Optique : une première mondiale pour mesurer la transmission spectrale de filtres interférentiels

Résultat scientifique
Photonique

Les filtres interférentiels sont formés par la superposition d’une centaine de fines couches de matériaux à la surface d’un verre et sont utilisés pour transmettre ou réfléchir la lumière en fonction de la longueur d’onde. Des chercheurs de l’Institut Fresnel sont parvenus à développer un nouvel instrument ultra-sensible pour la mesure de la transmission spectrale de ces filtres optiques interférentiels. L’appareil, dénommé SALSA, constitue une première mondiale.

Le développement de puissants logiciels de conception ainsi que la disponibilité de machines de dépôt de grande fiabilité rendent aujourd’hui possible la fabrication de filtres optiques interférentiels de plus en plus complexes, mettant en jeu plus d’une centaine de couches. Ce grand nombre de couches donne accès à des fonctions de filtrage spectral à très hautes performances, caractérisées par des niveaux de transmission de la lumière supérieurs à 95 % dans leurs parties passantes et par des valeurs élevées de réjection dans leurs parties bloquantes. Si la mesure de la transmission spectrale de ces filtres peut être obtenue à l’aide de spectrophotomètres classiques, disponibles dans le commerce, il n’en est pas de même pour leurs niveaux de réjection, dès lors que les filtres présentent une densité optique 1 supérieure à 6.

Ce constat est particulièrement vrai dans le cas des filtres « passe-bande », très utilisés dans le domaine des télécommunications optiques sur fibre, car ils permettent d’isoler dans le flux transmis un canal unique de communication. Les filtres « passe-haut », « passe-bas » et Notch sont également concernés. Ils sont notamment utilisés pour des applications biomédicales, telles que la microscopie de fluorescence, ou pour l’observation de la Terre depuis l’espace.

Pour contourner définitivement cette limitation, des chercheurs de l’Institut Fresnel (CNRS/Centrale Marseille/Univ. Aix Marseille) ont développé l’instrument SALSA, un nouveau montage sans équivalent au niveau mondial. Cet appareil permet d'effectuer des mesures des niveaux de transmission des parties bloquantes des filtres interférentiels jusqu’à des densités optiques égales à 12 sur l’ensemble de la gamme spectrale comprise entre 400 et 1 000 nm, soit au-delà du spectre visible.

Dans le spectre large émis par une source intense de lumière blanche (laser à supercontinuum), les chercheurs ont prélevé une fine bande (2 nm de large) dont la longueur d’onde centrale peut être réglée entre 400 nm et 1000 nm. Ce flux filtré est envoyée sur le composant que l’on souhaite caractériser. Le niveau de flux transmis par ce composant est mesuré à l’aide d’une caméra CCD à très faible bruit, utilisée en observation astronomique.

Lorsque la transmission du composant est élevée (parties passantes), la caméra faisant office de détecteur est saturée, même si son temps d’intégration est réglé à sa valeur minimale (40 ms). Le faisceau incident est donc atténué avec un jeu de densités optiques de valeurs connues permettant de couvrir la gamme de densités comprise entre 0 et 9. En ajustant la valeur du temps d’intégration de la caméra entre 40 ms et 1 s, les chercheurs ont obtenu un niveau fixe de détection sur la caméra (70 % du niveau à saturation).

Lorsque la transmission du filtre est faible (parties bloquantes), une partie des densités assurant l’atténuation du flux incident est enlevée et le temps d’intégration est ajustée entre 40 ms et 100 s (les performances de la caméra le permettent, sans augmentation du bruit).
La mesure de la transmission du filtre est donc remplacée par celle, à niveau détecté constant, des densités de réglage et de la valeur du temps d’intégration.

L’instrument SALSA est désormais opérationnel dans la salle blanche ISO 6 de l’Espace Photonique de l’Institut Fresnel. Ce travail a été réalisé grâce aux soutiens de la DGA et du CNES, dans le cadre de leurs programmes d’observation de la Terre depuis l’Espace.

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© Institut Fresnel
Les Figures 1 et 2 présentent deux exemples de résultats expérimentaux obtenus d’une part sur un filtre passe-haut et d’autre part sur un filtre passe bande. Ils mettent en évidence l’amélioration de près de 6 décades que notre montage apporte à la mesure de leur transmission spectrale par rapport à ce que permet un des meilleurs spectrophotomètres actuels du marché (Perkin-Elmer Lambda 1050).

 

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© Institut Fresnel
Le montage est placé sous le marbre optique et muni de portes aimantées amovibles pour diminuer le niveau de lumière parasite dans la pièce.

 

Références :

M. Lequime, S Liukaityte, M. Zerrad, C. Amra, “Ultra-wide-range measurements of thin-film filter optical density over the visible and near-infrared spectrum,” Opt. Express 23, 26863-26878 (2015).
Selected by Advanced in Enginnering as a Key Scientific Article

S. Liukaityte, M. Lequime, M. Zerrad, T. Begou, and C. Amra, “Broadband spectral transmittance measurements of complex thin-film filters with optical densities of up to 12” Opt. Lett. 40, 3225-3228 (2015).

S. Liukaityte, M. Lequime, M. Zerrad, T. Begou, J. Lumeau, and C. Amra, “Ultra-wide dynamic range system for the spectral transmission measurement of complex optical filters,” in Advances in Optical Thin Films V, M. Lequime, H. A. Macleod, D. Ristau, eds., Proc. SPIE 9627, 96271A (2015).

S. Liukaityte, M. Zerrad, M. Lequime, T. Begou and C. Amra, “Measurements of angular and spectral resolved scattering on complex optical coatings,” in Advances in Optical Thin Films V, M. Lequime, H. A. Macleod, D. Ristau, eds., Proc. SPIE 9627, 96271B (2015).

M. Lequime, “Wide-range Multimodal Characterization of the Optical Properties of Complex Thin-film Filters,” Invited Paper, OSA Optical Interference Coatings Conference, 19 - 24 June 2016, Tucson, Arizona, USA (2016).

  • 1. La densité optique quantifie la capacité d’un milieu à absorber la lumière qui le traverse. Une densité optique de 1 (resp. 2, 3, ...) laisse passer 10 % (resp. 1 %, 0,1 %, ...) de la lumière incidente.

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Michel Lequime