Brevet FR2519777A1 — publié le 19830718

PROCEDE DE FABRICATION DE STRUCTURES DE PHASE DIFFRACTANTES L'invention concerne un procédé de fabrication de structures de phase diffractantes obtenues dans un milieu composé de microbilles en matériau diélectrique en suspension dans un liquide. Des matériaux du type microbilles en matériau diélectrique en sus- pension dans un liquide permettent actuellement l'enregistrement de réseaux d'indice à partir de franges d'interférence Ces milieux recyclables sont utilisés en fonctionnement dynamique pour des applications de conjugaison de phase en temps réel. L'utilisation de microbilles en matériau diélectrique en suspension dans un liquide permet de synthétiser des milieux photosensibles, à haute résolution, fonctionnant par variation d'indice et ne nécessitant pas de développement. En outre, un tel milieu fonctionne à l'enregistrement pour toutes les longueurs d'onde puisque le processus de fabrication de la structure de phase l 5 est uniquement lié au champ électrique de l'onde lumineuse incidente Ceci évite donc tout changement de longueur d'onde entre l'enregistrement et la lecture. Il s'agit donc, dans l'art connu, d'un milieu dynamique, qui n'est donc pas figé. On se propose dans la présente demande de brevet d'utiliser ces microbilles diélectriques en suspension dans un liquide polymérisable afin de réaliser des structures de phase diffractantes ne nécessitant pas de dévelop- pement et pouvant être fixées in-situ par insolation à un rayonnement énergétique qui peut être, par exemple, un rayonnement ultra-violet Le milieu obtenu est, alors, un milieu statique, les structures de phases diffractantes sont, ainsi, "mémorisées". L'invention a pour objet un procédé de fabrication de structures de phase diffractantes, ces structures comportant un milieu formé de micro- billes en matériau diélectrique en suspension dans un liquide dans lequel deux ondes lumineuses interférent; ce procédé comprenant une première 251977 ? étape pendant laquelle on fait interférer ces deux ondes lumineuses dans ce milieu, ce qui provoque l'enregistrement dans ce milieu du réseau d'inter- férence de ces deux ondes, caractérisé en ce que le liquide étant un liquide polymérisable, ce procédé comprend une deuxième étape consistant en la fixation du milieu par insolation de celui-ci à un rayonnement énergétique, le réseau d'interférence étant alors fixé in-situ. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparat- tront au moyen de la description qui suit en référence aux figures annexées: les figures 1 et 2 représentent deux configurations de l'art connu; les figures 3 et 4 représentent différentes étapes du procédé selon Pinvention; la figure 5 représente la mise en oeuvre d'une structure fabriquée selon l'invention. Avant d'exposer les différentes étapes du procédé selon l'invention, il est utile de rappeler les configurations de l'art connu Il est connu d'utiliser des microbilles en matériau diélectrique en suspension dans un liquide Si nb est l'indice de réfraction du milieu environnant et na l'indice de réfraction des microbilles, pour des microbilles en suspension dans ce liquide soumis au champ électrique de l'onde incidente, il y a une force qui déplace les microbilles, avec na plus grand que nb, dans les régions de champ élevé du front d'onde incident. L'augmentation de densité des microbilles dans les régions de champ élevé augmente l'indice de réfraction moyen dans le matériau Le compor- tement de ce milieu est très proche de celui d'un milieu à coefficient optique de Kerr N 2 positif De façon similaire, avec na plus petit que nb, une suspension de microbilles diélectriques dans un liquide va entraîner le déplacement de celles-ci vers les régions de faible champ du front d'onde incident Cela va créer un changement d'indice de réfraction analogue à celui du milieu avec un indice N 2 positif Ces forces dues à l'éclairement du milieu sont en opposition du fait dé la diffusion thermique (mouvement Brownien) des microbilles qui vont tendre à supprimer le réseau optique ainsi formé Les forces dues à la gravitation peuvent être rendues négligeables en choisissant un liquide de densité suffisamment proche de celle des micro- billes Afin d'obtenir un milieu optique pratiquement uniforme, la taille des 251977 ? microbilles et leur écartement moyen doit être beaucoup plus faible que la longueur d'onde de la lumière incidente. Ce milieu non linéaire peut être à titre d'exemple, un milieu aqueux dans lequel se trouvent en suspension des microbilles en latex d'environ 0,2 jim de diamètre. Un tel milieu est utile pour modifier le comportement d'un système optique non linéaire et peut être utilisé comme milieu sensible pour une imagerie optique en temps réel de large bande. En utilisant de plus petites microbilles pour obtenir un milieu de plus faible grain, on peut obtenir la formation d'un réseau fin avec l'avantage d'une image de haute résolution, d'énergie nécessaire plus faible, et d'un temps de réponse plus rapide. L'enregistrement de structures de phase diffractantes ou franges se déroule de la façon suivante Le réseau d'indice est généré à partir d'un réseau de franges d'illumination provenant de l'interférence des deux fronts d'onde d'enregistrement On distingue donc deux types de configurations: "Par transmission", comme représenté à la figure 1, c'est à dire les deux ondes lumineuses 1 et 2 arrivent du même côté du milieu 3. "Par réflexion" comme représenté à la figure 2 les deux ondes 1 et 2 arrivent de part et d'autre du milieu 3 Il y a alors réflexions élémentaires sur des franges parallèles à la grande face du milieu L'onde diffractée apparait dans ce cas comme "réfléchie" sur la face avant du milieu. L'interférence de deux fronts d'onde dans un milieu d'interaction permet l'enregistrement en volume de structures de phase diffractantes sans limitation spatiale de résolution L'inscription d'un réseau holographique élémentaire est obtenue par interférence de deux ondes planes 1 et 2 de fronts d'onde E 1 et E 2 issues d'un laser La répartition spatiale d'intensité lumineuse, générée dans le volume du cristal, s'écrit: 1 (x) = 10 lr + m cos K x avec 2 \/ 1 m = l 12; m étant le taux de modulation des franges A étant le pas des strates par transmission le pas AT des franges 1 est lié à l'angle entre les deux faisceaux 2 O par la relation suivante: AT = 2 sin O X: longueur d'onde d'inscription. Typiquement AT vaut quelques p Im. Tandis que par réflexion, le milieu d'enregistrement doit posséder une très bonne résolution, le pas AR des franges 12 étant beaucoup plus faible: R, 2 N cos O' 2 O ' étant l'angle entre les 2 faisceaux dans le milieu indice n X = 0,5 pm n = 1,5 A Rm 2 N 0,15 lm Les microbilles diélectriques étant également disponibles dans de très O petites dimensions, par exemple de diamètre q X 200 A, il est possible de réaliser ces deux types de réseaux. Il est connu d'utiliser un aérosol de microbilles diélectriques comme milieu optique non linéaire. Le fonctionnement d'un tel matériau, utilise l'action sur une microbille diélectrique du champ électrique E du laser. Ces microbilles se comportent dans un champ électrique comme des -+ dip 8 les de polarisation P. > 3 -> -4- avec P = K r 3 E r: rayon des microbilles K: constante dépendant de l'indice de la microbille et du milieu d'immersion. Dans le cas d'un milieu illuminé par un réseau de franges, le champ électrique est modulé spatialement Ce gradient de champ induit une force qui provoque le déplacement des microbilles entre les zones correspondant à des franges sombres et brillantes. 4. F= grad ( 2 P E) = 2 K V (E 2) L'accumulation de microbilles crée une variation d'indice Qn dans le milieu, qui génère le réseau d'indice Ce changement d'indice est propor- tionnel au carré du champ électrique An E 2 La puissanc transportée par le laser est telle que: 1 E P = 2 N zn n étant l'indice du milieu et Z= 1 C= 377 co étant la permittivité du vide et C làa vitesse de la lumière dans le vide. Des réseaux d'indice enregistrés dans une structure contenant des microbilles ont mis en évidence les résultats suivants: An = 4 10-4 avec P = 104 W/cm 2 pour des microbilles de rayon r = 0,12 lrm et un pas de franges A = 3,5 lpm soit, pour une épaisseur d = 100 rim, un rendement de diffraction n T ln =sin 2 ( T Acs) = 87 % avec X o = 0,5 im -' = 45 dans le milieu extérieur Ces caractéristiques dépendent essentiellement des paramètres sui- vants: géométrie des microbilles et poids de celles-ci; viscosité du milieu d'immersion; densité de puissance incidente. Après ces quelques remarques sur les configurations de l'art connu, il est alors possible de présenter le procédé de fabrication de structures diffractantes selon l'invention. Selon l'invention, afin de pouvoir fixer la structure enregistrée, le support des microbilles diélectriques est constitué par un liquide photo- polymérisable. On peut utiliser soit un monomère en solution dans un solvant: par exemple, acrylonitrile ou méthacrylate de méthyle ou styrène, dans l'éthanol (on doit alors laisser s'évaporer ce solvant), soit une composition contenant un ou plusieurs monomères en mélange ou non avec un prépolymère réactif, par exemple: butanédiol diacrylate et/ou héxanédiol diacrylate et/ou tri- méthylolpropane triacrylate et/ou pentaérythritol triacrylate avec un pré- polymère époxy-acrylique ou polyester-acrylique ou polyuréthane-acrylique. Dans ce cas, le ou les monormères joue(nt) un r 8 le de "solvant réactif" puisqu'ils polymérisent également par addition d'un photosensibilisateur tel que la benzorne ou l'un de ses dérivés ou la benzophénone ou l'un de ses dérivés, le support se polymérisera par insolation à un rayonnement énergé- tique qui peut être, par exemple, un rayonnement ultra-violet. On peut aussi utiliser des monomères solubles dans l'eau. Le support d'enregistrement dans ce cas est obtenu par mélange direct des deux constituants: solution aqueuse de microbilles et monomère. L'acrylamide monomère par exemple sera utilisé avec un diazoique tel que le 2,4-dichlorobenzène-diazonium-tétrafluoroborate ou le para- diéthylamino-benzène-diazonium-tétrafluoro-borate comme photosensibili- sateur; les diazoiques étant une famille de colorants chimiques. Ainsi dans le procédé selon l'invention on considère un milieu 3 réalisé à l'aide de microbilles 4 en suspension dans un liquide polymérisable 5 comme représenté à la figure 3. L'interférence de deux ondes 1 et 2 planes de fronts d'onde 1 et 2 est représentée en figure 4 La configuration ici considérée est une confi- guration par transmission. Par insolation, par exemple aux rayons ultra-violets produits par une source 7, les réseaux d'indice enregistrés formés par l'accumulation de microbilles, formant des structures diffractantes, sont alors fixés insitu, comme réprésenté à la figure 5. A la figure 6 on effectue la lecture d'un tel milieu à l'aide d'une onde 9 de front d'onde e; on obtient alors une onde diffractée 10 de front d'onde zd. Les microbilles considérées dans le liquide photopolymérisable peuvent être par exemple en verre ou en latex. Avec de tels milieux, on peut réaliser des dispositifs optiques de petites dimensions et surtout un changement de longueur d'onde n'est pas nécessaire entre l'inscription du réseau et sa lecture. L'utilisation de microbilles en suspension dans un liquide, permet donc de synthétiser des milieux photosensibles, à haute résolution, fonctionnant par variation d'indice et ne nécessitant pas de développement Et l'immer- sion de ces microbilles dans un liquide polymérisable permet de réaliser des structures diffractantes pouvant être fixées in-situ par insolation du support aux rayons ultra-violets par exemple. Un tel milieu fonctionne à l'enregistrement pour toutes les longueurs d'onde puisque le processus de fabrication de la structure de phase est uniquement lié au champ électrique de l'onde lumineuse Ceci évite donc tout changement de longueur d'onde entre l'enregistrement et la lecture. Par conséquent, un tel support peut être utilisé pour la réalisation de composants optiques holographiques tels que lentilles ou miroirs et s'adapte particulièrement à l'enregistrement de microoptiques pour les fibres. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication de structures de phase diffractantes, ces structures comportant un milieu ( 3) formé de microbilles en matériau diélectrique ( 4) en suspension dans un liquide ( 5) dans lequel deux ondes lumineuses ( 1, 2) interfèrent; ce procédé comprenant une première étape pendant laquelle on fait interférer ces deux ondes lumineuses ( 1, 2) dans ce milieu, ce qui provoque l'enregistrement dans ce milieu ( 3) du réseau d'interférence de ces deux ondes (l, 2), caractérisé en ce que, le liquide ( 5) étant un liquide polymérisable, ce procédé comprend une deuxième étape consistant en la fixation du milieu par insolation de celui-ci à un rayon- nement énergétique, le réseau d'interférence étant alors fixé in-situ. 2 Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce que le rayon- nement énergétique est un rayonnement ultra-violet. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans la première étape les deux ondes lumineuses arrivent du même côté du milieu et interférent "par transmission". 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans la première étape les deux ondes lumineuses arrivent de part et d'autre du milieu et interférent "par réflexion". Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce que les micro- billes ( 4) sont en latex. 6 Procédé selon la revendication l, caractérisé ence que les micro- billes ( 4) sont en verre. 7 Procédé selon la revendication 1, caractérisé ence que le liquide polymérisable ( 5) comprend un photosensibilisateur. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ce photo- sensibilisateur fait partie de la famille des diazoiques. 9 Procédé selon la revendication 7, caractérisé ence que ce photo- sensibilisateur est la benzotne ou l'un de ses dérivés. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ce photo- sensibilisateur est la benzophénone ou l'un de ses dérivés.