EP2513688A1 - Réseau de diffraction réfléchissant diélectrique optimisé - Google Patents

Réseau de diffraction réfléchissant diélectrique optimisé

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Publication number
EP2513688A1
EP2513688A1 EP10807464A EP10807464A EP2513688A1 EP 2513688 A1 EP2513688 A1 EP 2513688A1 EP 10807464 A EP10807464 A EP 10807464A EP 10807464 A EP10807464 A EP 10807464A EP 2513688 A1 EP2513688 A1 EP 2513688A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
thickness
diffraction grating
layers
silica
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10807464A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nicolas Bonod
Jean-Paul Chambaret
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Polytechnique
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Polytechnique
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Ecole Polytechnique filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP2513688A1 publication Critical patent/EP2513688A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1861—Reflection gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/36—Forming the light into pulses
    • G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors
    • G02B5/0808—Mirrors having a single reflecting layer

Definitions

  • the present invention relates to a method for obtaining a reflective diffraction grating. More specifically, the invention relates to a method for obtaining a dielectric diffraction grating optimized for use in particular conditions.
  • the invention also relates to the networks obtained by this method of obtaining.
  • the invention relates to obtaining such an optimized network for implementing a spectral dispersion of high power laser beam.
  • a diffraction grating is an optical device having periodically spaced grooves. It has a number of diffraction orders depending on the incident wavelength, the angle of incidence and its period. In dispersive orders (different from order 0), the reflection angle depends on the wavelength.
  • Diffraction gratings are used in many optical systems, and in particular for the amplification of laser pulses by frequency drift.
  • Pulse lasers make it possible to reach large instantaneous powers for a very short time, of the order of a few picoseconds (10 ⁇ 12 s) or a few femtoseconds (10 ⁇ 15 s).
  • an ultra-short laser pulse is generated by a laser cavity before being amplified in an amplifying medium.
  • the laser pulse initially produced, even of low energy, generates a great instantaneous power since the energy of the pulse is delivered in an extremely brief time.
  • the diffraction gratings used to implement this method must meet several specific requirements. They must have a very good efficiency reflected in a dispersive order, that is to say reflect a very large proportion of the incident light in a dispersive diffraction order, on a spectral interval corresponding to the spectral interval of the impulse laser to be amplified. Frequency drift amplification also requires diffraction gratings having excellent resistance to laser flux, particularly for the recompression of a laser pulse after its amplification.
  • Dielectric networks as indicated by the article by MD Perry, RD Boyd, JA Britten, BW Shore, C. Shannon and L. Li, "High efficiency multilayer dielectric diffraction gratings" (Opt Lett 20, 940 -942 - 1995) exhibit better laser flux performance than metallic type networks and better efficiencies. They consist of a stack of thin dielectric layers placed on a substrate and reflecting up to about 99% of the incident light. The upper surface is etched periodically to obtain the diffraction grating.
  • each of the layers of this stack are chosen so as to form a Bragg mirror, or "quarter-wave" mirror, in which high refractive index layers n H are alternated with layers of low refractive index. n L.
  • the thicknesses t H and t L, respectively, of the layers of high refractive index n H and of the layers of low refractive index n L are determined by the following relationships:
  • - ⁇ is the wavelength of the incident light
  • - ⁇ and 0L are calculated by the following relationships:
  • ⁇ is the angle of incidence of the light on the grating.
  • Such a Bragg mirror makes it possible to reflect, thanks to constructive interference phenomena, up to more than 99% of the incident energy for a given wavelength.
  • the thicknesses of the different layers are calculated for a single wavelength ⁇ , they do not make it possible to obtain satisfactory results for pulses having a spectral width greater than approximately 20 nm, centered on this wavelength.
  • the present invention aims to overcome these disadvantages of the prior art.
  • the invention aims to provide a method for obtaining a dispersive reflective diffraction grating optimized for a particular use.
  • the invention aims to provide a diffraction grating optimized for use over a wide frequency range of several tens, or even hundreds of nanometers.
  • the object of the invention is to make it possible to obtain such an optimized diffraction grating for a frequency drift amplification of an ultra-short pulse laser having a spectral width of several hundred nanometers and a good held with the laser flow.
  • a process for obtaining a reflective diffraction grating for the diffraction of a light beam of spectral domain, angle of incidence and defined polarization comprising a stack of at least four planar layers of dielectric materials, an upper layer of dielectric material being etched to form a diffraction grating whose etching period is determined.
  • This method implements, according to the invention, the following steps:
  • the layers of non-etched dielectric materials are placed on a metal layer, and their number is chosen between 5 and 15.
  • the etching parameters whose value varies during the calculation step are the etching depth and the groove width.
  • the numerical calculation of the reflection and / or transmission efficiencies of at least one of the diffraction orders is made for a sample of at least 10 frequencies distributed in a spectral range of width greater than 100 nm.
  • this spectral range is between 700 and 900 nm.
  • the present invention also relates to a reflective diffraction grating comprising:
  • At least two of the high refractive index material layers or the low refractive index material layers have distinct thicknesses
  • the thicknesses of the high refractive index material layers and the low refractive index material layers, and at least one etching parameter of the upper layer are determined by a sizing method as described above.
  • this reflective diffraction grating comprises at least two layers of silica (Si0 2 ) and two layers of hafnium dioxide (Hf0 2 ) alternately, and the etched upper layer consists of silica (SiO 2 ).
  • such a reflective diffraction grating for the diffraction of a spectral range light beam between 700 and 900 nm, having an angle of incidence of between 50 ° and 56 °, comprises a substrate on which at least :
  • Au gold layer
  • hafnium dioxide Hf0 2
  • Hf0 2 hafnium dioxide
  • hafnium dioxide Hf0 2
  • Hf0 2 hafnium dioxide
  • hafnium dioxide Hf0 2
  • Hf0 2 hafnium dioxide
  • a layer of silica Si0 2 ) with a thickness of between 625 nm and 775 nm, etched throughout its thickness so as to form the grating, the etching period d being between 1400 and 1550 lines per mm and the width of etching being such that the ratio c / d is equal to 0.65.
  • such a reflective diffraction grating comprises an alumina layer deposited between the last layer of hafnium dioxide (Hf0 2 ) and the etched silica layer (Si0 2 ).
  • the invention also relates to such a reflective diffraction grating, comprising a substrate on which are deposited successively: - a layer of gold (Au);
  • silica (SiO 2 ) layer with a thickness of 240 nm;
  • hafnium dioxide Hf0 2
  • Hf0 2 hafnium dioxide
  • silica layer Si0 2 ) with a thickness of 380 nm;
  • hafnium dioxide Hf0 2
  • hafnium dioxide Hf0 2
  • Si0 2 silica layer with a thickness of 700 nm, etched throughout its thickness.
  • FIG. 1 is a schematic representation in sectional view of a diffraction grating according to the prior art, based on a Bragg mirror;
  • FIG. 2 is a diagrammatic representation in sectional view of a diffraction grating according to one embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a graph showing the reflected efficiency of the diffraction grating shown in FIG. 2 as a function of the wavelength of the incident light;
  • FIG. 4 is a graph showing the intensity spectrum of a laser pulse of spectral width of
  • FIG. 1 is a diagrammatic sectional view of a diffraction grating according to the prior art, based on a Bragg mirror.
  • This network comprises alternating layers 11 of high refractive index and low index of refraction layers 12, deposited on a substrate 13. The thickness of each layer is fixed according to its refractive index n H or n L d on the one hand, and the angle of incidence ⁇ and the wavelength ⁇ of the incident beam on the other hand.
  • n H or n L d refractive index
  • ⁇ and the wavelength ⁇ of the incident beam on the other hand.
  • a gold layer (not shown) can be inserted between the glass substrate 13 and the dielectric stack forming a Bragg mirror in order to reduce the number of thin layers necessary to obtain a reflectivity. high, while guaranteeing a threshold of damage close to those obtained with fully dielectric mirrors.
  • this gold layer is much greater than the skin thickness, typically 150 nm, so that the glass substrate has no optical interaction with the laser pulse.
  • the number of dielectric layers above the gold deposit can be set by the user but, unlike fully dielectric deposits, it can be reduced to six. This solution is described in the article by N. Bonod and J. Neauport, "Optical performance and laser induced damage threshold In this paper, the following is an example: “(Opt.Commun., Vol 260, Issue 2, 649-655 - 2006).
  • the upper layer 15 is etched to form the network.
  • the period and the etching geometry are defined in order to collect most of the incident energy in reflection in the dispersive (-1) diffraction order. Only the energy collected in this order (-1) of diffraction will be used in the final laser pulse. The energy emitted in the other orders is lost.
  • the period and the etching geometry are generally defined to collect about 95% of the incident energy in reflection in the order (-1) of diffraction.
  • Such a network of the prior art can offer good performance only for a given wavelength, and is not suitable, in particular, the dispersion of a laser pulse covering a wide frequency range.
  • the present invention is based on the joint optimization of the thickness of the planar layers and the etching profile of the network.
  • the thicknesses of the different layers are therefore not those determined for the Bragg mirrors, but are each optimized, in connection with the characteristics of the etching profile, by a numerical optimization method, to present good reflective efficiencies over a wide width. spectral.
  • the network to be optimized presents a certain number of parameters which are chosen before implementing the optimization method. These parameters are mainly:
  • the number and the nature of the layers of dielectric material being generally limited to less than 20, and preferably less than 15, to avoid the risks of cracking of the network, but to be greater than or equal to 5 for the network to have good reflected efficiency;
  • the etching period d which is advantageously determined, knowing the spectral range and the angle of incidence of the laser pulse, so that only the orders 0 (always present) and the order (-1) are propagative diffraction orders, the other orders being evanescent;
  • the angle of inclination of the trapezoids forming the engraving profile which is chosen according to constraints related to the manufacture of the network.
  • each dielectric layer is the thickness of each dielectric layer
  • the engraving depth h which corresponds to the thickness of the etched layer if it is etched over its entire height
  • a minimum and a maximum are determined, as is an incrementing step.
  • the minimum and the maximum can be chosen in particular according to the constraints of manufacture.
  • the step of incrementation is chosen according to the precision of the desired optimization.
  • the step of incrementation and the intervals [minimum; maximum] are chosen according to the computing power available to carry out the optimization.
  • the number of computations increases in fact when one increases the intervals or when one decreases the steps of incrementation.
  • the diffraction grating exhibiting these parameters can be dimensioned, according to the invention, with the method comprising the following steps:
  • a plurality of possible diffraction grating configurations corresponding to the parameters mentioned above are determined. For this purpose, all the possible combinations are determined on a computer by varying the thicknesses of each of the layers of dielectric material and the etching parameters of the upper layer in the determined intervals and according to the determined steps.
  • the efficiency reflected in the grating diffraction order (-1) is calculated for a sample of frequencies chosen in the spectral range of use of the network to be dimensioned.
  • the values of some of the variables can be fixed, to simplify the calculations or if it is not relevant to optimize them.
  • the optimization according to the invention can, however, be implemented only by simultaneously optimizing at least one of the etching parameters (engraving height h, angle OC of inclination of the trapezes, width c of the engraved groove) and the thickness of each of the dielectric layers having a strong optical effect, which are four in number minimum.
  • this method of numerical optimization therefore takes into account both the thicknesses of each of the layers forming the network, and the etching characteristics of this network.
  • the software initializes each variable h, el, e2, e3, e4, e5, e6 and c to their respective minimum value h m i n e lmin e2 m j_ n, e3 m in f e4 m i n e5 m in e6 m in and c m in ⁇
  • the reflected efficiency of this first configuration is then calculated by the appropriate method of solving the Maxwell equations.
  • the first parameter h is incremented by the value of the step Ah, as long as its value is less than or equal to h max .
  • the reflected efficiency of the corresponding configuration is calculated by the appropriate method of solving the Maxwell equations.
  • the second parameter el is incremented by the value of step Ael, as long as its value is less than or equal to el max .
  • the value of h as described above is varied and the reflected efficiency of all corresponding configurations is calculated by the appropriate method of solving the Maxwell equations.
  • each of the following parameters are thus incremented until the reflected efficiencies of all possible configurations of networks whose parameters h, el, e2, e3, e4, e5, e6 and c are between fixed minimum and maximum values, with fixed incremental steps, have been calculated.
  • e3 200 nm
  • Ae3 10nm, that is 21 possible values for e3
  • - e4. 100 nm
  • e4 300 nm
  • Ae4 10 nm, which is 21 possible values for e4;
  • the reflected efficiency of the network can be calculated for several wavelengths previously selected, distributed in a given frequency range.
  • the method of calculating the efficiency reflected in the diffraction order (-1) of the configuration of each network configuration, based on a rigorous resolution of the Maxwell equations, is based on the development of the electric and magnetic fields in series of Fourier, which reduces Maxwell's equations to a system of differential equations of the first order.
  • the integration of this system from the substrate to the superstrate makes it possible to precisely calculate the reflection and transmission efficiencies of the periodic component.
  • a second integration makes it possible to reconstruct the electromagnetic field throughout the space.
  • the diffraction grating shown in FIG. 2 is intended for a femtosecond laser pulse frequency amplification amplification amplified by a titanium-sapphire crystal, having a spectral amplitude of 200 nm centered on 800 nm, and a TE polarization ( transverse electric).
  • Figure 4 is a measure of the spectral intensity of this laser pulse.
  • the angle of incidence of the light on the grating is fixed at 55 °, and the engraving frequency 1 / d of the grating is fixed at 1480 lines per mm.
  • the angle of inclination of the trapezoids forming the engraving is chosen at 83 °. This angle is the closest to the angles measured on the networks currently produced by the manufacturers in this type of oxide, and for this type of depth.
  • this network has been chosen to manufacture this network with three flat layers 21, 23 and 25 of Si0 2 , alternating with three flat layers 22, 24 and 26 of Hf0 2 , the lower layer 21 of Hf0 2 being laid on a layer of gold 20.
  • the incrementation step chosen is 10 nm in a range of [100; 400] nm;
  • the incrementation step chosen is 10 nm in a range of [0; 300] nm;
  • An additional upper layer 28 of SiO 2 is etched over its entire height.
  • a layer 27 of Al 2 O 3 with a thickness of 50 nm is provided between the upper layer 28 of Si0 2 intended to be etched and the upper layer 26 of Hf0 2 to facilitate the etching of the layer 28 of Si0 2 on all its thickness without damaging layer 26 of Hf0 2 .
  • This thin layer 27, when it is indispensable for the realization of the network, is taken into account in the calculations of the reflected efficiency of the network as a constant.
  • This layer Al 2 0 3 could, of course, not be implemented, or be placed at another position, in other embodiments of the invention.
  • the interval chosen for parameter c / d is [0.55; 0.75], with a step of incrementation of 0.1.
  • the efficiency reflected in order -1 is calculated for 41 wavelengths between 700nm and 900 nm.
  • the number of calculations of the reflected efficiency of the different possible configurations of the diffraction grating is therefore 41 * 3 * 51 * [31] n , where n is the number of plane layers, ie 6.
  • This method can of course be used iteratively.
  • a first implementation of the method makes it possible to detect optimized network solutions
  • one or more new implementations with differently chosen intervals and reduced increment steps make it possible to precisely define the best network solutions.
  • the use of the dimensioning method according to the invention thus makes it possible to find different configurations of networks, presenting the parameters described above in relation to FIG. 2, which make it possible to obtain, with an etching depth, the order of 700 nm averages of efficiencies reflected in the order -1 greater than 90% in the spectral range [700; 900] nm.
  • One of these configurations corresponds to a network consisting of a glass substrate, on which are deposited successively:
  • a gold layer whose thickness is much greater than the skin thickness, typically 150 nm, such that the glass substrate has no optical interaction with the laser pulse.
  • hafnium dioxide Hf0 2
  • hafnium dioxide Hf0 2
  • hafnium dioxide Hf0 2
  • the engraving is done so that the value c / d is equal to 0.65.
  • FIG. 3 is a graph showing, on the one hand, in full line, the reflected efficiency of this network in the order -1, and on the other hand, in dashed lines, the sum of the efficiencies reflected (order 0 + order -1) of this network, as a function of the wavelength of the incident light.
  • the etching parameters have been chosen so that the number of diffraction orders is limited to two (order -1 and order 0) in order to limit the distribution of energy in too many orders.
  • the order 0 is not dispersive (the diffraction angle in this order does not depend on the frequency), the order (-1) in which the incident light is dispersed.
  • the graph of FIG. 3 shows that minima 30, 31, 32 and 33 appear, but that their spectral width is very fine, so that they do not affect the average of reflected efficiency calculated on the spectral domain.
  • FIG. 4 shows, by way of example, the spectral intensity of the laser pulse to be reflected by the network of FIG. 2.
  • the criterion used for the selection of the network is the average of the reflected efficiency of the network, weighted by the spectral intensity of the incident wave shown in FIG. 4. This average, calculated on 801 points evenly distributed over the entire spectral range [700 nm; 900 nm], is equal to 94.5% for the network of FIG.
  • the fabrication of the network dimensioned according to this method can then be carried out using conventional manufacturing methods known to those skilled in the art for the manufacture of networks based on Bragg mirrors.
  • the etching depth of this network is between 625nm and 775 nm, and the number of lines per mm is between 1400 and 1550.
  • the intervals in which are included the thicknesses of the layers are:

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'obtention d'un réseau de diffraction réfléchissant pour la diffraction d'un faisceau lumineux, comprenant un empilement d'au moins quatre couches planes de matériaux diélectriques, une couche supérieure de matériau diélectrique étant gravée de façon à former un réseau de diffraction dont la période de gravure est déterminée, mettant en œuvre les étapes suivantes : choix du nombre et de la nature des couches de matériaux diélectriques, y compris la couche gravée; calcul numérique des efficacités de réflexion et/ou de transmission d'au moins un des ordres de diffraction pour un échantillon de fréquences appartenant au domaine spectral d'utilisation, pour chacune des configurations du réseau de diffraction déterminées en faisant varier les épaisseurs d'au moins quatre des couches de matériau diélectrique et au moins un des paramètres de gravure du réseau; parmi les configurations calculées, sélection d'au moins une configuration en fonction d'un critère dépendant de l'utilisation prévue du réseau.

Description

"Réseau de diffraction réfléchissant diélectrique optimisé "
1. Domaine de l'invention
La présente invention concerne un procédé d'obtention d'un réseau de diffraction réfléchissant. Plus précisément, l'invention concerne un procédé permettant d'obtenir un réseau de diffraction diélectrique optimisé pour une utilisation dans des conditions particulières.
L'invention concerne également les réseaux obtenus par ce procédé d'obtention.
De façon préférentielle, mais non exclusive, l'invention concerne l'obtention d'un tel réseau optimisé pour la mise en œuvre d'une dispersion spectrale de faisceau laser de forte puissance.
2. Art antérieur
Un réseau de diffraction est un dispositif optique présentant des sillons espacés périodiquement. Il présente un nombre d'ordres de diffraction dépendant de la longueur d'onde incidente, de l'angle d'incidence et de sa période. Dans les ordres dispersifs (différents de l'ordre 0), l'angle de réflexion dépend de la longueur d ' onde .
Les réseaux de diffraction sont utilisés dans de nombreux systèmes optiques, et notamment pour l'amplification d'impulsions lasers par dérive de fréquences .
2.1. Utilisation de réseaux pour l'amplification à dérive de fréquence de laser impulsionnels
Les lasers impulsionnels, ou lasers à impulsions, permettent d'atteindre de grandes puissances instantanées pendant une durée très brève, de l'ordre de quelques picosecondes (10~12s) ou de quelques femtosecondes (10~15s). Dans ces lasers, une impulsion laser ultra-brève est générée par une cavité laser avant d'être amplifiée dans un milieu amplificateur. L'impulsion laser initialement produite, même de faible énergie, engendre une grande puissance instantanée puisque l'énergie de l'impulsion est délivrée en un temps extrêmement bref.
Pour permettre l'augmentation de la puissance du laser impulsionnel sans que cette puissance instantanée ne détériore le milieu amplificateur, il a été imaginé d'étirer temporellement l'impulsion avant son amplification, puis de la recompresser. Les puissances instantanées mises en œuvre dans le milieu amplificateur peuvent ainsi être diminuées par rapport à la puissance de l'impulsion finalement émise par le laser impulsionnel. Cette méthode d'amplification à dérive de fréquences (souvent désignée « CPA », de l'anglais "Chirped Puises Amplification"), permet d'augmenter la durée d'une impulsion d'un facteur de l'ordre de 103, puis de la recompresser afin qu'elle retrouve sa durée initiale .
Cette méthode « CPA », décrite dans l'article de D. Strickland et G. Mourou, "Compression of amplified chirped optical puises," (Opt. Commun. 56, 219-221
1985) utilise une décomposition spectrale de l'impulsion, permettant d'imposer un trajet d'une longueur différente aux différentes longueurs d'ondes pour les décaler temporellement. L'étirement et la recompression des impulsions sont assurés, le plus souvent, par des réseaux de dispersion, qui présentent des pouvoirs dispersifs importants et une bonne tenue au flux laser.
2.2. Caractéristiques exigées pour ces réseaux
Les réseaux de diffraction utilisés pour mettre en œuvre cette méthode doivent répondre à plusieurs exigences particulières. Ils doivent présenter une très bonne efficacité réfléchie dans un ordre dispersif, c'est-à-dire réfléchir une très grande proportion de la lumière incidente dans un ordre dispersif de diffraction, sur un intervalle spectral correspondant à l'intervalle spectral de l'impulsion laser à amplifier. L'amplification à dérive de fréquences nécessite également des réseaux de diffraction ayant une excellente tenue au flux laser, particulièrement pour la recompression d'une impulsion laser après son amplification.
2.3. Les réseaux diélectriques
Les réseaux de type diélectrique, comme l'indique l'article de M. D. Perry, R. D. Boyd, J. A. Britten, B. W. Shore, C. Shannon et L. Li, "High efficiency multilayer dielectric diffraction gratings" (Opt. Lett. 20, 940-942 - 1995) présentent de meilleures performances de tenue au flux laser que les réseaux de type métallique et de meilleures efficacités. Ils sont constitués par un empilement de couches minces diélectriques placées sur un substrat et réfléchissant jusqu'à environ 99% de la lumière incidente. La surface supérieure est gravée périodiquement afin d'obtenir le réseau de diffraction.
Les épaisseurs de chacune des couches de cet empilement sont choisies de façon à former un miroir de Bragg, ou miroir « quart d'onde », dans lequel des couches de haut indice de réfraction nH sont alternées avec des couches de bas indice de réfraction nL. Les épaisseurs tH et tL respectivement des couches de haut indice de réfraction nH et des couches de bas indice de réfraction nL sont déterminées par les relations suivantes :
dans lesquelles:
- λ est la longueur d'onde de la lumière incidente ; - ΘΗ et 0L sont calculés par les relations suivantes :
dans lesquelles θί est l'angle d'incidence de la lumière sur le réseau. Un tel miroir de Bragg permet de réfléchir, grâce à des phénomènes d'interférences constructives , jusqu'à plus de 99% de l'énergie incidente pour une longueur d'onde donnée.
Cependant, les épaisseurs des différentes couches étant calculées pour une seule longueur d'onde λ, ils ne permettent pas d'obtenir des résultats satisfaisant pour des impulsions présentant une largeur spectrale supérieure à environ 20 nm, centrée sur cette longueur d ' onde .
2.4 Inconvénients de l'art antérieur
Ces réseaux diélectriques basés sur des miroirs de Bragg, satisfaisants pour l'amplification à dérive de fréquences d'impulsions laser de largeur spectrale de l'ordre de quelques nanomètres, ne sont pas adaptés aux impulsions plus brèves, qui présentent une plus grande largeur spectrale.
Pour diminuer la durée des impulsions, il devient donc nécessaire de disposer de réseaux de diffraction présentant des performances optimales sur une bande spectrale large de plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines de nanomètres. Aucun réseau de diffraction de l'art antérieur ne garantit de bonnes performances sur une telle largeur spectrale et un seuil d ' endommagement élevé .
3. Objectif de 1 'invention
La présente invention a pour objectif de pallier à ces inconvénients de l'art antérieur.
Ainsi, l'invention a pour objectif de fournir une méthode permettant d'obtenir un réseau de diffraction réfléchissant dispersif optimisé pour une utilisation particulière . De façon particulière, l'invention a pour objectif de permettre l'obtention d'un réseau de diffraction optimisé pour une utilisation sur une plage de fréquence large de plusieurs dizaines, voire de plusieurs centaines de nanomètres.
En particulier, l'invention a pour objectif de permettre l'obtention d'un tel réseau de diffraction optimisé pour une amplification à dérive de fréquences d'un laser à impulsions ultra-brèves présentant une largeur spectrale de plusieurs centaines de nanomètres et une bonne tenue au flux laser.
4. Exposé de l'invention
Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront plus clairement par la suite, sont atteints par un procédé d'obtention d'un réseau de diffraction réfléchissant pour la diffraction d'un faisceau lumineux de domaine spectral, d'angle d'incidence et de polarisation déterminés, comprenant un empilement d'au moins quatre couches planes de matériaux diélectriques, une couche supérieure de matériau diélectrique étant gravée de façon à former un réseau de diffraction dont la période de gravure est déterminée.
Ce procédé met en œuvre, selon l'invention, les étapes suivantes :
- choix du nombre et de la nature des couches de matériaux diélectriques, y compris la couche gravée;
calcul numérique des efficacités de réflexion et/ou de transmission d'au moins un des ordres de diffraction pour un échantillon de fréquences appartenant au domaine spectral d'utilisation, pour chacune des configurations du réseau de diffraction déterminées en faisant varier dans des intervalles prédéterminés et avec des pas d'incrémentation prédéterminés, les épaisseurs d'au moins quatre des couches de matériau diélectrique et au moins un des paramètres de gravure du réseau ; parmi les configurations calculées, sélection d'au moins une configuration en fonction d'un critère dépendant de l'utilisation prévue du réseau.
Préfèrentiellement , les couches de matériaux diélectriques non gravées sont placées sur une couche métallique, et leur nombre est choisi entre 5 et 15.
De façon avantageuse, les paramètres de gravure dont la valeur varie lors de l'étape de calcul sont la profondeur de gravure et la largeur de sillon.
Avantageusement, le calcul numérique des efficacités de réflexion et/ou de transmission d'au moins un des ordres de diffraction est fait pour un échantillon d'au moins 10 fréquences réparties dans un domaine spectral de largeur supérieure à 100 nm.
Selon un mode de réalisation préférentiel, ce domaine spectral est compris entre 700 et 900 nm.
La présente invention concerne également un réseau de diffraction réfléchissant comportant :
une couche métallique ;
- au moins deux couches de matériau de haut indice de réfraction et deux couches de matériau de bas indice de réfraction alternées ;
- une couche supérieure de matériau diélectrique gravée de façon à former un réseau de diffraction ;
dans lequel, selon l'invention, au moins deux des couches de matériau de haut indice de réfraction ou des couches de matériau de bas indice de réfraction présentent des épaisseurs distinctes;
et en ce que les épaisseurs des couches de matériau de haut indice de réfraction et des couches de matériau de bas indice de réfraction, et au moins un paramètre de gravure de la couche supérieure sont déterminées par un procédé de dimensionnement tel que décrit ci dessus.
Un tel réseau de diffraction est donc différent de ceux basés sur un miroir de Bragg, dans lesquels toutes les couches de même indice ont la même épaisseur. Préfèrentiellement , ce réseau de diffraction réfléchissant comprend au moins deux couches de silice (Si02) et deux couches de dioxyde d'hafnium (Hf02) alternées, et la couche supérieure gravée est constituée de silice ( Si02) .
Avantageusement, un tel réseau de diffraction réfléchissant, pour la diffraction d'un rayon lumineux de domaine spectral compris entre 700 et 900 nm, ayant un angle d'incidence compris entre 50° et 56°, comprend un substrat sur lequel sont déposées au moins :
- une couche d'or (Au) d'épaisseur supérieure à 150 nm;
une couche de silice (Si02) d'une épaisseur comprise entre 150nm et 300nm ;
- une couche de dioxyde d'hafnium (Hf02) d'une épaisseur comprise entre 150nm et 300nm ;
une couche de silice (Si02) d'une épaisseur comprise entre 250nm et 400nm ;
une couche de dioxyde d'hafnium (Hf02) d'une épaisseur comprise entre 50nm et 200nm ;
une couche de silice (Si02) d'une épaisseur comprise entre 50nm et 200nm ;
une couche de dioxyde d'hafnium (Hf02) d'une épaisseur comprise entre lOOnm et 250nm ;
- une couche de silice (Si02) d'une épaisseur comprise entre 625nm et 775 nm, gravée sur toute son épaisseur de façon à former le réseau, la période de gravure d étant comprise entre 1400 et 1550 traits par mm et la largeur de gravure étant telle que le rapport c/d soit égal à 0,65.
Selon un mode de réalisation avantageux, un tel réseau de diffraction réfléchissant comprend une couche d'alumine déposée entre la dernière couche de dioxyde d'hafnium (Hf02) et la couche de silice (Si02) gravée.
L'invention concerne également un tel réseau de diffraction réfléchissant, comprenant un substrat sur lequel sont déposées successivement : - une couche d'or (Au);
- une couche de silice (Si02) d'une épaisseur de 240 nm ;
une couche de dioxyde d'hafnium (Hf02) d'une épaisseur de 240 nm ;
- une couche de silice (Si02) d'une épaisseur de 380 nm ;
une couche de dioxyde d'hafnium (Hf02) d'une épaisseur de 100 nm ;
- une couche de silice (Si02) d'une épaisseur de 100 nm ;
une couche de dioxyde d'hafnium (Hf02) d'une épaisseur de 200 nm ;
- une couche d'alumine (A1203) d'une épaisseur de 50 nm ; et
- une couche de silice (Si02) d'une épaisseur de 700 nm, gravée sur toute son épaisseur.
5. Présentation des figures
D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui suit d'un mode de réalisation préféré, non limitatif de l'objet et de la portée de la présente demande de brevet, accompagné de dessins dans lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique en vue de coupe d'un réseau de diffraction selon l'art antérieur, basé sur un miroir de Bragg ;
- la figure 2 est une représentation schématique en vue de coupe d'un réseau de diffraction selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 3 est un graphique représentant l'efficacité réfléchie du réseau de diffraction représenté à la figure 2, en fonction de la longueur d'onde de la lumière incidente ;
- la figure 4 est un graphique montrant le spectre d'intensité d'une impulsion laser de largeur spectrale de
200 nm et centrée sur 800 nm, pouvant être comprimée par un dispositif incluant le réseau de diffraction de la figure 2.
6. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention
6.1. Rappel de l'art antérieur
La figure 1 représente en vue de coupe schématique un réseau de diffraction selon l'art antérieur, basé sur un miroir de Bragg. Ce réseau comporte une alternance de couches 11 de haut indice de réfraction et de couches 12 de bas indice de réfraction, déposées sur un substrat 13. L'épaisseur de chaque couche est fixée en fonction de son indice de réfraction nH ou nL d'une part, et de l'angle d'incidence θί et de la longueur d'onde λ du faisceau incident d'autre part. Ainsi, dans le miroir de Bragg, toutes les couches 11 de haut indice ont une épaisseur identique, et toutes les couches 12 de bas indices ont une épaisseur identique.
Les réseaux diélectriques comportant un trop grand nombre de couches présentent des risques de fendillement quand ils sont exposés à des flux laser. Pour éviter cet inconvénient, une couche d'or (non représentée) peut être insérée entre le substrat de verre 13 et l'empilement diélectrique formant un miroir de Bragg afin de réduire le nombre de couches minces nécessaires à l'obtention d'une réflectivité élevée, tout en garantissant un seuil d ' endommagement proche de ceux obtenus avec des miroirs entièrement diélectriques.
Dans ce cas, l'épaisseur de cette couche d'or est largement supérieur à l'épaisseur de peau, typiquement 150 nm, de telle sorte que le substrat en verre n'a aucune interaction optique avec l'impulsion laser.
Le nombre de couches diélectriques au-dessus du dépôt d'or peut être fixé par l'utilisateur mais, contrairement aux dépôts entièrement diélectriques, il est possible de le réduire à six. Cette solution est décrite dans l'article de N. Bonod et J. Neauport, "Optical performances and laser induced damage threshold improvement of diffraction gratings used as compressors in ultra high intensity lasers" (Opt. Commun., Vol 260, Issue 2, 649-655 - 2006) .
La couche supérieure 15 est gravée pour former le réseau. La période et la géométrie de gravure sont définies afin de recueillir la plus grande partie de l'énergie incidente en réflexion dans l'ordre dispersif (-1) de diffraction. Seule l'énergie recueillie dans cet ordre (-1) de diffraction sera utilisée dans l'impulsion laser finale. L'énergie émise dans les autres ordres est perdue. La période et la géométrie de gravure sont généralement définies afin de recueillir environ 95% de l'énergie incidente en réflexion dans l'ordre (-1) de diffraction .
Un tel réseau de l'art antérieur ne peut offrir de bonnes performances que pour une longueur d'onde donnée, et n'est pas adapté, notamment, à la dispersion d'une impulsion laser couvrant une grande plage de fréquences.
6.2 Méthodologie de dimensionnement
La présente invention est basée sur l'optimisation conjointe de l'épaisseur des couches planes et du profil de gravure du réseau. Les épaisseurs des différentes couches ne sont donc pas celles déterminées pour les miroirs de Bragg, mais sont chacune optimisées, en lien avec les caractéristiques du profil de gravure, par une méthode d'optimisation numérique, pour présenter de bonnes efficacités réfléchies sur une grande largeur spectrale .
Le réseau à optimiser présente un certain nombre de paramètres qui sont choisis avant de mettre en œuvre le procédé d'optimisation. Ces paramètres sont principalement :
- le nombre et la nature des couches de matériau diélectrique, le nombre de couches étant généralement limité à moins de 20, et de préférence à moins de 15, pour éviter les risques de fissuration du réseau, mais devant être supérieur ou égal à 5 pour que le réseau puisse présenter une bonne efficacité réfléchie ;
- l'angle d'incidence de l'impulsion lumineuse sur le réseau, la largeur spectrale et la polarisation de cette impulsion, qui sont choisis en fonction de contraintes liées au système optique ;
- le matériau constituant la couche gravée,
- la période de gravure d, qui est avantageusement déterminée, connaissant le domaine spectral et l'angle d'incidence de l'impulsion laser, de telle façon que seuls les ordres 0 (toujours présents) et l'ordre (-1) soient des ordres de diffraction propagatifs, les autres ordres étant évanescents ;
- l'angle d'inclinaison des trapèzes formant le profil de gravure, qui est choisi en fonction de contraintes liées à la fabrication du réseau.
L'optimisation est faite en choisissant la meilleure combinaison de valeurs pour les variables suivantes :
- l'épaisseur de chaque couche diélectrique ;
- la profondeur de gravure h, qui correspond à l'épaisseur de la couche gravée si celle-ci est gravée sur toute sa hauteur,
- la largeur c du sillon gravé, à mi-hauteur l'épaisseur de la couche gravée.
Pour chacune de ces valeurs, on détermine un minimum et un maximum, ainsi qu'un pas d'incrémentation. Le minimum et le maximum peuvent être choisis notamment en fonction des contraintes de fabrication. Le pas d'incrémentation est choisi en fonction de la précision de l'optimisation souhaitée. Par ailleurs, le pas d'incrémentation et les intervalles [minimum ; maximum] sont choisis en fonction de la puissance de calcul disponible pour réaliser l'optimisation. Le nombre de calculs augmente en effet quand on augmente les intervalles ou quand on diminue les pas d'incrémentation. Le réseau de diffraction présentant ces paramètres peut être dimensionné, selon l'invention, avec la méthode comprenant les étapes suivantes :
On détermine une pluralité de configurations possibles de réseau de diffraction correspondant aux paramètres mentionnés ci-dessus. Pour cela, on détermine sur un ordinateur toutes les combinaisons possibles en faisant varier dans les intervalles déterminés et selon les pas déterminés les épaisseurs de chacune des couches de matériau diélectrique et les paramètres de gravure de la couche supérieure.
- Pour chacune des configurations déterminées à la première étape, on calcule l'efficacité réfléchie dans l'ordre (-1) de diffraction du réseau, pour un échantillon de fréquences choisies dans le domaine spectral d'utilisation du réseau à dimensionner .
- Après le calcul de l'efficacité de chacune des configurations, on sélectionne la ou les configurations dont les efficacités et les caractéristiques correspondent le mieux à l'utilisation prévue du réseau de diffraction, en utilisant un critère approprié.
Il est à noter que les valeurs de certaines des variables peuvent être fixées, pour simplifier les calculs ou s'il n'est pas pertinent de les optimiser. Ainsi, par exemple, il est possible de fixer l'épaisseur d'une couche diélectrique qui ne présente pas d'effet optique sensible, comme une couche fine d'alumine (A1203) présente pour répondre à des contraintes mécaniques . L'optimisation selon l'invention ne peut cependant être mise en œuvre qu'en optimisant simultanément au moins un des paramètres de gravure (hauteur de gravure h, angle OC d'inclinaison des trapèzes, largeur c du sillon gravé) et l'épaisseur de chacune des couches diélectriques ayant un effet optique important, qui sont au nombre de quatre minimum.
De façon nouvelle, cette méthode d'optimisation numérique prend donc en compte à la fois les épaisseurs de chacune des couches formant le réseau, et les caractéristiques de gravure de ce réseau.
Pour déterminer la pluralité de configurations possibles, dans le cas où l'on a six couches de matériaux diélectriques en plus de la couche gravée, on utilise un logiciel qui utilisera les variables suivantes :
- hauteur h de la couche gravée,
- épaisseur el de la première couche,
- épaisseur e2 de la deuxième couche,
- épaisseur e3 de la troisième couche,
- épaisseur e4 de la quatrième couche,
- épaisseur e5 de la cinquième couche,
- épaisseur e6 de la sixième couche,
- largeur de sillon c.
On entre dans le logiciel les paramètres suivants :
- hauteur minimale h . et maximale h de la couche gravée, et pas d'incrémentation Ah de la variable h ;
- épaisseur minimale el . et maximale el de la première couche, et pas d'incrémentation Ael de la variable el ;
- épaisseur minimale e2. et maximale e2 de la deuxième couche, et pas d'incrémentation Ae2 de la variable e2 ;
- épaisseur minimale e3. et maximale e3 de la troisième couche, et pas d'incrémentation Ae3 de la variable e3 ;
- épaisseur minimale e4. et maximale e4 de la quatrième couche, et pas d'incrémentation Ae4 de la variable e4 ;
- épaisseur minimale e5. et maximale e5 de la cinquième couche, et pas d'incrémentation Ae5 de la variable e5 ;
- épaisseur minimale e6. et maximale e6 de la sixième couche, et pas d'incrémentation Ae6 de la variable e6 ; - largeur de sillon minimale c . et maximale c et pas d'incrémentation Ac de la variable c.
Le logiciel initialise chacune des variable h, el, e2, e3, e4, e5, e6 et c à leur valeur minimale respective hmin f e lmin e2mj_n, e3minf e4min f e5min e6min et cmin · L efficacité réfléchie de cette première configuration est alors calculée par la méthode appropriée de résolution des équations de Maxwell.
Le premier paramètre h est incrémenté de la valeur du pas Ah, tant que sa valeur est inférieure ou égale à hmax. Pour chacune des valeurs prises par h, l'efficacité réfléchie de la configuration correspondante est calculée par la méthode appropriée de résolution des équations de Maxwell .
Le second paramètre el est incrémenté de la valeur du pas Ael, tant que sa valeur est inférieure ou égale à elmax. Pour chacune des valeurs prises par el, on fait varier la valeur de h tel que décrit ci-dessus et on calcule l'efficacité réfléchie de toutes les configurations correspondantes par la méthode appropriée de résolution des équations de Maxwell.
Le troisième paramètre, puis chacun des paramètres suivants, sont ainsi incrémentés jusqu'à ce que les efficacités réfléchies de toutes les configurations possibles de réseaux dont les paramètres h, el, e2, e3, e4, e5, e6 et c sont compris entre les valeurs minimum et maximum fixées, avec les pas d'incrémentation fixés, aient été calculées.
Ainsi, si on rentre les paramètres suivants :
- h . = 300nm, h = 800nm, Ah = lOnm, soit 51 valeurs possibles pour h ;
- el . = Onm, el = 200 nm, Ael =10nm, soit 21 valeurs possibles pour el ;
- e2. = lOOnm, e2 = 300 nm, Ae2 =10nm, soit 21 valeurs possibles pour e2 ;
- e3. = Onm, e3 = 200 nm, Ae3 =10nm, soit 21 valeurs possibles pour e3 ; - e4. = lOOnm, e4 = 300 nm, Ae4 =10nm, soit 21 valeurs possibles pour e4 ;
- e5. = Onm, e5 = 200 nm, Ae5 =10nm, soit 21 valeurs possibles pour e5 ;
- e6. = lOOnm, e6 = 300 nm, Ae6 =10nm, soit 21 valeurs possibles pour e6 ;
- cmin/d = 0,55, cmax/d = 0,75, Ac/d = 0,1 (la période de gravure d étant fixée), soit 3 valeurs possibles pour c ;
le nombre de configurations pour lesquelles l'efficacité réfléchie est calculée est égale à :
3 x 51 x (21)6= 13 122 216 513 configurations.
6.3. Calcul de l'efficacité réfléchie
Pour chacune de ces configurations, l'efficacité réfléchie du réseau peut être calculée pour plusieurs longueurs d'onde préalablement choisies, réparties dans une plage de fréquences donnée.
La méthode de calcul de l'efficacité réfléchie dans l'ordre (-1) de diffraction de la configuration de chaque configuration du réseau, basée sur une résolution rigoureuse des équations de Maxwell, repose sur le développement des champs électrique et magnétique en séries de Fourier, ce qui permet de réduire les équations de Maxwell à un système d'équations différentielles du 1er ordre. L'intégration de ce système du substrat au superstrat permet de calculer précisément les efficacités de réflexion et de transmission du composant périodique. Une seconde intégration permet de reconstruire le champ électromagnétique dans tout l'espace.
Cette méthode de calcul est entièrement décrite dans l'ouvrage de M. Nevière et E. Popov, ayant pour titre « Light propagation in periodic médias ; differential theory and design » (Marcel Dekker, New York, Basel, Honk Kong, 2003) .
Une fois ce calcul de réflexion dans l'ordre -1 effectué pour toutes les configurations, il est possible de choisir la ou les configurations qui présentent à la fois de bonnes efficacités réfléchies et des caractéristiques compatibles avec l'utilisation prévue du réseau de diffraction.
6.4 Paramètres choisis pour l'obtention du réseau de la figure 2
Le réseau de diffraction représenté à la figure 2 est destiné à une amplification à dérive de fréquences d'impulsion laser de type femtoseconde amplifié par un cristal de titane-saphir, présentant une amplitude spectrale de 200 nm centrée sur 800nm, et une polarisation TE (transverse électrique) . La figure 4 est une mesure de l'intensité spectrale de cette impulsion laser. L'angle d'incidence de la lumière sur le réseau est fixé à 55°, et la fréquence de gravure 1/d du réseau est fixée à 1480 traits par mm.
L'angle d'inclinaison des trapèzes formant la gravure est choisi à 83°. Cet angle est le plus proche des angles mesurés sur les réseaux actuellement réalisés par les fabricants dans ce type d'oxyde, et pour ce type de profondeur.
Il a été choisi de fabriquer ce réseau avec trois couches planes 21, 23 et 25 de Si02, alternées avec trois couches planes 22, 24 et 26 de Hf02, la couche inférieure 21 de Hf02 étant posées sur une couche d'or 20.
Pour chaque couche plane 21, 23 ou 25 de Si02, le pas d'incrémentation choisi est de 10 nm dans un intervalle de [100 ; 400] nm ;
Pour chaque couche plane 22, 24 et 26 de Hf02, le pas d'incrémentation choisi est de 10 nm dans un intervalle de [0 ; 300] nm ;
Une couche supérieure 28 supplémentaire de Si02 est gravée sur toute sa hauteur.
Une couche 27 d'Al203 d'une épaisseur de 50 nm est prévue entre la couche supérieure 28 de Si02 destinée à être gravée et la couche supérieure 26 de Hf02 pour faciliter la gravure de la couche 28 de Si02 sur toute son épaisseur sans endommager la couche 26 de Hf02. Cette couche fine 27, quand elle est indispensable pour la réalisation du réseau, est prise en compte dans les calculs de l'efficacité réfléchie du réseau comme une constante. Cette couche d'Al203 pourrait, bien entendu, ne pas être mise en œuvre, ou être placée à une autre position, dans d'autres modes de réalisation de 1 ' invention .
L'intervalle choisi pour le paramètre c/d est [0,55 ; 0,75], avec un pas d'incrémentation de 0,1.
L'intervalle choisi pour la profondeur de gravure h
(qui, dans ce mode de réalisation, correspond à l'épaisseur de la couche gravée) est [300 ; 800] nm, avec un pas d'incrémentation de 10 nm.
L'efficacité réfléchie dans l'ordre -1 est calculée pour 41 longueurs d'ondes comprises entre 700nm et 900 nm.
En fonction des paramètres choisis, le nombre de calculs de l'efficacité réfléchie des différentes configurations possible du réseau de diffraction est donc de 41*3*51* [31 ] n, où n est le nombre de couches planes, soit 6.
Il est à noter que le nombre de longueur d'onde pour lesquelles l'efficacité réfléchie dans l'ordre -1 peut monter à plusieurs centaines pour une optimisation fine.
6.5 Optimisation des paramètres du réseau
Le calcul de l'efficacité réfléchie dans l'ordre -1 de l'ensemble de ces configurations est réalisé par ordinateur, en mettant en œuvre la méthode de calcul décrite ci-dessus.
Cette méthode peut bien entendu être utilisée de façon itérative. Ainsi, quand une première mise en œuvre de la méthode permet de détecter des solutions optimisées de réseau, une ou plusieurs nouvelles mises en œuvre avec des intervalles choisis différemment et des pas d'incrémentation réduits permettent de définir précisément les meilleures solutions de réseau. L'utilisation de la méthode de dimensionnement selon l'invention permet ainsi de trouver différentes configurations de réseaux, présentant les paramètres décrits ci-dessus en relation avec la figure 2, qui permettent d'obtenir avec une profondeur de gravure de l'ordre de 700 nm des moyennes d'efficacités réfléchies dans l'ordre -1 supérieures à 90 % dans l'intervalle spectral [700;900] nm.
L'une de ces configurations correspond à un réseau constitué d'un substrat en verre, sur lequel sont déposées successivement :
- une couche d'or 20 dont l'épaisseur est largement supérieure à l'épaisseur de peau, typiquement 150 nm, de telle sorte que le substrat en verre n'a aucune interaction optique avec l'impulsion laser.
- une couche 21 de silice (Si02) d'une épaisseur de 240 nm ;
- une couche 22 de dioxyde d'hafnium (Hf02) d'une épaisseur de 240 nm ;
- une couche 23 de silice (Si02) d'une épaisseur de
380 nm ;
- une couche 24 de dioxyde d'hafnium (Hf02) d'une épaisseur de 100 nm ;
- une couche 25 de silice (Si02) d'une épaisseur de 100 nm ;
- une couche 26 de dioxyde d'hafnium (Hf02) d'une épaisseur de 200 nm ;
- une couche 27 d'alumine (A1203) d'une épaisseur de 50 nm ; et
- une couche 28 de silice (Si02) d'une épaisseur de
700 nm, qui est par la suite gravée sur toute son épaisseur de façon à former le réseau.
La gravure est faite de façon à ce que la valeur c/d soit égale à 0,65.
La figure 3 est un graphique représentant d'une part, en trait plein, l'efficacité réfléchie de ce réseau dans l'ordre -1, et d'autre part, en pointillées, la somme des efficacités réfléchies (ordre 0 + ordre -1) de ce réseau, en fonction de la longueur d'onde de la lumière incidente.
Les paramètres de gravure ont été choisis de telle sorte que le nombre d'ordres de diffraction est limité à deux (ordre -1 et ordre 0) afin de limiter la répartition de l'énergie dans un trop grand nombre d'ordres. L'ordre 0 n'étant pas dispersif (l'angle de diffraction dans cet ordre ne dépend pas de la fréquence), l'ordre (-1) dans lequel la lumière incidente est dispersée.
Le graphique de la figure 3 montre que des minima 30, 31, 32 et 33 apparaissent, mais que leur largeur spectrale est très fine, de telle sorte qu'ils n'affectent pas la moyenne d'efficacité réfléchie calculée sur le domaine spectral.
La figure 4 montre, à titre d'exemple, l'intensité spectrale de l'impulsion laser devant être réfléchie par le réseau de la figure 2. Le critère utilisé pour la sélection du réseau est la moyenne d'efficacité réfléchie du réseau, pondérée par l'intensité spectrale de l'onde incidente présentée sur la figure 4. Cette moyenne, calculée sur 801 points répartis régulièrement sur l'ensemble du domaine spectral [700 nm ; 900 nm] , est égale à 94,5% pour le réseau de la figure 2.
La fabrication du réseau dimensionné suivant cette méthode peut ensuite être réalisée en utilisant les méthodes de fabrication classiques, connues de l'homme du métier pour la fabrication de réseaux basés sur des miroirs de Bragg.
6.6 Intervalles permettant les meilleures efficacités réfléchies
En utilisant cette méthode de dimensionnement , il est possible de déterminer des intervalles dans lesquels les épaisseurs des couches d'un réseau comportant 6 couches de Si02 et de Hf02 en plus de la couche gravée doivent se situer pour que, la moyenne d'efficacité réfléchie dans l'ordre -1 d'une impulsion laser, par exemple amplifiée par un matériau de type Titane-Saphir, de largeur spectrale d'environ 200 nm centrée sur 800 nm, arrivant sur le réseau avec une incidence comprise entre 50° et 56°, soit supérieure à 90%.
La profondeur de gravure de ce réseau est comprise entre 625nm et 775 nm, et le nombre de traits par mm est compris entre 1400 et 1550.
Les intervalles dans lesquelles sont comprises les épaisseurs des couches sont:
- Couche 1 (Si02) : [150;300] nm
- Couche 2 (Hf02) : [150;300] nm
- Couche 3 (Si02) : [250;400] nm
- Couche 4 (Hf02) : [50;200] nm
- Couche 5 (Si02) : [50;200] nm
- Couche 6 (Hf02) : [100;250] nm.
L'utilisation d'un réseau présentant ces caractéristiques est donc particulièrement avantageuse, notamment pour la compression d'une impulsion laser amplifiée par un matériau de type Titane-Saphir.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1. Procédé d'obtention d'un réseau de diffraction réfléchissant pour la diffraction d'un faisceau lumineux de domaine spectral, d'angle d'incidence et de polarisation déterminés, comprenant un empilement d'au moins quatre couches planes de matériaux diélectriques, une couche supérieure de matériau diélectrique étant gravée de façon à former un réseau de diffraction dont la période de gravure est déterminée,
caractérisé en ce qu'il met en œuvre les étapes suivantes :
- choix du nombre et de la nature des couches de matériaux diélectriques, y compris la couche gravée;
- calcul numérique des efficacités de réflexion et/ou de transmission d'au moins un des ordres de diffraction pour un échantillon de fréquences appartenant au domaine spectral d'utilisation, pour chacune des configurations du réseau de diffraction déterminées en faisant varier dans des intervalles prédéterminés et avec des pas d'incrémentation prédéterminés, les épaisseurs d'au moins quatre des couches de matériau diélectrique et la valeur d'au moins un des paramètres de gravure du réseau ;
- parmi les configurations calculées, sélection d'au moins une configuration en fonction d'un critère dépendant de l'utilisation prévue du réseau.
2. Procédé d'obtention d'un réseau de diffraction selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches de matériaux diélectriques non gravées sont placées sur une couche métallique, et en ce que leur nombre est choisi entre 5 et 15.
3. Procédé d'obtention d'un réseau de diffraction selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les paramètres de gravure dont la valeur varie lors de l'étape de calcul sont la profondeur de gravure et la largeur de sillon.
4. Procédé d'obtention d'un réseau de diffraction selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le calcul numérique des efficacités de réflexion et/ou de transmission d'au moins un des ordres de diffraction est fait pour un échantillon d'au moins 10 fréquences réparties dans un domaine spectral de largeur supérieure à 100 nm.
5. Procédé d'obtention d'un réseau de diffraction selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit domaine spectral est compris entre 700 et 900 nm.
6. Réseau de diffraction réfléchissant comportant : une couche métallique ;
au moins deux couches de matériau de haut indice de réfraction et deux couches de matériau de bas indice de réfraction alternées ;
- une couche supérieure de matériau diélectrique gravée de façon à former un réseau de diffraction ;
caractérisé en ce que au moins deux des couches de matériau de haut indice de réfraction ou des couches de matériau de bas indice de réfraction présentent des épaisseurs distinctes;
et en ce que les épaisseurs des couches de matériau de haut indice de réfraction et des couches de matériau de bas indice de réfraction, et au moins un paramètre de gravure de la couche supérieure sont déterminées par un procédé de d'obtention selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
7. Réseau de diffraction réfléchissant selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux couches de silice (Si02) et deux couches de dioxyde d'hafnium (Hf02) alternées, et en ce que la couche supérieure gravée est constituée de silice (Si02).
8. Réseau de diffraction réfléchissant selon la revendication 7, pour la diffraction d'un rayon lumineux de domaine spectral compris entre 700 et 900 nm, ayant un angle d'incidence compris entre 50° et 56°, comprenant un substrat (1) sur lequel sont déposées au moins :
- une couche (20) d'or (Au) d'épaisseur supérieure à 150 nm;
- une couche (21) de silice (Si02) d'une épaisseur comprise entre 150nm et 300nm ;
- une couche (22) de dioxyde d'hafnium (Hf02) d'une épaisseur comprise entre 150nm et 300nm ;
- une couche (23) de silice (Si02) d'une épaisseur comprise entre 250nm et 400nm ;
- une couche (24) de dioxyde d'hafnium (Hf02) d'une épaisseur comprise entre 50nm et 200nm ;
- une couche (25) de silice (Si02) d'une épaisseur comprise entre 50nm et 200nm ;
- une couche (26) de dioxyde d'hafnium (Hf02) d'une épaisseur comprise entre lOOnm et 250nm ;
- une couche (28) de silice (Si02) d'une épaisseur comprise entre 625nm et 775 nm, gravée sur toute son épaisseur de façon à former le réseau, la période de gravure d étant comprise entre 1400 et 1550 traits par mm et la largeur de gravure étant telle que le rapport c/d soit égal à 0,65.
9. Réseau de diffraction réfléchissant selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une couche d'alumine (27) est déposée entre la dernière couche (26) de dioxyde d'hafnium (Hf02) et la couche (28) de silice (Si02) gravée.
10. Réseau de diffraction réfléchissant selon la revendication 9, comprenant un substrat (1) sur lequel sont déposées successivement :
- une couche (20) d'or (Au);
- une couche (21) de silice (Si02) d'une épaisseur de 240 nm ;
- une couche (22) de dioxyde d'hafnium (Hf02) d'une épaisseur de 240 nm ;
- une couche (23) de silice (Si02) d'une épaisseur de 380 nm ; - une couche (24) de dioxyde d'hafnium (Hf02) d'une épaisseur de 100 nm ;
- une couche (25) de silice (Si02) d'une épaisseur de 100 nm ;
- une couche (26) de dioxyde d'hafnium (Hf02) d'une épaisseur de 200 nm ;
- une couche (27) d'alumine (A1203) d'une épaisseur de 50 nm ; et
- une couche (28) de silice (Si02) d'une épaisseur de 700 nm, gravée sur toute son épaisseur.
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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102314040B (zh) * 2011-09-05 2013-04-17 青岛大学 一种宽光谱金属介质膜光栅及其优化方法
CN102313920B (zh) * 2011-09-05 2013-06-05 青岛大学 一种基于非规整膜层结构的宽光谱金属介质膜光栅
CN103592714B (zh) * 2013-10-17 2015-07-08 同济大学 一种易于制备的反射式多通道滤光元件的设计方法
CN104777532B (zh) * 2015-04-03 2017-02-22 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于级联光栅结构的超窄带te偏振光谱选择性吸收器
US11112618B2 (en) 2015-09-03 2021-09-07 Asml Netherlands B.V. Beam splitting apparatus
US10241244B2 (en) * 2016-07-29 2019-03-26 Lumentum Operations Llc Thin film total internal reflection diffraction grating for single polarization or dual polarization
US11333807B2 (en) 2017-06-08 2022-05-17 Lawrence Livermore National Security, Llc Metal-overcoated grating and method
US20210181391A1 (en) * 2017-11-06 2021-06-17 Aalto University Foundation Sr A Field-Enhancing Device
JP2019120500A (ja) * 2017-12-28 2019-07-22 株式会社ミツトヨ スケールおよびその製造方法
US11747528B2 (en) * 2018-08-31 2023-09-05 Samsung Electronics Co., Ltd. Diffraction grating device, method of manufacturing the same, and optical apparatus including the diffraction grating device
DE102018220629A1 (de) * 2018-11-29 2020-06-04 Carl Zeiss Smt Gmbh Spiegel für eine Beleuchtungsoptik einer Projektionsbelichtungsanlage mit einem Spektralfilter in Form einer Gitterstruktur und Verfahren zur Herstellung eines Spektralfilters in Form einer Gitterstruktur auf einem Spiegel
CN111366999B (zh) * 2020-03-26 2021-11-26 合肥工业大学 一种基于三氧化钼渐变光栅的宽带极化敏感吸收器
CN114460676B (zh) * 2022-03-03 2024-01-09 福建睿创光电科技有限公司 一种1030nm正弦型介质光栅及其制作方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5907436A (en) * 1995-09-29 1999-05-25 The Regents Of The University Of California Multilayer dielectric diffraction gratings
AT410732B (de) * 1999-07-07 2003-07-25 Femtolasers Produktions Gmbh Dispersiver mehrschichtiger spiegel
US6400509B1 (en) * 2000-04-07 2002-06-04 Zolo Technologies, Inc. Apparatus and method for the reduction of polarization sensitivity in diffraction gratings used in fiber optic communications devices
JP2002098820A (ja) * 2000-09-21 2002-04-05 Nippon Sheet Glass Co Ltd 反射型回折格子
CN100585384C (zh) * 2002-12-19 2010-01-27 尤纳克西斯巴尔策斯公司 产生电磁场分布的方法
CN100526919C (zh) * 2003-02-18 2009-08-12 住友电气工业株式会社 衍射光栅元件及其制造方法和设计方法
CN100476476C (zh) * 2004-03-24 2009-04-08 Enablence有限公司 平面波导反射衍射光栅
JP5050594B2 (ja) * 2007-03-20 2012-10-17 旭硝子株式会社 分光装置
JP5311757B2 (ja) * 2007-03-29 2013-10-09 キヤノン株式会社 反射光学素子、露光装置およびデバイス製造方法
US8116002B2 (en) * 2007-08-27 2012-02-14 Lumella Inc. Grating device with adjusting layer

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
2010 CONFERENCE ON LASERS AND ELECTRO-OPTICS (CLEO), 21 December 2009 (2009-12-21), 2010 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) IEEE Piscataway, NJ, USA, pages 2 pp., ISBN: 978-1-55752-890-2 *
DATABASE INSPEC [online] THE INSTITUTION OF ELECTRICAL ENGINEERS, STEVENAGE, GB; 2010, MARTZ D H ET AL: "Large area high efficiency broad bandwidth 800 nm dielectric gratings for high energy laser pulse compression", Database accession no. 11428237 *
LYNDIN ET AL: "Design and fabrication of an all-dielectric grating with top-hat high diffraction efficiency over a broad spectral range", JOURNAL OF THE EUROPEAN OPTICAL SOCIETY - RAPID PUBLICATIONS, vol. 2, 07019, 9 July 2007 (2007-07-09), pages 07019-1 - 07019-5, ISSN: 1990-2573 *
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