FR2857458A1

FR2857458A1 - Antenne thermique.

Info

Publication number: FR2857458A1
Application number: FR0308386A
Authority: FR
Inventors: Abdallah Philippe Jean Ben
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2005-01-14

Abstract

Structure pour émettre un rayonnement thermique directionnel dans une bande spectrale centrée autour d'une longueur d'onde λ0, comportant au moins une couche interne (42) d'un matériau absorbant immergée dans une matrice transparente (40, 41) à plus haut indice de réfraction. La couche interne (42) est mono-modale, alors que la matrice (40,41) est fortement multi-modale. Les indices de réfraction n1 et n2 de la matrice (40, 41) et de la couche interne (42) sont liés, dans ladite bande spectrale, par la relation :où ω0=2πc/λ0 et c est la vitesse de la lumière dans le vide, de telle sorte que la direction préférentielle d'émission du rayonnement thermique soit constante au premier ordre dans ladite plage de fréquences et soit donnée par :Cette structure peut être utilisée comme revêtement pour modifier les propriétés radiatives d'un substrat. Dans ce cas, une couche réfléchissante (43) est avantageusement interposée entre la structure et le substrat.

Description

ANTENNE THERMIQUE
Une source thermique de rayonnement électromagnétique, telle que le filament d'une ampoule, présente en général une émissivité isotrope (indépendante de la direction) ou lambertienne (émissivité proportionnelle au cosinus de l'angle formé entre la direction d'émission et la normale à la surface de la source). Dans des nombreuses applications il serait utile de localiser l'émission thermique autour d'une direction d'espace bien définie, réalisant une sorte d' antenne thermique . Parmi ces applications on peut mentionner la furtivité infrarouge et le contrôle sur mesure des transferts thermiques radiatifs.

Récemment, J. -J. Greffet et al. ont mis en évidence une émission thermique directionnelle et cohérente de la part de la surface d'un matériau polaire sur laquelle un réseau de diffraction a préalablement été gravé. Cet effet résulte d'un couplage, rendu possible par le réseau, entre des ondes de surface (polaritons) et des modes de propagation d'ondes électromagnétiques. Ce résultat est décrit dans l'article : Cohérent emission of ligth by thermal sources , J.-J.

Greffet, R. Carminati, K. Joulain, J. -P. Mulet, S. Mainguy et Y. Chen, Nature, 416, pages 61-64 (2002).

Malgré son intérêt théorique, l'émission directionnelle de la part d'un réseau de diffraction se prête difficilement à des applications industrielles à cause du coût élevé de la gravure d'un réseau de diffraction et de sa grande fragilité. Une limitation encore plus grave est constituée par le fait que seulement la composante en polarisation P du rayonnement est émise de façon directionnelle.

Une émission directionnelle proche de la normale à la surface peut être obtenue par l'utilisation de matériaux ayant un indice de réfraction proche de 0 ou négatif. Des tels matériaux, dits aussi métamatériaux, sont en fait des composites constitués d'une structure conductrice périodique dans une matrice diélectrique. Jusqu'à maintenant cet effet a été observé seulement dans le domaine des micro-ondes et son extension au domaine optique comporte des grandes difficultés techniques. La démonstration

expérimentale de l'émission thermique dans les métamatériaux est décrite dans l'article : A Metamaterial for Directive Emission , S. Enoch, G.

Tayeb, P. Saboureux, N. Guérin and P. Vincent, Physical Review Letters, 89, page 2139021 (2002).

L'idée à la base de la présente invention est d'exploiter les effets de résonance dans une structure multicouche comportant au moins une couche absorbante, ayant donc une émissivité s différente de 0. Il est bien connu de l'optique ondulatoire qu'une structure constituée de couches minces, telle qu'un interféromètre de Fabry-Perot, présente des coefficients de transmission (T) et de réflexion (R) qui, à une longueur d'onde donnée, dépendent fortement de la direction. La loi de Kirchhoff s=1-T-R impose donc que le rayonnement thermique soit émis selon des directions préférentielles.

La structure peut être dimensionnée pour présenter le diagramme d'émission voulu dans une bande spectrale déterminée.

Il convient de rappeler ici que la loi de Kirchhoff impose également que l'absorptivité spectrale directionnelle soit égale à l'émissivité spectrale directionnelle : une antenne thermique qui émet dans une direction préférentielle, absorbe préférentiellement un rayonnement provenant de cette même direction.

Grâce à sa simplicité une telle structure peut être produite à bas coût et présenter une bonne résistance mécanique. De plus, le fait qu'elle se présente sous la forme d'une couche mince la rend bien adaptée à constituer un revêtement de surface.

L'invention porte sur une structure pour émettre un rayonnement thermique directionnel dans une bande spectrale, caractérisée en ce qu'elle comporte : - au moins une couche dite interne d'épaisseur h2 d'un premier matériau d'indice de réfraction n2 ; - au moins deux couches dites externes d'un deuxième matériau d'indices de réfraction n1, constituant une

matrice dans laquelle ladite couche interne est immergée ; et en ce que: - ladite matrice est sensiblement transparente sur toute la bande considérée; - l'indice de réfraction n2 comporte une partie réelle n2' qui satisfait à l'inégalité n2'<n1 sur toute la bande considérée et une partie imaginaire n2"(#0) qui satisfait à l'inégalité

0 < nZ 2hZnz /. , où à désigne une longueur d'onde appartenant à la bande considérée, - l'indice de réfraction complexe n2 du matériau constituant la couche interne satisfait sensiblement dans ladite bande spectrale, au moins au premier ordre, à l'équation :

2(M)= nI 2 ( ) w [ (coo)- h2 )2 1 ] [ nc )2 1

où co=2c17o et c est la vitesse de la lumière dans le vide, de telle sorte que la direction préférentielle d'émission du rayonnement thermique soit constante au premier ordre dans ladite bande spectrale.

Suivant des caractéristiques avantageuses : - l'épaisseur h2 de la couche interne satisfait à l'inégalité

Âo h 2 Âo 2n; (Âo) n'2(A0) - l'épaisseur de la couche externe, ou des couches externes, est grande par rapport à h2 ; et - les indices de réfraction ni et n2 satisfont à l'inégalité :

Im 1 2 [0" -( h: J]} Re{ O, [0" -( h: J]} ni h2ù) ni 1 h2(

Dans un mode particulier de réalisation, une structure selon l'invention comporte également une couche réfléchissante dans ladite bande spectrale centrée autour d'une longueur d'onde #0, déposée sur une de ses surfaces externes.

Dans un autre mode particulier de réalisation, une structure selon l'invention comporte également des moyens permettant un contrôle actif de l'indice de réfraction n2, et par conséquent des propriétés d'émission thermique directionnelle. En particulier, lesdits moyens permettant un contrôle actif de l'indice de réfraction n2 peuvent être choisis parmi : des électrodes pour appliquer un champ électrique à la couche interne et en modifier l'indice de réfraction par effet électro-optique ; des électrodes pour injecter des porteurs de charge dans la couche interne, qui est en matériau semiconducteur; et des actionneurs pour appliquer des contraintes mécaniques à la couche interne.

Dans un autre mode particulier de réalisation, une structure selon l'invention constitue un revêtement d'un substrat.

Dans sa forme la plus semple, une structure selon l'invention comporte une seule couche interne absorbante. L'invention porte également sur une structure comportant une pluralité de couches internes immergées dans une même matrice, chacune desdites couches internes étant dimensionnée pour émettre un rayonnement thermique directionnel dans une propre bande spectrale et suivant une propre direction d'émission préférentielle.

D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple.

Les figures 1A, 1 B et 1 C permettent de comparer les diagrammes d'émission d'une source isotrope de rayonnement électromagnétique, d'une source lambertienne et d'une source directionnelle ( antenne thermique ) selon la présente invention.

La figure 2 montre un premier exemple d'applications d'une antenne thermique au domaine des transferts thermiques.

Les figures 3A et 3B illustrent une deuxième application à la furtivité infrarouge.

Les figures 4A à 4D illustrent la structure et les propriétés optiques d'une antenne thermique selon un mode de réalisation de l'invention et constituent une base pour la discussion de son fonctionnement.

Les figures 5A à 5E servent de support à la description d'un procédé de conception d'une antenne thermique selon l'invention, possédant des propriétés déterminées.

Les figures 6A et 6B se réfèrent à l'utilisation d'une antenne thermique selon l'invention comme couche de revêtement déposée sur un support.

Les figures 7A, 7B, 8A et 8B illustrent les propriétés d'émission directionnelle de deux antennes thermiques selon deux modes de réalisation de l'invention.

L'émission thermique d'une source ponctuelle 1 est isotrope et son diagramme d'émission 11 est une sphère (représentée en section dans la figure 1A). Une surface localement plane 2, constituée d'une infinité de sources ponctuelles indépendantes, présente une émissivité directionnelle, illustrée par le diagramme d'émission 12, qui suit la loi du cosinus de

Lambert (source lambertienne) : e(0)=socos(9) pour -90 <8<90 , où 0 est l'angle formé entre la direction d'émission et la normale n à la surface, comme illustré par la figure 1 B. Une antenne thermique 3 selon la présente invention présente un émissivité dont la dépendance de 0, dans une certaine région spectrale, présente un maximum très prononcé pour #=~#max. La figure 1 C montre une section du diagramme d'émission 13, qui présente une symétrie cylindrique par rapport à la normale n à la surface. On peut observer qu'un maximum secondaire pour #=0 est également présent.

Un premier exemple d'application d'une antenne thermique est illustré schématiquement par la figure 2. L'instrumentation scientifique à bord d'un satellite comporte un capteur infrarouge 21, qui doit fonctionner à une température cryogénique ; sa surface externe 23 est hautement

réfléchissante afin de minimiser les échanges thermiques radiatifs avec l'extérieur. Pour des raisons d'encombrement, le capteur 21 doit être positionné à proximité d'un élément électrique 25 qui peut atteindre une température élevée et qui doit dissiper de la chaleur par rayonnement pour éviter une surchauffe. Malgré le revêtement réfléchissant de sa surface 23, le capteur 21 absorbe une partie du rayonnement thermique émis par l'élément 25, qui ne peut pas être supprimé ; cela entraîne la nécessité d'utiliser un dispositif de refroidissement plus encombrant et consommateur d'énergie.

Une solution possible à ce problème consiste à couvrir au moins une partie de la surface de l'élément 25 par un revêtement 27 ayant les propriétés d'une antenne thermique. Il en résulte un diagramme d'émission 29 qui évite le capteur 23, réduisant sensiblement son réchauffement, tout en permettant à l'élément 25 une dissipation efficace de la chaleur.

Les figures 3A et 3B montrent une deuxième application possible de l'invention. La surfacé inférieure d'un drone 30 en vol à une hauteur H avec une vitesse V constitue un émetteur thermique et peut pourtant être détecté par l'ennemi à l'aide des cameras sensibles à l'infrarouge 31,32 et 33. Considérons le cas d'un drone revêtu par un film ayant les propriétés d'une antenne thermique avec un lobe d'émission 34 d'une largeur A9=1 et orienté à 20 , comme illustré dans la figure 3A. Si, par exemple, H=1000 m, la région au sol 34 éclairée par le rayonnement infrarouge émis par le drone a la forme d'une couronne circulaire de rayon

interne Ri 354 m et externe R2374 m et elle se déplace avec la vitesse V, égale par exemple à 500 km/h139 m/s. Au sol sont disposés trois sites d'observation sensibles au rayonnement infrarouge : le site 31 est situé sur la trajectoire 35 du drone, le site 32 à une distance R1 de cette trajectoire et le site 33 à une distance plus grande que R2. Il est facile de se rendre compte que le site 31 ne voit le drone que pendant deux fenêtres temporelles de 0,14 s environ chacune et séparées de 5,4 s, le site 32, qui est dans la position la plus favorable, le voit pendant 1,7 s environ et le site 33 ne le voit pas du tout. Par comparaison, un drone lambertien émet dans un cône dont

l'ouverture vaut environ 168 (la demi-ouverture est définie comme l'angle

pour lequel E=go/10) - la zone éclairée au sol est un cercle d'un rayon de 10 km environ, donc les trois sites de détection peuvent voir le drone pendant plus que 2 minutes. Une solution alternative au problème de la furtivité peut être l'utilisation d'un revêtement fortement réfléchissant dans l'infrarouge, comme de l'or, mais de cette façon toute perte radiative par rayonnement est empêchée. Ces pertes contribuent au refroidissement de l'émetteur et peuvent être extrêmement utiles, notamment dans les applications spatiales, pour lesquelles la convection est inopérante (voir le premier exemple considéré ci-dessus). L'invention permet d'atteindre un compromis entre les exigences de furtivité et la nécessité de permettre un refroidissement par rayonnement.

La figure 4A illustre un mode de réalisation d'une antenne thermique selon l'invention constituée par une structure à sandwich comportant une couche interne 42 d'épaisseur h2 d'un matériau ayant un indice de réfraction complexe n2=n2'+in2" et deux couches externes 40 et 41 d'épaisseur h1 d'un matériau sensiblement transparent, d'indice de réfraction n1. Sensiblement transparent signifie ici que la partie imaginaire de ni doit, par exemple, être inférieure à un dixième, et avantageusement inférieure à un centième, de n2" Dans ce cas, on peut négliger la partie imaginaire de n1. Pour des raisons de simplicité on ne considère ici que des matériaux optiquement isotropes. L'épaisseur h2 de la couche interne 42 est de l'ordre de la longueur d'onde dans le milieu du rayonnement que l'on souhaite émettre de façon directionnelle (,o/ n2'), alors que l'épaisseur hi des couches internes 40 et 41 est sensiblement plus grand ( au moins 5 ou 10 fois). Le matériau qui constitue les couches externes 40 et 41 est transparent à la longueur d'onde du rayonnement (indice de réfraction réel), alors que celui qui constitue la couche interne 42 est absorbant (indice de réfraction complexe) ; il faut cependant que la longueur d'absorption du rayonnement dans ce matériau soit supérieure (au moins 3-5 fois) de h2 :

n2 2hZnz /, Equation 1

où 1 est la longueur d'onde dans le vide du rayonnement.

Il faut également que n2'<nl Equation 2 afin que la couche 2 ne constitue pas un guide d'onde qui piégerait le rayonnement thermique émis.

La figure 4A montre le cas d'une antenne thermique placée dans le vide (indice de réfraction no). Le cas d'une antenne thermique constituant un revêtement de surface sera traité plus loin.

La couche 42 constitue une structure résonnante, du type Fabry-Perot. Pour pouvoir observer le comportement d'antenne thermique il faut qu'elle ne supporte que son mode fondamental. Son épaisseur h2 doit donc satisfaire à la relation :

Âo h2 Âo Equation 3 2n;(Âo) n'2(l0)
Les couches 40 et 41 sont de préférence suffisamment épaisses pour être fortement multi-modales et donc ne pas présenter un comportement résonant marqué, ce qui rendrait plus complexe le comportement radiatif de la structure.

Pour un rayonnement de longueur d'onde (dans le vide) #, la résonance est atteinte par une direction de propagation dans la couche 42 qui forme un angle #2 par rapport à la direction x, perpendiculaire aux interfaces entre les couches (voir figure 4B), où #2 satisfait à l'équation :

27ZK'(/}.) \ n ##'## cos e2 = - Equation 4 # h2
Pour une longueur d'onde , donnée, l'équation 4 permet de calculer l'angle #2 pour lequel il y a résonance. Des calculs d'optique permettent de démontrer que l'émissivité à la longueur d'onde # est une fonction de 02 qui présente un maximum en correspondance de la résonance.

On comprend maintenant pourquoi la valeur de n2" doit satisfaire à l'équation 1 : l'émission thermique est directionnelle grâce à un effet de résonance, qui

ne peut se produire que si le rayonnement peut traverser plusieurs fois l'épaisseur de la couche 42.

En fait, la réfraction aux interfaces entre la couche 42 et les couches 40 ou 41, et entre ces dernières et le vide, modifie la direction avec laquelle le rayonnement est émis, comme illustré sur la figure 4B. En combinant l'équation 4 avec la loi de Snell on obtient l'expression suivante pour la direction d'émission préférentielle #ext.max d'un rayonnement à la longueur d'onde , :

9eX,maX ( = arcsin n2 1- Equation 5 ext,max (') =arcsinn' 2n2 ,h2 fez Equation
Comme au moins l'indice de réfraction n2 de la couche interne 42 présente une partie imaginaire, l'angle préférentiel d'émission dans la matrice

transparente 61 max=arcsin[sin(8max)/n1] est également complexe. Pour obtenir une émissivité suffisamment élevée, il faut que la partie réelle de sin2(9i,max), associée à un mode de propagation, soit beaucoup plus grande que sa partie imaginaire, associée à un mode évanescent. Pour cela il est avantageux que les indices de réfraction ni et n2 satisfassent à l'inégalité suivante :

Im 2 nzz - e Re 12 nz2 - e Equation 6
Plus précisément, la valeur du membre de gauche de l'équation 6 doit, par exemple, être inférieure à un dixième, et avantageusement inférieure à un centième, de la valeur de son membre de droite. Si ni est réel (matrice 40,41 transparente), l'équation 6 est satisfaite quand la couche interne 42 est faiblement absorbante.

L'expression de l'émissivité ## en fonction de l'angle 82 , de l'épaisseur h2 de la couche 42 et des indices de réfraction est :

S), (8 2 \ 1 t]2t2I exp(-ik2xh2) - rI2[exp(-2ik2xh2)-1] 2. E qua t. Ion 7 1-rz exp-2ikzxh2 1-rz exp-2ikzxhz Equation 7

où ti2, tu, r12 et r21 sont les coefficients de Fresnel pour l'interface entre la couche interne et une des couches externes et k2x = n2 cos82 . Les # coefficients de Fresnel, et donc l'émissivité, dépendent de la polarisation du rayonnement (S ou P). Cependant, comme il sera montré dans les exemples suivants, les diagrammes d'émission pour le rayonnement en polarisation P et en polarisation S sont qualitativement très similaires et l'émission du rayonnement thermique non polarisé peut donc être directionnelle.

Pour des raisons de simplicité, l'équation 7 exprime l'émissivité en fonction de l'angle 92 ; le passage à l'angle #ext à l'aide de la loi de Snell est immédiat.

L'équation 7 est obtenue en calculant les coefficients de transmission T (premier terme quadratique dans l'équation 7) et de réflexion R (deuxième terme quadratique) pour la couche 42 immergée dans la matrice réfrangente constituée par les couches 40 et 41, coefficients qui sont liés à l'émissivité ## par la loi de Kirchhoff s=1-T-R. En intégrant l'expression de l'émission directionnelle par rapport à #ext sur un angle solide de 2# stéradians on obtient l'émissivité hémisphérique spectrale #h(#) qui caractérise la capacité de la structure à perdre de l'énergie par rayonnement.

La figure 4C montre un graphique 43 de l'émissivité ## en fonction de #1 à la longueur d'onde de 9 m pour un film absorbant 42 d'épaisseur h2=7pm constitué d'un matériau ayant un indice de réfraction complexe n2=0. 9+0.03i immergé dans une matrice 40-41 de germanium, et le diagramme d'émissivité 44 correspondant. On voit clairement un lobe principal d'émission dans la matrice transparente pour #1#12 , et un maximum secondaire pour #1=0 . La loi de Snell permet de trouver que le pic d'émission dans le vide 8ext,max56 .

Dans la plupart des applications il faut obtenir une émission thermique directionnelle non seulement à une longueur d'onde donnée, mais dans une bande spectrale. Pour cela il faut que la dérivée de #max par rapport à # soit nulle au centre de ladite bande (,o). On obtient ainsi la loi de variation

spectrale de l'indice de réfraction complexe de la couche 42 (exprimé ici en fonction de la pulsation #, liée à la longueur d'onde dans le vide par la relation

, = 2ccl ):

/ n, 2/ t(o) 2/ \ (ne 2 1 f 71c 2 1 Equation nI 2 ( ) ffi [ 2 ,- J2 1 .- # Equation nI ffio h2 ffio h2 co où c est la vitesse de la lumière dans le vide et coola pulsation au centre de la bande.

Dans le cas d'une matrice grise, c'est à dire dont l'indice de réfraction n1 est indépendant de la fréquence dans la bande spectrale considérée, l'équation 8 se simplifie considérablement :

n2(m)= n/(mo)+(ncJ2(--4J Equation 8' h2 m mo
Si la bande est suffisamment étroite, l'équation 8 peut être développée en série de Taylor autour de #0, ce qui donne :

nz2co~ c 2 - 1 n c l dn, ~(ne)2 2 1 n2(o = n2(0)0)-. 1 n 1 2(ffl. ) h 2 1 (02 01 n2 (ffl, ) do) . - h 2 1 0)3 -0)0) n2(co)=n2(roO)- n] (coo) h2 COo n2 ( COo ) dco úJo h2 co (co-coo) n2\0I
Equation 8" qui, pour une matrice grise, se simplifie ultérieurement en :

nzl-nzo- c/h23 ~o Equation 8'" n2()=n2()a- ( 1,,3 ()-Cùa qua n2 Cùa JWa
Une antenne thermique comme celle décrite ci-dessus émet aussi bien dans le demi-espace orienté dans la direction des x positives que dans celui orienté dans la direction des x négatives. Une couche réfléchissante 43 déposée sur la face externe d'une des couches 40 ou 41 permet d'obtenir une émission dans un seul demi-espace, comme illustré par la figure 4D.

Les figures 5A-5E illustrent un procédé permettant de concevoir une antenne thermique selon l'invention ayant des propriétés déterminées en vue d'une application. Ce procédé fait référence au mode de

réalisation illustré par les figures 4A-4D ; l'homme du métier pourra facilement le généraliser à d'autres modes de réalisation de l'invention.

Les caractéristiques de l'antenne imposées par l'application sont : une bande de fonctionnement, centrée autour d'une longueur d'onde #0;

un angle d'émission 0e,max affecté d'une incertitude 50max et une largeur du lobe d'émission ## max ; une émissivité hémisphérique spectrale au centre de la bande #h(#0) ; des propriétés mécaniques, thermiques et chimiques satisfaisantes des couches 40 et 41, qui sont exposées à l'environnement extérieur et/ou en contact avec un substrat.

Cette dernière caractéristique limite le choix du matériau utilisé pour réaliser lesdites couches 40 et 41. Dans la suite on fait l'hypothèse que le matériau constituant les couches externes 40 et 41 est imposé et qu'il présente un indice de réfraction n1(#0) fixé et approximativement constant sur la bande considérée.

La figure 5A montre un graphique 500 à courbes de niveau 501 qu'illustre la dépendance de l'angle d'émission #max en fonction de l'épaisseur h2 de la couche 42 et de la partie réelle de son indice de réfraction au centre de la bande, n2'(Xo), dépendance exprimée par l'équation 5. Les courbes 502 et 503 représentent les valeurs limites admissibles de h2 en fonction de n2'(#0), déterminées par l'équation 3 et la droite 504 la valeur maximale de n2'(#0) d'après l'équation 2. L'aire hachurée 505 correspond aux

valeurs de Oext,max compris dans la marge de tolérance 80max et satisfaisant aux contraintes représentées par les lignes 502,503 et 504. Elle définit un ensemble de couples admissibles [h2 ; n2'(#0)]. La plus grande et la plus petite valeur de n2'(#0) dans ces couples sont appelées n2,MAX et n2'min respectivement.

La figure 5B montre un graphique 510 à courbes de niveau 511 qu'illustre la dépendance de l'émissivité hémisphérique #h(#0), calculée à partir de émissivité directionnelle (équation 7) intégrée par rapport à #ext sur un angle solide de 2# stéradians, en fonction de n'2(#0) et n"2(o). Les droites 512 et 513 représentent les valeurs limites de la partie réelle de n2, n2'MAX et n2'min, les droites 514 et 515 les contraintes sur n2" qui résultent de l'équation 1 et la courbe 516 la contrainte exprimée par l'équation 6. L'aire hachurée

517 représente l'ensemble des couples [n2'(;0) ; n2"(,0)] qui permettent d'obtenir l'émissivité hémisphérique voulue tout en satisfaisant aux contraintes mentionnées ci-dessus.

La figure 5C montre un graphique 520 à courbes de niveau 521 qu'illustre la dépendance de la largeur du lobe d'émission ##max, calculée à partir de l'équation 7, en fonction des composantes réelle et imaginaire de l'indice de réfraction n2. Comme dans le cas de la figure 5B, l'aire hachurée

522 représente l'ensemble des couples [n2'(,0); n2"(Ao)] correspondant à la valeur recherchée de ##max. L'intersection 523 entre l'aire 522 et l'aire 517

(reproduite en pointillé) permet de déterminer les couples (n2'(,0) ; n2"(Ao)] admissible pour l'antenne thermique.

Evidemment, il est possible que l'intersection 523 n'existe pas. Dans ce cas, il est nécessaire soit de relâcher les marges de tolérance des caractéristiques de l'antenne, soit de modifier la valeur de ni prise au départ. En ce qui concerne la modification des critères de conception, il faut considérer que certaines caractéristiques de l'antenne peuvent varier dans une plage assez large. Par exemple, dans aucun des deux exemples illustrés par les figures 2 et 3A-B une valeur précise de l'angle d'émission préférentielle n'est requise, les caractéristiques essentielles étant respectivement l'émissivité hémisphérique et la largeur du lobe d'émission.

Quant à la modification de n1, elle peut être obtenue sans changer de matériau : des modifications importantes de l'indice de réfraction peuvent être obtenues simplement par dopage, comme il est bien connu de la technologie des fibres optiques.

Des renseignements complémentaires sur la modification des propriétés optiques d'un semi-conducteur par dopage peuvent être trouvés dans l'article : Zero infrared reflectance anomaly in doped silicon lamellar gratings. I. From antireflection to total absorption M. Auslauder et S. Hava, Infrared Phys. Technol. 36, pages 1077-1088 (1995), ainsi que dans l'ouvrage de référence : Handbook of optical constants of solids Volume 3, Chapitre 6, Academic Press, San Diego (1998).

Après les trois premières étapes du procédé l'on dispose

d'un ensemble de triplets de valeurs admissibles [h2 ; n2'(,0) ; n2"(?0)) qui constituent un volume 531 dans un graphique tridimensionnel 530, comme représenté dans la figure 5D. Les coordonnées du barycentre 532 du volume 531 sont N2', N2" et H2 respectivement. On peut remplacer ces valeurs dans l'une des équations 8 - 8'" pour obtenir l'expression de la dépendance de l'indice de réfraction du matériau constituant la couche 42 en fonction de la longueur d'onde #. La dernière étape du procédé consiste à trouver ou concevoir un matériau qui satisfait à cette loi. L'homme du métier versé dans les technologies optiques connaît plusieurs méthodes pour modifier aussi bien la partie réelle que la partie imaginaire de l'indice de réfraction d'un matériau : le dopage, déjà mentionné, la dispersion de nanoparticules dans une matrice, la réalisation de structures multicouches périodiques (cristaux photoniques) ou non périodiques, etc.

En ce qui concerne les cristaux photoniques, voir : Photonic Crystals, Molding the Flow of Light , J.D.

Joannopoulos, R. D. Meade et J.N. Winn, Princeton University Press, Princeton, NJ (1995) ; Photonic band gap materials édité par C.M. Soukoulis, Kluwer Academic Press (1996) ; et Optical Waves in layered media , P. Yeh, Wiley and Sons (1998).

Pour des renseignements complémentaires sur l'utilisation de nanoparticules et nanostructures, voir : Propriétés optiques visibles et infrarouges de matériaux nanocomposites de type Cermet , Thèse de l'Université de Paris VI (1998) ; Intense Focusing of Light Using Metals , J. B. Pendry, NATO ASI series, édité par C.M. Soukoulis ; et Photonic Band Gap Effects and Magnetic Activity in Dielectric Composite , S. O'Brien et J. B. Pendry, J. Phys. [Condensed Matter] 14, pages 4035-4044 (2002).

Un organigramme du procédé de conception décrit ci-dessus est présenté dans la figure 5E.

La fabrication d'une antenne thermique peut se faire par des techniques classiques de dépôt de film minces : dépôt chimique en phase vapeur (CVD), épitaxie à faisceaux moléculaires (MBE), etc. Ces techniques sont bien connues par l'homme du métier versé dans l'optique des films minces et ne nécessitent donc pas d'être décrites ici.

Jusqu'à présent, seulement une antenne thermique dans le vide, comme celle illustrée dans les figures 4A et 4B, a été considérée, mais dans des nombreux cas il peut être nécessaire de réaliser un revêtement de surface présentant une émission thermique directionnelle, comme dans les figures 6A et 6B. Le problème est constitué par le fait que le substrat 61 constitue une source lambertienne. La figure 6A montre que son diagramme d'émission 62 (trait haché) est modulé par le coefficient de transmission 63 (trait pointillé) du revêtement 64 pour donner un diagramme résultant 65 (trait haché-pointillé) qui est partiellement directionnel, mais qui ne se superpose pas au diagramme d'émission 66 (trait plein) dudit revêtement 64. Pour maintenir les propriétés de l'antenne thermique, il faut donc supprimer l'émission du substrat : cela est obtenu en interposant entre la surface dudit substrat 61 et le revêtement 64, une couche réfléchissante 43, par exemple en or, comme illustré par la figure 6B. De plus, la couche 43 permet de récupérer le rayonnement émis dans la direction du substrat 61. Il est important d'observer que la couche centrale 42 du revêtement, chauffé par

conduction thermique, rayonne et permet donc une dissipation d'énergie qui serait absente si seulement la couche réfléchissante 43 était présente.

Evidemment, la couche 43 n'est pas nécessaire si le substrat 61 possède une réflectivité suffisamment élevée dans la bande d'émission thermique directionnelle.

Les figures 7A et 7B montrent des graphiques d'émissivité directionnelle, en polarisation S et P respectivement, pour une antenne thermique selon l'invention.

L'antenne est constituée d'un film de Si02 d'une épaisseur de 4 m dans une matrice de Germanium. Cette structure se comporte comme une antenne thermique avec un pic d'émission pour #1,max#18 , ce qui

correspond à 0ext,max5 , avec 00 5 dans une bande comprise entre 4.8 pm (625 K) et 5.9 m ( 510 K). Les trois courbes tracées dans chacune des figures représentent ##(#1) à une longueur d'onde de 5,15 m (lignes continues, 71 sur la figure 7A, 72 sur la figure 7B), 5,45 m (lignes hachées 73 et 74) et 5,7 m (lignes pointillées 75 et 76) respectivement.

Les figures 8A et 8B montrent les mêmes graphiques dans le cas d'une antenne pour applications cryogéniques, constituée par un film de ZnS d'une épaisseur de 14 m dans une matrice de Germanium. Un

comportement d'antenne thermique (0i,max 15 , 0ext,max85 A9 9 ) est obtenu aux alentours de 25 m (120 K). Les trois courbes représentent ##(#1) à une longueur d'onde de 25,7 m (lignes continues 81 et 82), 26,1 m (lignes hachées 83 et 84) et 26.65 m (lignes pointillées 85 et 86) respectivement.

La comparaison des figures 7A et 8A avec les figures 7B et 8B respectivement permet de vérifier que les diagrammes d'émission en polarisation S et P sont qualitativement similaires.

Bien entendu, il est possible d'envisager des nombreuses variantes sans sortir du cadre de la présente invention. En particulier : - l'indice de réfraction des couches 40,41 et/ou 42 peut être contrôlé par application d'un champ électrique (effet électro-optique) par

l'intermédiaire d'électrodes transparentes ; de cette façon il est possible de modifier activement les propriétés radiatives de l'antenne thermique ; - un contrôle actif du même type peut être obtenu par injection de porteurs (si au moins un des matériaux utilisés est un semiconducteur) ou par application d'une contrainte mécanique par l'intermédiaire, d'actionneurs, par exemple piézoélectriques, transparents. Les principes physiques de ces méthodes de modification active des propriétés optiques des matériaux sont exposés dans l'ouvrage : Electrodynamique des milieux continus , L. Landau, E.

Lifchitz, Ed. Mir, 1970.

- des diagrammes d'émission ayant des formes complexes peuvent être obtenus en utilisant une pluralité de couches absorbantes et transparentes. Par exemple, on peut réaliser une antenne constituée par deux ou plus couches internes immergées dans un même matrice transparente ; si les couches internes sont suffisamment espacées entre elles pour que l'on puisse négliger le couplage entre leurs modes, le diagramme d'émission résultant sera simplement constitué par la somme des diagrammes d'émission des différentes antennes élémentaires.

- L'utilisation de matériaux optiquement anisotropes peut également être envisagée afin d'obtenir des diagrammes d'émission qui ne présentent pas une symétrie cylindrique autour de la normale à la surface de l'antenne.

L'homme du métier versé dans l'optique des couches minces pourra facilement généraliser les exemples illustrés ci-dessus à ces structures plus complexes.

Claims

REVENDICATIONS

1. Structure pour émettre un rayonnement thermique directionnel dans une bande spectrale, caractérisée en ce qu'elle comporte : - au moins une couche dite interne (42) d'épaisseur h2 d'un premier matériau d'indice de réfraction n2 ; - au moins deux couches dites externes (40,41) d'un deuxième matériau d'indices de réfraction n1, constituant une matrice dans laquelle ladite couche interne (42) est immergée ; et en ce que: - ladite matrice (40, 41) est sensiblement transparente sur toute la bande considérée; - l'indice de réfraction n2 comporte une partie réelle n2' qui satisfait à l'inégalité n2'<n1 sur toute la bande considérée et une partie imaginaire n2"(#0) qui satisfait à l'inégalité

0<nu 2nh2n; lA, où Ao désigne une longueur d'onde appartenant à la bande considérée, - l'indice de réfraction complexe n2 du matériau constituant la couche interne (42) satisfait sensiblement dans ladite bande spectrale, au moins au premier ordre, à l'équation :

nI 2 ( ) w 12 2 [ 7tC J2 1 + - z n2(w)= 2() h2 o. ~ h2 -;2 où #0=2#c/#0 et c est la vitesse de la lumière dans le vide, de telle sorte que la direction préférentielle d'émission du rayonnement thermique soit constante au premier ordre dans ladite bande spectrale.

2. Structure selon la revendication 1, dans laquelle l'épaisseur h2 de la couche interne (42) satisfait à l'inégalité #0 #0 # h2 # .

2n'2(#0) n'2 (#0)

3. Structure selon une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'épaisseur de la couche externe, ou des couches externes, est grande par rapport à h2.

4. Structure selon une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les indices de réfraction ni et n2 satisfont à l'inégalité :

ImKL2 -f# Ïll Rel-Jn22 -f# Ïll |n,2[2 h2e) {n,2[2 h2ù)

5. Structure selon une quelconque des revendications précédentes, comportant également une couche (43) réfléchissante dans ladite bande spectrale centrée autour d'une longueur d'onde #0, déposée sur une de ses surfaces externes.

6. Structure selon une quelconque des revendications précédentes, comportant également des moyens permettant un contrôle actif de l'indice de réfraction n2, et par conséquent des propriétés d'émission thermique directionnelle.

7. Structure selon la revendication 6, dans laquelle lesdits moyens permettant un contrôle actif de l'indice de réfraction n2 sont choisis parmi : des électrodes pour appliquer un champ électrique à la couche interne (42) et en modifier l'indice de réfraction par effet électro-optique ;des électrodes pour injecter des porteurs de charge dans la couche interne (42), qui est en matériau semi-conducteur ; actionneurs pour appliquer des contraintes mécaniques à la couche interne (42).

8. Structure selon une quelconque des revendications précédentes, constituant un revêtement (64) d'un substrat (61).

9. Structure selon une quelconque des revendications précédentes, comportant une pluralité de couches internes immergées dans une même matrice, chacune desdites couches internes étant dimensionnée pour émettre un rayonnement thermique directionnel dans une propre bande spectrale et suivant une propre direction d'émission préférentielle.