde #1 et #2. Ce système, qui illustre l'art antérieur, est représenté sur la fig. 1 a, la fig. 1 b étant une courbe donnant le coefficient de réflexion R de ce système en fonction des longueurs d'onde . le système est formé d'un empilement de trois couches transparentes 1, 2 et 3 sur un support transparent 4. les couches 1 et 3 sont identiques et leur épaisseurs optiques n1.e1 et n3.e3 sont égales à #o/4, #o étant sensiblement égale à #1 + #2 .La couche 2 a une épaisseur 2 optique n2.e2 égale à #o avec une valeur de n2 assez élevée 2 comprise généralement entre 2 et 2,5. Le coefficient de réflexion R de ce système (fig. 1 b) est pratiquement nul pour deux longueurs d'onde #1 et #2 centrées autour de #o. Cependant, l'écart entre les deux longueurs d'onde #1 et #2 n'est jamais suffisamment grand pour que la longueur d'onde #2 soit le double de #1. A titre d'exemple, on peut obtenir dans le domaine du spectre visible # 1 = 0,45 et # 2 = 0,65 . lorsque l'on désire un système antiréfléchissant pour deux longueurs d'onde #1 et #2 telles que l'une A2 soit le double de l'autre # 1, on peut imaginer de placer l'un derrière l'autre (en série) deux systèmes antiréfléchissants indépendants, l'un efficace pour #1 et l'autre pour 2. Cette juxtaposition de deux systèmes indépendants 5 et 6 est représentée sur la fig. 2, le système 5 étant efficace pour la lon gueur d'onde #1 et le système 6 pour > 20 les rayons lumineux de longueur d'onde 72 sont partiellement réfléchis par 5 et donnent naissance à un faisceau réfléchi R2. De mime, les rayons lumineux de longueur d'onde l sont partiellement réfléchis par 6 et donnent naissance à un faisceau réfléchi Ri. Pour supprimer le faisceau R2, il faudrait que le système 5 soit monocouche et que son épaisseur optique soit un multiple de #2 , et donc un #1 4 multiple de T puisque #2 # 2#1.Mais dans ce cas, la couche 5 n'est plus efficace vis-à-vis de > 1 puisqu'une couche d'épaisseur > est sans action sur un rayonnement de longueur d'onde > 2 L'association de deux systèmes antiréfléchissants 5 et 6 agissant indépendamment l'un de l'autre est donc inopérante. La présente invention concerne un système antiréfléchissant efficace au voisinage de deux longueurs d'onde dont l'une est égale ou voisine du double de l'autre. Â cette fin, l'invention propose un système antiréfléchissant pour des rayons lumineux de longueurs d' onde # et #' telles que #' soit sensiblement égale au double de #, caractérisé en ce qu'il comporte sur un support deux empilements superposés de couches minces transparentes auxdits rayons lumineux, l'un des deux dits empilements étant antiréfléchissant pour ledit support à la lon gueur d'onde # et tel que la somme des épaisseurs optiques n.e de ses couches soit égale à k.#, l'épaisseur optique n.e de chacune des couches dudit empilement étant différente de k' # , et llautre empilement étant antiréfléchissant pour ledit 2 support à la longueur d'onde X' et tel que l'épaisseur optique n'.e' de chacune de ses couches soit égale à k" > ; k, k' et k" dési 4 gnant des nombres entiers positifs non nuls, n et n' étant les indices optiques des couches et e et e' les épaisseurs de couches effectivement traversées par lesdits rayons lumineux. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples explicatifs mais non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels - les fig. 1 a et 1 b illustrent l'art antérieur, - la fig. 2 montre la Juxtaposition de deux systèmes antiréfléchis sants indépendants, - la fig. 3 représente schématiquement l'invention, et - les fig. 4 et 5 montrent deux modes de réalisation particuliers ainsi que, pour chacun d'eux, la courbe donnant le coefficient de réflexion R en fonction de la longueur d'onde 3, Ma fig. 3 représente schématiquement un système antiréfléchissant, conforme à l'invention, efficace pour deux longueurs d'onde et #' telle que #' soit le double, ou voisine du double de Ce système se compose d'un substrat 7, ou support, d'indice optique N et de deux empilements 8 et 9 de couches minces, ledit substrat et lesdites couches étant transparentes aux rayons lumineux de longueurs d'onde # et #'. Le substrat 7, qui sert de support aux couches minces, est généralement l'objet que l'on veut rendre antiréfléchissant aux longueurs d'onde > et \', lentille optique ou lam de verre par exemple. L'empilement 8 est un système antiréfléchissant pour le substrat 7 à la longueur d'onde SI , formé d'une succession de couches minces d'ordre 1, 2, ....i, ....k, d'épaisseurs optiques n'1 e'1, n'2 e'2, ..... n'ie'i, ....n'k e'k, n' désignant l'indice optique de la couche d'ordre i et ei son épaisseur effectivement traversée par les rayons lumineux considérés (si eO est l'épaisseur de la couche et si a est l'angle que forme le rayon lumineux à l'intérieur de la couche avec la normale à la couche, l'épaisseur e effectivement traversée est égale à ( e0 ). l'empilement 8 cos a peut être un système antiréfléchissant classique, mais de plus, il est nécessaire que l'épaisseur optique n'i e'i de chacune de ses couches soit égale à un nombre entier de fois \' ; on doit donc 4 avoir n'i e'i = k" #' 4 k" étant un nombre entier positif non nul. L'empilement 9 est également un système antiréfléchissant pour le substrat 7 à la longueur d'onde # , formé d'une succession de couches minces d'ordre 1, 2, ....i, ...j, d'épaisseurs optiques n1 e1, n2 e2 .... ni ei, .... nj ej, ni et ei désignant respectivement l'indice et l'épaisseur de la couche d'ordre i. L'empilement 9 peut titre un système classique, mais de plus, il est nécessaire que, d'une part, la somme des épaisseurs optiques des couches soit égale à un nombre entier de fois et que, d'autre part, l'épaisseur optique de chacune des couches ne soit pas égale à un nombre entier de fois X . les conditions suivantes 2 doivent donc hêtre remplies n1 e1+ n2 e2 + .... + ni ei +.... + nj ej = k # ni ei # k' # 2 k et k' étant des nombres entiers positifs non nuls. Les nombres de couches minces des empilements 8 et 9 peuvent être quelconques, à condition bien entendu que les conditions précédentes soient respectées. les couches minces sont généralement formées par évaporation sous vide d'un ou plusieurs matériaux choisis pour leurs indices optiques en accord avec la constitution du système antiréfléchissant à réaliser. Il est indifférent que l'empilement en contact avec le support 7 soit antiréfléchissant pour N ou \'. Ainsi sur la fig. 3, les empilements 8 et 9 pourraient être échangés. Cependant, on remarque expérimentalement que le système est plus sélectif pour la longueur d'onde correspondant à l'empilement en contact avec le support 7.Sur la fig.3, le système est donc plus sélectif pour la longueur d'onde > ' que pour X. les trois exemples de réalisation qui vont suivre ont été spécialement conçus pour les longueurs d'onde # = 0,55 et = = = 1,06 ya, cette dernière étant la longueur d'onde d'émission des lasers dont le milieu actif est dopé avec du néodyme ( par exemple, verres laser ou encore grenat d'yttrium et d'aluminium connu sous le nom de Yak). Il est possible d'obtenir, sous certaines conditions, un faisceau de lumière cohérente de longueur d'onde N (en particulier 0,55jeu) en faisant interagir un faisceau 2 de lumière cohérente de longueur d'onde N avec un cristal tel que le niobate de lithium ou le phosphate d'ammonium par exemple (création d'harmonique).Toute la lumière incidente n'est pas convertie et, de ce fait, le faisceau lumineux à la sortie du cristal, est composé de rayons lumineux de longueur d'onde N et de rayons lumineux de longueur d'onde X . Il est donc intéressant 2 de disposer d'un système antiréfléchissant efficace pour les deux longueurs d'onde. De plus, dans un système optique comprenant un laser émettant un faisceau lumineux de longueur d'onde égale à 1,06r. , donc non comprise dans le domaine du visible, le réglage du système, système de visée par exemple, ne peut être effectué qu'à l'aide d'une source auxiliaire de lumière visible.Il est alors nécessaire que les systèmes antiréfléchissants des différentes pièces optiques fonctionnent à la fois pour la longueur d'onde 1,06 F et pour une longueur d'onde du spectre visible, 0,55 par exemple convient parfaitement. Cette possibilité est très avantageuse, en télémétrie laser par exemple, car elle permet également l'observation visuelle simultanée avec le tir laser. Sur la fig. 4 a, le premier exemple de réalisation représenté comporte deux empilements de deux couches chacun, 10-11 et 12-13. les épaisseurs optiques n.e des couches 10, 11, 12. et 13 sont respectivement égales à 3X, Y etY ; leurs indices sont 4 4 4 4 respectivement égaux à 1,38 ; 1,70 ; 1,38 et 1,70. les couches 10 et 12 peuvent Entre par exemple obtenues avec Mg F2 et les couches 11 et 13 avec Ce F3 ou Nd F3 ou encore Mg 0. La courbe représentée sur la fig. 4 b représente les variations du coefficient de réflé xion R du système, exprimé en %, en fonction de la longueur d'onde > en?. Cette courbe montre bien que le système obtenu est antiréfléchissant pour X - 0,55 et #' = 1,06 et qu'il est plus sélectif pour 1,06r que pour 0,55 Sur la fig. 5 a, le deuxième exemple de réalisation de l'invention comprend un empilement antiréfléchissant à la longueur d'onde #' de quatre couches transparentes 15, 16, 17 et 18, d'épaisseur optique # chacune. les indices de ces couches sont égaux res 4 pectivement à 1,38 ; 1,60 ; 1,46 et 1,60. le deuxième empilement, antiréfléchissant à la longueur d'onde ', comprend deux couches transparentes 19 et 20 d'indices respectivement 1,38 et 1,70 et d'épaisseur optique #' chacune. La couche 20 est déposée sur un 4 support transparent 21 d'indice N = 1,51. les couches 15 et 19 peuvent par exemple Stre réalisées en Mg F2, les couches 16 et 18en A12 03 ou La F3, la couche 17 en Si 02 et enfin la couche 20 en Ca F3 ou Nd F3 ou encore Mg O.La figure 5b montre les variations du coefficient de réflexion R (en %) du système en fonction de la longueur d'onde A . On remarque que le système réalisé est bien antiréfléchissant pour les deux longueurs d'onde 0,55 et 1,06 . Le troisième exemple, non représenté, de réalisation de l'invention comporte au total sept couches successives telles que : n1 = n5 = 1,38 n6 = n2 = n4 = 1,62 n3 = n7 = 1,46 avec n1.e1 = n2 e2 = n3 e3 = n4 e4 = # n5 e5 = n6 e6 = n7 e7 = #' 4 4 Les indices n1 et n5 peuvent être obtenus par exemple avec Mg F2 ; n2, n4 et ng avec Al2 03 ou La F3 ; n3 et n7 avec Si 02. On peut vérifier, pour les trois exemples donnés précédemment, que la somme des épaisseurs optiques n e des couches de l'empilement antiréfléchissant à la longueur d'onde > est égale à kX, l'épais- seur optique de chaque couche étant différente de k' #, et que 2 l'épaisseur optique de chaque couche de l'empilement antiréfléchis sant à la longueur d'onde #' est égale à k" #'. On remarque également que, pour les exemples de réalisation représentés sur les figures 4 a et 5 a, les indices optiques des couches successives sont alternativement faibles et élévés. L'invention s'applique chaque fois que lton désire réaliser un système antiréfléchissant pour deux longueurs d'onde telles que l'une soit le double de l'autre. C'est notamment le cas de certaines expériences de diagnostic de plasma à l'aide d'un faisceau laser et le cas également de la télémétrie par faisceau laser : dans ces applications, il est en effet intéressant d'avoir un faisceau de lumière cohérente ayant deux longueurs d'onde distinctes, faisceau issu d'un même laser.On utilise alors avantageusement les propriétés de l'optique non linéaire, laquelle permet la création d'harmoniques de la longueur d'onde X (on se limite ici au premier harmoniq tQeF C'est également le cas en télémétrie laser où la lumière/est émise à 1,06 , donc invisible: : l'utilisation d'une source auxiliaire de lumière visible (d O,55l par exemple) permet le réglage du système optique et l'observation visuelle simultanée avec le tir laser de ltobjet visé, à condition toutefois que les pièces optiques soient antiréfléchissantes pour les deux longueurs d'onde 1,06 > et 0,55yL Il va sans dire que l'invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemples non limitatifs. En particulier, les longueurs d'onde 0,55 et 1,06yX ne sont données qu'a titre d'exemple. REVENDICATIONS 1/ Système antiréfléchissant pour des -raypns lumineux de longueurs d'onde A et Xt telles que At soit sensiblement égale au double deN , caractérisé en ce qu'il comporte sur un support deux empilements superposés de couches minces transparentes auxdits rayons lumineux, l'un des deux dits empilements étant anti réfléchissant pour ledit support à la longueur d'onde > et tel que la somme des épaisseurs optiques n.e de ses couches soit égale à k# , l'épaisseur optique n.e de chacune des couches dudit empilement étant différente de k' A, et l'autre empilement étant antiréfléchissant pour ledit support à la longueur d'onde #' et tel que l'épaisseur optique n'.e' de chacune de ses couches soit égale à k" #' ; k, k' et k" 4 désignant des nombres entiers positifs non nuls, n et n' étant les indices optiques des couches et e et e1 l.s épaisseurs de couches effectivement traversées par lesdits rayons lumineux.