EP2926194A1 - Source de rayonnement infrarouge directionnelle commutable - Google Patents

Source de rayonnement infrarouge directionnelle commutable

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EP2926194A1
EP2926194A1 EP13795782.5A EP13795782A EP2926194A1 EP 2926194 A1 EP2926194 A1 EP 2926194A1 EP 13795782 A EP13795782 A EP 13795782A EP 2926194 A1 EP2926194 A1 EP 2926194A1
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EP
European Patent Office
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cells
radiation source
source according
phase
layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13795782.5A
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German (de)
English (en)
Inventor
Philippe BEN-ABDALLAH
Anne-Lise COUTROT
Mondher BESBES
Henri Benisty
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Paris Sud Paris 11
Institut dOptique Graduate School
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Paris Sud Paris 11
Institut dOptique Graduate School
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite Paris Sud Paris 11, Institut dOptique Graduate School filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02F1/292—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection by controlled diffraction or phased-array beam steering
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    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/11—Function characteristic involving infrared radiation

Definitions

  • the field of the invention is that of directional infrared radiation sources.
  • the emission spectrum ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) of a hot body at the wavelength ⁇ in the direction ⁇ is connected to the emission of a black body 10 via the emissivity ⁇ ( ⁇ , ⁇ ), which is defined as the ratio:
  • ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) / ⁇ 0 ( ⁇ , ⁇ )
  • ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) being the monochromatic energy flux of a black body of temperature T at the wavelength ⁇ and ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) that of the object at the same wavelength in the direction ⁇ .
  • thermal sources can behave like real antennas. To date, many directional thermal sources have been designed by structuring the material sublength scale wave.
  • hybrid structures that combine several of the characteristics of the structures that we have just described have been developed (Drevillon et al., 2007). These structures include the one proposed by Battula & Chen (2006). These are nanostructured multilayer materials composed of a cavity placed between a surface network and a photonic crystal 1 D, that is to say a surface network 1 D. This structure has made it possible to obtain a source presenting a great spatial but also temporal coherence in the visible and the near IR. The long coherence length of this structure is attributed on the one hand to the evanescent wave excitation on the network surface.
  • the photonic crystal acts as a polarizer and suppresses the non-resonant emission in polarization s which can not be directional, leaving the high emissivity only for the resonant contribution of the emission.
  • the high degree of temporal coherence is due to the presence of the cavity which surmounts the photonic crystal and which amplifies the emission at the frequency of these resonant modes.
  • a solution currently implemented to obtain a directionally directional directional thermal source in its transmission band consists of associating: a non-directional IR light source, such as wire, filament or ribbon
  • a mechanical device for concentrating the radiation in a preferred direction such as a parabolic or paraboloidal reflective surface, for example, with a variable orientation.
  • Glass optics are generally proscribed in the mid-infrared, alternative materials forming optics for these wavelengths are expensive and fragile (ZnSe, Ge, Csl).
  • Switching (on-off) and modulation (changing the direction of transmission) have drawbacks in terms of inertia, when switching from one operating state to another, and also in terms of bulk : we must associate an optical (reflective surface) much larger than the source itself to make it sufficiently directive.
  • thermal sources that are non-switchable and switchable sources that are non-modulable without external devices (screens, reflectors) and are also slow enough to switch.
  • the subject of the invention is a directional thermal source comprising a substrate supporting an outer layer consisting in particular of a phase transition material (or MIT), which has a metal transition insulator. crystalline phase and an amorphous phase in general the high temperature phase. It works in two different configurations:
  • non-emitting source emissivity very small compared to that of the black body
  • the switching from one configuration to the other is reversible to the critical transition temperature MIT of the material MIT, the wavelength Ac corresponding to this temperature Te being in the emission range of the source; the switching is performed by electrical control under the action of an electric current possibly pulse or by thermal control under the action of heat sources in the presence arranged to define a variable temperature field.
  • an insulating layer prevents any phase transition of the MIT material in the other regions of the source, especially those below the surface of the outer layer.
  • the subject of the invention is a directional radiation source in an IR band, mainly characterized in that it comprises at least:
  • controllable cells made of a phase transition material as a function of a temperature Te for which the corresponding wavelength is in the IR band, which has a crystalline phase and an amorphous phase, and
  • phase change control means of the controllable cells so as to form in this outer layer a diffraction grating when they are controlled in the amorphous phase.
  • a switchable directional source is obtained as a function of its temperature with respect to Te.
  • control means are electric and possibly comprise an electric pulse generator.
  • the control means may be able to control groups of cells, each group comprising a variable number of cells.
  • the source comprises means for supervising the control means, configured to modify the spatial characteristics of the network and thus to obtain a switchable directional source with a modulated emission direction.
  • the substrate is advantageously chosen from a material capable of supporting a surface mode. It can be in the same material as that of the outer layer.
  • the outer layer comprises a homogeneous outer sub-layer consisting of said phase transition material and an underlying sub-layer with spatially variable thermal conductivity intended to form said cells in the sub-layer.
  • outer layer as a function of spatial variation;
  • the collective control means of the cells consist of a single thermal or electrical control which is translated into thermal heating modulated through the sub-layer with spatially variable thermal conductivity. The formation of the network is ensured spontaneously and collectively by the structure of this spatially variable thermal conductivity sub-layer.
  • the phase transition material belongs to the group consisting of vanadium oxides or barium titanates or lanthanum perovskites.
  • FIG. 1 already described schematically represents an example of an IR radiation source according to the state of the art
  • FIGS. 2 schematically represent examples of switchable directional radiation source structure, according to a first embodiment of the invention with electrical control, sectional views,
  • FIG. 3a illustrates the hysteresis cycle of the reflectivity at 1550 nm of a material of VO 2 as a function of temperature
  • FIG. 3 b shows the thermal emission as a function of the direction, expressed in% relative to that of a black body (this is the emissivity e) for an example of a thermal source according to the invention emitting at 8.5 ⁇ ,
  • FIGS. 4 schematically represent examples of switchable directional radiation source structure, viewed from above, with:
  • FIGS. 5 schematically represent examples of switchable directional directional radiation source structure with modulated emission direction as a function of the period of the diffraction grating, (FIGS. 5a-5c), and the corresponding emission directions (FIG. 5d)
  • FIG. 6 schematically represents an example of a switchable directional radiation source structure, according to another embodiment of the invention with thermal control, seen in perspective,
  • a source 100 of directional radiation in an IR band included in the 1 ⁇ -20 ⁇ band, switchable according to the invention, is described in relation with FIGS.
  • this source 100 comprises at least: a substrate 10 providing a warming function close to the critical temperature of the MIT and a function of primary source of radiation in said IR band, centered on the wavelength of Wien of the material constituting it, the width of the band being determined by the Planck function, and
  • the outer layer 20 comprises controllable cells 51 made of a metal-insulator phase transition material or MIT; the phase transition is carried out at the passage from the temperature to the critical temperature Te whose corresponding wavelength ⁇ (called transition) is located in the IR band of the source.
  • This MIT has a crystalline and therefore insulating phase denoted 1 1, and an amorphous phase therefore electrically and thermally conductive because metallic, noted 1 '.
  • These cells 51 are associated with electrical or thermal control means of their temperature change and therefore of their phase change, shown in FIGS. 4 and 6.
  • the cells are formed in the following manner. Referring to FIGS.
  • the substrate 10 is composed of a material 12 providing radiation in an IR band centered on the Wien wavelength of the material.
  • MIT materials such as VO2, LaCrO3 or non-MIT materials such as SiC, Si or Si3N4 whose thickness is comparable to or greater than the thermal wavelength as shown in FIGS. 2a and 2b. .
  • the choice of these materials depends on the wavelength at which the source must operate.
  • MIT may consist of the same MIT material as that of the outer layer as shown in Figures 2c to 2j, but intended to remain in its crystalline state 1 1.
  • the outer layer 20 of MIT over the entire surface of the substrate and then etched as shown in Figure 2c, to prevent that during operation the highest temperature related to the amorphous state 1 1 'of the cells shown in Figure 2d is transmitted to the substrate 1 1.
  • An MIT layer approximately 2 ⁇ thick is deposited on the substrate 10 or on the insulating layer by sputtering or PLD. This MIT is typically from:
  • An MIT material is preferably chosen whose transition wavelength ⁇ is the closest to the wavelength of Wien of the substrate 10.
  • Te is a temperature (or a wavelength, respectively) transition average because the transition occurs according to a hysteresis cycle as shown in FIG. 3a for a 75 nm thick VO2 sample deposited on a C-type sapphire substrate, in this case Al 2 O 3 ; Te is the average between Tc d0 wn and Tc up .
  • This film of MIT is grooved for example by optical lithography, electronic litography, reactive ion etching or nanoimprint so as to form grooves as shown in FIGS. 2.
  • cells 51, 53 are obtained in the form of electrically and thermally insulated grooves. others by air 15 'as can be seen in Figures 2a, 2b, 2i, 2j.
  • Trenches are typically of about 2 ⁇ wide and about 200 nm deep. This width advantageously allows the transmission in the range considered, using the switching of one cell out of two, or for the collective switching of N adjacent cells on M, N and M being small numbers ⁇ 10.
  • grooves can be formed in another direction to then obtain cells in circular, checkered or other form.
  • grooves are formed directly in the substrate 1 1 as shown in Figures 2e and 2h. These grooves are lined with insulator 15 (at the bottom and on their walls) as shown in FIG. 2f and then the MIT material 11 is deposited in these grooves as shown in FIG. 2g. According to a variant, an insulating layer 15 is deposited in the bottom of the grooves but not on the walls, then the MIT 11 is deposited in the grooves, and grooves are formed to ensure an air insulation 15 'at the level of the grooves. furrow walls as shown in Figures 2i and 2j. Among these cells, some (or all) are associated with means for controlling their phase transition and then become controllable cells 51, the remaining cells 53 being uncontrollable.
  • This network 50 is preferably periodic, one or two dimensions along the plane (xy) of the layer, for example in circular or checkered form; we recall that the period P of the network is connected to the wavelength of Wien by the relation P ⁇ A w / (2n), n being the index of refraction of the medium. But these cells could form a non-periodic diffraction grating, whose directions of emission would then have no symmetry 2, 4 or 6 in orientation (rotation invariance of 2 pi / 2, 2 pi / 4, 2pi / 6 ). Penrose or quasi-crystalline tilings are examples of such networks. Blasé networks would also break the azimuthal symmetry of the emission.
  • FIG. 3b shows the thermal emission at 8.5 ⁇ for a thermal source according to the invention, with an emission:
  • the thickness thereof is chosen to be small relative to the attenuation length of the surface mode (existing at the substrate-insulator interface); the surface mode then partly passes through the insulation and is diffracted by the network 50 of the outer layer 20.
  • the substrate 10 is made of a material capable of supporting a surface mode at the interface with the outer layer 20 or with the insulator 15, which is the case for MIT or SiO 2. If this is not the case, the substrate supports an evanescent field which will also be diffracted by the network but the emission will be very weakly directional.
  • This network can be obtained differently depending on whether all the cells are controllable or not.
  • the network is obtained by controlling some in their amorphous state, the others in a crystalline state, according to the predicted diffraction grating.
  • certain cells 53 are not controllable and fixed in an insulating state, and therefore crystalline 1 1 if they are cells of MIT material; the network is obtained by controlling some of the other cells (controllable group 51 so) in their amorphous state, or all. This last case is illustrated:
  • the control means of the MIT 51 cells can be electric. They comprise electrodes 52 connected to an optionally pulsed electrical current generator, for example the order of one hundred ns to the ⁇ to obtain a fast switching of the cells of MIT. These cells 51 require only a small electrical power, for example less than a few tens of mW / cm 2 , which makes it possible to achieve useful power / total power ratios of the source well below 10%.
  • the cells 51 can be controlled in groups, the number of cells per group possibly being able to vary from one group to another, cells can even be controlled individually, this corresponding to the case of a single cell per group.
  • the cells 51 in the form of grooves (network 1 D in the plane xy) or checkerboard (network 2D in the plane xy) are individually controlled.
  • the direction of emission of the source depends on the period and the dimensions of the diffraction grating 50 as shown by the formula:
  • ⁇ ⁇ (2 ⁇ / ⁇ ) sin ⁇ + m 2 ⁇ / ⁇
  • K m is the parallel component of the diffracted wave in the order m, ⁇ the emission angle and P the period of the grating.
  • the source direction of emission is modulated as can be seen on the emissivity curves (curves a, b, c) respectively corresponding to the gratings of FIGS. 5a, 5b, 5c as shown in FIG. shown in FIG. 5d for a wavelength.
  • the period and / or the dimension of the network are therefore determined according to the desired direction.
  • the outer layer 20 comprises:
  • an underlying layer 21 with a spatially modular thermal conductivity according to the pattern of the cells to be obtained in the outer sub-layer 22 is typically a Si layer with a surface thermal oxidation made through a mask, thus spatially selective, allowing to define zones of SiO2 with much lower thermal conduction; it is recalled that the thermal conductivity of silicon is about 130 W / ° K / m while that of silica is about 1 .4 W / K / m, almost a factor of 100 lower.
  • the thermal conductivity of this sublayer 21 is controlled by electrical means.
  • this thermal conductivity sub-layer consists of a material supporting a surface mode at its interface with the external sub-layer.
  • the substrate 13 is typically a Si type thermally conductive substrate for conductive evacuation of excess heat from the thermal layer.
  • this thermal conductivity sub-layer having spatial zones 21a intended to be hotter than the others 21b under the action of a horizontal flow of electrical current at the uniform start, the transition takes place first to the less cooled and better insulated areas, which gives them a better electrical conductivity, so that flux lines are positioned in the outer layer 22, above the hot zones 21a and well insulated thermally and thus form cells similar to those of the previous embodiment.
  • This thermal conductivity sub-layer 21 also ensures the control of the cells; it is in this case a collective control.
  • this source does not have a wire shape but flat or almost flat, that is to say with a large radius of curvature in front of its thickness. Its area is determined according to the period of the network; it must typically comprise at least ten periods. For an IR source centered on 10 ⁇ , and a 1 D network with a period of 4.5 ⁇ , an area greater than 0.5 x 0.5 mm 2 .

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Abstract

L'invention concerne une source (100) de rayonnement directionnel dans une bande IR. Cette source comporte au moins un substrat (10) et une couche externe (20) comportant des cellules contrôlables (51) constituées d'un matériau à transition de phase en fonction de sa température par rapport à une température Tc pour laquelle la longueur d'onde correspondante est située dans la bande IR, qui possède une phase cristalline (11) et une phase amorphe (11'), et des moyens de contrôle du changement de phase des cellules (51), de manière à former dans cette couche externe (20) un réseau de diffraction (50) lorsqu'elles sont commandées en phase amorphe, pour ainsi obtenir une source directionnelle commutable.

Description

SOURCE DE RAYONNEMENT INFRAROUGE DIRECTIONNELLE COMMUTABLE
Le domaine de l'invention est celui des sources de rayonnement infrarouge directionnelles.
Le concept de corps noir sert de base au comportement émissif en champ lointain des corps chauds. On rappelle que selon la loi de Wien, la longueur d'onde Aw à laquelle un corps noir émet le plus de flux lumineux énergétique, flux qu'on note ici I, est inversement proportionnel à sa température T° (exprimée en °K) : Aw = 2898 (en μιη °K) /T°. A l'état naturel, le comportement émissif en champ lointain d'un corps massif chaud est le plus souvent très semblable à celui d'un corps noir. Son émission est incohérente c'est-à-dire qu'elle est globalement isotrope (Lambertienne) et à large spectre.
Le spectre d'émission Ι(λ, Θ) d'un corps chaud à la longueur d'onde λ dans la direction Θ est relié à l'émission d'un corps noir l0 par l'intermédiaire de l'émissivité ε(λ, Θ), qui est définie comme le rapport :
ε(λ, θ)= Ι(λ, θ)/Ι0(λ,Τ)
Ιο(λ,Τ) étant le flux énergétique monochromatique d'un corps noir de température T à la longueur d'onde λ et Ι(λ, Θ) celui de l'objet à la même longueur d'onde dans la direction Θ.
Le contrôle de la direction d'émission est associé à la cohérence spatiale du champ électromagnétique. Plus la longueur de corrélation est grande, plus la directivité est grande. Dans ces conditions, les sources thermiques peuvent se comporter comme de véritables antennes. A ce jour, de nombreuses sources thermiques directionnelles ont été conçues en structurant la matière à échelle sublongueur d'onde.
- En 1999 Carminati et al., puis Shchegrov et al. (2000), ont montré que le champ associé à un mode de surface résonant possède une grande cohérence spatiale. Cependant, comme ce champ reste confiné au voisinage de l'interface, l'émission thermique en champ lointain reste incohérente.
- En 2002, (Greffet et al., 2002) ont démontré qu'il était possible d'exporter la cohérence spatiale de ces ondes en champ lointain à l'aide d'un réseau de surface. La structure d'une telle source 100' est montrée figure 1 : elle est constituée d'un échantillon massif 50' de SiC, gravé en surface sous forme d'un réseau 1 D. Cependant, une des faiblesses de ce type de source réside dans la dérive de la direction d'émission avec la longueur d'onde. De plus, la forte directivité n'est observée qu'en polarisation p, seule polarisation à laquelle se couple le mode de surface résonant, dont le champ électrique n'a pas de composante le long de la surface. Ainsi, en polarisation s, le rayonnement émis demeure incohérent.
- Pour pallier cet inconvénient, Kollyukh et al.,( 2003) , Ben-Abdallah, (2004) et Celanovic et al. (2005) ont proposé d'utiliser de simples films ou des microcavités pour exploiter la présence des modes guidés de type Fabry- Pérot et des modes de cavité pour contrôler le diagramme d'émission simultanément pour les deux états de polarisation. Véritables antennes thermiques, ces structures présentent néanmoins un niveau émissivité faible.
- D'autres structures plus complexes ont été proposées pour améliorer le degré de cohérence de ces sources. C'est le cas des structures proposées par Lee et al.. (2005). Ces sources composées d'une structure multicouche périodique monodimensionnelle (empilement 1 D) couplé à un matériau polaire permettent un contrôle simultané de la direction et de la fréquence d'émission pour les deux états de polarisations de la lumière. Cependant, le contrôle directionnel de l'émission de ce type de sources planes reste faible.
- Pour remédier à ce problème, des structures hybrides qui associent plusieurs des caractéristiques des structures que nous venons de décrire ont été développées (Drevillon et al. 2007). Parmi ces structures citons celle proposée par Battula & Chen (2006). Il s'agit de matériaux multicouches nanostructurés composés d'une cavité placée entre un réseau de surface et un cristal photonique 1 D, c'est-à-dire un réseau de surface 1 D. Cette structure a permis d'obtenir une source présentant une grande cohérence spatiale mais aussi temporelle dans le visible et le proche IR. La grande longueur de cohérence de cette structure est attribuée d'une part à l'excitation d'ondes évanescentes à la surface du réseau. D'autre part le cristal photonique fait office de polarisateur et supprime l'émission non résonante en polarisation s qui ne saurait être directionnelle, ne laissant l'émissivité élevée que pour la contribution résonante de l'émission. Enfin, le haut degré de cohérence temporelle (donc la grande finesse) est dû à la présence de la cavité qui surmonte le cristal photonique et qui amplifie l'émission à la fréquence de ces modes résonants.
- Joulain & Loizeau (2007) ont également montré qu'il était possible d'obtenir une source thermique directionnelle et temporellement cohérente en couplant un réseau de surface à un simple guide. Cependant, ces travaux reposent sur une approche phénoménologique et ils se limitent aux réseaux monodimensionnels.
- Les métamatériaux, structures composites artificielles qui exhibent une permittivité diélectrique et une perméabilité magnétique toutes deux négatives ont également été envisagés pour le contrôle directionnel de rémission thermique (Enoch, 2002). Cependant l'absence de résonance magnétique naturelle dans l'infrarouge et les difficultés de fabrication ont freiné le développement de ces matériaux.
- Toutefois, en 2005 une équipe de chercheurs (Zhang et al., 2005) a démontré la possibilité de concevoir des métamatériaux 3D dans le proche infrarouge (2 μιτι) en combinant des structures diélectriques perforées à des couches métalliques. Un résultat analogue a également été obtenu dans l'infrarouge lointain (40 à 60 μιτι) à l'aide de structures composites à base de fil d'or (Wang et al., 2007). Contrairement aux structures proposées par Zhang et al., (2005) dont le comportement optique est basé sur un jeu complexe d'interférences des ondes électromagnétiques dans ces structures, c'est la présence d'ondes stationnaires le long des fils qui permet de produire un indice de réfraction négatif, y compris en polarisation « s ».
Ces différentes sources thermiques ne sont pas commutables dans le sens où seule une solution mécanique par occultation à l'aide d'un écran par exemple permet de supprimer (ou de quasiment supprimer) l'émission sur l'ensemble du spectre. On peut également décaler la position des émissions sur le spectre en changeant la température de la source jusqu'à ce que la longueur d'onde de Wien Aw s'éloigne du domaine d'intérêt au point d'affaiblir l'émission, et de surcroit avec beaucoup d'inertie. Cependant le mécanisme d'émission n'est nullement supprimé.
Par ailleurs, une solution couramment mise en œuvre pour obtenir une source thermique directionnelle modulable directionnellement dans sa bande d'émission consiste à associer : une source à rayonnement IR peu directionnelle, de type fil, filament ou ruban
à un dispositif mécanique permettant de concentrer le rayonnement dans une direction privilégiée, tel qu'une surface réflectrice parabolique ou paraboloïde par exemple, à orientation variable. Les optiques en verres sont généralement proscrites dans l'infrarouge moyen, les matériaux alternatifs formant des optiques pour ces longueurs d'onde sont coûteux et fragile (ZnSe, Ge, Csl). La commutation (marche-arrêt) et la modulation (changement de la direction d'émission) présentent des inconvénients en termes d'inertie, lorsque l'on passe d'un état de fonctionnement à un autre, et également en termes d'encombrement : on doit associer une optique (la surface réfléchissante) bien plus grande que la source proprement dite pour la rendre suffisamment directive.
En résumé, il existe des sources thermiques directionnelles mais qui sont non commutables et des sources commutables qui sont non modulables sans dispositifs externes (écrans, réflecteurs) et qui sont de surcroit, assez lentes à commuter.
En conséquence, il demeure à ce jour un besoin pour une source non filaire, à rayonnement IR donnant simultanément satisfaction à l'ensemble des exigences précitées, notamment en termes de niveau d'émission satisfaisant en champ lointain, de contrôle directionnel de l'émissivité, de simplicité de fabrication, de commutation dans sa bande d'émission, et à faible encombrement. Les domaines d'application pour ce besoin sont notamment ceux de la spectroscopie infrarouge, mais aussi du chauffage dans tous les contextes où une forme d'agilité est requise (agroalimentaire, santé, contrôle de procédé chimiques, chauffage individuel d'un poste assis ou debout, ...)
L'invention a pour objet une source thermique directionnelle comportant un substrat supportant une couche externe constituée notamment d'un matériau à transition de phase (ou MIT acronyme de l'expression anglo-saxonne « Métal Insulator Transition») qui possède une phase cristalline et une phase amorphe en général la phase haute température. Elle fonctionne dans les deux configurations différentes :
source non-émettante (émissivité très petite devant celle du corps noir) lorsque le matériau de la couche externe est dans son état cristallin ;
source directionnelle à forte émissivité avec une émission voisine de celle d'un corps noir à la même température que la source, lorsque la couche externe est dans un état hybride cristallin-amorphe qui forme alors un réseau de diffraction.
La commutation d'une configuration vers l'autre se fait de façon réversible à la température critique Te de transition du matériau MIT, la longueur d'onde Ac correspondant à cette température Te étant dans la gamme d'émission de la source ; la commutation est réalisée par pilotage électrique sous l'action d'un courant électrique éventuellement impulsionnel ou bien par pilotage thermique sous l'action des sources de chaleurs en présence arrangées de façon à définir un champ de température variable.
Si nécessaire, une couche isolante empêche toute transition de phase du matériau MIT dans les autres régions de la source, notamment celles sous la surface de la couche externe.
Plus précisément l'invention a pour objet une source de rayonnement directionnel dans une bande IR, principalement caractérisée en ce qu'elle comporte au moins :
un substrat et
une couche externe comportant des cellules contrôlables constituées d'un matériau à transition de phase en fonction d'une température Te pour laquelle la longueur d'onde correspondante est située dans la bande IR, qui possède une phase cristalline et une phase amorphe, et
des moyens de contrôle du changement de phase des cellules contrôlables, de manière à former dans cette couche externe un réseau de diffraction lorsqu'elles sont commandées en phase amorphe.
On obtient ainsi une source directionnelle commutable en fonction de sa température par rapport à Te. Ainsi, en ne variant la température que pour un mince film extérieur, et pour un écart de température minime, on obtient le même effet que par la commutation « on/off » de l'énergie thermique fournie à la source. On peut ainsi parvenir avantageusement à une source infrarouge commutable.
Le réseau de diffraction est avantageusement périodique. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens de contrôles sont électriques et comportent éventuellement un générateur d'impulsions électriques.
Les moyens de contrôle peuvent être aptes à contrôler des groupes de cellules, chaque groupe comportant un nombre variable de cellules.
De préférence, la source comporte des moyens de supervision des moyens de contrôle, configurés pour modifier les caractéristiques spatiales du réseau et ainsi obtenir une source directionnelle commutable à direction d'émission modulée.
Le substrat est avantageusement choisi dans un matériau apte à supporter un mode de surface. Il peut être dans le même matériau que celui de la couche externe.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la couche externe comporte une sous-couche externe homogène constituée dudit matériau à transition de phase et d'une sous-couche sous-jacente à conductivité thermique spatialement variable destinée à former lesdites cellules dans la sous-couche externe en fonction de la variation spatiale ; les moyens de contrôle collectif des cellules sont constitués d'un unique contrôle thermique ou électrique qui se traduit en échauffement thermique modulé par le truchement de la sous-couche à conductivité thermique spatialement variable. La formation du réseau est assurée spontanément et collectivement par la structure de cette sous-couche à conductivité thermique spatialement variable.
Le matériau de transition de phase appartient au groupe constitué par les oxydes de vanadium ou les titanates de baryum ou encore les pérovskites de lanthane.
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 : la figure 1 déjà décrite représente schématiquement un exemple de source à rayonnement IR selon l'état de la technique,
les figures 2 représentent schématiquement des exemples de structure de source de rayonnement directionnel commutable, selon un premier mode de réalisation de l'invention à contrôle électrique, vues en coupe,
la figure 3a illustre le cycle d'hystérésis de la réflectivité à 1550 nm d'un matériau de V02 en fonction de la température, et la figure 3b montre l'émission thermique en fonction de la direction, exprimée en % par rapport à celle d'un corps noir (c'est donc l'émissivité e) pour un exemple de source thermique selon l'invention émettant à 8,5 μιτι,
les figures 4 représentent schématiquement des exemples de structure de source de rayonnement directionnel commutable, vues de dessus, avec :
- un réseau périodique 1 D selon le plan xy des couches, sans réseau de diffraction activé (fig 4a), avec réseau de diffraction activé (fig 4b) et
un réseau périodique 2D selon le plan xy des couches avec réseau de diffraction activé (fig 4c),
les figures 5 représentent schématiquement des exemples de structure de source de rayonnement directionnel commutable à direction d'émission modulée en fonction de la période du réseau de diffraction, (fig 5a-5c), et les directions d'émission correspondantes (fig 5d), vues en coupe, la figure 6 représente schématiquement un exemple de structure de source de rayonnement directionnel commutable, selon un autre mode de réalisation de l'invention à contrôle thermique, vue en perspective,
D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références. On décrit en relation avec les figures 2, une source 100 de rayonnement directionnel dans une bande IR incluse dans la bande 1 μιτι-20 μιη, commutable selon l'invention.
Dans sa structure, cette source 100 comporte au moins : un substrat 10 assurant une fonction de mise en température proche de la température critique du MIT ainsi qu'une fonction de source primaire de rayonnement dans ladite bande IR, centrée sur la longueur d'onde de Wien du matériau le constituant, la largeur de la bande étant déterminée par la fonction de Planck, et
une couche externe 20 destinée à diriger le rayonnement. La couche externe 20 comporte des cellules contrôlables 51 constituées d'un matériau à transition de phase métal-isolant ou MIT ; la transition de phase est réalisée au passage de la température à la température critique Te dont la longueur d'onde Ac correspondante (dite de transition) est située dans la bande IR de la source. Ce MIT possède une phase cristalline donc isolante notée 1 1 , et une phase amorphe donc électriquement et thermiquement conductrice car métallique, notée 1 1 '. Ces cellules 51 sont associées à des moyens de contrôle électriques ou thermiques de leur changement de température et donc de leur changement de phase, montrés figures 4 et 6.
Selon un premier mode de réalisation, les cellules sont formées de la manière suivante. On se reporte aux figures 2.
Le substrat 10 est composé d'un matériau 12 assurant le rayonnement dans une bande IR centrée sur la longueur d'onde de Wien du matériau. Il s'agit par exemple de matériaux MIT comme le VO2, LaCrO3 ou de matériaux non MIT comme le SiC, le Si ou le Si3N4 dont l'épaisseur est comparable ou plus grande que la longueur d'onde thermique comme montré figures 2a et 2b. Le choix de ces matériaux dépend de la longueur d'onde à laquelle la source doit opérer.
Selon une alternative, il peut être constitué du même matériau MIT que celui de la couche externe comme montré figures 2c à 2j, mais destiné à rester dans son état cristallin 1 1 . A cet effet, une couche 15 électriquement et thermiquement isolante de SiO2 ou de nitrure de silicium par exemple, typiquement de 10 nm à 50 nm d'épaisseur, est déposée sur le substrat 1 1 par dépôt chimique (CVD, PECVD) préalablement au dépôt de la couche externe 20 de MIT, sur toute la surface du substrat puis gravé comme montré figure 2c, pour empêcher qu'en cours de fonctionnement la plus haute température liée à l'état amorphe 1 1 ' des cellules montré figure 2d ne soit transmise au substrat 1 1 . Une couche de MIT d'environ 2 μιη d'épaisseur est déposée sur le substrat 10 ou sur la couche isolante par pulvérisation cathodique ou PLD. Ce MIT est typiquement du :
LaCr03 avec Te = 530 °K correspondant à Ac « 5.5 μιτι ou - Ba Ti03 Te =393 °K correspondant à Ac « 7.4 μιη ou
V02 avec Te = 340 °K correspondant à Ac « 8.5 μιτι ou, V203 avec Te =160 °K correspondant à Ac « 18 μιτι
On choisit de préférence un matériau MIT dont la longueur d'onde de transition Ac est la plus proche de la longueur d'onde de Wien du substrat 10. En détail Te (et donc Ac) est une température (respectivement une longueur d'onde) moyenne de transition car la transition se produit selon un cycle d'hystérésis comme illustré figure 3a pour un échantillon de VO2 de 75 nm d'épaisseur, déposé sur un substrat de saphir C-type, en l'occurrence AI2O3 ; Te est la moyenne entre Tcd0wn et Tcup.
Ce film de MIT est rainuré par exemple par lithographie optique, litographie électronique, gravure ionique réactive ou nanoimprint de façon à former des sillons comme montré figures 2. On obtient ainsi des cellules 51 , 53 sous forme de sillons électriquement et thermiquement isolés les uns des autres par de l'air 15' comme on peut le voir figures 2a, 2b, 2i, 2j. On obtient des sillons typiquement d'environ 2 μιη de large sur environ 200 nm de profondeur. Cette largeur permet avantageusement l'émission dans la gamme considérée, en utilisant la commutation d'une cellule sur deux, ou pour la commutation collective de N cellules adjacentes sur M, N et M étant des petits nombres < 10. Des rainures peuvent bien sûr être formées dans une autre direction pour alors obtenir des cellules sous forme circulaire, de damier ou autre.
Selon une autre alternative, des sillons sont formés directement dans le substrat 1 1 comme montré figures 2e et 2h. Ces sillons sont tapissés d'isolant 15 (au fond et sur leurs parois) comme montré figure 2f puis le matériau MIT 1 1 est déposé dans ces sillons comme montré figure 2g. Selon une variante une couche d'isolant 15 est déposée dans le fond des sillons mais pas sur les parois, puis le MIT 1 1 est déposé dans les sillons, et des rainures sont formées pour assurer une isolation d'air 15' au niveau des parois des sillons comme montré figures 2i et 2j. Parmi ces cellules, certaines (voire toutes) sont associées à des moyens de contrôle de leur transition de phase et deviennent alors des cellules contrôlables 51 , les cellules restantes 53 étant non contrôlables. Lorsque la source est dans une configuration hybride formant une certaine séquence d'états cristallin-amorphe c'est-à-dire lorsque la phase de certaines cellules devient amorphe, celles-ci forment un réseau de diffraction 50 montré sur les figures 2b, 2j, 4b et 4c, qui modifie le diagramme d'émission (« émission pattern » en anglais) du champ existant à l'interface substrat-couche externe de MIT.
Ce réseau 50 est de préférence périodique, à une ou deux dimensions selon le plan (xy) de la couche, par exemple sous forme circulaire ou de damier ; on rappelle que la période P du réseau est reliée à la longueur d'onde de Wien par la relation P~Aw/(2n), n étant l'indice de réfraction du milieu. Mais ces cellules pourraient former un réseau de diffraction non périodique, dont les directions d'émission n'auraient alors pas de symétrie 2, 4 ou 6 en orientation (invariance par rotation de 2 pi/2, 2 pi/4, 2pi/6). Des pavages de type Penrose ou quasi-cristallins sont des exemples de tels réseaux. Des réseaux blasés permettraient également de briser la symétrie azimutale de l'émission.
Dans le cas d'un substrat de MIT, celui-ci supporte à son interface avec la couche externe 20, un mode de surface aussi désigné polariton de surface, de sorte que son émission en champ lointain est faible. Lorsque la couche externe 20 est dans sa configuration hybride cristalline-amorphe et que les cellules forment un réseau de diffraction 50, le mode de surface supporté par le substrat 10 est alors diffracté par ce réseau 50 et l'émission thermique devient directionnelle en champ proche mais également en champ lointain. La figure 3b montre l'émission thermique à 8,5 μιτι pour une source thermique selon l'invention, avec une émission :
- omnidirectionnelle et très faible en phase purement cristalline (courbe a) et
directionnelle et centrée à environ +50° et -50° en phase hybride (courbe b).
Lorsqu'il y a une couche d'isolant 15 entre un substrat de MIT et la couche externe, l'épaisseur de celle-ci est choisie pour être faible par rapport à la longueur d'atténuation du mode de surface (existant à l'interface substrat-isolant) ; le mode de surface traverse alors en partie l'isolant et est diffracté par le réseau 50 de la couche externe 20.
De préférence le substrat 10 est constitué d'un matériau apte à supporter un mode de surface à l'interface avec la couche externe 20 ou avec l'isolant 15, ce qui est le cas pour du MIT ou du Si02. Si ce n'est pas le cas, le substrat supporte un champ évanescent qui sera également diffracté par le réseau mais l'émission sera très faiblement directionnelle.
Ce réseau peut être obtenu différemment selon que toutes les cellules sont contrôlables ou non.
Dans le cas où toutes les cellules sont contrôlables 51 , le réseau est obtenu en commandant certaines dans leur état amorphe, les autres dans un état cristallin, selon le réseau de diffraction prévu.
Selon une variante, certaines cellules 53 ne sont pas contrôlables et figées dans un état isolant, et donc cristallin 1 1 s'il s'agit de cellules de matériau MIT; le réseau est obtenu en commandant certaines des autres cellules (contrôlables groupe 51 donc) dans leur état amorphe, voire toutes. Ce dernier cas de figure est illustré :
o figures 4 pour un réseau périodique 50 à une dimension dans le plan xy, avec
- toutes les cellules (contrôlables 51 avec l=0 et non contrôlables 53) dans leur état cristallin 1 1 , qui ne forment alors pas de réseau de diffraction (fig 4a), et
- les cellules contrôlables 51 dans leur état amorphe 1 1 ' (avec l=l0) et les cellules non contrôlables 53 dans leur état cristallin 1 1 , qui forment alors ensemble un réseau de diffraction (fig 4b),
o et figure 4c pour un réseau périodique 50 à deux dimensions dans le plan xy avec les cellules contrôlables 51 dans leur état amorphe (avec l=l0) et les cellules non contrôlables 53 dans leur état cristallin, formant ensemble un réseau de diffraction. Comme on l'a vu, les moyens de contrôle des cellules MIT 51 peuvent être électriques. Ils comportent des électrodes 52 reliées à un générateur de courant électrique éventuellement impulsionel, par exemple de l'ordre de la centaine de ns à la με pour obtenir une commutation rapide des cellules de MIT. Ces cellules 51 ne nécessitent qu'une faible puissance électrique par exemple inférieure à quelques dizaines de mW/cm2, ce qui permet d'atteindre des rapports puissance utile/puissance totale de la source bien inférieurs à 10%.
Les cellules 51 peuvent être contrôlées par groupes, le nombre de cellules par groupe pouvant éventuellement varier d'un groupe à l'autre, des cellules pouvant même être contrôlées individuellement, ceci correspondant au cas d'une seule cellule par groupe. Sur les figures 4 les cellules 51 sous forme de sillons (réseau 1 D dans le plan xy) ou de damier (réseau 2D dans le plan xy) sont contrôlées individuellement.
La direction d'émission de la source dépend de la période et des dimensions du réseau de diffraction 50 comme montré par la formule :
Κιτι=(2π/λ) sin Θ +m 2π/Ρ
où Km est la composante parallèle de l'onde diffractée dans l'ordre m, Θ l'angle d'émission et P la période du réseau.
Il est possible de commander les cellules de façon à choisir la période du réseau, cette période étant un multiple de la période des cellules.
En changeant la période P du réseau, on module alors la direction d'émission de la source comme on peut le voir sur les courbes d'émissivité (courbes a, b, c) correspondant respectivement aux réseaux des figures 5a, 5b, 5c comme montré figure 5d pour une longueur d'onde. La période et/ou la dimension du réseau sont donc déterminées en fonction de la direction souhaitée.
A cet effet, les moyens de contrôle des cellules 51 sont avantageusement supervisés par des moyens de supervision, pour pouvoir être modifiés activement, à la demande ou automatiquement, en fonction des caractéristiques spatiales voulues pour le réseau de diffraction 50 formé par les cellules, notamment ses périodes (éventuellement une seule) et/ou ses dimensions, comme illustré figure 5a par exemple. Si P est la période selon une direction Ox du réseau de la fig 5a avec 2 cellules par période, dont une (sur deux) est destinée à être amorphe, on a une nouvelle période Préseau=2P pour les réseaux des figures 5b et 5c, avec 4 cellules par période, dont deux (sur 4) destinées à être amorphes pour le réseau de la fig 5b et une (sur 4) destinée à être amorphe pour le réseau de la fig 5c. On a par exemple Préseau=4,565 μιτι pour P=2,282 μιη.
Pour éviter le dispositif de commutation électrique et l'adressage des cellules qu'il implique, on peut réaliser le réseau de façon plus spontanée et collective selon un autre mode de réalisation de l'invention décrit en relation avec la figure 6. Dans cet autre mode, la couche externe 20 comprend :
une couche externe 22 constituée dudit matériau à transition de phase, homogène c'est-à-dire sans que soit formé un motif par rainure ou gravure, et
d'une couche sous-jacente 21 à conductivité thermique spatialement modulable en fonction du motif des cellules à obtenir dans la sous-couche externe 22. Il s'agit typiquement d'une couche de Si avec en surface une oxydation thermique faite à travers un masque, donc spatialement sélective permettant de définir des zones de SiO2 à bien plus faible conduction thermique ; on rappelle que la conductivité thermique du silicium est d'environ 130 W/°K/m alors que celle de la silice est d'environ 1 .4 W/K/m, soit presque un facteur 100 plus faible. La conductivité thermique de cette sous-couche 21 est contrôlée par des moyens électriques. De préférence, comme indiqué précédemment, cette sous-couche à conductivité thermique est constituée d'un matériau supportant un mode de surface à son interface avec la sous-couche externe.
Le substrat 13 est typiquement un substrat thermiquement conducteur de type Si pour évacuer par conduction le surplus de chaleur de la couche thermique.
Les cellules sont alors formées thermiquement par l'intermédiaire de cette couche à forte conductivité thermique. En effet, cette sous-couche à conductivité thermique comportant des zones spatiales 21 a destinées à être plus chaudes que les autres 21 b sous l'action d'un flux horizontal de courant électrique au départ uniforme, la transition a lieu d'abord pour les zones les moins refroidies et les mieux isolées, ce qui leur confère une meilleure conductivité électrique, de sorte que des lignes de flux se positionnent dans la couche externe 22, au-dessus des zones chaudes 21 a et bien isolées thermiquement et forment ainsi des cellules analogues à celles du mode de réalisation précédent. Cette sous-couche 21 à conductivité thermique assure également le contrôle des cellules ; il s'agit dans ce cas d'un contrôle collectif.
Quel que soit son mode de réalisation, cette source n'a pas une forme filaire mais plane ou quasiment plane c'est-à-dire avec un rayon de courbure grand devant son épaisseur. Son aire est déterminée en fonction de la période du réseau ; elle doit typiquement comporter au moins une dizaine de périodes. Soit pour une source IR centrée sur 10 μιτι, et un réseau 1 D de période 4,5 μιτι, une aire supérieure à 0.5 x 0.5 mm2.
Parmi les domaines d'application de ce type de source, on peut les systèmes de chauffage domestique, ou plus généralement de gestion des flux de chaleur,
le contrôle thermique de procédés industriels (chimie, collage, ...) le domaine agro-alimentaire (fours, séchage, lyophilisation...) la spectroscopie IR utilisée pour l'analyse des gaz,
les sources IR furtives.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Source (100) de rayonnement directionnel dans une bande IR, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un substrat (10) et une couche externe (20) comportant des cellules contrôlables (51 ) constituées d'un matériau à transition de phase en fonction de sa température par rapport à une température Te pour laquelle la longueur d'onde correspondante est située dans la bande IR, qui possède une phase cristalline (1 1 ) et une phase amorphe (1 1 '), et des moyens de contrôle du changement de phase des cellules (51 ), de manière à former dans cette couche externe (20) un réseau de diffraction (50) lorsqu'elles sont commandées en phase amorphe, pour ainsi obtenir une source directionnelle commutable.
2. Source de rayonnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le réseau de diffraction (50) est périodique.
3. Source de rayonnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de contrôles (52) sont électriques.
4. Source de rayonnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de contrôle sont aptes à contrôler des groupes de cellules, chaque groupe comportant un nombre variable de cellules.
5. Source de rayonnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'il comporte des moyens de supervision des moyens de contrôle configurés pour modifier les caractéristiques spatiales du réseau de diffraction (50) et ainsi obtenir une source directionnelle commutable à direction d'émission modulée.
6. Source de rayonnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le substrat (10) est dans un matériau apte à supporter un mode de surface.
7. Source de rayonnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les cellules contrôlables (51 ) sont délimitées par un isolant thermique et électrique (15, 15').
8. Source de rayonnement selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'isolant cellule-substrat (15) est une couche de Si02.
9. Source de rayonnement selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce que le substrat (10) est dans le même matériau MIT que celui de la couche externe (20).
10. Source de rayonnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de contrôle électrique comportent un générateur d'impulsions électriques.
1 1 . Source de rayonnement selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que la couche externe (20) comportant les cellules contrôlables (51 ) comporte une couche externe (22) homogène constituée dudit matériau à transition de phase et d'une sous-couche sous-jacente (21 ) à conductivité thermique spatialement variable destinée à former lesdites cellules (51 ) dans la sous-couche externe en fonction de ladite variation spatiale, et en ce que les moyens de contrôle collectif des cellules sont constitués d'un unique contrôle thermique ou électrique qui se traduit en échauffement thermique modulé par le truchement de la sous-couche (21 ) à conductivité thermique spatialement variable.
12. Source de rayonnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le matériau de transition de phase appartient au groupe constitué par les oxydes de vanadium ou les titanates de barium ou les pérovskites de lanthane.
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