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Étude des contraintes thermomécaniques dans les revêtements multicouches utilisés en optique

Frédérik Poitevin

Master's thesis (2018)

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Abstract

With the important role that optical filters play in a large number of technological applicationscomes naturally the question of their resistance to mechanical solicitations. Opticalfilters are abundantly used as anti-reflective coatings as they are deposited on the majorityof optical instruments, but their use is not limited to that.Optical filters are generally made of several layers of different materials (two or more) withdifferent refractive indices deposited in a stack. It has been shown that for light at normalincidence, the best optical filter, from the point of view of its optical characteristics, is theone 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 containlayers of intermediate refractive index. In some cases, gradients in the refractive index arealso used.Numerical techniques are generally required for the design of optical filters. There are severalautomated methods to synthesize and optimize the optical characteristics of filters. On theother 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 tooptimize the mechanical characteristics of coatings contains either an experimental step (inmost cases) or a numerical simulation step (sometimes used for diagnostic purposes). Inthis thesis I present the results of my research on the automated optimization of the thermomechanicalcharacteristics of optical filters and I present one of the diagnostics by simulationsthat I did in collaboration with the industrial partners of the Functional Coating and SurfaceEngineering Laboratory (FCSEL).My objective was to continue the earlier work of the FCSEL on the automated optimizationof mechanical characteristics of coatings and to advance this knowledge.My work on the automated optimization of the mechanical characteristics of coatings will beimplemented 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 theFourier Transform method. The Refine method optimizes the initial approximate design ofthe stack provided by the user using algorithms that modify it to satisfy the requirementson the optical characteristics specified by the user. The other three methods are related tothe of synthesis. My work in collaboration with Stéphane Larouche (creator of OpenFilters)allowed the implementation of the optimization of thermal stresses at the interfaces betweenthe 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 materialsas well as rugate filters.

Résumé

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 réfractionintermédiaire. 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 optiquesdes filtres existent. Par contre, très peu de logiciels sont disponibles pour optimiser les caractéristiquesmécaniques des revêtements et il en existe encore moins pour les revêtements minces utilisés en optique. En effet, la méthodologie généralement utilisée pour optimiser lescaractéristiques 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 partenairesindustriels au LaRFIS.Mon objectif était d'avancer les travaux du LaRFIS sur l'optimisation automatisée des caractéristiquesmécaniques 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.
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Ludvik Martinu, Jolanta-Ewa Sapieha
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/3037/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 07 Dec 2018 10:54
Last Modified: 09 Nov 2022 19:54
Cite in APA 7: Poitevin, F. (2018). Étude des contraintes thermomécaniques dans les revêtements multicouches utilisés en optique [Master's thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/3037/

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