Brevet FR2908894A1 — publié le 20080523

FILTRE OPTIQUE COMMUTABLE A CRISTAUX PHOTONIQUES Le domaine de l'invention est celui de la contre-contre mesure optique ou CCMO face au brouillage voire à la destruction provoqués par des équipements optroniques de contre-mesure ; il concerne la protection des équipements optroniques face à la menace des lasers notamment des lasers agiles en fréquence à très courtes impulsions installés dans ces dispositifs de contre-mesure. On rappelle qu'un laser agile en fréquence est un laser apte à changer rapidement ses fréquences d'émission (typiquement en un laps de temps s'échelonnant de la microseconde à la milliseconde), tout en conservant une fréquence stable pendant l'émission ; il s'agit généralement d'un laser impulsionnel. Les bandes optiques explorées sont typiquement celles des domaines visible (0,4 - 0,8 pm), proche infrarouge (0,8 û 2 pm) et infrarouge bande Il (bande 3 -5 pm) et bande III (bande 8 -12 pm). Les technologies actuelles de protection peuvent être classées en 4 grands groupes. - Volets mécaniques : c'est le système le plus simple qui peut être positionné en interne ou en externe, mais qui n'est pas efficace contre les lasers impulsionnels. La commande mécanique ne permet pas de positionner suffisamment rapidement la pièce mécanique, la densité optique ou le filtre absorbant lors de l'agression : en effet, la durée de positionnement est supérieure à la milliseconde. - Filtres fixes : ils utilisent les propriétés de réflexion ou d'absorption des matériaux utilisés et sont centrés autour d'une longueur d'onde. Ils sont utilisables contre les lasers impulsionnels ou continus. Les filtres interférentiels qui forment le concept le plus utilisé pour rejeter les longueurs d'onde indésirables, sont constitués communément de multicouches de matériels diélectriques déposés sur un substrat. Une faible tolérance à l'angle d'incidence de la menace et l'impact de ces filtres sur les performances optiques du système optronique présentent des limitations techniques importantes. De plus, ces filtres ne peuvent répondre au besoin de protection vis à vis des lasers agiles en fréquence. 2908894 2 û Filtres commutables qui utilisent les propriétés de réflexion ou d'absorption de matériaux actifs présentant une bande passante optique contrôlable en fonction du temps. Ils sont utilisables contre les lasers continus ou à impulsions longues. Les matériaux peuvent être électro-actifs. 5 Le temps d'activation est de l'ordre de la micro à la milli-seconde ce qui ne permet pas de répondre correctement au besoin de protection vis-à-vis des lasers agiles en fréquence. - Limiteurs optiques actifs ou passifs. Les limiteurs actifs sont déclenchés par une source d'énergie 10 extérieure, une tension électrique par exemple. On peut ainsi construire des valves optiques avec un mélange de composites polymère û cristaux liquides (PDLC ou Polymer Dispersed Liquid Crystal). Le mélange PDLC est homogène et transparent lorsque la tension de commande est appliquée : en effet cette tension de commande permet l'alignement des billes de cristaux 15 liquides. Quand on annule la tension, les billes s'arrangent aléatoirement dans la structure et le matériau devient diffusant. Le système passe ainsi d'un état passant optique à un état bloquant optique. Le temps de réponse est limité par la viscosité du cristal liquide, ce qui correspond aux rotations des molécules. 20 Les limiteurs dits passifs sont déclenchés par l'impulsion laser, le déclenchement dépendant alors de la puissance laser ; d'autres concepts de limiteurs sont liés aux changements de l'indice de réfraction du matériau dus à l'élévation de température interne. Les effets non linéaires peuvent se produire dans les liquides, les 25 solides et les gaz. L'exploitation de ces effets permet de concevoir les différents limiteurs. On rappelle que les différents effets non linéaires sont décrits par un développement en série de Taylor de la polarisabilité optique P en fonction du champ électrique E. Les termes de la série représentent les 30 tenseurs de susceptibilité. Le tenseur de susceptibilité du prernier ordre est lié au domaine optique linéaire du matériau, à l'indice linéaire de réfraction, à l'absorption linéaire. Le second ordre du tenseur de susceptibilité inclut les effets photo réfractifs, électro-optiques. Le troisième ordre décrit l'absorption à deux photons, l'absorption saturable. L'absorption à deux photons (ADP) est un effet du troisième ordre au cours duquel il y a passage de l'état 2908894 3 fondamental vers l'état excité par absorption simultanée de deux photons de fréquence co. L'absorption a peut s'écrire dans ce cas a = a o+,3o 1 où /3o est le coefficient d'ADP, a o est le coefficient d'absorption linéaire du matériau considéré et I est l'éclairement énergétique ( en W.m-2) associé au champ 5 électromagnétique. En outre, des travaux récents ont mis en évidence que le phénomène d'absorption non-linéaire peut être exalté par des processus d'absorption à l'état excité induits par ADP ; ces effets sont observés à haut flux, et il a pu être établi que le terme de réabsorption à l'état excité est un phénomène prépondérant dans l'absorption non-linéaire. 10 L'efficacité de ces limiteurs est naturellement liée au seuil de déclenchement du matériau non linéaire. Pour atteindre ces seuils de déclenchement, il est souvent nécessaire de positionner ces limiteurs dans les plans focaux intermédiaires afin d'augmenter artificiellement la focalisation du faisceau laser donc d'augmenter les densités d'énergie par 15 unité de surface. Des matériaux non linéaires en couches homogènes ou en suspension dans des solutions ont déjà été étudiés. En bande Visible / PIR, les matériaux suivants en suspension : CBS (Carbon Black Suspension) 20 Porphyrine PDLC Les suspensions de noir de carbone (CBS) présentent une stabilité limitée qui est liée à sa transmission linéaire. La dilution nécessaire pour obtenir une solution transparente implique une dilution forte, et ceci 25 réduit la stabilité de la solution. En bande IR II, les matériaux suivants en couches : InAs, VO2, HgCdTe. En bande IR III, les matériaux suivants en couches : InSb, VO2. Les limiteurs actuels basés sur ces matériaux nécessitent en plus 30 de positionner les limiteurs dans un plan focal intermédiaire, de très fortes intensités pour basculer de l'état passant à l'état bloqué, ce qui implique l'ajout d'optiques coûteuses et encombrantes dans les dispositifs à protéger. Les protections sont rarement large bande, sont sensibles à l'angle d'incidence de la menace (d'où la nécessité de placer le limiteur dans un 35 plan focal intermédiaire) et présentent un contraste insuffisant entre l'état 2908894 4 passant (transparent) et l'état bloquant (opaque) : le contraste du coefficient de transmission est par exemple égal à 60/0,05 ; ce contraste est donné en pourcentage de transmission. Le but de l'invention est de proposer un filtre optique ne 5 présentant pas les inconvénients précités. Afin d'améliorer ces limiteurs ou filtres non-linéaires, on utilise des cristaux photoniques : ces cristaux artificiels permettent de modifier artificiellement les propriétés optiques des matériaux non linéaires qui 10 constituent ces limiteurs. Plus précisément l'invention a pour objet un filtre optique destiné à recevoir un faisceau laser incident, comportant un matériau non linéaire et apte à commuter d'un état transparent à un état opaque en fonction du faisceau incident. Il est principalement caractérisé en ce qu'il comprend un 15 cristal photonique 3D dans lequel sont disposées des micro-structures du matériau non linéaire, séparées par des couches de cristal. De préférence, le cristal présentant une face avant destinée à recevoir le faisceau incident et une face arrière, la taille des micro-structures est croissante par exemple linéairement et la distance les séparant 20 décroissante lorsque l'on va de la face avant vers la face arrière. La distance entre les centres des micro-structures est par exemple invariante. Avantageusement, les micro-structures sont disposées dans le cristal selon un réseau qui peut être un réseau de mailles cubiques ou 25 hexagonales. Selon un mode d'exploitation de l'invention, le matériau non linéaire est du VO2 et le cristal est du Saphir. Typiquement, les microstructures sont disposées selon 5 à 100 couches, la taille des micro-structures est comprise entre 40 nm et 300 nm et 30 le réseau a un pas compris entre 100 nm et 2 pm. Selon une caractéristique de l'invention, le filtre présente une largeur de bande comprise entre 3 et 12 pm et plus précisément entre 3 et 5 pm. L'invention a aussi pour objet un système optronique comportant 35 un tel filtre avantageusement situé dans le plan focal. 2908894 5 Ce système peut être un capteur optronique tel qu'une caméra thermique. L'invention concerne également un procédé de filtrage optique d'un faisceau laser agile en fréquence au moyen d'un tel filtre. 5 Selon une caractéristique de l'invention, le filtre est apte à commuter en moins de 10 ns. Selon une autre caractéristique de l'invention, le laser est un laser impulsionnel. Le laser a typiquement une longueur d'onde comprise entre 3 et 10 12 pm. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : 15 la figure 1 représente schématiquement un exemple de filtre selon l'invention, les figures 2a et 2b représentent schématiquement des formes de mailles du cristal photonique utilisé dans l'invention, la figure 3 représente schématiquement un exemple de capteur 20 optronique comportant un filtre selon l'invention. On rappelle que le VO2 est un oxyde de Vanadium qui possède deux états cristallins distincts. En dessous de 67 C la maille cristalline est monoclinique et correspond à un état semi-conducteur. Au-dessus de 67 C 25 la maille cristalline devient tétragonale et correspond à un état métallique. Les propriétés optiques des deux états sont très différentes. On passe d'un état à faible absorption (indice de réfraction de 3, coefficient d'absorption k de 0,1) à un état très absorbant (indice de 3, absorption k de 6) par un changement de phase très rapide (inférieur à 120 femtosecondes) 30 commandé par la température. Il ne s'agit ni d'une absorption à deux photons ni d'une non-linéarité de troisième ordre classique mais bien d'un effet thermique ultra-rapide : un effet non-linéaire thermique. 2908894 6 II est utilisé pour des usages de limitations optiques en bande II et III, l'impact laser échauffant le matériau et le faisant passer de l'état transparent à l'état opaque. Ce type de matériau souffre cependant de deux défauts majeurs. 5 Premièrement, pour obtenir une atténuation suffisante à l'état opaque, il faut mettre une épaisseur de matériau telle que la transmission à l'état transparent est fortement dégradée : moins de 60% de transmission dans l'état transparent pour garantir d'être en dessous de 5% à l'état opaque. Deuxièmement, la transition de phase du VO2 ne se fait de façon 10 rapide (c'est-à-dire en moins de 10ns) que sur les couches superficielles du VO2. En effet, le VO2 massif illuminé par un flash laser ne commute de l'état semi-conducteur à l'état métallique que sur une couche superficielle de 200 nm. Tout le VO2 situé à plus de 200 nm de profondeur n'apporte rien à la transition de phase. L'étude de la carte de champ à l'intérieur de la structure 15 montre que les couches de VO2 commutent suivant un ordre lié à l'intensité du champ. Le patch de VO2 situé sur la zone la plus éclairée de la carte de champ bascule le premier et empêche les couches enterrées plus profondément de basculer à leur tour. La valeur pratique d'atténuation du limiteur est ainsi limitée à celle 20 produite par cette couche mince trop faible pour être utile dans un cas pratique (commutation de la transparence de 80% vers 20%). Selon l'invention, le cristal photonique permet de modifier les propriétés du matériau non-linéaire tel que le VO2 et sa réponse à une illumination laser. 25 L'invention est basée sur l'utilisation de la structure des cristaux photoniques afin d'organiser des micro-structures de VO2, appelés patchs, pour donner à l'ensemble des qualités optiques non linéaires que n'ont pas le VO2 massif ni le VO2 déposé en couches minces comme rappelé ci-dessus. Plus précisément, le filtre optique commutable 1 selon l'invention 30 représenté figure 1, comprend un cristal 4 photonique 3D dans lequel sont disposées des micro-structures 3 du matériau non linéaire, séparées par des couches de cristal. Selon un premier mode d'exploitation correspondant à celui de la figure 1, les microstructures de VO2 sont disposées en trois dimensions (3D), 35 en mailles cubiques, séparées par des couches transparentes de cristal 2908894 7 photonique en bande II ou en bande III. La distance 32 entre les centres des micro-structures est invariante. Pour la bande II, le cristal photonique est par exemple du saphir. Ces microstructures doivent être petites devant les longueurs 5 d'onde envisagées et le taux de remplissage (la quantité de VO2 contenue par unité de volume) très faible, de l'ordre de quelques %. Ce point permet d'obtenir une forte opacité à l'état bloqué sans sacrifier la transparence à l'état passant. La taille des microstructures de VO2 ainsi que leur espacement 10 doit varier lentement d'une couche à l'autre et en respectant un profil précis : les patchs 3 de VO2 ont une taille croissante au fur et à mesure que l'on s'enfonce dans la structure, à partir de la face du cristal destinée à recevoir le faisceau incident 2, et l'écart 31 entre les couches de patchs de VO2 se réduit au fur et à mesure que l'on s'enfonce dans la structure du filtre. 15 Le respect de ces conditions permet d'obtenir les propriétés suivantes : - la courbe de transmission du filtre est sensiblement uniforme dans la bande spectrale considérée, - la figure d'interférence créée par le filtre est d'intensité croissante 20 dans les patchs de VO2 au fur à mesure que l'on progresse vers les couches enterrées. La structure du filtre selon l'invention produit une carte de champ où l'intensité lumineuse maximale se trouve sur la couche la plus profonde, l'intensité immédiatement inférieure se trouve sur l'avant-dernière couche, et ainsi de suite. De cette façon, les couches profondes de VO2 basculent de 25 l'état semi-conducteur à l'état métallique avant les couches superficielles. On a un effet de cascade où la couche la plus enterrée change d'état juste avant celle qui la précède immédiatement puis, par effet de domino toutes les couches basculent dans l'état métallique depuis le fond jusqu'à la surface de la structure. Le phénomène est en outre très rapide : la totalité de la structure 30 bascule en moins de 10ns. La structure du filtre possède une caractéristique propre à tous les cristaux photoniques : son comportement spectral est proportionnel à sa taille. Cela revient à dire que si l'on multiplie toutes les dimensions par deux, la réponse spectrale est identique mais pour des longueurs d'onde 35 multipliées par deux. 2908894 8 Dans le cas de la bande 3-5pm, on a par exemple des tailles de patchs variant entre 40 et 300 nm, un pas 32 de maille du réseau variant entre 100 nm et 2 pm, un nombre de couches variant de 5 à 100. Un filtre dont l'évolution de la taille des microstructures est linéaire 5 et dont le rapport de taille des microstructures entre la première et la dernière couche de VO2 est de 0,4 donne de bons résultats. Un tel filtre comporte entre cinq et dix couches. Dans un autre exemple, le cristal photonique à maille carrée, de pas 32 de 300nm, comprend 30 couches séparées par un diélectrique tel 10 que du saphir dont la distance 31 entre patchs de V02 est nominalement de 200 nm mais varie lentement d'une couche à l'autre car la taille des patchs diminue. Grâce à cette diminution de la taille, les courbes de transmissions ne contiennent pas d'oscillations ou ripples . L'organisation de ces microstructures décrite précédemment permet d'obtenir des transparences 15 en phase passante supérieures à celles du VO2 massif ou à couches minces sans diminuer l'opacité en phase bloquante. La dynamique du limiteur optique est améliorée : pour l'exemple cité, nous obtenons des coefficients de transmission >90/ REVENDICATIONS 1. Filtre optique (1) destiné à recevoir un faisceau laser incident (2), comportant un matériau non linéaire et apte à commuter d'un état transparent à un état opaque en fonction du faisceau incident, caractérisé en ce qu'il comprend un cristal photonique (4) 3D dans lequel sont disposées des micro-structures (3) du matériau non linéaire, séparées par des couches de cristal. 2. Filtre optique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le cristal présentant une face (41) avant destinée à recevoir le faisceau incident et une face arrière (42), la taille des micro- structures est croissante et la distance (31) les séparant décroissante lorsque l'on va de la face avant vers la face arrière. 3. Filtre optique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la distance (32) entre les centres des micro-structures est invariante. 4. Filtre optique selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la taille des micro-structures croît linéairement. 5. Filtre optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les micro-structures sont disposées dans le cristal selon un réseau. 6. Filtre optique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le réseau est un réseau de mailles cubiques ou hexagonales. 7. Filtre optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau non linéaire est du VO2 et le cristal est du Saphir. 8. Filtre optique selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les microstructures sont disposées selon 5 à 100 couches, la taille 2908894 13 des micro-structures est comprise entre 40 nm et 300 nm et le réseau a un pas compris entre 100 nm et 2 pm. 9. Filtre optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé 5 en ce que le filtre présente une largeur de bande comprise entre 3 et 12 pm. 10. Filtre optique selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il présente une largeur de bande située dans la bande 3-5 pm. 11. Système optronique comportant un filtre (1) selon l'une des revendications précédentes. 12. Système selon la revendication précédente comportant un plan focal 15 (101), caractérisé en ce que le filtre (1) est situé sur le plan focal. 13. Système selon l'une des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que le système est un capteur optronique. 20 14. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le capteur optronique est une caméra thermique. 15. Procédé de filtrage optique d'un faisceau laser agile en fréquence au moyen d'un filtre (1) selon l'une des revendications 1 à 10. 16. Procédé de filtrage optique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le filtre est apte à commuter en moins de 10 ns. 17. Procédé de filtrage optique selon l'une des revendications 15 ou 16, 30 caractérisé en ce que le laser (2) est un laser impulsionnel. 18. Procédé de filtrage optique selon l'une des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que le laser (2) a une longueur d'onde comprise entre 3 et 12 pm. 10 25