Brevet FR2714489A1 — publié le 19950630

Dispositif optique sensible à la polarisation. L'invention concerne le traitement des faisceaux de lumière, en particulier dans l'infrarouge. Un des moyens pour contrôler les faisceaux de lumière dans l'infrarouge consiste à utiliser leur polarisation. Pour cela, on sait utiliser une succession de lames à incidence de Brewster, avec certains matériaux. Par exemple, un jeu de six lames en séléniure de zinc (ZnSe) permet d'obtenir une extinction de 10-3 de la polarisation rejetée. Avec du germanium, on peut atteindre une extinction de 2.10-4. Toutefois, les outils connus pour agir sur la polarisation ne sont pas satisfaisants. Tout d'abord, leur efficacité en extinction de la polarisation rejetée n'est pas suffisante pour certaines applications. Ensuite, ces polariseurs sont sensibles à ce qu'on peut appeler un "déplacement du faisceau". Par exemple, dans le cas des polariseurs utilisant des lames de Ge ou de ZnSe, on doit chercher à compenser le déplacement du faisceau par l'utilisation de deux groupes de lames d'épaisseur identique; dans chacun des deux groupes de lames, les lames doivent être parfaitement parallèles entre elles; enfin, le second jeu de lames identique au premier doit former avec celui-ci un angle égal à deux fois l'incidence de Brewster. Il en résulte que le montage des lames des polariseurs connus est particulièrement délicat, compte tenu des précautions importantes qu'il faut respecter. Par ailleurs, il existe dans les polariseurs connus des "faisceaux multiples" issus de propagations non rejetées. Pour supprimer ces faisceaux multiples, il serait nécessaire d'effectuer un traitement anti-reflet sur l'une des faces de chaque lame. Ces traitements anti-reflet sont délicats et onéreux, tout particulièrement dans l'infrarouge. En plus, les meilleurs traitements anti-reflet connus ne sont efficaces qu'à 98% au maximum dans une fenêtre de longueur d'onde qui va de 8 à 12 micromètres. Enfin et surtout, les polariseurs connus ne fonctionnent que pour des puissances relativement limitées. Par exemple, pour des puissances supérieures à 100 watts, le germanium devient inutilisable, et le polariseur en ZnSe doit être refroidi par eau. Il n' existe donc pas actuellement de solution véritablement satisfaisante. La présente invention vient apporter une solution à ce problème. Le dispositif proposé à cet effet comprend, de façon connue, au moins une lame, utilisée à une incidence voisine de l'incidence de Brewster. Selon une caractéristique générale de la présente invention, cette lame est une membrane de diamant. Avantageusement, son épaisseur optique (le produit de l'épaisseur physique par l'indice de réfraction) est voisine d'un multiple impair du quart de la longueur d'onde au centre de la bande optique à traiter. De préférence, ladite membrane de diamant possède une épaisseur physique comprise entre 0,4 et 2,1 micromètres environ, mieux entre 0,5 et 2 micromètres environ, pour une longueur d'onde de l'ordre de 10 micromètres. Elle possède également une ouverture utile de quelques centimètres. Dans un mode de réalisation de l'invention, la membrane est déposée sur un substrat de silicium dont la partie centrale en regard de la membrane est ensuite éliminée par attaque chimique. Plus précisément, le substrat peut présenter une épaisseur de l'ordre de la centaine de micromètres, pour un diamètre de quelques centimètres, tandis que l'ouverture obtenue par attaque chimique est de forme elliptique avec des dimensions d'axe de l'ordre du centimètre, typiquement quelques centimètres. On peut réaliser un excellent polariseur infrarouge en utilisant plusieurs lames parallèles de ce genre, sans précaution particulière de montage. Le nombre de lames superposées fixera la valeur du coefficient de transmission de la polarisation indésirable. Pour des applications en polariseur, les lames sont au nombre d'au moins quatre, de préférence au moins six. Elles peuvent être fixées, entretoisées, sur une monture commune recevant le faisceau incident selon l'angle de Brewster. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1A montre une membrane de diamant déposée sur un substrat de silicium; - la figure 1B montre le substrat de silicium évidé dans sa partie centrale; - la figure 2 montre un empilement de six membranes sur substrat de silicium, à l'intérieur d'une monture optique; - la figure 3 est un schéma optique symbolique de principe illustrant l'application d'un faisceau à un empilement de six membranes selon la présente invention; - les figures 4A et 4B montrent le coefficient de réflexion d'une membrane de diamant d'épaisseur 1,16 micromètre en fonction de l'angle d'incidence, pour une longueur d'onde de 10,6 micromètres, et respectivement pour la polarisation S et la polarisation P; - les figures 5A et 5B font de même, mais pour le coefficient de transmission; - les figures 6A à 6C montrent la transmission de la polarisation S par une lame de diamant à l'angle de Brewster, d'une part pour différentes gammes d'épaisseurs en ce qui concerne les figures 6A et 6B, d'autre part en fonction de la longueur d'onde pour une épaisseur donnée de 1,23 micromètre en ce qui concerne la figure 6C; et - les figures 7A à 7C constituent la même représentation que les figures 6A à 6C, mais pour un jeu de six lames de diamant parallèles illuminées selon l'angle de Brewster. Les dessins annexés sont pour l'essentiel de caractère certain. Ils font donc partie intégrante de la description, et pourront non seulement servir à mieux faire comprendre celle-ci, mais aussi contribuer à la définition de l'invention le cas échéant. On sait déposer des membranes ultra-minces de diamant polycristallin sur un substrat de silicium (figure 1A). La figure 1A montre une telle membrane 10 sur un substrat 15. Typiquement, une membrane d'épaisseur environ 1,23 micromètre peut être déposée sur un substrat de silicium d'épaisseur typique 250 micromètres, pour un diamètre de 50 millimètres. Par attaque chimique, le substrat est détruit dans sa partie centrale (figure 1B), ce qui laisse la membrane de diamant libre à cet endroit. La forme de l'ouverture ainsi réalisée dans le silicium peut être choisie à volonté. Une ouverture elliptique peut être intéressante, au moins dans certains cas. Par exemple, si l'on souhaite utiliser six lames de diamant empilées, le choix d'une ouverture elliptique d'axes 15 et 25 millimètres permet de traiter un faisceau d'infrarouge de diamètre 8 millimètres sans risquer de diaphragmer ce faisceau à l'incidence de Brewster. Comme le montre la figure 2 (qui n'est pas à l'échelle), les six membranes avec leurs supports de silicium sont empilées les unes sur les autres et placées dans une monture 19 du type monture de séparatrice, d'ouverture 50 millimètres de diamètre, pour recevoir les supports des membranes. Une bague 18 se vissant sur la monture 19 assure une bonne application des membranes les unes sur les autres et les rend solidaires de la monture. Deux anneaux de téflon 16 et 17 encadrant les lames assurent une bonne répartition de la pression qui s'exerce à la périphérie des deux substrats externes. On remarquera la simplicité de ce montage optique, puisque les lames empilées sont rendues naturellement parallèles les unes aux autres. Il ne reste plus qu'à positionner le dispositif sous une incidence de Brewster par rapport au faisceau, à partir de la monture, comme illustré schématiquement sur la figure 3. Les figures 4A et 4B font apparaître les mesures du coefficient de réflexion d'une membrane de diamant d'épaisseur 1,16 micromètre en fonction de l'angle d'incidence, pour une lumière à infrarouge à la longueur d'onde de 10,6 micromètres. Les signes + et x correspondent à deux membranes d'épaisseurs très voisines. La figure 6A montre que la polarisation S est réfléchie à un taux qui commence à 47% pour une incidence d'environ 10 angulaires, pour atteindre 85% au voisinage de l'incidence de Brewster (66 40'). De son côté, la polarisation P est réfléchie à environ 50% au voisinage de l'incidence de 10 angulaires, puis au-delà de 10 , son coefficient de réflexion diminue pour atteindre environ 4% à 58 d'incidence. Dans les mêmes conditions, le Demandeur a également mesuré la transmission de la même membrane de diamant. La figure 5A montre que la transmission de la polarisation baisse d'environ 50% à 0 , jusqu'à 4% à l'incidence de Brewster. De son côté, la polarisation P est transmise depuis environ 50% jusqu'à 94% à 62" angulaires d'incidence. Ces courbes résultent de travaux expérimentaux du Demandeur, effectués à l'aide d'un laser à CO2 à la longueur d'onde de 10,6 micromètres. Des mesures très précises du coefficient de transmission à l'incidence normale et à l'incidence de Brewster ont ainsi pu être effectuées, ce qui a également permis d'obtenir une détermination très précise de l'indice de réfraction des membranes polycristallines de diamant à cette longueur d'onde. Par ailleurs, l'examen de ces courbes a conduit le Demandeur à penser que les membranes de diamant étaient très faiblement absorbantes. De fait, les lames de diamant qui ont fait l'objet des expérimentations ont supporté pendant plusieurs heures un faisceau laser de l'ordre de 10 watts sur une surface de 10 millimètres carré, ce qui correspond à une densité de puissance de 100 watts/centimètre carré, et ce sans dommages. Aucune absorption n'a pu être mesurée. En outre, l'épaisseur exceptionnellement faible de la membrane de diamant, et également le fait que le diamant est un conducteur thermique exceptionnel (20 fois meilleur que le cuivre) font que les membranes de diamant ont un seuil très élevé de puissance supportable. Le Demandeur a également constaté que les membranes de diamant possédaient des caractéristiques optiques assez peu sensibles aux légères variations de l'angle d'incidence. Ainsi, la figure 6A montre la transmission de la polarisation S par une lame de diamant à l'angle de Brewster, toujours à la longueur d'onde de 10,6 micromètres. Il apparaît que cette courbe de transmission reste parfaitement plate entre 0,75 et 1,8 micromètre d'épaisseur, comme le montre également la figure 6B, dont l'échelle verticale est fortement agrandie. Par ailleurs, la figure 6C montre que, pour une membrane de diamant d'épaisseur 1,23 micromètre, il existe un minimum plat de la transmission de la polarisation S à 10,6 micromètres de longueur d'onde : cette transmission reste inférieure à 20%, entre 7 et 20 micromètres de longueur d'onde. Par contre, la lame présente des fenêtres de forte transmission tous les sous-multiples de 5,3 micromètres (une demi-longueur d'onde). Cette observation montre que les effets de polarisation possèdent un large domaine spectral d'application pour une épaisseur donnée. On considère maintenant les figures 7A et 7B qui concernent également la transmission de la polarisation S, mais cette fois en considérant un jeu de six lames de diamant parallèles. L'échelle verticale est exprimée ici en décibels. Il est particulièrement intéressant de relever sur la figure 7A que l'atténuation est meilleure que 50 décibels au voisinage de l'épaisseur optimale de 1,23 micromètre. La figure 7C montre aussi que l'atténuation reste supérieure à 40 décibels pour les longueurs d'ondes qui vont de 7 à 20 micromètres. Le Demandeur a aussi observé que ces effets ne dépendent en pratique que du seul paramètre sans dimension qui est le rapport de l'épaisseur de la lame de diamant à la longueur d'onde de travail. Les effets physiques ici décrits sont donc applicables à n'importe quelle longueur d'onde. On pourra toutefois rencontrer des limitations pratiques qui résultent essentiellement des épaisseurs de membranes que l'on sait réaliser, ainsi que de leur rugosité. Les avantages que l'on peut attendre de l'utilisation en optique, en particulier dans l'infrarouge, des membranes de diamant sont nombreux et importants. Tout d'abord, il est apparu que, à 10,6 micromètres, l'indice de réfraction des membranes de diamant vaut 2,33. En conséquence, à l'incidence de Brewster (66 40'), à chaque interface air-diamant, une polarisation est complètement transmise alors que l'autre est réfléchie à 47,4%. C'est là une première raison de l'intérêt des membranes de diamant comme polariseur. Mais aussi et surtout, le Demandeur a observé qu'il existe dans les membranes de diamant un effet combinatoire d'interférences : compte tenu des dimensions usuelles des faisceaux lumineux, qui sont largement supérieures à l'épaisseur de la membrane de diamant, tous les faisceaux issus des réflexions multiples internes à la membrane contribuent effectivement au faisceau global, que celui-ci soit transmis ou réfléchi. Ceci est une observation essentielle. Il en résulte en effet que la membrane de diamant se comporte comme une cavité Fabry-Pérot. Ceci explique un effet d'amplification de la réflexion pour la polarisation S, qui fait passer le coefficient de réflexion de 47,4 % pour une interface diamant/air à un coefficient de 87,5 % environ pour la membrane elle-même, par le jeu combiné de réflexions successives. La polarisation P, quant à elle, reste transmise quasiment à 100 t. C'est cette propriété d'amplification qui confère au dispositif proposé ses caractéristiques exceptionnelles de polarisation. Par ailleurs, la faible dépendance de la transmission par rapport à l'épaisseur et/ou à la longueur d'onde au voisinage de l'optimum montre qu'il suffit de faibles tolérances de fabrication sur l'épaisseur des membranes de diamant à réaliser. Ceci montre aussi que les mêmes effets de polarisation possèdent un large domaine spectral d'application pour une épaisseur donnée. Enfin, également en raison de la faible épaisseur des membranes de diamant, le décalage latéral des faisceaux concernés (par rapport à l'axe du faisceau incident) est négligeable. I1 n'y a donc pratiquement pas de faisceaux parasites (non utilisés). Aucun traitement anti-reflet n'est alors nécessaire. Cette considération est importante dans la genèse de l'invention: les traitements anti-reflets de la technique antérieure consistent à apposer des couches dont l'épaisseur est comparable à celle d'une membrane de diamant; mais on ne pouvait pas espérer les effets de l'invention, en apposant ainsi des couches anti-reflets sur une face d'une membrane de diamant. En résumé, les polariseurs à membranes de diamant ici proposés présentent de nombreux avantages par rapport à ceux que l'on connaissait antérieurement - Leur efficacité est de deux ordres de grandeur plus élevés (pour six lames) que celle des polariseurs à ZnSe ou Ge. - Leur réalisation pratique est extrêmement simple, car le parallélisme des membranes est naturellement assuré par le montage, tandis que le déplacement du faisceau est négligeable. - Il n'existe pratiquement aucun faisceau parasite. - La puissance supportable par le nouveau polariseur s'avère potentiellement beaucoup plus élevée que celle des polariseurs connus. En bref, ce nouveau polariseur est à la fois beaucoup plus efficace et plus simple à monter que ceux qui existent actuellement. Par ailleurs, il ne déforme pas le faisceau, et ne le défléchit pas. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée par le mode de réalisation décrit. En particulier, on a présenté l'usage de membranes de diamant comme polariseurs. Mais elles peuvent également avoir d'autres applications, reliées ou non, comme par exemple celle d'atténuateur réglable, par usage de deux polariseurs dont l'angle relatif est ajusté (ou d'un seul polariseur tournant, si la lumière incidente est déjà polarisée). Un tel atténuateur est capable d'une grande dynamique, et ne produit pratiquement pas de déplacement de faisceau. Revendications 1. Dispositif optique sensible à la polarisation, comprenant au moins une lame (10) utilisée au voisinage de l'incidence de Brewster, caractérisé en ce que la lame (10) est une membrane de diamant. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur optique de la membrane (10) est voisine d'un multiple impair du quart de la longueur d'onde au centre de la bande optique à traiter. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la membrane (10) possède une épaisseur comprise entre 0,4 et 2,1 micromètres environ, de préférence entre 0,5 et 2 micromètres environ pour une longueur d'onde de l'ordre de 10 micromètres, et une ouverture de quelques centimètres. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la membrane (10) est déposée sur un substrat (15) de silicium dont la partie en regard de la membrane (10) est ensuite éliminée par attaque chimique. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le substrat (15) présente une épaisseur de l'ordre de la centaine de micromètres, pour un diamètre de quelques centimètres, tandis que l'ouverture obtenue par attaque chimique est de forme elliptique avec des dimensions d'axes de l'ordre du centimètre. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de lames (10) parallèles. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les lames (10) sont au nombre d'au moins quatre, de préférence au moins six. 8. Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les lames (10) sont fixées, entretoisées, sur une monture (19) commune recevant le faisceau incident selon l'angle de Brewster.