Une première méthode automatisée pour concevoir et fabriquer des filtres optiques spectraux

Résultat scientifique Micro et nanotechnologies

L’empilement de dizaines de fines couches de matériaux permet de façonner des filtres optiques spectraux extrêmement précis, avec des recettes de fabrication différentes selon l’usage final. Des chercheurs de l’Institut Fresnel ont développé une méthode qui trouve automatiquement des stratégies de contrôle des filtres pour une fabrication aisée. Détaillée dans la revue Optics Express, cette technique offre des performances très proches de l’optimum théorique même quand elle est appliquée par un utilisateur non expérimenté.

Les filtres optiques spectraux permettent de contrôler précisément les propriétés spectrales de la lumière, ce qui en fait des outils essentiels pour les télécommunications, pour de nombreux pans de l’industrie ou encore pour l’imagerie médicale et scientifique. Ces filtres sont constitués d’une multitude de couches de quelques dizaines de nanomètres d’épaisseur, faites de matériaux transparents qui laissent passer certaines longueurs d’onde et en réfléchissent d’autres. Pour obtenir l’effet désiré, des dizaines, voire des centaines de couches jusqu’à mille fois plus fines qu’un cheveu doivent être délicatement agencées. Le contrôle précis de l’épaisseur de chacune des couches, lors de leur fabrication, pose de nombreux problèmes pour la production industrielle à grande échelle, puisqu’il faut découvrir la bonne « recette » de contrôle pour chaque nouveau modèle de filtre optique.

Des chercheurs de l’Institut Fresnel (CNRS/Centrale Marseille/Aix-Marseille Université), en collaboration avec l’entreprise Bühler Leybold Optics (Allemagne), ont développé une méthode qui permet de déterminer, de manière entièrement automatique, les meilleures stratégies de dépôts de couches. Ils ont ainsi montré qu’il était possible, sans connaissance a priori sur le composant à fabriquer ni sur sa « recette », de réaliser des filtres optiques spectraux standards ou complexes. Leur méthode devrait permettre, quel que soit l’empilement, de contrôler l’épaisseur de chacune des couches avec une précision de quelques atomes.

La méthode passe par une mesure en temps réel de l’intensité, à une longueur d’onde, qui traverse le filtre lors de sa fabrication. C’est la sélection de la bonne longueur d’onde, propre à chaque couche, qui a été enfin automatisée dans ces travaux. Les chercheurs ont ensuite mesuré l’écart de performances entre les filtres conçus automatiquement et le meilleur résultat possible : leurs résultats sont toujours très proches de l’optimum.

Cette approche est en cours de transfert vers les machines de la société Bühler, ce qui offrira un plus vaste champ d’applications puisque cette nouvelle approche permet désormais de trouver les meilleures stratégies de fabrication indépendamment du savoir-faire de l’opérateur. Les chercheurs diversifient à présent le champ des stratégies possibles, afin de mieux s’adapter aux besoins des utilisateurs académiques et industriels.

Pour tester la grande flexibilité de leur méthode, les chercheurs ont créé un filtre dont la réponse à la lumière reproduit le profil de Notre-Dame de la Garde à Marseille. © Institut Fresnel (CNRS/École Centrale Marseille/AMU)
Pour tester la grande flexibilité de leur méthode, les chercheurs ont créé un filtre dont la réponse à la lumière reproduit le profil de Notre-Dame de la Garde à Marseille.
© Institut Fresnel

Références
Automated optical monitoring wavelength selection for thin-film filters
Janis Zideluns, Fabien Lemarchand, Detlef Arhilger, Harro Hagedorn, and Julien Lumeau
Opt.
Express 29, 33398-33413 (2021)
https://doi.org/10.1364/OE.439033

Contact

Julien Lumeau
Chargé de recherche CNRS, Institut Fresnel (CNRS/École Centrale Marseille/AMU)
Communication INSIS