Brevet FR2475237A1 — publié le 19810807

La présente invention se rapporte à des miroirs d'interférence qui, pour plusieurs bandes séparées du spectre, présentent une réflexion élevée et qui dans ces bandes spectrales réfléchissent la lumière avec de faibles pertes d'absorption et de dispersion. Des miroirs de ce type sont utilisés dans la construction d'appareils optiques notamment lorsqu'il s'agit de réduire les pertes de lumière pour des lignes ou bandes spectrales nettement séparées. L'une des utilisations importante consiste dans le montage d'un miroir de ce type en tant que miroir de résonance dans des lasers à gaz à plusieurs longueurs d'on- des et dans lesquels de faibles pertes par absorption et par dispersion réduisent déjà de façon importante la puis- sance de sortie des différentes longueurs d'ondes. Il est connu de réaliser des miroirs & réflexion élevée et fonctionant selon le principe de l'interférence au moyen d'un ensemble composé de plusieurs couches non métalliques, à faibles pertes, à rétraction faible et à réfraction élevée qui sont disposées, en tant superposées de façon alternée, sur la surface de corps réfléchissants. Les couches présentent une épaisseur otpique de 1/4 de la longueur d'onde > n dont la réflexion doit être maximale, le nombre des couches devant gtre important pour obtenir une réflexion élevée (Revue "Physik 142", pages 21 à 41, 1955). Les miroirs à réflexion élevée de ce type présentent l'inconvénient qu'à l'exception des interférences plus éle- vées, la forte réflexion souhaitée ne peut 8tre obtenue que pour une plage étroite du spectre au voisinage de la longueur d'onde Xm. Ces miroirs d'interférence ne permettent pas une réflexion simultanée d'une lumière dont les longueurs d'ondes s'écartent du voisinage immédiat de /\x. Par le même document on connaît également des miroirs d'interférence à faible nombre de couches qui présentent, en effet, une plage de réflexion plus large nais dont l'in- convénient réside dans un degré de réflexion faible. Afin d'obtenir des miroirs à réflexion élevée pour des bandes spectrales plus larges ou pour plusieurs bandes spectrales simultanées, il est en outre connu de disposer différents groupes à grand nombre de couches et de ce fait d'un pouvoir réfléchissant important soit sur les faces avant ou arrière d'une plaque de verre soit sur la face supérieure d'une couche de support. Chacun de ces groupes a couches alternées est accordé pour une autre bande spectrale avec des longueurs d'ondes maximales à réfléchir A,1,\2.. '\an grâce aux épaisseurs optiques différentes de leurs couches partielles %/4(Optics of Min Films, John Wiley & Sons, Londres 1976, pages 148 à 157; brevet SU 141659; brevet CH 417997). L'inconvénient de cette torme de réalisation connue repose sur le fait que la lumière qui est r6fl1ehie par les groupes inftérieurs à couches alternées doit tra- verser, avant et après sa réflexion, également le grand nombre de couches partielles des groupes supérieurs à couches alternées et associés à d'autres bandes spectrales et que la lumière subit en conséquence des pertes impor- tantes par absorption et dispersion par comparaison à la lumière qui, en considérant sa direction d'incidence, est déjà réfléchie par le groupe à couches alternées avant ou supérieur. Il est évident qu'il n'est pas possible d'obtenir de cette manière plusieurs bandes de réflexion qui présen- tent en même temps une réflexion élevée et de faibles per- tes par absorption et par dispersion. Afin d'obtenir une largeur suffisante pour la bande réfléchie et une arête raide entre les zones de réflexion et de passage on connatt des filtres d'interférence dans lesquels des couches, appelées couches de transition, sont disposées entre deux groupes à couches alternées et à effet réfléchissant élevé (brevet CH 458780). Ces filtres connue permettent, en effet, d'obtenir de larges plages spectrales a faible transmission mais qui proviennent dans la pratique et dans une proportion non négligeable des effets d'absorp- tion et non d'une réflexion élevée. On connaît en outre des filtres passe-bandes simples ou combinés qui sont composés de couches purement diélec- triques ou d'une combinaison de couches métalliques et de couches diélectriques (Optics of Tuin Films; John Wiley & Sons, Londres 1976, pages 162 & 177). Ces filtres passe- bandes ont pour objet de créer une plage passe-bandes d'un pouvoir de transmission élevé qui est délimitée de part et d'autre par des zones d'interception de faible pouvoir de transmission. Dans cette réalisation un incon- vénient réside en ce que l'effet d'arrêt dans les zones d'interception provient également de l'effet d'absorption des couches. La fabrication et la fonction de filtrespasse- bandes ne fournissent de plus aucun enseignement en ce qui concoerne une utilisation avantageuse de tels systèmes a conches alterrÀA. en tentque miroir pour deux bandes spectrales. En vue d'obtenir plusieurs plages A réflexion élevée il est également connu d'utiliser des groupes à couches altemées de plus grande interférence (Glastechnik Ber. a Maes i47 à 148, (Id51), brevet SU 381055). L'inconvé- e pineal de cette réalisation réside dans le fait que les on s, ielles doivent présenter une épaisseur úi0 optique i Lp;Tîtaute en fonction de l'interférence. De ce fait lensemble des couches présente une épaisseur totale Qinadssible pour Eine réali3ation pratique, les différentes eonches épaisses provoquant de plus des pertes par absorp- tion et par dispersion de la lumière. La solidité mécanique de systmes à couches alternées de ce type est en outre très liit6o. La pD8,te invention a pour objet d'éliminer les défauts inhérents ara réalisations techniques connues en créant des miroirs d'interférence qui présentent simulta- nément pour plusieurs bandes spectrales séparées une réflexion élevée et de faibles pertes par absorption et dispersion de la lumière. L'invention a également pour objet de créer des mi- roirs d'interférence à couches dans lesquels l'augmentation des pertes provoquées par l'absorption et la dispersion de la lUière,pour les bandes spectrales réfléchies par des couches d'interférence inférieures, est supprimée et dans lesquels l'épaisseur totale de l'ensemble des couches 24?5237 est réduite à un minimum. Ces problèmes sont résolus conformément à l'inven- tion par des miroirs d'interférencei Sréflexion élevée pour plusieurs bandes spectrales composés d'un support sur lequel des groupes & couches alternéescomprenant des couches différentes superposées en matière non métallique et présentant de faibles pertes optiques, sont disposés de façon A faire alterner des couches à faible coefficient de réfraction et des couches à coefficient de réfraction élevé. Ces miroirs sont caractérisés en ce qu'une ou plu- sieurs couches de couplage non métalliques sont disposées entre deux groupes voisins à couches alternées de conception identique ou différente et composés de deux à neuf couches individuelles en ce que les couches différentes de tous les groupes à couches alternées présentent une épaisseur de 1/4 d'une longueur d'onde Ao et en ce que l'épaisseur optique des couches de couplage non.aétalliques est un nombre entier multiple de /4. La longueur d'onde étalon %oet aIlos une longueur d'onde moyenne de la plage spectrale à l'intérieur de laquelle les bandes de réflexion doivent être situées. Selon une autre caractéristique de linv tion une couche de couplage dont l'épaisseur optique est un multiple impair de /\o/4, est disposée entre deux groupes voisins à couches alternées ou deux couchez de couplage dont l'épaisseur optique prédente un multiple pai-:de ) /4 sont disposées entre deux groupes voisins à couches alternées. Pour réaliser un miroir suivant l'invention il est également possible de disposer entre deux groupes voisins A couches alternées une couche de couplage dont l'épaisseur optique est un multiple pair de >o/4. Les groupes A couches alternées utilisés pour ré- soudre les problèmes posés sont exclusivement des groupes à petit nombre de couches individuelles de runière qu'un seul groupe à couches alternées ne permette pas une réfle- xion élevée pour la longueur d'onde étalon -o mais seulement une réflexion partielle qui est cependant efficace pour une large plage du spectre en rai.on bau faible nombre de coaiohes in.viduelles et ceci contrairement aux systèmes a couches alternées appartenant à l'état de la technique connu et comportant un grand nombre de couches individuel- les pour obtenir une réflexion élevée et qui ne sont ef- ficaces que pour une plage relativement étroite du spectre. Dans les Croupes à couches alternées utilisés conformément à l'invention et présentant une faible réfle- xion qui est cependant efficace pour une plage relativement large du spetre, le faible nombre des couches individuel- les peut 9tre compriz entre 2 et 9 en fonction du coef- -:ciient de réfraction agissant dans le cas considéré. La rëflexiou très Al1vée et les très faibles pertes -a absorption et dispersion qui peuvent être obtenues, mIgré l'utilisation de groupes à couches alternées, s'ex- liiqne-nt du fait que le cotplage suivant l'invention de plusieurS groupes à *uhehes alternées de ce type au moyen d'une ou de plusieurs couches de couplage amplifie l'effet ?.o faible réflexion dea différents groupes a couches alter- Ä) 7-Fres a l'intérieur de leur plage de réflexion large pour plu-siaurs bandes spectrales de façon à obtenir une réflexion levée, les pertes par absorption et dispersion de toute façcon faible pour ee type de groupes à couches alternées Jdant réduites encore davantage dans les mimes proportions. Oes effete reposent probablement sur le fait que,dans toutes les bandes spectrales présentes, la lumière est déjà réflé- chie partiellement et dans une large mesure par le ou les groupis avant ou supérieurs et les groupes arrière ou infé- rieurs, dont la présence semble cependant être indispensable pour obtenir une réflexion élevée, ne sont plus atteints que par une faible quantité de lumière de sorte que ces Crouapes ne peuvent plus contribuer à des pertes importantes. Les ensembles à couches multiples suivant l'invention peuvent 9tre réalisés avantageusement selon un procédé sous vide poussé dans lequel des substances de revêtement appro- iriées sont évaporées pour qu'elles puissent se déposer sous fo.xme de couche sur la surface de supports habituellement utilisés à cet effet. Dans les zones du spectre proches des rayons ultra- violets, des rayons visibles et des rayons infrarouges on peut utiliser en tant que substances de recouvrement les substances connues pour leur indice de réfraction élevé telles, par exemple,que le sulfure de zinc (ZnS), le dioxyde de titane (TiO2), le pentoxyde de tantale (Ta205) et les substances connues pour leur faible indice de réfraction telles que la cryolithe (Na3AlF6), le fluorure de magnesium (MgF2) ou le dioxyde de silicium (SiO2) et d'autres substances analogues. Diverses autres caractéristiques de l'invention res- sortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées, à titre d'exemples non limita;ifsaux dessins annexés. Les fig. 1, 2 et 5 représentent les courbes de reflexion spectrales R (en trait plein) et les courbes de transmission T (on trait interrompu) des miroirs d'inter- férence suivant l'invention décrits dans les exemples de réalisation 1, 2 et 53. La fig. 4 représente à titre de comparaison la cour- be de reflexion R (en trait plein) et la courbe de transmis- sion T (en trait interrompu) d'un miroir d'interférence connu par l'état de la technique antérieur. Dans tous les exemples de réalisation suivant l'in- vention la position spectrale des bandes de réflexion ainsi que leur nombre sont déterminés par la longueur d'onde étalon /o et par la sonnmme D de l'épaisseur optique d'un groupe A couches alternées Dw et l'épaisseur d'une couche de couplage Dk (D - Dw + Tk). Il y a par exemple trois ban- des de reflexion à reflexion élevée et à très faibles pertes par absorption et par dispersion de la lumière pour des longueurs d'ondes D + oJ/2 / D2 =- - I) -,\O/2 t415237 /\3 o lorsque les couches de couplage présententune épaisseur optique qui est un multiple impair de Ao /4 et lorsque entre les groupes voisins à couches alternées est disposé un nombre impair de couches de couplage ou lorsque les couches de couplage sont d'une épaisseur qui représente un multiple pair de >%/4 et que le nombre des couches de couplage disposées entre les groupes voisins à couches alternées est un nombre pair. On obtient par exemple deux bandes de réflexion A rflexion élevée et A faibles pertes par absorption et par dispersion de la lumière pour des longueurs d'ondes /\o. D D + >AO/4 D -o/4 ],oi;que les couches de couplage présentent une épaisseur optique qui est un multiple pair de >/4 et lorsqu'un ombre impair de couches de couplage est disposé entre des groupes voisins A couches alternées. Les diverses caracté- ristiques optiques spectrales d'un système déterminé A couches peuvent être relevées en mesurant les miroirs d'in- tertférence réalisés. Exemple de réSalisation Un miroir d'interférence est réalisé en déposant sur un corps de base G, par exemple du verre, par évaporation sous vide poussé un ensemble comprenant des groupes A cou- ches alternées Wo et des couches de couplage KN et KH, ensemble qui peut 8tre défini par la relation G/WoKNKHWOKNKHWOKNKHRWoNKHWo Wo représente des groupes A couches alternées ne comprenant qu'un faible nombre de couches individuelles qui sont accor- dées a la longueur d'onde étalon 4 et qui sont constituées par une suite alternée de couches à faible indice de réfraction (No) et de couches A indice de réfraction (Ho) présentant une épaisseur optique de /;/4 de sorte qu'A l'intérieur de We il y a à chaque lois la disposition NoRHoNoo. Entre les groupes W0 à couches alternées sont disposées à chaque fois deux couches de couplage K - 2No et KH - 2Ho c'est-à-dire que les couches de couplage KN et KH présentent chacune dans ce cas une épaisseur optique de v/2. Les indices de r6fraction rele- vés sont pour le support en verre nG = 1,52, pour les couches (No) en SiO2 et à faible indice de rétraction nI = 1,455 et pour les couches (H) en TiO2 et à indice de réfraction élevé, l'indice de réfraction complexe n i% m 2,315 - i. 0,005 (i =-f i1) avec l'indice kH = 0,005 responsable de l'absorption. L'indice d'absorp- tion kN des couches SiO2 & faible indice de réfraction a été négligé pour des raisons pratiques. La longueur d'onde étalon pour les couches 4/4 est =- 520 na de façon & obtenir,conformément à la structure des groupes W. & couches alternées et à celle des couches de couplage KN et EH disposées entre les premiers, trois bandes de réflexion qui selon les relations pour A1, X2et X3 sent situées dans les longueurs d'ondes -\ - 693 nm,A2= 416 ns et >3 a Xo= 520 nu. A la fig. 1 la réflexion spectrale R est représentée par la courbe supérieure en trait plein par rapport à la transmission T représentée par la courbe inférieure en trait interrompu, la zone hachurée délimitée par les courbes représentant les pertes par absorption. Dans les bandes de réflexion, les pertes de réflexion dans la zone des minima ne sont que d'environ I à 3 % et elles ne sont de ce fait que de 2 à 5 fois supérieures aux pertes résultant d'une seule couche./4 en TiO2. Exemple de réalisation 2 Sur la base des conditions et des définitions indi- quées dans le premier exemple on réalise un miroir d'inter- férence présentant la disposition de couches suivante: G/wJOKNWONWoK. NWoINWo Le groupe wo à couches alternées présente un ensemble de couches individuelles H oNoHO et les groupes W0 couches alternées sont constitués par la suite de couches HoNoHoNooH Dans le cas présent les couches de couplage KN se composent de cinq couches No,c'est-à-dire que les couches de couplage présentent une épaisseur optique de V4. Le corps de base G et les couches sont réalisés en utilisart la mime matière et les mêmes substances que dans le premier exemple. _a longueur d'onde étalon pour les couches )oJ4 e3t >V= 520 Dm de façon & obtenir,conformément à la structure des groupes wo et W0 A couches alternées et a celle des couches de couplage KN disposées entre les pre- miers, trois bandes de réflexion qui selon les relations indiquées plus haut pour X1, >2et >3sont situées dans les longueurs d'ondes/\w1 434 nmn,2w 650 nm et A3 = o 520 ma. Les propriétés de réflexion et de transmission speatrales du miroir d'interférence suivant l'exemple 2 scnt représentées a la fig. 2. Les pertes de réflexion il- lustrées par la zone hachurée entre les courbes R et T se situent dans la zone des minima entre 1 et 3. Un miroir d'interférence présentant la disposition de couches G/WoKNWoKNWoyNWoKNWoKNWo dans laquelle W0 = NoNoNo et KN = 2No et qui est réalisé de façon analogue à celui du premier exemple en utilisant la même matière pour G et les mêmes substances pour No et Ho. La longueur d'onde étalon pour les couches >o/4 est de o= 520 nu de façon à obtenir,conformément à la présente disposition des couches, deux bandes de réflexion qui, selon les relations indiquées plus haut, pour les longueurs d'ondes principales des bandes de réflexion, sont situées pour N1 = 433 nm et pour Q 650 nm. La fig. 3 représente graphiquement les propriétés de reflexion et de transmission spectralcs de ce miroir d'interférence suivant l'exemple 3. Les pertes de réfle- xion illustrées par la zone hachurée entre les courbes R et T sont comprises entre 1 et 2 % dans la zone de travail des minima des bandes de réflexion. Afin de démontrer le progrès obtenu par les miroirs d'interférence réalisés suivant l'invention par rapport aux miroirs connusla fig. 4 montre les courbes de réfle- xion et de transmission spectrale d'un miroir d'interférence faisant partie de l'état de la technique antérieur. Ce miroir connu comprend deux systèmes différents à couches alternées W1 et W2 qui comportent un grand nombre de couches portées par un corps de base en verre G de fçon à obtenir une structure totale G/W2W1 dans laquelle W1 H 1IN1 *.... NIH 17 couches 1/4 et w2 H.... N - 16 couches /-2. Le système intérieur W2 à couches alternées disposé direc- tement sur la surface du verre est accordé sur la longseur d'onde. >2= 433 nm et le système extérieur W1 aà couches al- ternées est accordé sur la longueur d'onde i = 650 om. Les calculs effectués pour la réalisation de ce miroir basés sur les mêmes substances et sur les mimes indices de réfraction que ceux utilisés dans les exemples de réali- sation suivant la présente invention. Comme cela ressort des zones hachurées à la fig. 4 il n'est pas possible d'obtenir de faibles pertes d'absorp- tion comprises entre 1 et 2 %M et de ce fait des valeurs de réflexion élevées que pour une bande du spectre et ceci dans le voisinage de la longueur d'onde \j = 650 nm étant donné que seule cette bande spectrale est réfléchie par le système avant W, à couches alternées en considérant la direction de l'incidence de la lumière. Dans la deuxième bande spectrale située dans le voisinage de la longueur d'onde,2= 433 nm,la réflexion se trouve fortement réduite du fait que la lumière de cette bande spectrale doit traverser, avant et après sa réflexion par le système W2 à couches alternées, tout d'abord un grand nombre de couches du système W1 & couches alternées disposé au-dessus du système W2. Lors de son passage dans ces couches la lumière subit alors des pertes importantes par absorption qui sont comprises entre 10 et 30 % et qui de ce fait sont dix fois plus élevées que celles se produisant dans les miroirs d'interférence suivant la présente invention. REVENDICATIONS 1 - Miroirs d'interférence à réflexion élevée pour plusieurs bandes spectrales composés d'un support sur lequel des groupes à couchesalternées comprenant des couches différentes superposées en matière non métallique et présentant de faibles pertes optiques, sont disposés de façon à faire alterner des couches à faible coefficient de réfraction et des couches à coefficient de réfraction élevé, caractérisés en ce qu'une ou plusieurs couches de couplage non Àétalliques sont disposées entre deux groupes voisins à couches alternées de conception identique ou dif- féren e et composés de deux A neuf couches individuelles, en ce que les couches différentes de tous les groupes à couches alternées présentent une épaisseur de 1/4 d'une longueur d'onde Aoet en ce que l'épaisseur optique des cou- ches de couplage non métalliques est un nombre entier mul- tiple de /V4. 2 - Miroirs d'interférence suivants la revendication 1, caractérisés en ce qu'une couche de óouplagedont l'épaisseur optique est un multiple impair de Ao/4, est disposée entre deux groupes voisins à couches alternées. 3 - Miroirs d'interférence suivant la revendication 1, caractérisés en ce que deux couches de couplage dont l'épaisseur optique présente un multiple pair de.4 sont disposées entre deux groupes voisins à couches alternées.