Nouveaux matériaux à indice de réfraction ultra faible pour applications ophtalmiques

Le verre, ou tout autre matériau transparent, est essentiel pour la fabrication de fenêtres, de caméras, de téléphones cellulaires et de bien d'autres technologies. Pour maximiser sa performance,les verres doivent actuellement subir plusieurs traitements qui permettent d'accroitre à la fois la transparence, la durabilité et la résistance environnementale. Dans le contexte de la transmission optique, l'implémentation de filtres antireflets à base de couches minces permet de minimiser la réflexion des lentilles en verre par l'intermédiaire d'effets interférentiels. Ce procédé a bien des avantages tels que la réduction des éblouissements lors de la conduite nocturne, l'élimination des reflets indésirables, la maximisation de la transmission souhaitée et la diminution de la réflexion de rayons UV dans l'oeil ; l'objectif ultime étant d'obtenir un verre complètement «invisible». Ces filtres sont habituellement composés de deux matériaux différents, l'un à indice de réfraction faible et l'autre élevé et la différence d'indice de réfraction entre ces derniers est directement reliée à l'efficacité des filtres antireflets. En ce sens, ce projet porte sur le développement de matériaux à indice de réfraction ultra faible (n<1.45) pour application en optique ophtalmique afin d'augmenter la performance des filtres antireflets. Ceci étant dit, la durabilité des matériaux étant également très importante, il est primordial dans ce projet d'évaluer quel est l'indice de réfraction minimum pouvant être incorporé dans les architectures actuellement utilisées sans pour autant compromettre leur durabilité (résistance mécanique et environnementale). Plusieurs méthodes de production de matériaux à très faible indice de réfraction ont été explorées et optimisées. Ainsi, les objectifs visés sont de générer des matériaux à indice de réfraction inférieurs à 1,45, de caractériser leurs propriétés optiques et mécaniques, de les optimiser ainsi que d'insérer les meilleurs candidats dans un revêtement antireflet complet, pour comparer la résistance mécanique et environnementale du filtre obtenue avec les standards actuels. Plus spécifiquement, trois méthodes différentes ont été explorées afin de générer de la nanoporosité dans les matériaux de façon uniforme et contrôlée, diminuant ainsi l'indice de réfraction moyen. Tout d'abord, le dépôt à angle rasant permet de créer une structure colonnaire poreuse qui, combinée à un précurseur organique, est élastique et dure. Ensuite, le dépôt avec porogène offre la possibilité d'insérer de petites molécules organiques qui sont ensuite évaporées,laissant ainsi à leur place des pores vides. Finalement, la gravure par plasma permet la modification d'une surface en exposant, par exemple, un polymère à des ions d'oxygène énergétiques.

Abstract

Glass, or any other transparent material, is essential to make windows, cameras, cellphones and many other technologies. In order to maximize its performance, glass needs various treatments to increase its optical transmission, durability and environmental robustness. In the context of transmission, the implementation of antireflective (AR) filters made of thin films allows the reduction of the reflection by nterference effects. This has many advantages such as glare reduction and increased transmission and therefore less eyestrain: the ultimate objective being to obtain ompletely “invisible” glass. Optical filters are usually composed of two materials, one with a low refractive index and the other with a high refractive index. In addition, the refractive index contrast between these materials is directly linked to the efficiency of the AR coatings. In response to these needs, the objectives of this research project was to develop new ultra low refractive index materials (n<1.45) for applications in ophthalmics in order to increase the performance of the AR coatings. That being said,the durability of the materials is also of the utmost importance. Therefore, the goal is to obtain the lowest refractive index without compromising the durability (mechanical and environmental) of the final product. Within this project, many methods to produce ultra low refractive index materials were explored with the objectives of creating or generating materials with refractive indices lower than 1.45, characterize and optimize their optical and mechanical properties and finally insert the best candidates into complete AR coatings. Then, mechanical and environmental resistance are compared to today's standards. Three different methods were explored in order to insert or generate nano-porosity in materials in a controlled and uniform manner, thus lowering the effective refractive index. First, glancing angle deposition allows one to generate columnar micro-structures that, when combined with an organic precursor, are hard and elastic. Next, the deposition using a porogen offers the possibility to insert small organic molecules which are then evaporated, thus leaving behind empty pores. Lastly, oxygen plasma exposure allows the modification of a surface by exposing, for example, polymers to high energy oxygen ions. The most promising solutions were implemented in complete filters and compared to conventional filters. Ultimately, each method allowed the production of ultra-low refractive index materials. The first method, glancing angle deposition, produced materials with a refractive indices as low as 1.20. However, to obtain sufficient mechanical properties, it was necessary to limit the index to 1.35.