Brevet FR2629924A1 — publié le 19891013

Polariseur à couches diélectriques La présente invention concerne la réalisation d'un polariseur, (c'est-à-dire) (et plus particulièrement) d'un dispositif apte, lorsqu'il reçoit un faisceau lumineux non polarisé ou présentant une polarisation quelconque, à le séparer en deux faisceaux de sortie polarisés linéairement selon deux directions distinctes prédéterminées. Les polariseurs à couches diélectriques du genre cube polariseur sont bien connus dans le domaine optique depuis une quarantaine d'années. Ils ont été inventés par Mac Neille et fabriqués par Banning (voir les documents 1-2 dont les références bibliographiques sont indiquées à la fin de la présente description). Ils dirigent selon deux directions de propagation perpendiculaires les deux composantes s et p du faisceau lumineux incident. Ces composantes sont celles dont les directions de vibration du champ électrique sont respecti- vement perpendiculaire et parallèle au plan d'incidence de ce faisceau. Ces polariseurs utilisent le fait que la réflexion et la transmission de la lumière à travers un empilement de couches minces déposées sur un support traversé en incidence oblique sont différentes suivant la direction de vibration de la lumière incidente. Ils se présentent sous la forme d'un cube qui est généralement constitué de verre et qui est coupé selon un plan passant par deux arêtes opposées pour faire apparaître deux faces obliques en regard dites faces hypoténuses. Une au moins de ces faces est revêtue d'un empilement polarisant. L'angle des deux prismes qui forment le cube est de 45 degrés, ce qui nécessite que ces prismes soient collés par leurs faces hypoténuses pour éviter la réflexion totale de la lumière sur l'une de ces faces à l'intérieur du cube. Les faces d'entrée et de sortie du cube sont généralement traitées antireflet. L'empilement polarisant est habituellement constitué de couches alternées à haut et bas indices nH et nB. Les conditions que doivent vérifier entre eux les indices des couches déposées et l'indice nO du substrat constitué par le ou les prismes portant ces couches sont indiquées dans la littérature (voir documents 1 à 4) pour des couches dont les épaisseurs optiques sont en quart d'onde en incidence oblique. Une couche est dite en quart d'onde pour une lumière d'une certaine longueur d'onde reçue sous une certaine incidence lorsque les deux fractions de cette lumière qui sont réfléchies sur les deux faces de cette couche se retrouvent en opposition de phase. Une couche d'épaisseur moitié est dite en huitième d'onde. Pour qu'un polariseur soit efficace, il est nécessaire que la transmission Tp, relativement à la vibration p, soit proche de l'unité et que sa transmission Ts, relativement à la vibration s, soit pratiquement nulle. Couramment un bon polariseur doit présenter une transmission T d'au moins 0,97 et une transmission T inférieure -2 ceu p s à 10, ce qui correspond à un taux de blocage de 20dB ou plus pour la vibration s. On connaît des polariseurs multidiélectriques qui sont efficaces dans un domaine spectral étendu. Malheureusement ils ne le sont que dans un faible champ angulaire, qui est typiquement inférieur à + 2 degrés à partir de l'incidence normale par rapport à la face avant du cube polariseur. Plus précisément on observe pour la vibration, p, une perte d'insertion supérieure à 0,5dB dès que l'angle d'incidence sur la face avant du polariseur dépasse 2 degrés. Une telle perte est excessive. La présente invention a notamment pour but de réaliser un polariseur à couches diélectriques qui évite une perte excessive de transmission de la vibration p quand l'angle d'incidence du faisceau à polariser varie de plus de 2 degrés alors que l'étendue spectrale de ce faisceau est limitée. Elle a aussi pour but de réaliser des polariseurs présentant un champ angulaire d'efficacité important, de l'ordre de. 10 degrés pour une lumière sensiblement monochromatique. De tels polariseurs peuvent être appelés polariseurs grand champ. Parmi les applications possibles des polariseurs grand champ on citera le cas de la polarisation d'un faisceau de lumière infrarouge issu d'un laser semi-conducteur émettant une longueur d'onde de - 3- 1,3 ou 1,55 micron. Un tel faisceau présente l'avantage d'être monochromatique. Mais il présente aussi l'inconvénient d'une divergence de plusieurs degrés. Si on utilise un polariseur connu du type Mac Neille il est nécessaire d'adjoindre un système de lentilles qui collimate le faisceau laser avant qu'il traverse le polariseur. L'emploi d'un polariseur grand champ permet d'éliminer le dispositif collimateur, ce qui conduit à un ensemble plus compact, moins coûteux et qui minimise les pertes d'insertion. Dans les buts indiqués ci-dessus la présente invention a pour objet un polariseur à couches diélectriques comportant un empilement de couches diélectriques à haut et bas indices alternés sur une face oblique d'un substrat et caractérisé par le fait que cet empilement est symétrique et commence et finit par deux couches de même indice à demi épaisseur. De manière plus détaillée la présente invention a notamment pour objet un polariseur à couches diélectriques pour polariser une lumière présentant une longueur d'onde, ce polariseur comportant - des moyens d'entrée pour former ou transmettre un faisceau incident qui est constitué de ladite lumière et dont les rayons ont des directions voisines d'une direction d'incidence prédéterminée, - un substrat transparent présentant, sur le trajet de ce faisceau incident, une face oblique par rapport à cette direction d'incidence, - et un empilement polarisant formé sur cette face oblique et constitué de couches diélectriques minces, ces couches étant des couches polarisantes à premier et deuxième indices qui présentent un premier et un deuxième indices de réfraction pour ladite lumière et qui se succèdent alternativement à partir de cette face oblique avec des épaisseurs différentes, la succession de ces couches présentant la forme d'une succession périodique de séquences de base dont chacune est constituée par plusieurs couches diélectriques minces présentant ces premier et deuxième indices de manière alternée, ces séquences étant identiques les unes aux autres quant aux indices et aux épaisseurs des couches qui les constituent, - ladite direction d'incidence formant, avec la direction perpendicu- laire à ladite face oblique et auxdites couches polarisantes, un -4- angle d'incidence qui est situé dans un plan d'incidence et qui a une valeur telle que, compte tenu de ladite longueur d'onde et desdits indices et épaisseurs des couches polarisantes, ledit empi- lement polarisant sépare ledit faisceau incident en un faisceau transmis et un faisceau réfléchi de polarisations croisées, - ce polariseur étant caractérisé par le fait que ladite séquence de base est une séquence symétrique constituée d'une dite couche polarisante à deuxième indice présentant une épaisseur optique à deuxième indice et de deux couches à premier indice à demi épaisseur identiques l'une à l'autre, situées de part et d'autre de cette couche à deuxième indice et présentant à elles deux une épaisseur optique à premier indice, de sorte que deux telles couches à premier indice à demi-épaisseur s'unissent à chaque interface entre deux séquences de bases consécutives pour former une dite couche polarisante à premier indice à épaisseur entière. Il en résulte que ledit empilement polarisant forme une succes- sion symétrique desdites couches polarisantes. Cette succession commence et finit par deux dites couches à premier indice à demi épaisseur et elle est constituée dans l'intervalle par desdites couches polarisantes à deuxième indice et à premier indice à épaisseur entière qui se succèdent alternativement en commençant et en finissant par une couche à deuxième indice. Selon l'invention on peut adopter de plus, lorsque les circons- tances s'y prêtent, certaines dispositions préférées. Selon l'une de ces dispositions, dans le cas o lesdits premier et deuxième indices sont respectivement bas et haut, une épaisseur de base W est donnée, à partir d'une proportion d'indice bas P, par une égalité 1/W = 1,92 - 0,77 P, - cette épaisseur de base W étant une épaisseur totale relative W1/W et étant égale au rapport de l'épaisseur optique totale W1 = 2neB + neH de ladite séquence de base à une épaisseur-de référence Wo - cette proportion d'indice bas P étant une proportion relative P 1/P des épaisseurs optiques à bas indice, étant déduite de la 1 0 proportion totale P1 = 2neB/(2neB + neH) des épaisseurs optiques 2neB desdites couches à bas indice dans les épaisseurs optiques -5- 2neB + neH de ladite séquence de base, et étant égale au rapport P1/Po de cette proportion totale P1 à une proportion de référence Po' - cette épaisseur de référence W et cette proportion de référence PC étant définies sur un polariseur de référence qui est un dit polariseur à couches diélectriques dans lequel lesdites couches polarisantes à haut indice et à bas indice à épaisseur entière sont des couches en quart d'onde pour ladite lumière et pour ledit angle d'incidence Ao, cette épaisseur de référence WO et cette proportion de référence P0 étant l'épaisseur optique totale 2neBO + neHO et la, proportion totale des épaisseurs optiques à bas indice 2neBO/(2neBO + neHO), respectivement, dans ladite séquence de base dudit polariseur de référence. L'égalité ci-dessus peut être utilisée de la manière suivante dans le cas o l'empilement polarisant du polariseur de référence est situé dans la masse d'un bloc transparent d'indice de réfraction no. On choisit les matériaux, donc les indices de réfraction nB et nH, desdites couches polarisantes à bas et haut indices, respecti- vement. On choisit aussi ledit angle d'incidence Ao. Les épaisseurs optiques desdites couches polarisantes à bas indice à épaisseur entière 2neo et à haut indice en quart d'onde sont alors obtenues en multipliant ladite longueur d'onde par les facteurs suivants, respectivement 0,25 (1n2 sin2 A o/n) 1/2 et 0 B 2 2 2 -1/2 0,25 (1-n2 sin A o/nH Ces épaisseurs optiques étant calculées ladite épaisseur de référence et ladite proportion de référence sont données par les égalités Wo _ 2neBO + neHO 6- PO = 2neBO/Wo A partir de ces valeurs, le choix d'une proportion relative d'indice bas P définit une épaisseur relative de base W, donc.des épaisseurs optiques 2neBet neH des couches polarisantes, c'est- à-dire que la séquence de base est entièrement définie. Selon deux autres dites dispositions préférées cette proportion d'indice bas P est comprise entre 0,8 et 1,5, et ledit angle d'indi- cence A0 est compris entre 20 et 70 degrés. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire plus particulièrement ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment la présente invention peut être mise en oeuvre dans le cadre de l'exposé qui en a été donné ci-dessus. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. Le mode de mise en oeuvre donné en exemple comporte les dispositions préférées mentionnées ci-dessus. Il doit être compris que les éléments mentionnés peuvent être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. La figure 1 représente une vue en coupe d'un polariseur selon l'invention. La figure 2 représente un détail II de la figure 1 à échelle agrandie. Les figures 3 et 4 représentent chacune trois.diagrammes de transmission d'une vibration lumineuse à polarisation s pour la figure 3 et à polarisation p pour la figure 4. Conformément à la figure 1 le polariseur donné en exemple comporte - une face d'entrée 12 sensiblement perpendiculaire à ladite direction d'incidence 14 pour constituer lesdits moyens d'entrée transmettant à l'intérieur de ce bloc ledit faisceau incident 16, - une face de sortie en transmission 26 située sur le trajet dudit faisceau transmis 28, - et une face de sortie en réflexion 18 située sur le trajet dudit faisceau réfléchi 20, - l'une au moins desdites faces de sortie 26, 18 étant sensiblement - 7- perpendiculaire audit faisceau transmis ou réfléchi sur le trajet duquel elle est située. Pour réaliser ladite face oblique 4 ce bloc est constitué de deux prismes 8 et 10. Ces prismes sont constitués d'un même verre qui est choisi pour ne présenter aucune biréfringence. Le prisme 8 comporte ladite face d'entrée 12 qui est perpendiculaire à ladite direction d'incidence 14. Cette dernière est aussi celle du faisceau incident 16 et elle est représentée horizontale. Ce prisme constitue ledit substrat et porte la face oblique 4 et une face de sortie en réflexion 18 qui est choisie de préférence perpendicu- laire audit faisceau réfléchi 20 si celui-ci doit être utilisé. Sur cette face oblique est formé ledit empilement polarisant 22. Le prisme 10 est fixé sur cet empilement par une couche de colle 24. Il présente une face de sortie en transmission 26 qui est de préférence perpendiculaire au faisceau transmis 28 si celui-ci doit être utilisé. La couche de colle 24 a un indice de réfraction voisin de, et de préférence intermédiaire, entre celui des couches polarisantes à bas indice et celui du substrat. Ce dernier indice est de préférence intermédiaire entre celui des couches polarisantes à bas et haut indices de l'empilement 22. Des couches antireflets non représentées peuvent être déposées sur les faces d'entrée et de sortie 12, 18 et 26. Conformément à la figure 2 l'empilement polarisant 22 compbrte, à partir de la face oblique 4 du substrat 8, une couche à bas indice à demi épaisseur 30, une couche à haut indice 31, une couche à bas indice à épaisseur entière 32, une couche à haut indice 33, une couche à bas indice à épaisseur entière 34, et ainsi de suite alternativement jusqu'à une couche à haut indice, qui est suivie d'une couche terminale à bas indice à demi épaisseur non représentées. Chaque couche à bas indice à épaisseur entière telle que 32 peut être considérée comme l'addition de deux couches à bas indice à demi épaisseur telles que 40 et 42, de sorte que l'empilement 22 peut être considéré comme entièrement constitué par la succession de séquences de bases identiques telles que la séquence qui comporte - 8 - les deux couches à bas indice à demi épaisseur 30 et 40 de part et d'autre de la couche à haut indice 31. Les épaisseurs des couches individuelles peuvent sans perte sensible d'efficacité varier de manière aléatoire dans une proportion, pouvant atteindre 10% à condition que l'épaisseur correcte précédemment indiquée de la séquence de base soit respectée, au moins en moyenne sur la hauteur de l'empilement, avec une précision de l'ordre de 2 à 3 %. A titre indicatif les figures 3 et 4 représentent chacune trois diagrammes de transmission sl, s2, s3 et pl, p2, p3 exprimés en décibels pour les vibrations à polarisations s et p des faisceaux réfléchi et transmis dans trois cas C1, C2, C3 correspondant à trois dépôts similaires, respectivement. Ces dépôts ont été reproduits pour une longueur d'onde prise pour unité et réalisés avec les matériaux suivants: SiO2 pour les couches polarisantes à bas indice (nB = 1,45), TiO2 pour les couches polarisantes à haut indice (nH = 2,2), et verre D2050 de la Société Française SOVIREL pour le substrat (n = 1,7). L'angle entre les faces d'entrée 12 et oblique 4 du prisme 8 valait 50 degrés. Dans le cas Cl, P = 1, (ne)B = 0,1944 et (ne) = 0,2596 Dans le cas C2, P = 1,15, (ne)B = 0,2485 et (ne)H = 0,2237 Dans le cas C3, P = 1,30, (ne)B = 0,3162 et (ne)H = 0,1789 Le nombre des séquences de bases était de onze. Sur les diagrammes on a porté en abscisses l'angle en degrés entre la direction de propagation d'un faisceau d'entrée extérieur et la perpendiculaire à la face d'entrée 12. Lorsque cet angle d'indidence d'entrée vaut par exemple 10 degrés l'angle d'incidence précédemment mentionné, Ao0, qui est un angle d'incidence sur l'empi- lement, vaut 55,86 degrés. Les documents suivants peuvent être utilement consultés pour la compréhension et la mise en oeuvre de la présente invention. 1 Mac Neille, S.M. "Beam splitter" U.S. specification 2403731 du 9 juillet 1946 9- 2 Banning, M. "Practical methods of making and using multilayers filters", J. opt. Soc. Am, 37, P 792-797 (1947) 3 Macleod, H. A, Thin Film Optical Filters, second Edition, *" Macmillan Publishing Company (1986) 4 Netterfield, R,P "Practical thin film polarizing beam- splitters, Optica Acta, 24 p 69-79 (1977) Mouchart, J. "Revêtements optiques à structure périodique. I: Fonctions caractéristiques", Appl. opt.20, P 4201-4206 (1981) 6 Herpin, A, C.R. Acad. Sci. 225, p 182 (1947). - 10 - REVENDICATIONS 1/ Polariseur à couches diélectriques comportant un empilement de couches diélectriques à haut et bas indices alternés sur une face oblique (4) d'un substrat (8) et caractérisé par le fait que cet empilement (22) est symétrique et commence et finit par deux couches de même. indice à demi épaisseur. 2/ Polariseur à couches diélectriques pour polariser une lumière présentant une longueur d'onde, ce polariseur comportant - des moyens d'entrée (12) pour former ou transmettre un faisceau incident qui est constitué de ladite lumière et dont les rayons ont des directions voisines d'une direction d'incidence prédéterminée, - un substrat (8) transparent présentant, sur le trajet de ce faisceau incident, une.face (4) oblique par rapport à cette direction d'inci- dence, - et un empilement polarisant formé sur cette face oblique et constitué de couches diélectriques minces, ces couches étant des couches polarisantes à premier et deuxième indices qui présentent un premier et un deuxième indices de réfraction pour ladite lumière et qui se succèdent alternativement à partir de cette face oblique avec des épaisseurs différentes, la succession de ces couches présentant la forme d'une succession périodique de séquences de base dont' chacune est constituée par plusieurs couches diélectriques minces présentant ces premier et deuxième indices de manière alternée, ces séquences étant identiques les unes aux autres quant aux indices et aux épaisseurs des couches qui les constituent, - ladite direction d'incidence formant, avec la direction perpendicu- laire à ladite face oblique et auxdites couches polarisantes, un angle d'incidence qui est situé dans un plan d'incidence et qui a une valeur telle que, compte tenu de ladite longueur d'onde et desdits indices et épaisseurs des couches polarisantes, ledit empi- lement polarisant sépare ledit faisceau incident (16) en un faisceau. transmis (28) et un faisceau réfléchi (20) de polarisations croisées, - ce polariseur étant caractérisé par le fait que ladite séquence de base est une séquence symétrique (30, 31, 40) constituée d'une dite couche polarisante à deuxième indice (31) présentant une épaisseur - 11 - optique à deuxième indice (neH) et de deux couches à premier indice à demi épaisseur (30, 40) identiques l'une à l'autre, situées de part et d'autre de cette couche à deuxième indice et présentant à elles deux une épaisseur optique à premier indice (2 neB), de sorte que deux telles couches à premier indice à demi-épaisseur (40, 42) s'unissent à chaque interface entre deux séquences de bases consécutives pour former une dite couche polarisante à premier indice à épaisseur entière (32). 3/ Polariseur selon la revendication 2 dans lequel lesdits premier et deuxième indices sont des indices bas et haut, respectivement, et caractérisé en ce qu'une épaisseur de base W est donnée, à partir d'une proportion d'indice bas P, par une égalité 1/W = 1,92 - 0,77 P. - cette épaisseur de base W étant une épaisseur totale relative (W1/Wo) et étant égale au rapport de l'épaisseur optique totale (W1 = 2neB + neH) de ladite séquence de base (30, 31, 40) à une épaisseur de référence Wo cette proportion d'indice bas P étant une proportion relative (P1/P0) des épaisseurs optiques à bas indice, étant déduite de la proportion totale (P1 = 2neB/(2neB + neH)) des épaisseurs optiques (2neB) desdites couches à bas indice (30, 40) dans les épaisseurs optiques (2neB + neH) de ladite séquence de base, et étant égale au rapport (P 1/Po) de cette proportion totale (P1) à une proportion de référence (Po), - cette épaisseur de référence (W0) et cette proportion de référence (P 0) étant définies sur un polariseur de référence qui est un dit polariseur à couches minces dans lequel lesdites couches polarisantes à haut indice et à bas indice à épaisseur entière sont des couches en quart d'onde pour ladite lumière et pour ledit angle d'incidence (Ao), cette épaisseur de référence (W0) et cette proportion de référence (P) étant l'épaisseur optique totale (2neBo + neH) 0 BO HO et la proportion totale des épaisseurs optiques à bas indice (2neBO/(2neBO + neHO)), respectivement, dans ladite séquence de base dudit polariseur de référence. 4/ Polariseur selon la revendication 3, caractérisé par le fait - 12 - que ladite proportion d'indice bas P est comprise entre 0,"et 1,5. / Polariseur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit angle d'indicence (A0) est compris entre 20 et 70 degrés. 6/ Polariseur selon la revendication 2, présentant la forme d'un bloc transparent (2) dans la masse duquel sont situées ladite face oblique (4) et ledit empilement polarisant (6), ce bloc comportant - une face d'entrée (12) sensiblement perpendiculaire à ladite direction d'incidence (10) pour constituer lesdits moyens d'entrée transmettant à l'intérieur de ce bloc ledit faisceau incident (16), - une face de sortie en transmission (26) située sur le trajet dudit faisceau transmis (28), - et une face de sortie en réflexion (18) située sur le trajet dudit faisceau réfléchi (20), l'une au moins desdites faces de sortie (26, 18) étant sensiblement perpendiculaire audit faisceau transmis ou réfléchi sur le trajet duquel elle est située.