Brevet FR3101444A1 — publié le 20210402

Il est proposé un modulateur spatial de lumière réflectif (MSLR) à adressage optique pour moduler la phase et/ou la polarisation d’un faisceau optique de lecture. Le MSLR comprend une couche de cristal liquide en phase nématique d’une épaisseur supérieur ou égale à 20 micromètres, la couche de cristal liquide étant comprise entre un premier élément d’ancrage et un deuxième élément d’ancrage. Le MSLR comprend une première couche, disposée contre le deuxième élément d’ancrage, possédant des propriétés réfléchissantes de la lumière, et une deuxième couche, disposée contre la première couche, ayant des propriétés absorbantes de la lumière. MODULATEUR SPATIAL DE LUMIERE ADRESSE THERMO-OPTIQUEMENT DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des modulateurs spatial de lumière réflectifs, et en particulier à celui des modulateurs spatiaux de lumière réflectifs contrôlés optiquement. ÉTAT DE LA TECHNIQUE D’une façon générale, on sait que les modulateurs spatiaux de lumière réflectifs (MSLR) sont des objets quasi-planaires, permettant de moduler, en tout point du MSLR, l’intensité, la phase ou la polarisation d’un faisceau de lumière incident. Ils sont caractérisés par une réflectivité, une résolution spatiale, un temps de réponse et une dynamique de modulation. Il est d’usage de classer les MSLR en catégories en fonction (i) de leur technologie d’adressage : électrique ou optique, et (ii) du et des paramètre(s) optique(s) modulé(s) : intensité, phase, polarisation. D’une manière générale, les MSLR adressés électriquement sont constitués d’éléments segmentés, contrôlés individuellement par un signal électrique. La liste, non exhaustive, des MSLR adressés électriquement comprend : 1) les miroirs déformables, constitués d’une membrane réflective déformable et d’un ensemble d’actuateurs. Ces MSLR ne permettent que de moduler la phase spatiale. Les actuateurs peuvent être : a) de technologie MEMS (« microelectromechanical systems ») ; b) thermique, comme décrit, par exemple, par M. Kasprzack et al dans "Performance of a thermally deformable mirror for correction of low-order aberrations in laser beams." (Applied optics 52.12 (2013): 2909-2916). 2) les matrices de micro-miroirs (acronyme « DMD » en anglais). Ces dispositifs ne permettent qu’une modulation d’intensité ; 3) les cristaux magnéto-optiques contrôlés via une matrice de micro-bobines. Ces dispositifs permettent une modulation de polarisation ou d’intensité ; 4) les cellules de cristaux liquides de technologie de type LCoS. Ces cellules sont constituées d’une électrode transparente, d’une première couche mince d’ancrage, d’une couche de cristal liquide en phase nématique, d’une seconde couche mince d’ancrage et d’une couche mince réflective segmentée déposée sur un substrat de silicium relié à une électronique CMOS. Un champ électrique entretenu entre l’électrode transparente et le semi-conducteur contrôle l’orientation moléculaire moyenne locale du cristal liquide et module ses indices optiques. Ces dispositifs permettent une modulation de l’intensité, de la phase ou de la polarisation suivant les détails de réalisation et la présence ou l’absence d’éléments polarisants additionnels ; 5) les cristaux liquides thermotropes contrôlées par un élément chauffant. D’une manière générale, les MSLR adressés optiquement comprennent des dispositifs constitués d’une cellule de cristal liquide et d’un système de contrôle de l’orientation moléculaire moyenne locale dudit cristal liquide. La liste, non exhaustive, des MSLR adressés optiquement comprend essentiellement : 1) les valves optiques à photoconducteur, dont le principe est analogue à la technologie LCoS à la différence que le semi-conducteur segmenté est remplacée par un matériau photoconducteur continu, le dit photoconducteur étant illuminé par un faisceau optique de contrôle. De même que les LCoS, ces dispositifs permettent une modulation de l’intensité, de la phase ou de la polarisation suivant les détails de réalisation, 2) les valves optiques thermiques, constituées de cristaux liquides thermotropes en phase smectique organisés en texture homéotrope, dont la température locale est contrôlée par laser. Le principe de modulation repose sur une transition de phase smectique-isotrope formant des centres diffusant. Ces dispositifs ne permettent donc qu’une modulation en intensité. Concernant les valves optiques thermiques dont la température locale est contrôlée par laser, plusieurs mécanismes de contrôle de la température locale du cristal liquide sont connus : a. par absorption, totale ou partielle, du laser de contrôle, par le cristal liquide ; b. par absorption, totale ou partielle, du laser de contrôle, par un colorant mélangé au cristal liquide ; c. par absorption, totale ou partielle, du laser de contrôle, par une couche mince en contact avec le cristal liquide telle : i. qu’une électrode transparente, par exemple une couche ITO (oxyde d’indium et d’étain) ; ii. qu’une couche semiconductrice ; iii. qu’une couche métallique, comme proposé par A. G. Dewey dans "Projection Storage Displays Using Laser-Addressed Smectic Liquid Crystals." (The Physics and Chemistry of Liquid Crystal Devices. Springer, Boston, MA, 1980. 219-239). On sait également, d’une manière générale, que les MSLR contrôlés électriquement ne permettent de contrôler indépendamment les propriétés de la lumière réfléchie que sur un nombre limité de zones prédéfinies par le fabriquant, ce nombre étant approximativement égal nombre d’actuateurs ou de segments d’électrodes. De plus, à la jonction entre deux actuateurs ou deux segments adjacents, se trouvent des interstices où le MSLR est inactif et/ou présente des discontinuités de la propriété optique modulée. Les MSLR adressés optiquement ne présentent ce type d’effet de « pixellisation » et sont préférés pour un certain nombre d’applications comme, par exemple, la correction de front d’onde des lasers. Il est également connu que le point commun à tous les MSLR adressés optiquement est la structure stratifiée et qu’il est d’usage de distinguer le faisceau de lecture du faisceau d’écriture avec la convention suivante : le faisceau de lecture est le faisceau dont on souhaite moduler une propriété, le faisceau d’écriture permet de contrôler la modulation portée par le MSLR. La structure empilée des MSLR résulte de la nécessité d’isoler les faisceaux d’écriture et de lecture et donc de réaliser une barrière optique au sein du composant. Parmi les solutions techniques proposées, seules les valves optiques à photoconducteur et les LCoS permettent une modulation continue et arbitraire de la phase spatiale optique avec une résolution inférieure à la centaine de micromètres. Un premier inconvénient des valves optiques à photoconducteur et des LCoS est qu’ils nécessitent des électrodes afin d’entretenir un champ électrique alternatif dans le cristal liquide. Le faisceau de lecture traversant nécessairement au moins une électrode, cette dernière doit donc être transparente à la longueur d’onde du faisceau de lecture. Cette électrode transparente peut être formée, par exemple, d’un mélange (ITO) d'oxyde d'indium (In2O3) et d'oxyde d'étain (SnO2), typiquement transparent sur la plage 0.3-1.5 µm. La plage de transparence de l’électrode, est, d’une manière générale, beaucoup plus restreinte que celle des cristaux liquides comme, par exemple, le cristal liquide connu sous l’abréviation E7 qui est transparent de 0.35 à 11 µm. Un deuxième inconvénient des valves optiques à photoconducteur et des LCoS est la faible dynamique de modulation de la phase optique qui résulte de la faible épaisseur des cristaux liquides, typiquement moins de 20 micromètres. Cette épaisseur résulte d’un compromis entre (i) la stabilité et l’uniformité de la phase nématique (ii) la différence de potentiel électrique appliqué entre les électrodes, (iii) la dynamique de modulation, (iv) le temps caractéristique de réponse. Par ailleurs, le contrôle en intensité ne nécessite pas un déphasage supérieur à π/2 radians. D’une manière générale, les cristaux liquides de moins 20 micromètres, ne permettent pas de contrôler la phase optique du faisceau de lecture avec une dynamique de plus de quelques radians, notamment aux grandes longueurs d’onde. Ces deux inconvénients limitent typiquement l’usage pratique des MSLR au visible et au proche infrarouge ( Il n'existe donc pas actuellement de MSLR de contrôle de phase de la lumière susceptible d'être adaptée de manière satisfaisante à des lumières ayant des longueurs d’onde supérieures et augmentant le déphasage optique. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES Des modes de réalisation de l’invention vont être maintenant décrits au moyen d’exemples non-limitatifs de l’invention, et en référence aux figures, où : FIG. 1 est un exemple schématique de la structure d’un MSLR selon l’invention ; FIG. 2 est un exemple schématique d’un fonctionnement d’un MSLR selon l’invention ; FIG. 3 est un premier exemple schématique d’un faisceau optique d’écriture pouvant être utilisé un MSLR selon l’invention ; FIG. 4 est un second exemple schématique d’un faisceau optique d’écriture pouvant être utilisé un MSLR selon l’invention. Modulateur spatial de lumière réflectif à adressage optique pour moduler la phase et/ou la polarisation d’un faisceau optique de lecture, comprenant : - une couche de cristal liquide en phase nématique thermotrope d’une épaisseur supérieure ou égale à 20 micromètres, la couche de cristal liquide étant comprise entre un premier élément d’ancrage et un deuxième élément d’ancrage ; - une première couche, disposée contre le deuxième élément d’ancrage, possédant des propriétés réfléchissantes de la lumière ayant une longueur d’onde appartenant à une première plage de longueurs d’onde ; - une deuxième couche, disposée contre la première couche, ayant des propriétés absorbantes de la lumière ayant une longueur d’onde comprise dans une deuxième plage de longueurs d’ondes. Modulateur selon la revendication 1, dans lequel la première plage de longueurs d’onde, comprise entre 0,5 micromètres et 2,5 micromètres, bornes incluses, et la deuxième plage de longueurs d’onde se recouvrent au moins partiellement ou ne se recouvrent pas. Modulateur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première couche est une couche métallique comprenant au moins un métal, de préférence le métal étant sélectionné parmi : l’or, l’argent, le chrome, le cuivre, le titane, le platine, le palladium. Modulateur selon la revendication 3, dans lequel la deuxième couche est une couche métallique comprenant au moins un métal, le métal étant de préférence sélectionné parmi : l’or, l’argent, le chrome, le cuivre, le titane, le platine, le palladium. Modulateur selon la revendication 4, dans lequel la première couche et la deuxième couche forment une unique couche métallique comprenant un métal, le métal de l’unique couche comprenant de préférence de l’or, et l’unique couche ayant de préférence une épaisseur supérieure ou égale à 100 nanomètres. Modulateur selon la revendication 1, dans lequel la première plage de longueurs d’onde de la première couche est comprise entre 200 nanomètres et 10 micromètres, bornes incluses, la deuxième plage de longueurs d’onde se recouvrent au moins partiellement ou ne se recouvrent pas, et la première couche est une couche métallique comprenant au moins un métal, de préférence le métal étant sélectionné parmi : l’or, l’argent, le chrome, le cuivre, le titane, le platine, le palladium. Modulateur selon l’une quelconque des revendications 2 à 3, dans lequel deuxième couche comprend au moins un matériau sélectionné parmi : du tellurure de cadmium (CdTe), du silicium (Si), du germanium (Ge), du chrome noir. Modulateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier élément d’ancrage et/ou le deuxième élément d’ancrage sont formées d’au moins un matériau sélectionné parmi un polyimide (IP), un SiOx structuré en une ou plusieurs sous-couches, une couche métallique structurée. Modulateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre : un premier substrat transparent disposé contre le premier élément d’ancrage ; un deuxième substrat transparent disposé contre le deuxième élément d’ancrage. Modulateur selon la revendication 9, dans lequel le premier substrat et/ou le deuxième substrat comprend au moins un matériau transparent sélectionné parmi un verre, une résine, un plastique, un verre borosilicate crown, une silice fondue. Modulateur selon l’une quelconque des revendications 9 à 10, dans lequel le premier substrat transparent comprend le premier élément d’ancrage. Modulateur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le premier élément d’ancrage et le deuxième élément d’ancrage déterminent des directions d’ancrage qui sont orientées parallèlement et/ou perpendiculairement. Modulateur selon la revendication 12, dans lequel le premier et le deuxième élément d’ancrage comprennent des accroches qui déterminent les directions d’ancrage, contrôlant ainsi une orientation moléculaire moyenne locale du cristal liquide. Modulateur selon l’une quelconque des revendications 12 à 13, dans lequel les accroches du premier élément d’ancrage et du deuxième élément d’ancrage déterminent une même direction d’ancrage ou deux directions d’ancrage orthogonales entre elles. Modulateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un masque d’amplitude apte à contrôler la quantité de lumière atteignant un point de la deuxième couche. Modulateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une bordure étanche maintenant le cristal liquide entre la première et la deuxième couche d’ancrage. Modulateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’épaisseur du cristal liquide est comprise entre 20 et 200 micromètres, bornes incluses. Système optique comprenant : - un modulateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 17 ; - une source lumineuse pour générer un faisceau optique d’adressage ayant une longueur d’onde comprise dans la deuxième plage de longueurs d’onde.