Brevet FR2783608A1 — publié le 20000324

La présente invention concerne des structures multicouches transparentes en infrarouge, et à propriétés spécifiques en hyperfréquences. Le développement des systèmes optroniques s'accompagne de l'apparition de nouvelles contraintes auxquelles certains composants de ces O systèmes doivent répondre. Parmi ces contraintes se trouvent la discrétion radar, la protection contre les interférences électromagnétiques parasites bas niveau issues d'une partie de l'équipement ou d'un autre ensemble, et la protection contre les armes hyperfréquences et impulsions électromagnéti- ques de fort niveau. Certaines contraintes relèvent plus particulièrement des applications militaires (discrétion et protection contre une arme hyperfré- quences), d'autres concernent à la fois les domaines civils et militaires (protection contre les interférences parasites). Dans ce derniers cas, les normes récemment entrées en vigueur (MIL-STD-461 et FCC Rules-Part 15 aux Etats-Unis) imposent aux équipements des seuils de performances mi- nimales à atteindre. Parmi les systèmes optroniques concernés se trouvent les encein- tes ou cavités contenant des composants optroniques, implantées sur divers systèmes d'armes, telles que les nacelles ou O.S.F., les FLIR, et les systè- mes intégrés ou non de reconnaissance ou de guidage de missiles. Ces en- sembles comportent en particulier une ouverture ou fenêtre (hublot plan, courbe, à facettes ou dôme) faisant office de séparation entre le senseur optronique et l'extérieur. Généralement, les seules exigences concernant cette fenêtre sont la transparence optique, la résistance mécanique et la te- nue sous divers environnements extérieurs (sabloérosion, pluvioérosion, agents chimiques). Les nouvelles contraintes de discrétion, de protection contre les interférences électromagnétiques et de protection contre les ar- mes hyperfréquences imposent une nouvelle conception de la fenêtre, qui conduit à spécifier non seulement des propriétés mécaniques et optiques, mais également hyperfréquences. Les fonctions de protection et de discrétion ne peuvent être attein- tes, pour certaines morphologies et géométries de fenêtres, qu'en spécifiant non seulement une transmission hyperfréquences aussi faible que possible pour la réduction du contributeur " cavité " et pour la protection électroma- gnétique (champ fort, foudre, arme hyperfréquences...), mais également une réflexion minimale dans l'intervalle de fréquences considéré, pour la réduc- tion de signature radar. Il s'agit dans ce cas de concevoir un hublot qui soit d'une part, optiquement transparent, et d'autre part, absorbant et à fort effet d'écran en hyperfréquences. Or, les seuls exemples de hublots à propriétés duales optiques et hyperfréquences dans la littérature ouverte sont des fenê- tres transparentes en visible ou infrarouge et à très faible transmission en hyperfréquences, pour lesquelles aucune spécification d'absorption hyper- fréquences n'est demandée. La présente invention concerne des structures adaptées à la réa- lisation de fenêtres optiquement transparentes et possédant des propriétés hyperfréquences adéquates pour la discrétion et la protection des senseurs optroniques. La présente invention se rapporte à un nouveau type de fenêtre optiquement transparent, absorbant et à fort effet d'écran en hyperfréquen- ces, basé sur le concept des structures absorbantes radar en couches épaisses. Il existe dans le domaine des micro-ondes des structures absor- bantes radar particulièrement simples, les écrans de Dallenbach ou absor- bants monocouches. Ceux-ci peuvent être diélectriques ou magnétiques. Pour des raisons de transparence optique, nous ne considérons ici que des matériaux diélectriques, et nous nous restreignons donc à la première caté- gorie d'écran. Un écran de Dâllenbach électrique comprend une couche de matériau dont l'épaisseur est fonction de sa permittivité, Er, et de la fré- quence f à laquelle on désire que l'absorption soit maximale (typiquement quelques mm pour des diélectriques usuels entre 2 et 18 Ghz). Afin d'augmenter la largeur de bande d'absorption, il est usuel de recourir à des écrans multicouches comprenant au moins deux couches épaisses (épaisseur typiquement supérieure au mm). Certaines de ces couches com- portent de faibles pertes en hyperfréquences et une permittivité réelle géné- ralement faible: elles remplissent en particulier une fonction d'adaptation d'impédance. D'autres couches possèdent des pertes en hyperfréquences et sont le siège de la dissipation de l'énergie du champ hyperfréquences. La présente invention concerne une extension de ce type de structure pour la réalisation de fenêtres optroniques transparentes en infra- rouge, et possédant au moins une des propriétés électromagnétiques sui- vantes: surface équivalente radar réduite, compatibilité électromagnétique, et protection vis-à-vis d'une impulsion ou d'une arme hyperfréquence. Trois axes d'amélioration des propriétés sont pris en considération par rapport à un écran multicouches classique: la transparence optique, la résistance vis- à-vis de l'environnement extérieur, et l'amélioration des performances hyper- fréquences. L'invention se rapporte plus particulièrement au cas le plus simple o seulement trois couches épaisses sont considérées: une couche d'adaptation d'impédance, une couche à pertes en hyperfréquences, et une structure de court-circuit. Le problème se posant d'emblée est celui de l'assemblage des différentes couches permettant de maintenir une trans- i 5 mission optique satisfaisante. Lors de la traversée d'une interface parfaite entre deux matériaux d'indices optiques nr et n2, les pertes de signal par réflexion sont égales à R = {(n, - n2)/(n, + n2)}2: elles sont d'autant plus élevées que n1 et n2 sont différents. Par exemple, pour le germanium Ge et le fluorure de magnésium MgF2, on a R = 24.8 % entre 3 et 5 pm, alors que pour Ge et le sulfure de zinc ZnS, on a R = 91.5 % entre 8 et 12 pm. Ceci impose de traiter l'interface en déposant une séquence adaptée de couches minces antireflets, d'o une complexité accrue de la réalisation de la structure. De plus, I'assemblage mécanique (par exemple, via un système sous vide) ou le collage (colle or- ganique ou verre minéral) des deux matériaux, nécessaire pour la cohésion mécanique du hublot, contribue à dégrader la transmission optique même lorsque n1 et n2 sont proches. En effet, la présence d'une couche de maté- riau d'épaisseur difficilement contrôlable et d'indice différent d'au moins un des deux matériaux en contact est susceptible d'induire des pertes optiques supplémentaires, des interférences et des longueurs de chemin optiques différentes; il s'ensuit une dégradation importante des performances opti- ques de la fenêtre. La présente invention a pour objet une structure multicouches à couches épaisses transparentes en infrarouge, à bonne absorption en hyper- fréquences, qui ait de bonnes propriétés de résistance mécanique vis-àvis de l'environnement extérieur, et qui soit facile à réaliser. Afin de simplifier au maximum la réalisation, tout en réduisant le coût de la fenêtre et en améliorant ses performances optiques, I'invention propose d'espacer les différentes couches épaisses par des lames d'air d'épaisseur ajustable de façon à optimiser les propriétés hyperfréquences. La fenêtre de l'invention a la structure suivante: a) une couche externe de matériau diélectrique optiquement transparent au moins en infrarouge, en général à faibles pertes en hyperfré- quences, de quelques mm d'épaisseur. Cette couche est la première rencon- trée par l'onde hyperfréquences. Il est possible d'utiliser un matériau résis- tant aux agressions de l'environnement extérieur (sabloérosion, pluvioéro- sion, agents chimiques),voire de traiter sa face externe par un revêtement spécifique afin d'augmenter la longévité du hublot, b) une première lame d'air d'épaisseur comprise entre quelques centièmes de mm et quelques mm, c) une couche de matériau diélectrique optiquement transparent, à pertes non négligeables en hyperfréquences, de quelques mm d'épaisseur, d) une seconde lame d'air d'épaisseur comprise entre quelques dixièmes de mm et quelques mm, e) un court-circuit hyperfréquences, typiquement une grille induc- tive métallique (réalisée par gravure d'un film mince métallique continu) dé- posée sur un substrat optiquement transparent au moins en infrarouge, ou une plaque massive de semi-conducteur optiquement transparent au moins en infrarouge (exemple: Ge) de résistivité et d'épaisseur adéquates. La se- conde solution sera en général limitée au domaine infrarouge, du fait des contraintes d'absorption liées au gap du semi-conducteur. Afin de présenter une transparence optique satisfaisante, toutes les couches ci-dessus en contact avec l'air (ou une partie de celles-ci) com- portent un traitement antireflets dans la bande spectrale infrarouge ou visible considérée. La fenêtre est une structure multicouche dont les éléments peu- vent aisément être maintenus en contact, avec des propriétés mécaniques satisfaisantes, par un système de serrage ordinaire. L'élaboration ne pose donc aucun problème spécifique. Dans les structures dont la description suit, les matériaux retenus sont optiquement transparents et comportent des antireflets classiques, d'o la transparence optique résultante de la fenêtre. La présence du court-circuit garantit une transmission hyperfréquences minimale, et l'agencement des différentes couches se trouvant devant celui-ci permet d'optimiser les pro- priétés d'absorption hyperfréquences sur l'intervalle de fréquences visé. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la des- cription détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est un diagramme d'évolution des coefficients de ré- flexion spéculaire de deux structures conformes à l'invention, - les figures 2 et 3 sont des diagrammes d'évolution des coeffi- cients de transmission, réflexion et absorption optiques des structures de la figure 1, -la figure 4 est un diagramme similaire à celui de la figure 1, pour deux autres structures conformes à l'invention, et - les figures 5 et 6 sont des diagrammes similaires à ceux des fi- gures 2 et 3, pour les structures de la figure 5. Nous considérons d'abord des fenêtres dont la structure généri- que a été indiquée ci-dessus. Le tableau 1 regroupe trois exemples de fenê- tres, dans lesquels la couche externe est constituée d'un matériau diélectri- que à très faibles pertes en hyperfréquences, du sulfure de zinc (qualité multispectrale), et o le court-circuit est une plaque de germanium de qualité optique de conductivité suffisamment élevée pour assurer une réflexion su- périeure ou égale à -15 dB. Les divers traitements antireflets, six au total, sont indiqués dans le tableau 1. Ils sont tous aisément réalisables: les deux premiers aux interfaces air/ZnS et les quatre autres aux interfaces air/Ge. Dans la pratique, il est possible, si nécessaire, de choisir un traitement en face externe du ZnS qui soit à la fois durable et antiréfléchissant. Structure Fenêtre IR3-A Fenêtre IR3-B Couche épaisse ZnS multispectral avec AR ZnS multispectral avec AR externe 2 faces, 6,7 mm 2 faces, 7 mm Lame d'air 0,3 mm 0,3 mm Couche épaisse à Ge avec AR 2 faces, con- Ge avec AR 2 faces, con- pertes ductivité = 4 S/m, ductivité = 4 S/m, épais- épaisseur = 4,6 mm seur = 5,1 mm Lame d'air 1,7 mm 1,1 mm Court-circuit Ge avec AR 2 faces, con- Ge avec AR 2 faces, con- ductivité = 30 S/m ductivité = 30 S/m épaisseur= 6 mm épaisseur= 6 mm Tableau 1: Caractéristiques de deux fenêtres pour la bande 8-12 pm. Description en partant de la couche externe de la fenêtre. AR = traite- ment antireflets 8-12 pm. Notations: ZnS: sulfure de zinc Ge: germanium AR: antireflets Performances hyperfréquences Les performances hyperfréquences d'une structure sont fonction des critères d'optimisation. Ainsi on peut imposer des contraintes optiques ou mécaniques induisant des épaisseurs ou des qualités de matériaux bien 1 5 spécifiques. Dans le tableau 1 sont présentées deux structures optimisées pour des critbres hyperfréquences différents, les critères optiques et méca- niques étant supposés identiques. Ainsi la structure notée IR-3-A est optimi- sée pour induire une réduction de signature radar optimale pour les bandes radars S et X, les performances dans les autres bandes n'étant pas considé- rées. Par contre, la structure notée IR-3-B est, quant à elle, optimisée pour induire une réduction de signature optimale pour l'ensemble de la bande 2- 18 Ghz, sans discrimination de bandes. On a reporté sur la figure 1 les coefficients de réflexion spéculaire pour les structures IR-3A et IR-3B. On a reporté dans le tableau 2, les va- leurs moyennes du coefficient de réflexion spéculaire pour les deux structu- res pour la bande radar totale, à savoir 2-18 Ghz, et pour les deux bandes S et X. Structure Performances sur S + X Performances sur 2- 18 Ghz IR-3-A -8,4 dB -5,8 dB IR-3-B -8,1 dB -6 dB Tableau 2. L'analyse des résultats résumés dans le tableau 2 montre que les performances des deux structures sont très voisines bien que les critères d'optimisation hyperfréquences soient différents. Performances optiques Les performances optiques des structures IR-3-A et IR-3-B sont obtenues à l'aide d'un logiciel o les calculs de transmission, réflexion et ab- sorption de la fenêtre globale sont effectués. Les épaisseurs des couches épaisses (ZnS et Ge) étant fixées par les performances hyperfréquences, les 4 5 degrés de liberté restants sont les indices et les épaisseurs des couches an- tireflets mentionnées ci-dessus. Une optimisation permettant de maximiser la transmission de l'ensemble en jouant sur ces paramètres conduit aux cour- bes présentées sur les figures 2 et 3. Pour les deux exemples indiqués, les transmissions moyennes entre 8 et 12 microns sont données dans le tableau 3. Elles sont tout à fait acceptables, compte tenu des performances hyper- fréquences décrites ci-dessus. Notons qu'entre 8 et 10 microns, les trans- missions moyennes des fenêtres sont supérieures à 90 %. L'absorption croissante au-delà de 10 microns est due essentiellement au réseau cristallin du sulfure de zinc. Fenêtre IR3-A Fenêtre 1R3-B ,8 % 85,3 % Tableau 3: Transmission optique moyenne de deux fenêtres en- tre 8 et 12 pm. Fenêtres transparentes bispectrales en bandes infrarouges 11 et III (3-5 et 8-12 pm) Les architectures de fenêtres détaillées ci-dessus peuvent toutes être modifiées de manière à fonctionner dans les deux bandes infrarouges 3- 5 et 8-12 pm. En effet, puisque les matériaux employés (ZnS et Ge) présentent une haute transparence à la fois entre 3 et 5 et entre 8 et 12 microns, il suffit de recourir à des traitements antireflets bispectraux pour obtenir des fenêtres utilisables en bandes infrarouges Il et 111. De tels antireflets sont, pour la plupart, déjà disponibles, d'o une phase de conception simplifiée et un coût réduit. Fenêtres transparentes en bande infrarouge I11 (3-5 prnm) Structures Le tableau 3 regroupe deux exemples de fenêtres, o la couche externe est constituée d'un matériau diélectrique à très faibles pertes, le fluo- 1 5 rure de magnésium (polycristallin et fritté), et o le court-circuit est une pla- que de germanium de qualité optique. Les divers traitements antireflets sont indiqués dans le tableau 4. On en dénombre quatre, tous aisément réalisa- bles, car ils ne concernent que des interfaces air/Ge à l'intérieur de la struc- ture. Un traitement sur la face externe du MgF2 n'est en pratique pas néces- saire en raison du faible indice du matériau (1,35) et de ses qualités mécani- ques, mais peut être ajouté le cas échéant. Structure Fenêtre IR2-A Fenêtre IR2-B Couche épaisse MgF2fritté polycristallin, MgF2fritté polycristallin, externe 9,1 mm 9,4 mm Lame d'air 0,3 mm 0,3 mm Couche épaisse à Ge avec AR 2 faces, con- Ge avec AR 2 faces, con- pertes ductivité = 4S/m, ductivité = 4 S/m, épaisseur = 4 mm épaisseur = 4,9 mm Lame d'air 3, 7 mm 1,4 mm Court-circuit Ge avec AR 2 faces, con- Ge avec AR 2 faces, con- ductivité = 30 S/m ductivité = 30 S/m épaisseur = 6 mm épaisseur = 6 mm Tableau 4: Caractéristiques de deux fenêtres pour la bande 3-5 pm. Description en partant de la couche externe du hublot. AR = traite- ment antireflets 3-5 pm. Notations: ZnS: sulfure de zinc Ge: germanium AR: antireflets Performances hyperfréquences De la même manière que dans le cas des fenêtres optiquement transparentes en bande infrarouge Il ou en bandes infrarouges Il et 11I, les structures spécifiquement transparentes en bande Il peuvent être optimisées pour des critères hyperfréquences spécifiques. Ainsi, la structure notée IR2- A est optimisée pour induire une réduction de signature radar optimale pour les bandes radars S et X, les performances dans les autres bandes n'étant pas considérées, et la structure notée IR-2-B est, quant à elle, optimisée pour induire une réduction de signature optimale pour l'ensemble de la bande 2-18 Ghz, sans discrimination de bandes. On a reporté sur la figure 4 les coefficients de réflexion spéculaire pour les structures IR2-A et IR-2-B. On a reporté dans le tableau 4, les va- leurs moyennes du coefficient de réflexion spéculaire pour les deux structu- res pour la bande radar totale, à savoir 2-18 Ghz, et pour les deux bandes S et X. Structure Performances surS + X Performances sur 2- 18 Ghz IR-2-A -10,4 dB _ -6,1 dB _ IR-2- B -9,3 dB -6,7 dB Tableau 4. L'analyse des résultats résumés dans le tableau 4 montre que le critère hyperfréquences d'optimisation a plus d'influence pour ce genre de structure: gain de 0,6 dB pour une optimisation dans toute la bande radar, et gain de près de 1 dB pour l'optimisation en bandes S + X. Cette légère diffé- rence de comportement par rapport aux structures transparentes en bande infrarouge 11l, est liée à la nature de l'lRdôme (fenêtre extérieure). Dans un cas, on a du ZnS de permittivité diélectrique d'environ 8,4, et dans l'autre, on a du MgF2 de permittivité diélectrique plus faible (5,1). Cette faible permittivi- té permet des performances hyperfréquences supérieures et donc induit un accroissement de la latitude pour l'optimisation en fonction des critères d'optimisation, en l'occurrence pour les critères hyperfréquences. Performances optiques Les performances optiques des structures IR-2-A et IR-2-B sont calculées de la même manière que ci- dessus (structures IR3- A et B); elles sont illustrées sur les figures 5 et 6. Pour les deux exemples indiqués, les O transmissions moyennes entre 3 et 5 microns sont données dans le tableau 4. Comme ci-dessus, elles sont tout à fait satisfaisantes étant données les performances hyperfréquences décrites en référence au tableau 4. L'absorption par le fluorure de magnésium fritté (essentiellement liée à sa microstructure) est la cause principale de l'absorption optique de la structure totale. Toutefois, sa faible permittivité en hyperfréquence en fait un des meilleurs compromis pour les fenêtres considérés ici. Fenêtre IR2-A Fenêtre IR2-B 79% 78,6 % Tableau 5: Transmission optique moyenne de deux fenêtres en- tre 3 et 5 pm. Pour les bandes infrarouges, le matériau à pertes que nous avons considéré est exclusivement du germanium, qui est un matériau standard, même si les caractéristiques électriques recherchées pour cette application particulière en font un matériau optique non classique. En fait, tout semi- conducteur peut convenir dès que nous pouvons connaître et contrôler sa résistivité électrique. Ainsi, nous pouvons utiliser le germanium, le silicium, l'arséniure de gallium, le phosphorure de bore, le phosphorure de gallium, le carbure de carbone, etc... Pour les espaceurs, tout matériau optique traditionnel peut con- venir. Bien entendu, nous avons le sulfure de zinc, le séléniure de zinc, mais également le verre 9754 de chez Corining, le fluorure de magnésium, As2S3, les germanates... REVENDICATIONS 1. Structure multicouches à couches épaisses transparentes en infrarouge, à faibles transmission et réflexion en hyperfréquences, caractéri- sée en ce qu'elle comporte, depuis la face d'entrée des éventuelles ondes hyperfréquences, dans l'ordre: une couche externe de matériau diélectrique optiquement transparent au moins aux infrarouges, une première lame d'air, une couche de matériau diélectrique optiquement transparent à pertes non négligeables en hyperfréquences, une seconde lame d'air et un court-circuit 1o hyperfréquences. 2. Structure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de matériau diélectrique a une épaisseur de quelques mm, que la première lame d'air a une épaisseur comprise entre quelques centièmes de mm et quelques mm, que la couche de matériau diélectrique à pertes hyper- fréquences a une épaisseur de quelques mm, et que la seconde lame d'air a une épaisseur comprise entre quelques dixièmes de mm et quelques mm. 3. Structure selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le court-circuit hyperfréquences est une grille inductive métallique déposée sur un substrat optiquement transparent au moins en infrarouge. 4. Structure selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le court-circuit hyperfréquences est une plaque massive de semi-conducteur optiquement transparent au moins en infrarouge. 5. Structure selon l'une des revendications précédentes, caracté- risée en ce qu'au moins une partie des couches en contact avec l'air com- portent un traitement antireflets dans la bande spectrale de fonctionnement de la structure. 6. Structure selon l'une des revendications précédentes, caracté- risé en ce que la première couche de matériau diélectrique est réalisée en un matériau résistant aux agressions de l'environnement extérieur. 7. Structure selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la face externe de la première couche de matériau diélectrique a un revêtement résistant aux agressions de l'environnement extérieur. 8. Structure selon l'une des revendications précédentes, caracté- risée en ce que la première couche diélectrique est en ZnS multispectral, que la deuxième couche diélectrique et le court-circuit hyperfréquences sont en Ge. 9. Structure selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la première couche diélectrique est en MgF2 fritté polycristallin, et les deux autres couches en Ge.