Brevet FR2629217A1 — publié le 19890929

Dispositif de filtrage électromagnétique La présente invention concerne un dispositif de filtrage électromagnétique. Dans le domaine des ondes lumineuses les dispositifs de filtrage optique connus sont des filtres interférentiels basés sur le principe de l'empilement de couches minces dont la réalisation est rendue possible notamment par les techniques modernes d'évaporation sous vide. Il peut s'agir de couches minces en matériau métallique ou diélectrique, dont l'épaisseur peut être extrêmement variable, de quelques nanomètres à plusieurs microns. On sait actuellement réaliser des filtres à bande très étroite, comme par exemple les filtres Fabry-Pérot, permettant de sélectionner des raies dont la largeur peut descendre jusqu'à quelques nanomètres avec leurs harmoniques; de tels filtres comportent au moins une vingtaine de couches (en X/4) ainsi que des cavités Fabry Pérot (en â) en série. On sait réaliser également des filtres pour lesquels la transmission de deux raies préalablement fixées soit identique, l'une n'étant pas l'harmonique de l'autre, mais on ne sait pas simplement aller au delà. Par ailleurs, on sait fabriquer couramment des filtres passe-haut et des filtres passe-bas. On sait faire plus difficilement des filtres passebandes appelés "filtres-moins", plus complexes qui permettent d'éliminer une bande dans un domaine spectral déterminé. On ne sait pas réaliser un filtre à plusieurs bandes passantes. Pour une incidence oblique, on peut également changer l'état de vibration rectiligne, circulaire ou elliptique d'un faisceau lumineux avec l'utilisation de dép8ts déphasants, ou même séparer spatialement deux directions perpendiculaires de vibration par l'utilisation de dép8ts polarisants comme le font par exemple les cubes polariseurs de Mac Neille. La présente invention a pour but de réaliser un dispositif de filtrage permettant de disposer d'une raie de transmission extrêmement étroite sans émission dans le voisinage immédiat, c'est-à-dire bien -2- isolée dans le spectre, ou de disposer de plusieurs raies qui ne soient pas des harmoniques les unes des autres, ou de disposer de plusieurs bandes qui ne soient pas des harmoniques les unes des autres. La présente invention a pour objet un dispositif de filtrage électromagnétique comportant un empilement de cavités électromagnétiques sous forme de couches caractérisé par le fait que l'on part d'une première cavité A de fréquence propre;o et d'une seconde cavité B de fréquence propre O 1 et que l'empilement de couche An, n étant supérieur à 1, présente une séquence f telle que: A1 = f(A, B) B1 = g(A, B) A2 = f(A1, B1) B2 = g(A1, B1) A =f(An1 Bn_) Bn =g(An_ Bn n n-iP n-i n n-i9 n-i ledit empilement présentant ainsi une organisation multifractale. On peut, à titre d'exemple, obtenir les empilements An suivants: A = An1 Bn An avec n n-i n-i n-i n n-1 Bn-1 Bn-l, A = ABA et B = BBB ou A = A B A- n n-i n-l n-l avec n = An-l n-1 An-l, A1 = ABA et B1 = AAA ou An = An_1 Bn_1 An_1 Sn_11 An_1 avec Bn =nl Bnl Bn_1 Bnl nl, A1 = ABABA, B1 = BBBBB ou A = A B A B A n n-i n-l n-i n-l n-i avec B n =B Bn B B B an =n- n-l nl n-l n-l, A = ABABA, B = BAAAAAB ou An = An Bn An Bn_ a e Bn = nl nl Bnl Bnl, A1 = ABAB, B1 = BBBB n = An-1 n-l n-l n-l n- avec B nAn n nl, A1 =A AB AB, B1 = AAA n-iA 1BB ou An = An Bn_ 1 Bn aeBn = nl Bnl Bnl Bnl' A1 = AABB et B1 = BBBB n = An-l n-1 n-i n-l avecE =B B E E n n-1 An-1 n-l An-l, A1 = ABAB, B1 = BBAAAA ou A = A B A B B n n-l n- l n-1 n-l, avec Bn = An-l An-l An-i n-l, A1 = ABAB, B1 = AAAA ou A n= An AnBn- Bnl avec B n =B B1 Bn BAAEeE=EB n - -ln1n-1, A 1 = AB tB1=BB ou A n= An Bn- An Bnl avec B n = An-A n-i An-1 An1,A=BB AA ou A n= An An- En B n1 avec E =B.EB Bn B n-l n1 n-1n-1, A1 = AABB et B = BEBE -3- ou A= ou An = An-l An-1 Bn-1 Bn-1 avec =A A A A a nec A1n n--1 An- An- 1 = AABB et B1 = AAAA Les valeurs des fréquences propres OW et C1 sont définies par l'épaisseur eA, eBet l'indice nA, nB de la cavité correspondante A,B. Le premier empilement selon l'invention est l'empilement d'ordre 2. Ainsi pour un dispositif à empilement d'ordre 2 on aura par exemple la succession de filtres suivants: A2 = A B A = ABABBBABA, correspondant à sept couches superposées 2 11 1 B2 = BBBBBBBBB, correspondant à une couche. Pour un dispositif à empilement d'ordre 3, on aura la sucession de filtres suivants: - A3 = A2 B2 A2 = ABABBBABABBBBBBBBBABABBBABA (avec 15 couches) B3 = B2 B2 B2 = BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB (avec 1 couche) etc... Les filtres A2, A3, An, constituent des exemples d'empilements à organisation fractale. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront au cours de la description suivante de modes de réalisation donnés à titre illustratif mais nullement limitatif. _ La figure 1 montre les variations de l'énergie T transmise par un filtre de l'art antérieur de type ABA en fonction de lafréquence f normalisée du faisceau incident. - Les figures 2, 3, 4 sont des vues analogues à celles de la figure 1, mais respectivement pour des filtres selon l'invention, respectivement d'ordre 2, 3, 4. - La figure 5 est une vue analogue à celle de la figure 1, pour un filtre de l'art antérieur de type ABABA. - La figure 6 est analogue à la figure 2 pour un filtre selon l'invention d:ordre 2, mais présentant l'empilement ABABABBBBBABABABBBBBABABA. - La figure 7 est analogue à la figure 6 pour un filtre selon l'invention d'ordre 3. - Les figures 8A et 8B sont analogues à la figure 7 pour un filtre selon l'invention d'ordre 4. - La figure 9 est un diagramme appelé "attracteur étrange" et - 4 visualisant pour un filtre ABABBBABA d'ordre 2 les variations des transmissions des fréquences en fonction des variations de l'indice optique de B par rapport à l'indice optique de A. On part d'un filtre A d'indice nA = 2,4, d'un filtre B d'indice nB = 1,35. Les épaisseurs de A et B sont choisies de manière que CO = 1 On réalise un filtre selon l'art antérieur A1 = ABA, dont l'épaisseur optique totale est égale à 10 microns. Les fréquences f sont normalisées par le facteur 3 x 108. On observe dans la figure 1 que la bande passante sur l'énergie fondamentale, c'est-àdire harmoniques exclus, est comprise entre f1 et f2 et qu'il apparait dans le spectre une périodicité que l'on ne veut pas. La résolution est très moyenne et on ne voit pas de bandes isolées. La figure 2 correspond à la transmission d'un filtre d'ordre 2, c'est-àdire correspondant à un empilement selon l'invention ABABBBABA d'épaisseur optique totale égale à 10 microns. L'épaisseur du filtre A est alors eA = 0,469 m et l'épaisseur du filtre B est eB = 0,823 m. Il apparait sur les bords des raies fines f3, f4 dont la largeur est de o 203 4 1600A, et qui sont très bien résolues. La figure 3 correspond à la transmission d'un filtre d'ordre 3, c'est-àdire correspondant à l'empilement ABABBBABABBBBBBBBBABABBBABA d'épaisseur optique totale égale à 10 microns. L'épaisseur du filtre A est alors eA = 0,154 m et l'épaisseur du filtre B est eB = 0,274 m. La finesse des raies s'accroit et l'on observe en particulier deux raies bien indépendantes l'une de l'autre f5 et f6, cette dernière étant o particulièrement bien résolue. La largeur de raie est de 53 A. En outre on voit apparaître une bande passante très bien résolue entre f7 et f8. Le résultat est encore plus significatif à la figure 4 o l'on voit Q la transmission d'un filtre d'ordre 4 pour lequel eA = 514 A et eB = 914 A. Des raies sont très bien isolées aux fréquences f9, f10, fil, présentant des largeurs très inférieures à 10 A. On réalise ensuite un dispositif de filtrage comportant un autre type d'empilement de l'art antérieur ABABA. On part toujours d'un filtre A d'indice optique 2,4 et d'un filtre B d'indice optique 1,35. On réalise un filtre d'épaisseur optique globale égale à 10 microns, l'épaisseur du filtre A étant de 1,64M et celle du filtre B étant de 2,537.-.. La figure 5 montre la transmission de ce filtre qui présente une mauvaise résolution. La figure 6 correspond à un filtre selon l'invention d'ordre 2, c'est-àdire comportant l'empilement: ABABABBBBBABABABBBBBABABA sur une épaisseur optique de 10 microns. L'épaisseur de la couche A est de 0,269 et celle de la couche B de 0,416. On voit apparaître des raies isolées aux fréquences fi2 et fli qui ne sont pas des harmoniques l'une de l'autre, et de belles bandes passantes. La figure 7 correspond à un filtre présentant la même séquence que la figure 6 mais d'ordre 3. L'épaisseur de la couche A est alors de O o 440 A et celle de la couche B de 1060 A. On voit apparattre des raies très fines au bord du spectre aux fréquences fl4 et fl5, ces raies sont très bien résolues. Des bandes bien séparées apparaissent également% Ce phénomène est également visible dans les figures 8A et 8B o l'on a un filtre de même séquence, mais d'ordre 4. Dans ce cas o sc - l'épaisseur de A est de 100 A et l'épaisseur de B de 110 A. On remarque les raies f14' f15' f16' On peut voir dans la figure 9 comment varient les fréquences transmises en fonction de la variation du rapport des indices de A et de B. Le diagramme obtenu est un attracteur étrange. Cette variante correspond à un filtre d'ordre 2, comme celui de la figure 2, avec une couche A d'indice égal à 2,4 et une couche B avec un indice variant (en abscisse) de 1,2 à 9. Quand la transmittance est supérieure à 0,7, on a un point noir si elle est inférieure on a du blanc. On voit que dans certaines zones d'indices, il est plus aisé de sélectionner les fréquences. La connaissance de l'attracteur étrange permet d'établir la valeur relative des indices permettant de localiser une bande choisie. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation 26 2 9217 -6- qui ont été décrits ci-dessus, en particulier l'invention n'est pas limitée au filtrage des longueurs d'ondes optiques. Par ailleurs l'application de la séquence porte soit sur les épaisseurs géométriques des couches, soit sur les épaisseurs optiques de ces couches. -7 - REVENDICATIONS 1/ Dispositif de filtrage électromagnétique comportant un empilement.de cavités électromagnétiques sous forme de couches, caractérisé par le fait que l'on part d'une première cavité A de fréquence propre LU et o d'une seconde cavité B de fréquence propre O 1 et que l'empilement Ani avec n supérieur à 1, présente une séquence f telle que: A1 = f(A, B) B1 = g(A, B) A2 = f(A1, B1) B2 = g(A1, B1) An f(A n-î'n-i)Bn g(A n-l Bn-1) go An = f(An-1Bnl' Bn =gA-1) u ledit empilement présentant ainsi une organisation multifractale. 2/ Dispositif de filtrage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite séquence f est telle que: A = An-1 Bn-1 An-1 avec n n-i ni n-i B =5 B B n n-1 n-1 n-1, A = ABA et B = BBB ou A = An-1 Bn-1 An-1 avec Bn =An1 An-1 An_, A1 = ABA et B1 = AAA 3/ Dispositif de filtrage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite séquence f est telle que: A =A B A B A n = An-1 n-1 An-1 Bn-1 n-1 avecn n-1 n-1 n-1 n-1 Bn-, A1 = ABABA, B = BBBBB ou A = An Bn- An- Bn- An- n n-i n-i n-i n-i n-l avec Bn An-1 A n-1 A n-1 A n-1 A n-1, A1 = ABABA, B = AAAAA 4/ Dispositif de filtrage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite séquence f est telle que: -An = An_1 Bn-1 An-1 Bn1 avec Bn = Bn-1 Bn-1 Bn-1 Bnl, A1 = ABAB, B1 = BBBB ou An = An1 Bn1 An Bn1 n n-i n-i n-l n-i avec B =5A B B B avec B n An-1 An-1 An-1 An-1, A1 = ABAB, B1 = AAAA / Dispositif de filtrage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite séquence f est telle que: An An_- An- Bn- Bn- avec Bn =Bn-1 Bn-1 Bn-1 Bn-1, A1 = AABB et B1 =BBBB ou An = An_1 Bn-l Anl Bnl -8- avec Bn = An-1 An-1 An-l An-1, A1 = ABAB, B1 = AAAA 6/ Dispositif de filtrage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite séquence f est telle que: An = An-1 An-1 Bn-l Bn-l, avec Bn Bn1 Bn-1 Bn-1 Bn-1, A1 = AABB et B1 = BBBB ou A = An An _ BnBn n n-1 n-i ni n-i avec =A A A A n n-1 n-1 n-1 n-_, A1= AABB et B = AAAA 7/ Dispositif de filtrage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite séquence f s'applique sur les épaisseurs géométriques desdites couches. 8/ Dispositif de filtrage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par-le fait que ladite séquence f s'applique sur les épaisseurs optiques desdites couches.