Étude des contraintes thermomécaniques dans les revêtements multicouches utilisés en optique

Avec l'importance du rôle que jouent les filtres optiques dans un grand nombre d'applications technologiques vient naturellement la question de leurs résistances aux sollicitations mécaniques. Les filtres optiques sont souvent utilisés en tant qu'antireflet déposés sur la majorité des instruments d'optique, mais leur utilisation ne s'arrête pas là. Les filtres optiques sont généralement formés de plusieurs couches de matériaux différents (deux matériaux ou plus) avec des indices de réfraction différents déposés les uns sur les autres. Il a été montré que pour une lumière à incidence normale, le meilleur filtre optique, du point de vue de ses caractéristiques optiques, est celui avec la plus grande différence d'indice de réfraction entre les matériaux des couches utilisées. Toutefois, pour une incidence autre que normale, il arrive que le filtre optimal contienne des couches d'indice de réfraction intermédiaire. Dans certains cas, des gradients d'indice de réfraction sont aussi utilisés. Des techniques numériques sont généralement nécessaires à la conception de filtres optiques. Plusieurs méthodes automatisées de synthèse et l'optimisation des caractéristiques optiques des filtres existent. Par contre, très peu de logiciels sont disponibles pour optimiser les caractéristiques mécaniques des revêtements et il en existe encore moins pour les revêtements minces utilisés en optique. En effet, la méthodologie généralement utilisée pour optimiser les caractéristiques mécaniques des revêtements contient soit une étape expérimentale (dans la majorité des cas) ou une étape de simulation numérique (parfois utilisée à des fins de diagnostic). Dans ce mémoire je présente les résultats de mes recherches concernant l'automatisation de l'optimisation des caractéristiques thermomécaniques des filtres optiques et je présente un des diagnostics par simulation que j'ai effectués en collaboration avec nos partenaires industriels au LaRFIS. Mon objectif était d'avancer les travaux du LaRFIS sur l'optimisation automatisée des caractéristiques mécaniques des revêtements et d'avancer les connaissances sur des questions dans les domaines d'applications spécifiques. Il est prévu que mon travail sur l'optimisation automatisée des caractéristiques mécaniques des revêtements soit implémenté dans la version 2.0 du logiciel gratuit à code source ouvert OpenFilters fait au LaRFIS. OpenFiltres offre 4 méthodes de synthèse et d'optimisation : Refine, Needles, Steps et Fourier Transform method. La méthode Refine optimise le design approximatif initial de l'empilement fourni par l'utilisateur à l'aide d'algorithmes qui le modifie afin de satisfaire les exigences sur les caractéristiques optiques spécifiques. Les trois autres méthodes sont des méthodes de synthèse.

Abstract

With the important role that optical filters play in a large number of technological applications comes naturally the question of their resistance to mechanical solicitations. Optical filters are abundantly used as anti-reflective coatings as they are deposited on the majority of optical instruments, but their use is not limited to that. Optical filters are generally made of several layers of different materials (two or more) with different refractive indices deposited in a stack. It has been shown that for light at normal incidence, the best optical filter, from the point of view of its optical characteristics, is the one with the largest difference in the refractive index between the materials of the layers used. However, for light with an incidence different from normal, the optimal filter may contain layers of intermediate refractive index. In some cases, gradients in the refractive index are also used. Numerical techniques are generally required for the design of optical filters. There are several automated methods to synthesize and optimize the optical characteristics of filters. On the other hand, very few softwares exist to optimize the mechanical characteristics of coatings, and even less for thin coatings used in optics. Indeed, the methodology generally used to optimize the mechanical characteristics of coatings contains either an experimental step (in most cases) or a numerical simulation step (sometimes used for diagnostic purposes). In this thesis I present the results of my research on the automated optimization of the thermomechanical characteristics of optical filters and I present one of the diagnostics by simulations that I did in collaboration with the industrial partners of the Functional Coating and Surface Engineering Laboratory (FCSEL). My objective was to continue the earlier work of the FCSEL on the automated optimization of mechanical characteristics of coatings and to advance this knowledge. My work on the automated optimization of the mechanical characteristics of coatings will be implemented in version 2.0 of OpenFilters - the open-source software developed at FCSEL. OpenFiltres offers 4 methods of synthesis and optimization: Refine, Needles, Steps and the Fourier Transform method. The Refine method optimizes the initial approximate design of the stack provided by the user using algorithms that modify it to satisfy the requirements on the optical characteristics specified by the user. The other three methods are related to the of synthesis. My work in collaboration with Stéphane Larouche (creator of OpenFilters) allowed the implementation of the optimization of thermal stresses at the interfaces between the layers and allowed the optimization of the thermo-mechanical characteristics of the optical filters with layers of intermediate index of refraction, optical filters with mixtures of materials as well as rugate filters.