SPECIFIC WIDE LENGTH WIRELESS DIFFRACTIVE COMPONENT

专利摘要:
The invention relates to a broadband diffractive component (10) capable of diffracting an incident beam having a wavelength comprised in a diffraction spectral band, the diffractive component comprising a plurality of elementary zones arranged on a surface (S), each elementary zone belonging to a type indexed by an index i between 1 and n with n strictly greater than 1, the index i corresponding to a blaze wavelength Ai of index i, the blaze wavelengths being included in the spectral diffraction band, an elementary zone of type i (Zi, Z'i, Z''i) comprising a plurality of microstructures (MSi) respectively having at least one size (di) less than 1.5 times the blaze wavelength (Ai) of index i, the microstructures being arranged to form an artificial material having an effective index variation (neff (i)) so that an elementary zone of type i constitutes a diffr item blazed active at the blaze length Ai of index i, -the different values of the blaze wavelengths and the proportion of area occupied by all the zones of a given type being a function of a global diffraction efficiency desired in the spectral band of diffraction.
公开号:FR3047810A1
申请号:FR1600237
申请日:2016-02-12
公开日:2017-08-18
发明作者:Bouhours Mane Si Laure Lee；Brigitte Loiseaux；Gaelle Lehoucq
申请人:Thales SA；
IPC主号:

专利说明:

d) avec
La lumière perdue dans l'ordre de blaze (ordre 1) est diffractée dans des ordres supérieurs. Si on prend l'exemple d'une lentille hybride, qui est composée d’une lentille réfractive sur une face et diffractive sur l’autre face et où le rôle de la face diffractive est de corriger les aberrations chromatiques de la lentille réfractive, ce phénomène se traduit par la transmission d'une lumière parasite, qui est néfaste à la qualité de l'imagerie. Cela se traduit de façon pratique par l’apparition de lumière diffractée dans l'ensemble du plan image. Par exemple, l'image en sortie n'est pas nette, ou est terne.
On montre que cette chute d'efficacité provient de la faible dispersion du matériau, qui entraîne que pour une faible différence de longueur d'onde, la différence de phase Αφ(Λ) induite dans la structure s'écarte de 2π (alors qu'elle est égale à 2π à la longueur d’onde λ0 de blaze).
Dans l’approximation scalaire, c’est-à-dire typiquement pour des composants ayant des largeurs de zone très grande à l’échelle de la longueur d’onde, typiquement supérieure à 100 fois la longueur d’onde, en négligeant les pertes de Fresnel, et en se plaçant avec un faisceau incident en incidence normale, la différence de phase en fonction de la longueur d'onde Αφ{λ) et l’efficacité en fonction de la longueur d'onde η(λ) sont en effet données par :
(2) η{λ)=ύχίΖ2π{-Αφ{λ)ΐ2π)] (3) où Δη(λ) = (η(λ) - nair ) soit (η(λ) - 1), pour un élément d'optique diffractive gravé dans un matériau d’indice de réfraction n.
Pour ces éléments d'optique diffractive, on peut considérer que Δη(λ) = Δη(λ0), car la dispersion du matériau est négligeable : l'indice de réfraction varie peu autour de λο- L’équation (2) devient donc :
(4) et on obtient l'équation (1) vue plus haut et représentée sur la figure 3, en remplaçant Αφ{λ) par cette expression dans (2).
Ainsi la faible dispersion du matériau optique dans les éléments d'optique diffractive classiques, entraîne une chute d’efficacité de la diffraction avec la longueur d'onde λ*λ0 exprimée par l’équation (1). Cette variation de la différence de phase avec la longueur d’onde est également présente pour les composants diffractifs fonctionnant en réflexion.
Ces éléments d'optique diffractive classiques ne sont donc pas efficaces en large bande spectrale. On peut caractériser une large bande spectrale sur laquelle on souhaite diffracter par un paramètre Δλ/λΟ, qui est typiquement supérieur à 20% dans le domaine de l’optique. Par exemple il est égal à 40% pour l’infrarouge thermique, ou égal à 100% pour des applications UVA/IS/NIR, et pouvant même prendre la valeur de 130% dans le domaine du photovoltaïque. On ne peut pas utiliser ces éléments d’optique diffractives classiques dans les systèmes optiques dédiés à des applications à large bande spectrale, tels que des réseaux ou des lentilles dans des instruments optiques (en transmission ou en réflexion) ou systèmes optiques hybrides, composés d'optiques réfractives et diffractives.
On connaît d'autres éléments d'optique diffractive, dits à microstructure binaire, encore appelés réseaux blazés binaires, ou éléments d'optique diffractive sub-longueur d'onde (SWDOE : "SubWavelength Diffractive Optic Elément), décrits dans la publication « Broadband blazing with artificial dieclectrics » OPTICS LETTERS, Vol.29, No 14, 2004 et le document WO 2005/038501. Ces réseaux blazés binaires sont conçus en réalisant une synthèse binaire du profil d'un élément d'optique diffractive classique : on part de l'élément d'optique diffractive classique que l'on veut synthétiser et on échantillonne ce réseau pour obtenir des points, auxquels on peut associer une valeur d'indice ou de déphasage. L’échantillonnage doit se faire à une période inférieure à la longueur d'onde de conception, pour obtenir un réseau fonctionnant en régime sub-longueur d'onde. Les diverses techniques de calcul utilisées sont connues de l'homme du métier et ne seront pas rappelées ici. Ces techniques permettent, par exemple, pour un réseau blazé à échelettes tel que le réseau Re représenté sur la figure 1 et 4a, de définir un réseau blazé binaire comme représenté à la figure 4b. Si on reprend la figure 4a, deux échelons d'un réseau à échelettes Re de période A (ou pas du réseau) sont représentés. Ces échelons sont gravés dans un matériau optique d'indice n.
Un réseau blazé binaire correspondant au réseau Re de la figure 4a est représenté sur la figure 4b. Le réseau Re est échantillonné sur un certain nombre de points à la période A s choisie inférieure à la longueur d'onde de blaze λ0. On obtient un certain nombre de points pour chaque période A du réseau. A chaque point on fait correspondre un facteur de remplissage donné pour un type de microstructure donné (trou, pilier) : ce facteur de remplissage est égal à la dimension d de la microstructure rapportée à la période d'échantillonnage du réseau : f=d/As. Le facteur de remplissage de chaque microstructure est défini, par des calculs connus, pour donner localement une valeur de déphasage Φ(χ) semblable à celle du réseau échelette au point échantillonné, et égale de manière connue à Φ(χ)=2π(η-)Ρι{χ)^-, où x est la coordonnée du point échantillonné sur l'axe
A
Ox du réseau.
Dans l'exemple de la figure 4b, les microstructures binaires sont de type pilier. On obtient un ensemble de microstructures binaires qui codent le motif à échelon du réseau. Cet ensemble de microstructures se répète à la période Λ du réseau à échelette de la figure 4a.
Dans l'opération de synthèse, on définit donc un facteur de remplissage f pour chaque microstructure qui varie d'une microstructure à l'autre pour suivre la fonction de phase du réseau à échelette. Dans l'exemple, sur chaque période Λ du réseau échelette (pour chaque échelon), cette dimension d augmente avec x. En pratique, le facteur de remplissage f d'une microstructure binaire du réseau peut prendre toute valeur réelle comprise entre 0 et 1, y compris les valeurs 0 et 1. Par exemple, pour le pilier Po sur la figure 4b, le facteur de remplissage est 0.
Sur les figures 5a et 5b on a représenté un élément d'optique diffractive classique de type lentille de Fresnel Lf (figure 5a), et sa synthèse binaire au moyen de microstructures (figure 5b).
Pour décrire le comportement d'un élément d'optique diffractive binaire, on introduit une notion d'indice effectif neff pour décrire l'interaction de la lumière sur les microstructures. Avec cette notion, on assimile la structure de l'élément à un matériau artificiel homogène, donnant sur le composant un profil d’indice comparable à un réseau à gradient d'indice effectif, dont l'indice effectif varie sur la période Λ (ou la portion) du réseau considéré. La figure 4c représente schématiquement un réseau à gradient d'indice effectif correspondant au réseau blazé binaire de la figure 4b.
Cette notion d'indice effectif et des formules analytiques permettant de le calculer sont décrites en détail dans différentes publications, parmi lesquelles on peut citer la suivante : "On the effective medium theory of subwavelength periodic structures", Journal of Modem Optics, 1996, vol.43, N° 10, 2063-2085 par Ph. Lalanne, D. Lemercier-Lalanne, qui montre notamment les courbes de variation d'indice effectif avec le facteur de remplissage et de la longueur d'onde incidente (p 2078).
En pratique, l'indice effectif est fonction du facteur de remplissage f (et donc de la période d'échantillonnage As), de la géométrie de la microstructure, de l'indice n du matériau (ou, ce qui est équivalent, de sa permittivité ε) et de la longueur d'onde incidente λ. Différentes formules analytiques sont ainsi connues de l'homme du métier, qui permettent de calculer, pour un matériau artificiel donné, les courbes de variation de l'indice effectif en fonction du facteur de remplissage f des microstructures (donc en fonction de d et As) et en fonction de la longueur d'onde incidente λ.
En pratique, cette notion est valable dans tous les cas où la période d'échantillonnage As est sensiblement inférieure à la valeur de coupure λ structurelle de l'élément, donnée par où n est l'indice de réfraction du n matériau des microstructures. Ce paramètre donne la limite de valeur de la période d'échantillonnage au-delà de laquelle, pour tout facteur de remplissage, le matériau ne se comporte plus comme un matériau homogène (couche mince), et pour lequel on ne travaille plus en régime sublongueur d'onde. Au-delà de cette valeur, on a plusieurs modes de propagation, et plusieurs indices effectifs.
On se place donc dans des conditions de propagation sensiblement sub-longueur d'onde avec As <1,5.A0 (de préférence As <A0 ou As <^). n
Typiquement en pratique on choisit généralement As = λ0/2 ou λ0/3.
Dans ces conditions, l'effet de blaze (c'est à dire la diffraction de la lumière incidente dans un seul ordre de diffraction, l'ordre de blaze) est donc obtenu par variation de l'indice optique le long de la surface du matériau optique. En effet, les microstructures sont trop petites (sub-longueur d'ondes) pour être résolues par la lumière incidente (en terme de champ lointain en diffraction) qui perçoit localement, un indice moyen, l'indice effectif neff. Sur une période (réseau) ou une partie (lentille de Fresnel), l’utilisation de microstructures sub-λ permet de réaliser une loi de phase optimisée pour que l’énergie rayonnée dans le faisceau défléchi principal (ordre de blaze) soit favorisée, et l’énergie diffractée dans les faisceaux diffractés parasites soit minimisée.
Les microstructures habituelles ont des géométries soit en creux de type trou, par exemple cylindrique, soit en saillies de type pilier, par exemple à section ronde, carrée, hexagonale ou rectangulaire. Une combinaison de trous et de piliers est également possible. Les microstructures sont de forme quelconque, préférentiellement avec des axes de symétrie pour les rendre indépendantes de la polarisation du faisceau incident en incidence normale.
Avantageusement, elles sont disposées, au sein d’une période (réseau) ou d’une partie (lentille de Fresnel), selon une période d'échantillonnage As au moins sur la direction Ox du plan de surface du réseau ou selon un rayon partant du centre pour une lentille pour une lentille dans l’axe. La structure d’une lentille hors d’axe est également applicable à l’invention.
La figure 6 illustre un élément 60 synthétisant un réseau à base de piliers P vue de dessus. Dans l'exemple de réseau 2D représenté à la figure 6 de façon schématique, la maille est carrée de dimensions Asx = Asy= As. On a dans cet exemple une microstructure P par maille, par exemple au centre de chaque maille. Les microstructures alignées selon la direction OX du plan de surface XY du réseau sont affectées d'un facteur de remplissage variant progressivement dans un ordre déterminé, croissant ou décroissant le long de la direction principale OX du réseau.
Dans le cas d'une synthèse d'un réseau de type à échelette (ou multiniveaux) les microstructures alignées selon l'autre dimension 0Y du réseau ont un facteur de remplissage identique.
Dans le cas (non représenté ici), d'une synthèse de zones d'une lentille de Fresnel, le facteur de remplissage de ces microstructures peut varier dans toutes les directions.
Ces éléments d'optique diffractive blazés binaires sont connus pour présenter des efficacités bien supérieures à celles des optiques classiques, et sont utilisés dans le cas de réseaux à forte dispersion ou pour des lentilles hybrides à forte ouverture numérique .
Le document WO 2005/038501 décrit par ailleurs un type particulier de réseau blazé par transmission utilisant la forte dispersion des matériaux artificiels pour compenser la variation de l’efficacité de diffraction en fonction de la longueur d’onde du faisceau incident, dans le but d'obtenir des éléments d'optique diffractive blazés sur une large bande spectrale, c’est-à-dire des éléments d'optique diffractive efficaces dans leur ordre de blaze sur une large gamme spectrale. Ces réseaux particuliers, tel qu’illustré figure 7 utilisent deux géométries de microstructures différentes, comme des trous m1 et des piliers m2. Dans une première portion, les microstructures selon la première géométrie présentent un indice effectif décroissant avec le facteur de remplissage, et dans une seconde portion les microstructures selon la deuxième géométrie synthétisent un indice effectif croissant avec le facteur de remplissage.
Le matériau artificiel composite 70 dont la structure est illustrée figure 7 présente un gradient d'indice effectif qui varie entre une valeur minimum neff/min et une valeur maximum neff/max- Les indices effectifs minimum et maximum du matériau sont déterminés à partir des courbes de variation de I indice effectif avec le facteur de remplissage des microstructures.
Un paramètre caractéristique du matériau est le paramètre a défini par :
(5) OÙ Δηβίί(λο) = neff/max(^o) — neff/minP'»o),
Snmin — Πθίί/πηίπ(λο) — Πθίί/ιηίη(λοο) et §nmax — neff/max(^o) — ï"leff/max(^x).
Avec λ0 longueur d'onde de conception (ou longueur d’onde blaze) et λοο longueur d'onde grande devant la longueur d'onde de conception λ0.
Pour obtenir un réseau qui offre une largeur spectrale optimum, il faut que le paramètre de caractérisation a soit strictement supérieur à 0, a>0 et préférentiellement 0,3 <a <0,5.
On détermine donc les caractéristiques du matériau 70 (indice n, facteur de remplissage des piliers et des trous, sous période d’échantillonnage...) de manière à obtenir des valeurs d’indice effectif extrêmes aboutissant à la valeur de a souhaitée.
Le document WO 2005/038501 décrit à titre d’exemple une gamme d'indice effectif entre 1,5 et 2,1, avec Λ8=λ0/2. La période d’échantillonnage As code la zone de période Λ égale à 25λ0, correspondant à 50 microstructures (35 trous et 15 piliers). Le premier point est codé par f=0 par une microstructure de type trou. Le dernier point est codé par une microstructure de type pilier codé avec f=0,68. L’élément 70 a été réalisé dans du nitrure de silicium Si3N4 (n=2,1) avec des géométries de trous cylindriques à section ronde et de piliers à section carrée gravés. La profondeur h de gravure est de 1,875λ0. L’indice effectif maximum neff/max est codé à l’aide de trous de diamètre nul (neff/max = n = 2.1) et I indice effectif minimal neff/min est codé à l’aide de piliers de facteur=0,68, soit de largeur d=0,34À0. Pour ce réseau blazé binaire à matériau artificiel composite, on a a = 0,39.
La courbe d'efficacité de diffraction en fonction de la longueur d'onde est donnée à la figure 8 : on obtient bien une zone autour de λ0 assez large dans laquelle l'efficacité de diffraction est à son maximum égale à 96% et reste au-dessus de 90% entre 0,6λο et 1,5λο. L'efficacité de diffraction n'atteint pas 100% en pratique à cause des discontinuités du profil de surface quand on passe d'un type de géométrie à un autre. Au niveau de la discontinuité, on a un effet d'ombrage et un effet de discontinuité de phase. L efficacité de diffraction de ce réseau a été calculée pour une période de réseau Λ égale à 25λο. Lorsque l'on a une période supérieure, l'effet des discontinuités est moindre, et l'efficacité est donc meilleure. A une période inférieure à 25λ0, l'effet des discontinuités est plus important et on perd en efficacité. On obtient une moins bonne largeur spectrale, mais l'amélioration de la largeur de bande peut être satisfaisante pour certaines applications. Ainsi, l’utilisation de matériaux artificiels composites ne se limite pas à des composants opérant dans le domaine scalaire. On peut appliquer le concept de matériau artificiel composite à la réalisation de différents composants diffractifs sub longueur d’onde, tels un réseau illustré figure 9 ou une lentille de Fresnel illustrée figure 10.
Cependant, la largeur spectrale de l’efficacité de diffraction illustrée sur la figure 8 n’est pas suffisante pour certaines applications telles que la spectroscopie et la réalisation d’instruments optique ou radiofréquence pour l’espace (télescopes...). D autre part, le paramètre a, dépend significativement du matériau choisi, de la période et de la hauteur des structures, ceci devant prendre en compte les contraintes de fabrication. Dans certaines applications, le choix du matériau n’est pas toujours propice à un paramètre a >0.3, correspondant à une valeur propice à une utilisation du composant sur une très large bande. Il n’est donc pas toujours aisé de trouver l’ensemble des conditions idéales pour le paramètre α. Il est souvent nécessaire de se contenter d’un a légèrement réduit.
Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant un composant diffractif sub longueur d’onde présentant une largeur spectrale de son efficacité de diffraction augmentée et une plus grande souplesse de design pour obtenir un gabarit de courbe d’efficacité η(λ) donné.
DESCRIPTION DE L’INVENTION
La présente invention a pour objet un composant diffractif large bande apte à diffracter un faisceau incident présentant une longueur d’onde comprise dans une bande spectrale de diffraction, -le composant diffractif comprenant une pluralité de zones élémentaires agencées sur une surface, chaque zone élémentaire appartenant à un type indicé par un indice i compris entre 1 et n avec n strictement supérieur à 1, l’indice i correspondant à une longueur d’onde de blaze Ai d’indice i, les longueurs d’onde de blaze étant comprises dans la bande spectrale de diffraction, -une zone élémentaire de type i comprenant une pluralité de microstructures présentant respectivement au moins une taille inférieure à 1,5 fois la longueur d’onde de blaze d’indice i, les microstructures étant agencées pour former un matériau artificiel présentant une variation d’indice effectif de sorte qu’une zone élémentaire de type i constitue un élément diffractif blazé à la longueur de blaze Ai d’indice i, -les différentes valeurs des longueurs d’onde de blaze et la proportion de surface occupée par I ensemble des zones d’un type donné étant fonction d une efficacité de diffraction globale souhaitée dans la bande spectrale de diffraction.
Préférentiellement, les zones élémentaires sont jointives.
Avantageusement la surface est plane ou courbe.
Avantageusement, le faisceau incident est une onde lumineuse ou radiofréquence.
Selon un mode de réalisation les zones élémentaires sont agencées sur un substrat transparent, le composant étant configuré pour diffracter le faisceau par transmission.
Selon un autre mode de réalisation le composant selon l’invention comprend en outre un réflecteur, le réflecteur étant disposé entre les zones élémentaires et un substrat, le composant étant configuré pour diffracter le faisceau par réflexion.
Selon une première variante le composant correspond à une lentille de Fresnel présentant une partie centrale et une pluralité de parties périphériques, dans lequel chaque zone élémentaire de type i correspond à au moins un secteur d’une partie de la lentille de Fresnel.
Selon une deuxième variante le composant correspond à un réseau, chaque zone élémentaire de type i correspondant à un réseau blazé à la longueur de blaze Ai d’indice i, chaque zone élémentaire présentant une variation d’inde effectif périodique selon un axe X de période identique pour tous les types, une dimension d’une zone élémentaire selon la direction X étant égale à un multiple de la période.
Selon un mode de réalisation la dimension d’une zone élémentaire selon X correspond à la dimension du composant selon X.
Selon un mode de réalisation les zones élémentaires sont agencées selon une direction Y perpendiculaire à X de sorte que tous les types se succèdent une fois chacun, une pluralité de fois, et dans lequel l’ordre des types et la dimension selon Y des zones de chaque type se répète à l’identique. Préférentiellement les microstructures d’une zone élémentaire présentent une forme de pilier, une forme de trou ou une combinaison des deux. Avantageusement, le composant diffractif selon l’invention comprend en outre une couche antireflet disposée par dessus les microstructures. Préférentiellement la couche antireflet est une couche structurée à l’échelle sub-longueur d’onde.
Selon un mode de réalisation le composant selon l’invention comprend en outre une pluralité de microstructures secondaires présentant une taille inférieure à la taille des microstructures de base.
Avantageusement une variation d’indice effectif d’un élément diffractif blazé à une longueur d onde de blaze Ai sur une période d’un réseau ou une partie d’une lentille de Fresnel, présente une valeur minimale et une valeur maximale, la différence desdites valeurs d’indice effectif étant dénommée Aneff(i), les microstructures d’une zone de type i présentent une hauteur hi indicée i, les grandeurs Aneff(i), hi et Ai étant reliées par une condition de blaze définie par :
Aneff(i).hi = Ai pour un composant diffractif fonctionnant en transmission, 2. Aneff(i).hi = Ai pour un composant diffractif fonctionnant en réflexion.
Avantageusement pour chaque zone élémentaire de type i, les microstructures sont agencées de sorte que la différence Aneff(i) vérifie la condition de blaze pour une valeur de hauteur h identique pour tous les types.
Selon un mode de réalisation, pour chaque zone élémentaire de type i, les microstructures sont agencées de sorte que la différence Aneff(i) est choisie pour qu’un paramètre de caractérisation ai défini ci-dessous soit strictement supérieur à 0 quelque soit i :
Avec : neff(i) variation de l’indice effectif d’une zone élémentaire blazée à la longueur d’onde Ai sur une période (réseau) ou une partie (lentille de Fresnel) entre une valeur minimale neff/min(i) et une valeur maximale neff/max(i), Aneff(i) — neff/max(î) ~ neff/min(i),
Snj/miri = neff/min(i) — neff/min(Aoo) et ôni/max = neff/max(î) — neff/max(Aoo)·
Avec i correspondant à une longueur d’onde λ, de conception (ou longueur d onde blaze) et longueur d'onde grande devant la longueur d'onde de conception λ0. D autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :
La figure 1 déjà citée illustre un réseau à échelette classique.
La figure 2 déjà citée illustre une lentille de Fresnel classique.
La figure 3 déjà citée schématise l’efficacité de diffraction en transmission pour un composant diffractif dans le domaine scalaire blazé dans l’ordre 1 en fonction de la longueur d’onde incidente λ.
La figure 4a déjà citée reprend le réseau diffractif classique à échelette de la figure 1, la figure 4b illustre une synthèse binaire sub longueur d’onde de ce réseau au moyen de microstructures de type pilier et la figure 4c représente un réseau à gradient d’indice effectif correspondant.
La figure 5a déjà citée illustre un élément d’optique diffractive classique du type lentille de Fresnel, et la figure 5b illustre une synthèse binaire sub longueur d’onde de cette lentille au moyen de microstructures de type pilier.
La figure 6 déjà citée illustre un élément synthétisant un réseau à base de piliers P vue de dessus.
La figure 7 déjà citée illustre une période d’un réseau particulier sub longueur d’onde composite utilisant deux géométries de microstructures différentes.
La figure 8 déjà citée décrit l’efficacité de diffraction en transmission en fonction de la longueur d’onde incidente λ d’un réseau composite tel que décrit figure 7.
La figure 9 déjà citée illustre une structure bidimensionnelle de réseau à base d’éléments sub longueur d’onde composites.
La figure 10 déjà citée illustre une structure bidimensionnelle de lentille de Fresnel composite à base d’éléments sub longueur d’onde composites.
La figure 11 illustre un composant diffractif large bande selon l’invention de type réseau. La figure 11a décrit la structure du réseau vue de dessus, la figure 11b les microstructures d’une zone particulière du réseau et la figure 11c l’indice effectif correspondant.
La figure 12 illustre un composant diffractif large bande selon l’invention de type lentille de Fresnel. La figure 12a décrit la structure d’une lentille vue de dessus, la figure 12b les microstructures d’une zone particulière de la lentille et la figure 12c l’indice effectif correspondant.
La figure 13 illustre un composant diffractif multi blaze binaire selon l’invention configuré pour diffracter par réflexion
La figure 14 illustre un mode de réalisation particulier d’un réseau multi blaze binaire selon l’invention.
La figure 15 illustre un exemple du mode de réalisation de la figure 14. La figure 15a schématise la structure du réseau vue de dessus et la figure 15b décrit l’agencement des microstructures correspondantes en vue de dessus. La figure 16 schématise la variation d’indice effectif obtenue pour le réseau décrit figure 15
La figure 17 illustre l’efficacité de diffraction en fonction de la longueur d’onde du réseau illustré figure 15, ainsi que les efficacités de diffraction de réseaux simple blaze.
La figure 18 illustre l’efficacité de diffraction en fonction de la longueur d’onde du réseau illustré figure 15 et l’efficacité avec un réseau identique muni d’une couche anti reflet.
La figure 19 illustre un composant diffractif multi blaze binaire selon l’invention muni d’une couche anti reflet disposée par-dessus les microstructures.
La figure 19bis illustre un composant diffractif multi blaze binaire selon l’invention muni d’une couche anti reflet structurée à l’échelle sub longueur d’onde.
La figure 19bisa illustre la structure du composant selon l’invention vu de profil, la figure 19bisb illustre la couche antireflet structurée AR vue de dessus et la figure 19bisc illustre un exemple de zones selon l’invention vues de dessus.
Les figures 20 et 21 illustrent deux exemples d’agencement de réseau selon l’invention présentant des pondérations sur les longueurs d’onde de blaze différentes.
La figure 22 décrit l’efficacité de diffraction en fonction de la longueur d’onde pour les deux exemples des figures 20 et 21.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
La figure 11 illustre un composant diffractif large bande selon l’invention, de type réseau 10. La description du composant diffractif est faite ci-dessous pour le composant réseau illustré figure 11 (11a, 11b et 11c) mais les considérations développées s’appliquent de la même manière à un composant diffractif large bande selon l’invention de type lentille de Fresnel 20 illustré figure 12 (12a, 12b et 12c).
Le composant diffractif 10 (20) selon l’invention est apte à diffracter un faisceau incident, qui est typiquement un faisceau lumineux, par exemple visible /infrarouge ou un faisceau hyperfréquence, typiquement compris entre 300 MHz et 300 GHz (voir par exemple le document W02014/128015), présentant une longueur d’onde comprise dans une bande spectrale de diffraction BSD.
Le composant diffractif dont la vue de dessus est illustrée figure 11a (réseau) et figure 12a (lentille de Fresnel) comprend une pluralité de zones élémentaires Z1, ΖΊ, Z”1, Z2, Z’2, Z”2, Z3, Z’3, Z”3, Z4, Z’4....agencées sur une surface S. Chaque zone élémentaire appartient à un type indicé par un indice i compris entre 1 et n avec n (entier) strictement supérieur à 1, l’indice i correspondant à une longueur d’onde de blaze Ai d’indice i.
Par exemple les zones Z1, ΖΊ, Z”1 sont de type 1, c’est à dire correspondent à une longueur de blaze A1, les zones Z2, Z’2, Z”2 sont de type 2, c’est à dire correspondent à une longueur de blaze A2, etc...
Les longueurs d’onde de blaze A1, A2, Ai, AN sont comprises dans la bande spectrale de diffraction BSD du composant diffractif 10 (20).
Une zone élémentaire de type i Zi, Z’i, Z”i comprend une pluralité de microstructures MSi présentant respectivement au moins une taille di inférieure à 1,5 fois la longueur d’onde de blaze Ai d’indice i pour que le composant fonctionne globalement en régime sub longueur d’onde. Préférentiellement l’ensemble des microstructures d’une zone élémentaires présentent une taille di inférieure à 1,5 fois la longueur d’onde de blaze Ai d’indice i.
La taille des microstructures est ainsi globalement de l’ordre de grandeur ou inférieure à la longueur d’onde blaze.
Avantageusement, l’ensemble des microstructures d’une zone élémentaire présentent une taille di inférieure à 1,2 fois la longueur d’onde de blaze Ai d’indice i pour éviter une perte d’efficacité par diffraction sur les ordres parasites.
Les microstructures sont agencées pour former un matériau artificiel présentant une variation d’indice effectif neff(i) de sorte que la zone élémentaire de type i constitue un élément diffractif blazé à la longueur de blaze Ai d’indice i.
Ainsi chaque zone élémentaire de type i est une zone présentant une structure sub longueur d’onde correspondant à une structure décrite dans l’état de la technique, pour une longueur d’onde de conception (ou de blaze) égale à Ai.
Les microstructures sont des piliers, des trous ou une combinaison des deux. Au sein d une période, la forme respective des trous ou des piliers peut varier (section rectangulaire, hexagonale, circulaire), et lors d’une transition piliers/trous à I intérieur d’une même période, une forme particulière de trou ou de pilier peut être utilisée.
Les figures 11b et 12b représentent des zones de type i constituée de piliers MSi de taille di et de hauteur hi variable, et les figures 11c et 12c représentent la variation d’indice effectif correspondante.
La zone Z1 de la figure 11 b correspond à un réseau blazé et présente donc une structure périodique de période A selon au moins une dimension X.
Les zones Z 1, Z 1 (type 1) de la figure 12b correspondent à des secteurs de la partie centrale Pc d’une lentille de Fresnel, et les zones Z’”””2 (type 2) et Z’”4 (type 4) correspondent à des secteurs de la partie périphérique correspondant au premier anneau.
Sur les figures 11a et 12a, plusieurs zones de type 1 (Z1, ΖΊ, Z”1,...), de type 2 (Z2, Z’2,...) etc... sont réparties selon la surface S. De manière générale les zones sont réparties de manière quelconque, sans ordre particulier.
Les différentes valeurs des longueurs d’onde de blaze Ai sont comprises dans la bande spectrale de diffraction souhaitée et sont choisies de manière à ce que le composant 10 (20) diffracte avec une bonne efficacité un faisceau incident présentant une longueur d’onde incidente comprise dans la bande spectrale de diffraction souhaitée. Pour cela, chaque zone de type i (Zi, Zi, Z”i,...) diffractant autour d’une longueur de blaze donnée contribue à l’efficacité de diffraction globale du composant, qui bénéficie d’un effet résultant de la somme des interactions entre les amplitudes complexes élémentaires diffractées par chaque zone de type i. Ces amplitudes prennent entre autre en compte les effets de guidage qui apportent une meilleure efficacité de diffraction que l’efficacité d’un réseau à échelette. Ainsi l’efficacité globale du composant diffractif ne correspond pas à la moyenne des efficacités de chaque zone.
Deux effets se cumulent. Tout d’abord un effet macroscopique : le fait de mettre deux zones l’une à côté de l’autre, chaque zone ayant la même période selon x, permet de maintenir la périodicité d’un réseau dans la direction des x pour pouvoir diffracter l’ordre 1 dans la direction désirée. Ensuite associer les deux zones revient à les ajouter de manière cohérente. Cependant, localement nous avons des structures sub-longueur d’onde qui non seulement permettent de coder une fonction de phase grâce à leur indice effectif local, ce qui permet de coder la fonction de phase d’un réseau échelette, mais en plus elles ont une autre particularité. Ces structures se comportent localement comme des guides d’onde et induisent un effet de guidage de l’onde qui permet d’obtenir une meilleure efficacité de diffraction que l’efficacité d’un réseau échelette. Cet effet de guidage qui est à l’origine des bonnes performances des réseaux sub-longueur d’onde a été expliqué dans la publication de Lalanne, ref: Ph.Lalanne, «Waveguiding in blazed-binary diffractive éléments», Journal of Opt. Soc. Am. A., Vol. 16, 2517-2520 (1999). Dans notre cas d’application, la combinaison de deux zones côte à côte, induit des effets de guidages différents influencés par les effets de guidage dans les structures qui sont différents des effets de guidage de chaque zone individuellement.
De plus la proportion de surface occupée par l’ensemble des zones d’un type donné permet de s’adapter à un gabarit de l’efficacité de diffraction globale souhaitée. Le pourcentage de surface associé à un type permet d’introduire une pondération de la contribution des différentes longueurs d’onde de blaze dans l’efficacité de diffraction globale.
Ainsi l’existence d’une pluralité de longueurs d’onde de blaze permet au composant diffractif (par exemple un réseau ou une lentille de Fresnel) selon l’invention, que nous dénommerons composant diffractif multi-blaze binaire (binaire signifiant qu’il est à base de microstructures), de présenter un meilleur comportement large bande qu’un composant blazé à une longueur d onde unique tel qu’illustré figures 3 ou 8. De plus, la pondération par la surface donne une grande souplesse de design pour obtenir l’efficacité souhaitée. Des illustrations de cette propriété sont données plus loin.
Par ailleurs les contraintes de design pesant sur chaque zone d’un type donné sont réduites.
Ainsi l’invention permet de s’affranchir de la condition en a par exemple ou de permettre une réduction du paramètre a tout en maintenant une bonne efficacité spectrale. En effet, dans le document WO 2005/038501, le comportement large bande est obtenu grâce à un design permettant d’obtenir une valeur du paramètre a assez grande (de l’ordre de 0.3). Pour cela, les auteurs ont fait un choix judicieux sur la période d’échantillonnage, le matériau et le choix des tailles et géométries de structures permettant I obtention du paramètre a désiré. Cependant dans certaines applications, le choix des matériaux n’est pas toujours possible. Par exemple l’utilisation d’un matériau à faible indice de réfraction entraîne forcément une plus faible dispersion de son indice effectif. La conséquence est une limitation de son effet large bande. L’utilisation d’un composant multiblaze binaire permet de réduire les contraintes de design pesant sur chaque zone, permettant ainsi plus de degrés de liberté. Il pourra par exemple combiner plusieurs zones, certaines zones étant conçues avec un paramètre a réduit et d’autres avec un paramètre a plus important, sans réduire la bande spectrale d’utilisation.
La technologie de réalisation des composants diffractifs sub longueur d’onde, typiquement la lithographie pour les applications optiques et l’impression 3D pour les structures opérant dans le domaine millimétrique, qui permet de générer n’importe quelle géométrie, est particulièrement adaptée à la fabrication de ces composants, impossibles à réaliser avec des structures classiques échelettes. Elle est complètement compatible de la réalisation de composants combinant différentes zones que cela soit dans la direction x et/ou dans la direction y.
Pour le cas d’un composant multi-blaze binaire correspondant à une fonction lentille de Fresnel telle qu’illustrée figure 12, la lentille présentant une partie centrale Pc et une pluralité de parties périphériques a, chaque zone élémentaire de type i correspond à au moins un secteur d’une partie de la lentille de Fresnel.
Selon un premier mode de réalisation, le secteur d’un type donné correspond à l’ensemble de la partie, c'est-à-dire que chaque partie (Pa, a) constitue une zone d’un certain type, par exemple l’ensemble de la zone centrale est de type 1 (blazée à A1), le premier anneau est d’un deuxième type (blazé à A2), le troisième anneau est d’un troisième type ou du premier type ou du deuxième type.
Selon un deuxième mode de réalisation illustré figure 12a, la partie centrale Pc et chaque anneau périphérique présentent plusieurs secteurs, les secteurs étant de type différents.
Pour le cas d’un réseau multi-blaze binaire correspondant à une fonction réseau tel qu’illustré figure 11, chaque zone élémentaire de type i correspond à un réseau blazé à la longueur de blaze Ai d’indice i, et donc chaque zone élémentaire présente une variation d’indice effectif neff(i) périodique selon un axe X de période Λ identique. Pour éviter les problèmes de discontinuité et ne pas rompre la périodicité A, qui permet l’effet de diffraction, la dimension d’une zone élémentaire selon la direction X est égale à un multiple de la période Λ.
Préférentiellement, pour maximiser l’efficacité de diffraction, les zones élémentaires sont jointives.
De manière générale, la surface S sur laquelle sont agencées les microstructures du composant diffractif 10 ou 20 selon l’invention est plane ou courbe, et le faisceau incident diffracté par le composant est une onde lumineuse (typiquement visible et/ou infrarouge) ou radiofréquence. Pour les surfaces courbes, des technologies telles que le nanoimprint permettant de définir les motifs de structures sur une surface sphérique, par exemple à partir d’un tampon flexible, sont particulièrement bien adaptées. Le tampon étant fabriqué par exemple par lithographie et par gravure.
Le concept de multi blaze binaire est applicable à des composants fonctionnant en réflexion ou en transmission.
Pour un composant multi-blaze binaire configuré pour diffracter par transmission, les zones élémentaires sont réalisées avec un matériau transparent et agencées sur un substrat également transparent, par exemple de la silice.
Un composant multi blaze binaire selon l’invention configuré pour diffracter un faisceau incident Fi selon un faisceau diffracté Fd par réflexion comprend en outre une surface ou un élément réflecteur R.
Préférentiellement, comme illustré figure 13, le réflecteur R est disposé entre les zones élémentaires Zi et un substrat S. Les zones élémentaires sont dans ce cas réalisées avec un matériau transparent, mais le substrat S peut ne pas être transparent. L’avantage de l’utilisation d’un miroir en dessous est de pouvoir utiliser la dispersion de l’indice effectif des structures sub-longueur d’onde, avec une structure diélectrique qui synthétise la fonction de phase. Dans le cas de l’utilisation d’un métal structuré ou un métal au dessus d’une couche structurée à l’échelle sub-longueur d’onde, il est possible de rencontrer des phénomènes de résonnance ou de transmission extraordinaire qui entraînent une forte chute d’efficacité de diffraction en réflexion.
Le réflecteur est constitué d’une couche métallique ou d’un ensemble multi-couches diélectriques.
Typiquement pour des applications en instrumentation spatiale, on utilise des réseaux réflectifs large bande, et pour des applications en imagerie, pour des fonctions de concentration, ou pour le traitement de faisceau hyper, on utilise des lentilles de Fresnel fonctionnant en mode transmissif, pour s’intégrer facilement dans des systèmes existants (systèmes hybrides mélangeant optique classique et optique diffractive). Mais on pourra retrouver également des réseaux en transmission et des lentilles en reflexion.
Les différentes variantes et modes de réalisation du composant selon l’invention décrits ici sont applicables aux composants fonctionnant en transmission ou en réflexion. Outre la présence ou non d’un réflecteur et le caractère nécessairement transparent ou pas du substrat, la différence est la condition de blaze à vérifier. L’indice effectif neff(i) d’un élément diffractif blazé à une longueur d’onde de blaze Ai varie entre une valeur minimale neff/min(i), et une valeur maximale rieff/max(i), 3VeC !
Aneff(î) — neff/max(î) neff/min(i)
Les microstructures MSi d’une zone de type i présentent une hauteur hi indicé i.
La condition de blaze s’exprime par une relation reliant les grandeurs Aneff(i), hi et Ai. Elle correspond à une variation d’indice effectif et une hauteur calculée pour induire une variation de phase de 2π entre faisceau incident et faisceau diffracté.
Avantageusement la loi de phase, et donc la variation d’indice effectif, sur une période (réseau) ou une partie (centrale ou périphérique d’une lentille) est quasi monotone.
Selon un mode de réalisation la loi de phase, et donc la variation d’indice effectif, sur une période ou une partie est constante par sous-intervalles, c'est-à-dire variable par paliers. Les considérations suivantes sont données pour une période d’un réseau mais sont également applicables à chaque partie (centrale et anneaux) d’une lentille de Fresnel. La période Λ du réseau est échantillonnée selon une période d’échantillonnage Asx inférieure à Λ divisant la période Λ et définissant des intervalles d’échantillonnage.
De manière générale la période d’échantillonnage est différente pour chaque type, mais avantageusement la période d’échantillonnage selon X, Asx, est la même pour tous les types (direction de variation de l’indice effectif). Avantageusement pour une géométrie 2D de microstructures, la période d’échantillonnage selon Y, Asy, est la même pour tous les types. Selon un cas particulier la période d’échantillonnage selon X et Y est identique (maille carrée).
Les microstructures sont agencées à l’intérieur de chaque intervalle d’échantillonnage de manière à correspondre à une valeur donnée d’indice effectif dans l’intervalle. La variation d’indice effectiff neff selon la période Λ est ainsi échantillonnée selon une période As.
Selon un mode de réalisation, la loi de phase synthétisée avec les microstructures permet de réaliser une loi de phase discontinue par paliers ou sauts, chaque saut correspondant à une valeur donnée de phase et donc à une valeur donnée d’indice effectif. A noter que la loi de variation de la phase entre 0 et 2tt induite par la variation de l’indice effectif n’est pas nécessairement linéaire (par palier ou non), elle peut être non linéaire, voir localement non monotone.
Pour un réseau fonctionnant par transmission, la condition de Blaze s’écrit : Aneff(i).hi = Ai (6)
Pour un composant fonctionnant en réflexion (dans le cas où la couche reflectrice se trouve sous le matériau diélectrique structuré): 2. Aneff(i).hi = Ai (7)
Comme explicité plus haut dans l’état de la technique, les microstructures (forme, taux de remplissage, hauteur) sont choisies telles que les équations (6) ou (7) soient vérifiées.
Un élargissement de la bande spectrale intrinsèque d’un élément blazé à Ai est par ailleurs obtenu pour des microstructures synthétisant une variation d’indice effectif présentant un coefficient ai strictement positif.
Soit pour tout i du composant :
OÙ Aneff(i) — neff/max(i) — neff/min(i), δΠί/,ηίπ = neff/min(i) — neff/min(Aoo) et δηί/max — neff/max(i) — neff/max(Aoo)·
Avec i correspondant à une longueur d’onde Aj de conception (ou longueur d’onde blaze) et Aœ longueur d'onde grande devant la longueur d'onde de conception λ0.
Ces formules sont valables en transmission et en réflexion à condition d’adapter la hauteur h des microstructures.
Afin de simplifier la fabrication du composant multi-blaze binaire, les microstructures des zones élémentaires sont agencées de sorte que la différence Aneff(i) vérifie la condition de blaze pour une valeur de hauteur h identique pour tous les types présents dans le composant.
De même pour simplifier la conception et la fabrication du composant réseau multi-blaze binaire, selon un mode de réalisation la dimension LX d’une zone élémentaire selon X correspond à la dimension du composant selon X, tel qu’illustré figure 14. Dans ce cas particulier toutes les zones élémentaires Zi, Z’i ... présentent la même dimension selon X quelque soit leur type.
Les microstructures peuvent être agencées de différentes manières connues de l’état de la technique. Les microstructures présentent une section hexagonale, circulaire ou carrée. Selon un mode de réalisation les microstructures présentent une pluralité de tailles variables le long d’une direction présentant une variation d’indice effectif. Et avantageusement une microstructure au plus est disposée par intervalle d’échantillonnage. Selon un autre mode les microstructures présentent une taille principale diO donnée (par type) et une densité par unité de surface variable le long d’une direction présentant une variation d’indice effectif. Avantageusement diO est identique quelque soit i et égal à dO.
Nous allons à présent décrire des exemples de réalisation de réseau par réflexion agencé sur une surface S plane XY, mais les agencements décrits sont compatibles de réseaux fonctionnant en transmission ou sur une surface courbe, par exemple concave, convexe, sphérique ou cylindrique.
Selon un mode de réalisation les zones élémentaires sont agencées selon une direction Y perpendiculaire à X de sorte que tous les types se succèdent une fois chacun une pluralité de fois. Autrement dit si le composant multiblaze binaire comprend des zones de trois types différents, les zones selon Y se succèdent Z1, Z2, Z3, puis à nouveau trois zone chacune d’un type différent Z’2, ΖΊ, Z’3, ...et ainsi de suite. De manière générale les dimensions selon Y des différentes zones sont différentes, mais avantageusement la succession des types et la dimension selon Y des zones de chaque type se répète à l’identique. Ceci permet de simplifier le masque élémentaire qui sert à la fabrication du réseau multiblaze binaire.
Ainsi on aura selon Y la succession Z1, Z2, Z3, puis ΖΊ, Z’2, Z’3, puis Z”1, Z”2, Z”3, les zones d’un même type présentant une dimension selon Y identique pour chaque alternance (c'est-à-dire un même multiple de la période d’échantillonnage Asy selon Y). Le choix de pondération pour chaque type s’effectue sur l’alternance élémentaire Z1, Z2, Z3 qui est ensuite répétée selon Y.
La figure 15 illustre un exemple de réseau de ce type. Le réseau est constitué de deux types de zone 1 et 2 avec A1 = 850 nm et K2 = 500 nm et sont représentées deux périodes A selon X et 5 alternances des deux zones selon Y. Les périodes d’échantillonnage Asx et Asy sont identiques, et chaque zone présente une dimension selon Y égale à une période d’échantillonnage Asy selon Y.
Les zones comprennent des trous et/ou piliers. La couleur noire correspond à un matériau diélectrique tel la silice, et le blanc à de l’air.
La zone 1 blazée à 850 nm comprend 6 piliers et 40 trous, et la zone 2 blazée à 500 nm comprend 46 trous.
La période A est de 16 pm et la hauteur h est de 1.5 pm.
La figure 16 illustre la variation d’indice effectif sur une période obtenue pour les deux longueurs de blaze. La courbe en trait plein correspond à la zone de type 2 blazée à 500 nm et la courbe en pointillé correspond à la zone de type 1 blazée à 850 nm. Sur cet exemple la variation d’indice est linéaire et lissée à partir de la valeur obtenue pour chaque maille.
La figure 17 illustre les efficacités de diffraction (en %) η(λ) calculées: -[1] :pour un réseau de type 1 blazé à 500 nm seul, -[2] :pour un réseau de type 2 blazé à 850 nm seul, -[1+2] : pour un réseau 10 selon l’invention illustré figure 15 comprenant plusieurs zones de type 1 et plusieurs zones de type 2 de superficie globale égales. De ce fait un poids identique est donné aux deux longueurs d’onde de blaze.
On constate que l’efficacité de diffraction globale sur la bande spectrale de diffraction [0,45 pm, 1,1 pm] est améliorée et n’est pas équivalente à la moyenne des efficacités de chaque réseau blazé pris isolément. Au niveau de la diffraction il existe une interaction entre les amplitudes complexes diffractées des deux types de réseaux.
Les oscillations de fortes amplitudes de l’efficacité aux grandes longueurs d’ondes sont dues un effet Fabry Perot spécifique au mode réflectif.
Selon un mode de réalisation préféré, le composant diffractif selon l’invention comprend en outre une couche antireflet AR, préférentiellement disposée par dessus les microstructures, tel qu’illustré figure 19. La présence de cette couche antireflet atténue fortement l’amplitude des oscillations.
La couche antireflet peut être déposée par exemple par PVD pour « Physical Vapour Déposition » comme l’évaporation ou la pulvérisation ou par CVD pour « Chemical Vapour Déposition » comme l’ALD « Atomic Layer Déposition » ou la PECVD « Plasma Enhanced Chemical Vapour Déposition »
Selon un mode de réalisation, l’air entre les microstructures (piliers) ou dans celles-ci (trous) est remplacé par un matériau. On ajoute ainsi un degré de liberté au design de la structure, et la présence de ce matériau facilite le dépôt de la couche AR le cas échéant.
Selon un mode de réalisation, la couche antireflet AR est une couche structurée à l’échelle sub-longueur d’onde, tel qu’illustré figure 19bis. La figure 19bisa illustre la structure du composant selon l’invention vu de profil, la figure 19bisb illustre la couche antireflet AR vue de dessus et la figure 19bisc illustre un exemple de zones selon l’invention vues de dessus.
La structuration de la couche antireflet consiste par exemple en la réalisation de trous dans celle-ci, préférentiellement traversant comme illustré figure 19bis, ce qui baisse l’indice effectif de la couche AR. La couche AR constitue alors un meilleur anti reflet pour des microstructures réalisées avec un matériau bas indice.
Une variante de ce mode de réalisation préféré consiste à ajouter une pluralité de microstructures secondaires MSsi aux microstructures de base MSi, les microstructures secondaires présentant une taille inférieure à la taille des microstructures de base. Ces microstructures secondaires sont réalisables technologiquement lorsque les microstructures initiales présentent des tailles adaptées pour la diffraction des ondes hyperfréquences, c'est-à-dire typiquement des tailles de l’ordre du mm ou du cm (voir document W02014/128015 figures 8 et 9 et description correspondante). Elles permettent un ajustement plus fin de la valeur de I indice effectif et réalisent une couche d’adaptation d’impédance (anti reflet).
Les figures 20 et 21 illustrent deux exemples de réseau 10 selon l’invention fonctionnant en mode réflectif tel qu’illustré figure 13, constitués de deux types de zones, le type 1 correspondant à un blaze à 850 nm et le type 2 à un blaze à 500 nm. La couleur noire correspond à de la matière et la couleur blanche à de l’air. La période Λ est de 2,45 pm et une période selon X est constituée de 7 trous de hauteur 1,7 pm dont la taille respective est déterminée de façon à obtenir le blaze souhaité. Le matériau est de la silice d’indice n=1,455 à lambda= 0,7pm.
Le réseau de la figure 20 est constitué d’une alternance de zones de type 1 et 2, chaque zone correspondant à une fois la période d’échantillonnage selon Y. La proportion de surface de chaque type est de 50 %, chaque type a donc un poids identique.
Le réseau de la figure 21 est constitué d’une alternance d’une zone de type 1 présentant une dimension selon Y correspondant à une fois la période d échantillonnage selon Y, et d’une zone de type 2 présentant une dimension selon Y correspondant à deux fois la période d’échantillonnage selon Y. La proportion de surface du composant avec un réseau blazé de type 1 est donc de 33% et la proportion de surface pour le type 2 est de 67 %, un poids plus important est donc donné au type 2 (blaze à 500 nm).
La figure 22 illustre les courbes d’efficacité de diffraction calculées des deux exemples décrits précédemment, la courbe C50/50 correspondant au réseau de la figure 20 et la courbe C67/33 correspondant au réseau de la figure 21.
On constate que les deux courbes présentent une efficacité de diffraction très large bande entre 0,35 et 1,1 pm. On constate également que la courbe C67/33 qui correspond à un réseau donnant plus de poids au type 2 présente une efficacité globalement supérieure aux longueurs d’onde visibles et inférieure aux longueurs d ‘onde IR, par comparaison au réseau donnant un poids équivalent aux deux types.
Ainsi, le poids respectif des différents types permet une grande souplesse dans le design du composant diffractif, et permet de choisir les performances spectrales souhaitées du composant en libérant les contraintes pesant sur les zones d’un type donné.
Du point de vue application, cette souplesse apporte un avantage important. En effet par exemple pour des applications en spectrométrie, lors de la conception d un nouvel instrument il est intéressant compte tenu du développement de nouveaux détecteurs de pouvoir ajuster l’efficacité de diffraction du réseau par rapport à la sensibilité spectrale des détecteurs.
Pour des détecteurs moins sensibles dans l’UV que dans l’infrarouge, il peut être intéressant de compenser avec un réseau qui soit large bande avec une efficacité améliorée sur les basses longueurs d’ondes et légèrement réduite sur les plus grandes longueurs d’onde.
Il est possible également dans un système optique de combiner plusieurs types de détecteurs sensibles à des gammes spectrales de longueurs d’onde différentes.
Pour le domaine photovoltaïque les systèmes de capteur de flux très large bande nécessitent de disposer d’une optique capable de focaliser la lumière sur une cellule multi-jonction et la capacité à ajuster la bande spectrale sans perdre en efficacité. En effet, dans le photovoltaïque utilisant des cellules multi-jonctions, le montage électrique des cellules étant en série, le courant est limité par le courant minimum produit par différentes jonctions, elles-mêmes ayant des sensibilités spectrales légèrement différentes. Dans ce cas il est avantageux de disposer d’une optique permettant d’ajuster l’efficacité de diffraction et donc le flux pour homogénéiser le courant généré par chaque jonction.
TECHNICAL FIELD The invention relates to the production of a binary-type sub-wavelength diffractive component exhibiting good diffraction efficiency over a wide spectral band, for various optical applications. (visible / infrared) and microwave frequencies, such as networks or focusing lenses, in transmission or in reflection.
STATE OF THE ART
The diffraction process does not consist in a simple transmission or reflection of an incident beam, light or radiofrequency, in a new direction different from that of the incident beam: the incident beam is divided into several beams, each redirected at a different angle according to different orders of diffraction. The percentage of incident light redirected in a given diffraction order is the measure of the diffraction efficiency in that order. The effectiveness of a diffractive component is determined by the surface profile of this element.
It is typically desired to achieve maximum efficiency in one order and to minimize efficiency in the other orders. If the percentage of light that is not directed in the desired diffraction order is substantial, this results in stray light, transmitted or reflected depending on the type of component or a fall in the luminous flux in the preferred direction, which is detrimental to the quality of the component or system incorporating the component.
To optimize the efficiency in a single order of diffraction, it is known to produce a diffractive structure called "blazed", that is to say which has no or little light / diffracted wave in other orders than the desired order, called blaze order.
Conventional diffractive elements are known, such as the echelette gratings illustrated in FIG. 1, having a period Λ which determines the angle at which the order of the blaze is diffracted, each period consisting of an element e called ladder. Also known Fresnel lenses LF as illustrated in Figure 2, having a central portion Pc typically circular and peripheral parts, rings A typically concentric (when the lens is in the axis). The desired blaze effect is obtained by a gradual change in the depth of a constant index material n satisfying the blaze condition defined below.
The surface profile of these elements thus consists of continuous reliefs separated by discontinuities. These elements have maximum efficiency for a given wavelength AO, called blaze wavelength.
The blaze condition in order 1 corresponds to a phase variation Δφ of a beam of wavelength AO incident on the component, between x = 0 and x = A, equal to 2π. Δφ (λΟ) = 2π
For example, for a transmission echelette grating, this condition is classically written (n - 1). H 0 = A 0 Where n is the index of the material composing the network and h0 is the height of the echelette.
FIG. 3 graphically illustrates the diffraction efficiency curve η (λ) in transmission of order 1 for a diffractive component in the scalar domain blazed in order 1 as a function of the incident wavelength λ, which is given by the formula:
d) with
Light lost in the order of blaze (order 1) is diffracted in higher orders. If we take the example of a hybrid lens, which is composed of a refractive lens on one side and diffractive on the other side and where the role of the diffractive face is to correct the chromatic aberrations of the refractive lens, this phenomenon is reflected by the transmission of a parasitic light, which is detrimental to the quality of imaging. This is conveniently reflected by the appearance of diffracted light throughout the image plane. For example, the output image is not clear, or is dull.
It is shown that this drop in efficiency comes from the low dispersion of the material, which means that for a small difference in wavelength, the phase difference Αφ (Λ) induced in the structure deviates from 2π (whereas it is equal to 2π at the wavelength λ0 of blaze).
In the scalar approximation, that is, typically for components having very large wavelength range widths, typically greater than 100 times the wavelength, neglecting the losses of Fresnel, and by placing with an incident beam at normal incidence, the phase difference as a function of the wavelength Αφ (λ) and the efficiency as a function of the wavelength η (λ) are indeed data by:
Where Δη (λ) = (η (λ) - diffractive optical element etched in a refractive index material n.
For these diffractive optical elements, we can consider that Δη (λ) = Δη (λ0), because the dispersion of the material is negligible: the refractive index varies little around λο- Equation (2) becomes:
(4) and we obtain the equation (1) seen above and shown in Figure 3, replacing Αφ {λ) by this expression in (2).
Thus, the low dispersion of the optical material in conventional diffractive optical elements results in a drop in diffraction efficiency with the wavelength λ * λ0 expressed by equation (1). This variation of the phase difference with the wavelength is also present for the diffractive components operating in reflection.
These conventional diffractive optical elements are therefore not effective in broad spectral band. It is possible to characterize a broad spectral band on which it is desired to diffract by a parameter Δλ / λΟ, which is typically greater than 20% in the field of optics. For example it is equal to 40% for thermal infrared, or equal to 100% for UVA / IS / NIR applications, and can even take the value of 130% in the field of photovoltaics. These conventional diffractive optical elements can not be used in optical systems dedicated to broadband spectral applications, such as gratings or lenses in optical instruments (in transmission or reflection) or hybrid optical systems composed of refractive and diffractive optics.
Other elements of diffractive optics, known as binary microstructure, also known as blazed binary gratings, or elements of sub-wavelength diffractive optics (SWDOE: "SubWavelength Diffractive Optic Element"), described in the publication "Broadband", are known. OPTICS LETTERS, Vol.29, No. 14, 2004 and WO 2005/038501 These blazed binary networks are designed by performing a binary synthesis of the profile of a conventional diffractive optical element: one starts from the conventional diffractive optical element that is to be synthesized and this network is sampled to obtain points, which can be associated with a value of index or phase shift Sampling must be done at a period shorter than the length design wave, to obtain a network operating in sub-wavelength regime.The various calculation techniques used are known to those skilled in the art and will not be a reminder are here. These techniques can, for example, for a blazed grating with echelettes such as Re network shown in Figure 1 and 4a, define a binary blazed grating as shown in Figure 4b. If we take again Figure 4a, two rungs of a network Re echelettes of period A (or not of the network) are represented. These steps are etched in an optical material of index n.
A blazed binary network corresponding to the network Re of FIG. 4a is represented in FIG. 4b. The network Re is sampled on a certain number of points at the period A s chosen to be less than the blaze wavelength λ0. A certain number of points are obtained for each period A of the network. At each point a given fill factor is matched for a given type of microstructure (hole, pillar): this fill factor is equal to the d dimension of the microstructure relative to the sampling period of the network: f = d / As. The filling factor of each microstructure is defined, by known calculations, to locally give a phase shift value Φ (χ) similar to that of the echelette grating at the sampled point, and equal in known manner to Φ (χ) = 2π (η) - ) Ρι {χ) ^ -, where x is the coordinate of the point sampled on the axis
AT
Ox of the network.
In the example of FIG. 4b, the binary microstructures are of the pillar type. A set of binary microstructures is obtained which encodes the grating pattern. This set of microstructures is repeated at the period Λ of the echelette grating of FIG. 4a.
In the synthesis operation, therefore, a filling factor f is defined for each microstructure which varies from one microstructure to another to follow the phase function of the echelette grating. In the example, on each period Λ of the echelette network (for each step), this dimension d increases with x. In practice, the filling factor f of a binary microstructure of the network can take any real value between 0 and 1, including the values 0 and 1. For example, for the pillar Po in FIG. 4b, the filling factor is 0.
FIGS. 5a and 5b show a conventional diffractive optical element of Fresnel lens type Lf (FIG. 5a), and its binary synthesis by means of microstructures (FIG. 5b).
To describe the behavior of a binary diffractive optical element, we introduce a notion of effective index neff to describe the interaction of light on microstructures. With this notion, the structure of the element is assimilated to a homogeneous artificial material, giving the component an index profile comparable to an effective index gradient network whose effective index varies over the period Λ (or the portion) of the considered network. FIG. 4c schematically represents an effective index gradient network corresponding to the binary blazed network of FIG. 4b.
This notion of effective index and the analytical formulas for calculating it are described in detail in various publications, among which we can cite the following: "On the effective medium theory of subwavelength periodic structures", Journal of Modern Optics, 1996, vol .43, No. 10, 2063-2085 by Ph. Lalanne, D. Lemercier-Lalanne, which shows in particular the curves of variation of effective index with the filling factor and the incident wavelength (p 2078).
In practice, the effective index is a function of the filling factor f (and therefore of the sampling period As), the geometry of the microstructure, the index n of the material (or, what is equivalent, its permittivity ε) and the incident wavelength λ. Different analytical formulas are thus known to those skilled in the art, which make it possible to calculate, for a given artificial material, the curves of variation of the effective index as a function of the filling factor f of the microstructures (therefore as a function of d and As ) and as a function of the incident wavelength λ.
In practice, this notion is valid in all cases where the sampling period As is substantially less than the structural cut-off value λ of the element, given by where n is the refractive index of the n material of the microstructures. This parameter gives the value limit of the sampling period beyond which, for any filling factor, the material no longer behaves like a homogeneous material (thin layer), and for which it is no longer working in the sublongger regime. wave. Beyond this value, there are several modes of propagation, and several effective indices.
We thus place ourselves in conditions of propagation substantially sub-wavelength with As <1.5.A0 (preferably As <A0 or As <^). not
Typically in practice we generally choose As = λ0 / 2 or λ0 / 3.
Under these conditions, the blaze effect (ie the diffraction of the incident light in a single diffraction order, the blaze order) is thus obtained by variation of the optical index along the surface of the blaze. optical material. Indeed, the microstructures are too small (sub-wavelength) to be resolved by the incident light (in terms of far-field diffraction) which perceives locally, a mean index, the effective index neff. Over a period (network) or a part (Fresnel lens), the use of sub-λ microstructures makes it possible to achieve an optimized phase law so that the energy radiated in the main deflected beam (blaze order) is favored, and the diffracted energy in the parasitic diffracted beams is minimized.
The usual microstructures have geometries either hollow type hole, for example cylindrical, or protrusions type pillar, for example round, square, hexagonal or rectangular. A combination of holes and pillars is also possible. The microstructures are of any shape, preferably with axes of symmetry to make them independent of the polarization of the incident beam at normal incidence.
Advantageously, they are arranged, within a period (network) or part (Fresnel lens), according to a sampling period As at least on the Ox direction of the surface plane of the network or according to a departing ray from the center for a lens to a lens in the axis. The structure of an off-axis lens is also applicable to the invention.
FIG. 6 illustrates an element 60 synthesizing a network based on pillars P seen from above. In the example of the 2D network shown in FIG. 6 schematically, the mesh is square of dimensions Asx = Asy = As. In this example, there is a microstructure P per mesh, for example in the center of each mesh. The microstructures aligned in the direction OX of the surface plane XY of the network are assigned a filling factor varying gradually in a determined order, increasing or decreasing along the main direction OX of the network.
In the case of a synthesis of a ladder-type (or multilevel) network, the microstructures aligned according to the other dimension 0Y of the network have an identical filling factor.
In the case (not shown here) of a synthesis of areas of a Fresnel lens, the filling factor of these microstructures can vary in all directions.
These blazed binary diffractive optical elements are known to have efficiencies far superior to those of conventional optics, and are used in the case of high dispersion networks or hybrid lenses with high numerical aperture.
WO 2005/038501 also describes a particular type of transmission blazed network using the strong dispersion of the artificial materials to compensate for the variation of the diffraction efficiency as a function of the wavelength of the incident beam, in order to to obtain diffractive optical elements blazed over a broad spectral band, that is to say diffractive optical elements that are effective in their order of blaze over a wide spectral range. These particular networks, as illustrated in FIG. 7, use two different microstructure geometries, such as m1 holes and m 2 pillars. In a first portion, the microstructures according to the first geometry have a decreasing effective index with the filling factor, and in a second portion the microstructures according to the second geometry synthesize an effective index increasing with the filling factor.
The composite artificial material 70 whose structure is illustrated in FIG. 7 has an effective index gradient that varies between a minimum value neff / min and a maximum value neff / max. The minimum and maximum effective indices of the material are determined from the curves. variation of the effective index with the filling factor of the microstructures.
A characteristic parameter of the material is the parameter a defined by:
(5) where Δηβίί (λο) = neff / max (^ o) - neff / minP '"o),
Snmin - Πθίί / πηίπ (λο) - Πθίί / ιηίη (λοο) and §nmax - neff / max (^ o) - ï leff / max (^ x).
With λ0 design wavelength (or blaze wavelength) and λοο long wavelength before design wavelength λ0.
To obtain a network that offers an optimum spectral width, the characterization parameter a must be strictly greater than 0, a> 0 and preferably 0.3 <a <0.5.
The characteristics of the material 70 (index n, filling factor of the pillars and the holes, under sampling period, etc.) are thus determined so as to obtain extreme effective index values resulting in the value of a desired.
WO 2005/038501 describes by way of example a range of effective index between 1.5 and 2.1, with Λ8 = λ0 / 2. The sampling period As codes the period area Λ equal to 25λ0, corresponding to 50 microstructures (35 holes and 15 pillars). The first point is encoded by f = 0 by a hole-type microstructure. The last point is encoded by a pillar type microstructure encoded with f = 0.68. Element 70 was made of Si3N4 silicon nitride (n = 2.1) with round section cylindrical hole geometries and etched square section pillars. The engraving depth h is 1.875λ0. The maximum effective index neff / max is coded using holes of zero diameter (neff / max = n = 2.1) and I minimal effective index neff / min is coded using factor pillars = 0.68 , or of width d = 0.34 to 0. For this blazed binary network with composite artificial material, aa = 0.39.
The curve of the diffraction efficiency as a function of the wavelength is given in FIG. 8: an area around λ0 is obtained which is wide enough in which the diffraction efficiency is at its maximum equal to 96% and remains at above 90% between 0.6λο and 1.5λο. The diffraction efficiency does not reach 100% in practice because of discontinuities in the surface profile when moving from one type of geometry to another. At the discontinuity level, there is a shading effect and a phase discontinuity effect. The diffraction efficiency of this network was calculated for a network period Λ equal to 25λο. When one has a higher period, the effect of the discontinuities is less, and the efficiency is therefore better. At a period less than 25λ0, the effect of the discontinuities is greater and we lose efficiency. A lower spectral width is obtained, but the improvement of the bandwidth may be satisfactory for some applications. Thus, the use of composite artificial materials is not limited to components operating in the scalar domain. The concept of artificial composite material can be applied to the production of various sub-wavelength diffractive components, such as a network illustrated in FIG. 9 or a Fresnel lens illustrated in FIG.
However, the spectral width of the diffraction efficiency illustrated in FIG. 8 is not sufficient for certain applications such as spectroscopy and the production of optical or radiofrequency instruments for space (telescopes, etc.). On the other hand, the parameter a, depends significantly on the chosen material, the period and the height of the structures, this having to take into account the manufacturing constraints. In some applications, the choice of material is not always favorable to a parameter a> 0.3, corresponding to a value suitable for use of the component over a very wide band. It is therefore not always easy to find all the ideal conditions for the parameter α. It is often necessary to be satisfied with a slightly reduced.
An object of the present invention is to overcome the aforementioned drawbacks by proposing a sub-wavelength diffractive component having a spectral width of its enhanced diffraction efficiency and a greater flexibility of design to obtain an efficiency curve mask η ( λ) given.
DESCRIPTION OF THE INVENTION
The subject of the present invention is a broad-band diffractive component capable of diffracting an incident beam having a wavelength comprised in a diffraction spectral band, the diffractive component comprising a plurality of elementary zones arranged on a surface, each elementary zone belonging to to a type indexed by an index i comprised between 1 and n with n strictly greater than 1, the index i corresponding to a blaze wavelength Ai of index i, the blaze wavelengths being included in the diffraction spectral band, a type i elementary zone comprising a plurality of microstructures having respectively at least a size less than 1.5 times the blaze wavelength of index i, the microstructures being arranged to form an artificial material having an effective index variation so that an elementary zone of type i constitutes a blazed diffractive element at the blaz length The values of the blaze wavelengths and the area ratio occupied by all the zones of a given type are a function of a desired overall diffraction efficiency in the diffraction spectral band.
Preferably, the elementary zones are joined.
Advantageously, the surface is flat or curved.
Advantageously, the incident beam is a light wave or radiofrequency.
According to one embodiment, the elementary zones are arranged on a transparent substrate, the component being configured to diffract the beam by transmission.
According to another embodiment the component according to the invention further comprises a reflector, the reflector being disposed between the elementary zones and a substrate, the component being configured to diffract the beam by reflection.
According to a first variant, the component corresponds to a Fresnel lens having a central portion and a plurality of peripheral portions, in which each elementary zone of type i corresponds to at least one sector of a portion of the Fresnel lens.
According to a second variant, the component corresponds to a network, each elementary zone of type i corresponding to a blazed network at the blaze length Ai of index i, each elementary zone having a periodic effective variation of inde in a period axis X identical for all types, a dimension of an elementary zone in the direction X being equal to a multiple of the period.
According to one embodiment, the dimension of an elementary zone along X corresponds to the dimension of the component according to X.
According to one embodiment, the elementary zones are arranged in a direction Y perpendicular to X so that all the types follow each other once, a plurality of times, and in which the order of the types and the dimension according to Y of the zones of each type is repeated identically. Preferentially, the microstructures of an elementary zone have a pillar shape, a hole shape or a combination of both. Advantageously, the diffractive component according to the invention further comprises an antireflection layer disposed over the microstructures. Preferably, the antireflection layer is a structured layer at the subwavelength scale.
According to one embodiment, the component according to the invention further comprises a plurality of secondary microstructures having a size smaller than the size of the basic microstructures.
Advantageously, an effective index variation of a diffractive element blazed at a blaze wavelength λ i over a period of a grating or part of a Fresnel lens, has a minimum value and a maximum value, the difference of said With effective index values being denoted Aneff (i), the microstructures of a zone of type i have a height hi indexed i, the quantities Aneff (i), hi and Ai being connected by a blaze condition defined by:
Aneff (i) .hi = Ai for a diffractive component operating in transmission, 2. Aneff (i) .hi = Ai for a diffractive component operating in reflection.
Advantageously for each elementary zone type i, the microstructures are arranged so that the difference Aneff (i) verifies the blaze condition for a value of height h identical for all types.
According to one embodiment, for each elementary zone of type i, the microstructures are arranged in such a way that the difference Aneff (i) is chosen so that a characterization parameter ai defined below is strictly greater than 0 regardless of i:
With: neff (i) variation of the effective index of an elementary zone blazed at the wavelength Ai over a period (grating) or part (Fresnel lens) between a minimum value neff / min (i) and a maximum value neff / max (i), Aneff (i) - neff / max ()) ~ neff / min (i),
Snj / miri = neff / min (i) - neff / min (Aoo) and ôni / max = neff / max (-) - neff / max (Aoo) ·
With i corresponding to a wavelength λ, of design (or blaze wavelength) and long wavelength before the wavelength of design λ0. Other features, objects and advantages of the present invention will appear on reading the detailed description which follows and with reference to the appended drawings given as non-limiting examples and in which:
Figure 1 already cited illustrates a conventional ladder network.
Figure 2 already cited illustrates a conventional Fresnel lens.
FIG. 3, already cited, schematizes the diffraction efficiency in transmission for a diffractive component in the scalar domain blazed in the order 1 as a function of the incident wavelength λ.
FIG. 4a already cited shows the conventional ladder diffractive grating of FIG. 1, FIG. 4b illustrates a subwavelength binary synthesis of this grating by means of pillar type microstructures and FIG. 4c represents a gradient grating of FIG. corresponding effective index.
FIG. 5a already mentioned illustrates a conventional diffractive optical element of the Fresnel lens type, and FIG. 5b illustrates a subwavelength binary synthesis of this lens by means of pillar-type microstructures.
FIG. 6 already cited illustrates an element synthesizing a network based on pillars P seen from above.
FIG. 7, already cited, illustrates a period of a particular subwavelength composite network using two different microstructure geometries.
FIG. 8, already mentioned, describes the diffraction efficiency in transmission as a function of the incident wavelength λ of a composite grating as described in FIG. 7.
FIG. 9, already cited, illustrates a two-dimensional network structure based on composite subwavelength elements.
FIG. 10, already mentioned, illustrates a two-dimensional composite Fresnel lens structure based on composite subwavelength elements.
FIG. 11 illustrates a broadband diffractive component according to the invention of network type. FIG. 11a describes the structure of the network seen from above, FIG. 11b the microstructures of a particular zone of the network and FIG. 11c the corresponding effective index.
FIG. 12 illustrates a broadband diffractive component according to the invention of the Fresnel lens type. FIG. 12a describes the structure of a lens seen from above, FIG. 12b the microstructures of a particular zone of the lens and FIG. 12c the corresponding effective index.
FIG. 13 illustrates a multi-blaze diffractive component according to the invention configured to diffract by reflection
FIG. 14 illustrates a particular embodiment of a multi-blaze binary network according to the invention.
FIG. 15 illustrates an example of the embodiment of FIG. 14. FIG. 15a schematizes the structure of the network seen from above and FIG. 15b describes the arrangement of the corresponding microstructures in a view from above. FIG. 16 schematizes the actual index variation obtained for the network described in FIG. 15
FIG. 17 illustrates the diffraction efficiency as a function of the wavelength of the grating illustrated in FIG. 15, as well as the diffraction efficiencies of simple blaze gratings.
FIG. 18 illustrates the diffraction efficiency as a function of the wavelength of the network illustrated in FIG. 15 and the efficiency with an identical network provided with an anti-reflection layer.
FIG. 19 illustrates a binary multiblaze diffractive component according to the invention provided with an anti-reflection layer disposed over the microstructures.
FIG. 19bis illustrates a binary multiblaze diffractive component according to the invention provided with a sub-wavelength structured anti-reflection layer.
FIG. 19bisa illustrates the structure of the component according to the invention seen in profile, FIG. 19bis illustrates the structured antireflection layer AR seen from above and FIG. 19bisc illustrates an example of zones according to the invention seen from above.
Figures 20 and 21 illustrate two examples of network arrangement according to the invention having weightings on different blaze wavelengths.
Figure 22 depicts the diffraction efficiency as a function of wavelength for the two examples of Figures 20 and 21.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 11 illustrates a broadband diffractive component according to the invention, of network type 10. The description of the diffractive component is made below for the network component illustrated in FIG. 11 (11a, 11b and 11c) but the developed considerations apply in the same manner to a broadband diffractive component according to the Fresnel lens type of invention illustrated in FIG. 12 (12a, 12b and 12c).
The diffractive component (20) according to the invention is able to diffract an incident beam, which is typically a light beam, for example visible / infrared or a microwave beam, typically between 300 MHz and 300 GHz (see for example the document WO2014 / 128015) having a wavelength within a BSD diffraction spectral band.
The diffractive component whose top view is illustrated in FIG. 11a (array) and FIG. 12a (Fresnel lens) comprises a plurality of elementary zones Z1, ΖΊ, Z "1, Z2, Z'2, Z" 2, Z3, Z '3, Z "3, Z4, Z'4 .... arranged on a surface S. Each elementary zone belongs to a type indexed by an index i between 1 and n with n (integer) strictly greater than 1, l index i corresponding to a blaze wavelength Ai of index i.
For example, the zones Z1, ΖΊ, Z "1 are of type 1, ie they correspond to a length of blaze A1, the zones Z2, Z'2, Z" 2 are of type 2, that is to say correspond to a A2 blaze length, etc ...
The blaze wavelengths A1, A2, A1, AN are within the BSD diffraction spectral band of the diffractive component (20).
An elementary zone of type i Zi, Z'i, Z "i comprises a plurality of microstructures MSi having respectively at least a size di less than 1.5 times the blaze wavelength Ai of index i for the component operates globally in subwavelength mode. Preferably all the microstructures of an elementary zone have a size di less than 1.5 times the blaze wavelength Ai of index i.
The size of the microstructures is thus globally of the order of magnitude or less than the blaze wavelength.
Advantageously, all the microstructures of an elementary zone have a size di less than 1.2 times the blaze wavelength Ai of index i to prevent a loss of efficiency by diffraction on the parasitic orders.
The microstructures are arranged to form an artificial material having an effective index variation neff (i) so that the elementary zone of type i constitutes a diffractive element blazed to the blaze length Ai of index i.
Thus, each elementary zone of type i is a zone having a subwavelength structure corresponding to a structure described in the state of the art, for a design wavelength (or blaze) equal to Ai.
Microstructures are pillars, holes, or a combination of both. Within a period, the respective shape of the holes or pillars may vary (rectangular, hexagonal, circular section), and during a transition pillars / holes within the same period, a particular form of hole or pillar pillar can be used.
FIGS. 11b and 12b show type i zones consisting of pillars MSi of size di and height hi variable, and FIGS. 11c and 12c represent the corresponding effective index variation.
The zone Z1 of FIG. 11b corresponds to a blazed network and therefore has a periodic structure of period A according to at least one dimension X.
The zones Z 1, Z 1 (type 1) of FIG. 12b correspond to sectors of the central portion Pc of a Fresnel lens, and the zones Z '"""2 (type 2) and Z'" 4 ( type 4) correspond to sectors of the peripheral part corresponding to the first ring.
In FIGS. 11a and 12a, several zones of type 1 (Z1, ΖΊ, Z "1, ...), of type 2 (Z2, Z'2, etc.) are distributed according to the surface S In general, the zones are distributed in any manner, in no particular order.
The different values of the blaze wavelengths Ai lie within the desired diffraction spectral band and are chosen so that the component (20) diffracts with good efficiency an incident beam having an incident incident wavelength. in the desired spectral band of diffraction. For this, each zone of type i (Zi, Zi, Z "i, ...) diffracting around a given length of blaze contributes to the overall diffraction efficiency of the component, which benefits from an effect resulting from the sum of the interactions between the elementary complex amplitudes diffracted by each zone of type i. These amplitudes take into account, among other things, the guiding effects which provide a better diffraction efficiency than the efficiency of a ladder array. Thus, the overall effectiveness of the diffractive component does not correspond to the average of the efficiencies of each zone.
Two effects are cumulative. First of all a macroscopic effect: the fact of putting two zones next to each other, each zone having the same period according to x, makes it possible to maintain the periodicity of a network in the direction of the x in order to be able to diffract order 1 in the desired direction. Then to associate the two zones amounts to adding them in a coherent way. However, locally we have sub-wavelength structures that not only allow to encode a phase function by their local effective index, which allows to code the phase function of a scaled network, but in addition they have another peculiarity. These structures behave locally as waveguides and induce a waveguiding effect which makes it possible to obtain a better diffraction efficiency than the efficiency of a scaled grating. This guiding effect which is at the origin of the good performance of sub-wavelength networks has been explained in the Lalanne publication, ref: Ph.Lalanne, "Waveguiding in blazed-binary diffractive elements", Journal of Opt. Soc. Am. A., Vol. 16, 2517-2520 (1999). In our case of application, the combination of two zones side by side induces different guide effects influenced by the guiding effects in the structures which are different from the guiding effects of each zone individually.
In addition the proportion of area occupied by all the zones of a given type makes it possible to adapt to a template of the desired overall diffraction efficiency. The percentage of surface associated with a type makes it possible to introduce a weighting of the contribution of the different blaze wavelengths into the overall diffraction efficiency.
Thus the existence of a plurality of blaze wavelengths allows the diffractive component (for example a Fresnel lattice or lens) according to the invention, which we will call a binary multi-blaze diffractive component (binary means that it is based on microstructures), to exhibit a better broadband behavior than a blazed component at a single wavelength as illustrated in FIGS. 3 or 8. In addition, the weighting by the surface gives a great flexibility of design to obtain the desired efficiency. Illustrations of this property are given below.
In addition, the design constraints weighing on each zone of a given type are reduced.
Thus, the invention makes it possible to dispense with the condition for example, or to allow the parameter a to be reduced while maintaining a good spectral efficiency. Indeed, in the document WO 2005/038501, the broadband behavior is obtained thanks to a design making it possible to obtain a value of the parameter a large enough (of the order of 0.3). For this, the authors made a judicious choice over the sampling period, the material and the choice of sizes and geometries of structures to obtain the desired parameter a. However in some applications, the choice of materials is not always possible. For example, the use of a material with a low refractive index inevitably leads to a lower dispersion of its effective index. The consequence is a limitation of its broadband effect. The use of a binary multiblaze component makes it possible to reduce the design constraints weighing on each zone, thus allowing more degrees of freedom. It may for example combine several zones, some areas being designed with a reduced parameter and others with a more important parameter a, without reducing the spectral band of use.
The technology for producing sub-wavelength diffractive components, typically lithography for optical applications and 3D printing for structures operating in the millimetric range, which makes it possible to generate any geometry, is particularly suitable for manufacturing these components, impossible to achieve with traditional structures ladders. It is completely compatible in the realization of components combining different areas in the x direction and / or in the y direction.
For the case of a binary multi-blaze component corresponding to a Fresnel lens function as illustrated in FIG. 12, the lens having a central portion Pc and a plurality of peripheral portions a, each elementary zone of type i corresponds to at least a sector of a part of the Fresnel lens.
According to a first embodiment, the sector of a given type corresponds to the whole of the part, that is to say that each part (Pa, a) constitutes a zone of a certain type, for example the the whole of the central zone is of type 1 (blazed at A1), the first ring is of a second type (blazed at A2), the third ring is of a third type or the first type or the second type.
According to a second embodiment illustrated in FIG. 12a, the central portion Pc and each peripheral ring have several sectors, the sectors being of different types.
For the case of a binary multi-blaze network corresponding to a network function as illustrated in FIG. 11, each elementary zone of type i corresponds to a blazed network with the blaze length Ai of index i, and therefore each elementary zone presents an effective index variation neff (i) periodic along an axis X of identical period Λ. To avoid the problems of discontinuity and not to break the periodicity A, which allows the diffraction effect, the dimension of an elementary zone in the direction X is equal to a multiple of the period Λ.
Preferably, to maximize the diffraction efficiency, the elementary zones are contiguous.
In general, the surface S on which the microstructures of the diffractive component 10 or 20 according to the invention are arranged is flat or curved, and the incident beam diffracted by the component is a light wave (typically visible and / or infrared) or radiofrequency . For curved surfaces, technologies such as the nanoimprint for defining patterns of structures on a spherical surface, for example from a flexible buffer, are particularly well suited. The pad being made for example by lithography and etching.
The concept of multi blaze binary is applicable to components operating in reflection or transmission.
For a binary multi-blaze component configured to diffract by transmission, the elementary zones are made of a transparent material and arranged on a substrate that is also transparent, for example silica.
A multiblaze binary component according to the invention configured to diffract an incident beam Fi according to a reflection diffracted beam Fd further comprises a surface or a reflective element R.
Preferably, as illustrated in FIG. 13, the reflector R is disposed between the elementary zones Z 1 and a substrate S. The elementary zones are in this case made of a transparent material, but the substrate S may not be transparent. The advantage of using a mirror below is to be able to use the dispersion of the effective index of subwavelength structures, with a dielectric structure that synthesizes the phase function. In the case of the use of a structured metal or a metal above a layer structured at the sub-wavelength scale, it is possible to encounter extraordinary resonance or transmission phenomena which result in a strong drop of diffraction efficiency in reflection.
The reflector consists of a metal layer or a multi-layer dielectric assembly.
Typically for applications in spatial instrumentation, broadband reflective networks are used, and for imaging applications, for concentration functions, or for hyper-beam processing, Fresnel lenses operating in transmissive mode are used for easily integrate into existing systems (hybrid systems mixing conventional optics and diffractive optics). But we can also find networks in transmission and lenses in reflection.
The various variants and embodiments of the component according to the invention described here are applicable to components operating in transmission or in reflection. In addition to the presence or absence of a reflector and the necessarily transparent nature or not of the substrate, the difference is the blaze condition to check. The effective index neff (i) of a diffractive element blazed at a blaze wavelength Ai varies between a minimum value neff / min (i), and a maximum value rieff / max (i), 3VeC!
Aneff (1) - neff / max (1) neff / min (i)
The microstructures MSi of a zone of type i have a height hi indexed i.
The condition of blaze is expressed by a relation connecting the magnitudes Aneff (i), hi and Ai. It corresponds to an effective index variation and a height calculated to induce a 2π phase variation between the incident beam and the diffracted beam.
Advantageously, the phase law, and thus the effective index variation, over a period (network) or part (central or peripheral of a lens) is almost monotonous.
According to one embodiment, the phase law, and thus the effective index variation, over a period or part is constant by subintervals, that is to say variable in steps. The following considerations are given for a period of a network but are also applicable to each part (center and rings) of a Fresnel lens. The period Λ of the network is sampled according to an Asx sampling period less than Λ dividing the period Λ and defining sampling intervals.
In general, the sampling period is different for each type, but advantageously the sampling period according to X, Asx, is the same for all types (direction of variation of the effective index). Advantageously for a 2D geometry of microstructures, the sampling period according to Y, Asy, is the same for all types. In one particular case, the sampling period according to X and Y is identical (square mesh).
The microstructures are arranged within each sampling interval so as to correspond to a given value of effective index in the interval. The variation of index effectiff neff according to period Λ is thus sampled according to a period As.
According to one embodiment, the phase law synthesized with the microstructures makes it possible to produce a discontinuous phase law in steps or jumps, each jump corresponding to a given value of phase and therefore to a given value of effective index. Note that the law of variation of the phase between 0 and 2tt induced by the variation of the effective index is not necessarily linear (in stages or not), it can be non-linear, or locally non-monotonic.
For a network operating by transmission, the Blaze condition is written: Aneff (i) .hi = Ai (6)
For a component operating in reflection (in the case where the reflective layer is under the structured dielectric material): 2. Aneff (i) .hi = Ai (7)
As explained above in the state of the art, the microstructures (shape, filling ratio, height) are chosen such that equations (6) or (7) are verified.
A widening of the intrinsic spectral band of a blazed element to Ai is also obtained for microstructures synthesizing an effective index variation having a coefficient ai positive.
For all i of the component:
Where Aneff (i) - neff / max (i) - neff / min (i), δΠί /, ηίπ = neff / min (i) - neff / min (Aoo) and δηί / max - neff / max (i) - eff / max (Aoo) ·
With i corresponding to a wavelength Aj of design (or blaze wavelength) and A wavelength large before the wavelength of design λ0.
These formulas are valid in transmission and in reflection provided that the height h of the microstructures is adapted.
In order to simplify the manufacture of the multi-blaze binary component, the microstructures of the elementary zones are arranged so that the difference Aneff (i) verifies the blaze condition for a value of height h identical for all the types present in the component.
Similarly to simplify the design and manufacture of the multi-blaze bit network component, according to one embodiment the dimension LX of an elementary zone along X corresponds to the dimension of the component according to X, as illustrated in FIG. in particular case all the elementary zones Zi, Z'i ... have the same dimension according to X whatever their type.
The microstructures can be arranged in different ways known from the state of the art. The microstructures have a hexagonal, circular or square section. According to one embodiment the microstructures have a plurality of variable sizes along a direction having an effective index variation. And advantageously a microstructure at most is arranged by sampling interval. According to another embodiment, the microstructures have a given principal size diO (by type) and a density per unit of variable area along a direction having an effective index variation. Advantageously diO is identical regardless of i and equal to dO.
We will now describe embodiments of reflection grating arranged on an XY plane surface S, but the arrangements described are compatible networks operating in transmission or on a curved surface, for example concave, convex, spherical or cylindrical.
According to one embodiment, the elementary zones are arranged in a direction Y perpendicular to X so that all the types succeed one another each a plurality of times. In other words, if the binary multiblaze component comprises zones of three different types, the zones along Y follow one another Z1, Z2, Z3, then again three zones each of a different type Z'2, ΖΊ, Z'3, .. .And so on. In general, the dimensions along Y of the different zones are different, but advantageously the succession of types and the dimension according to Y of the zones of each type is repeated identically. This simplifies the elementary mask used for the manufacture of the multiblaze binary network.
Thus we will have, according to Y, the succession Z1, Z2, Z3, then ΖΊ, Z'2, Z'3, then Z "1, Z" 2, Z "3, the zones of the same type having a dimension according to Y identical. for each alternation (that is, the same multiple of the Asy sampling period according to Y). The weighting choice for each type is made on the elementary alternation Z1, Z2, Z3 which is then repeated according to Y.
Figure 15 illustrates an example of such a network. The network consists of two types of zone 1 and 2 with A1 = 850 nm and K2 = 500 nm and are represented two periods A according to X and 5 alternations of the two zones according to Y. The sampling periods Asx and Asy are identical, and each zone has a dimension according to Y equal to an Asy sampling period according to Y.
The areas include holes and / or pillars. The black color corresponds to a dielectric material such as silica, and white to air.
Area 1 blazed at 850 nm comprises 6 pillars and 40 holes, and zone 2 blazed at 500 nm comprises 46 holes.
Period A is 16 pm and the height h is 1.5 pm.
Figure 16 illustrates the effective index variation over a period obtained for the two blaze lengths. The solid curve corresponds to the type 2 zone blazed at 500 nm and the dotted curve corresponds to the type 1 zone blazed at 850 nm. In this example the index variation is linear and smoothed from the value obtained for each mesh.
FIG. 17 illustrates the diffraction efficiencies (in%) η (λ) calculated: - [1]: for a type 1 network blazed at 500 nm alone, - [2]: for a type 2 network blazed at 850 nm only, - [1 + 2]: for a network 10 according to the invention illustrated in FIG. 15 comprising several type 1 zones and several type 2 zones of equal global area. As a result, the same weight is given to the two blaze wavelengths.
It is noted that the overall diffraction efficiency on the diffraction spectral band [0.45 μm, 1.1 μm] is improved and is not equivalent to the average of the efficiencies of each individual blazed network. At the diffraction level, there is an interaction between the diffracted complex amplitudes of the two types of networks.
Oscillations of large amplitudes of the efficiency at long wavelengths are due to a Fabry Perot effect specific to the reflective mode.
According to a preferred embodiment, the diffractive component according to the invention further comprises an antireflection layer AR, preferably disposed over the microstructures, as illustrated in FIG. 19. The presence of this antireflection layer greatly attenuates the amplitude of the oscillations.
The antireflection layer may be deposited for example by PVD for "Physical Vapor Deposition" such as evaporation or sputtering or by CVD for "Chemical Vapor Deposition" such as ALD "Atomic Layer Deposition" or PECVD "Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition""
According to one embodiment, the air between the microstructures (pillars) or in them (holes) is replaced by a material. This adds a degree of freedom to the design of the structure, and the presence of this material facilitates the deposition of the AR layer if necessary.
According to one embodiment, the AR antireflection layer is a layer structured at the subwavelength scale, as illustrated in FIG. 19bis. FIG. 19bisa illustrates the structure of the component according to the invention seen in profile, FIG. 19bis illustrates the antireflection layer AR seen from above and FIG. 19bisc illustrates an example of zones according to the invention seen from above.
The structuring of the antireflection layer consists for example in the production of holes therein, preferably through as shown in Figure 19a, which reduces the effective index of the AR layer. The AR layer is then a better anti-reflection for microstructures made with a low index material.
A variant of this preferred embodiment consists in adding a plurality of secondary microstructures MSsi to the basic microstructures MSi, the secondary microstructures having a size smaller than the size of the basic microstructures. These secondary microstructures are technologically feasible when the initial microstructures have appropriate sizes for diffraction of microwave waves, that is to say typically sizes of the order of mm or cm (see document WO2014 / 128015 FIGS. 8 and 9 and corresponding description). They allow a finer adjustment of the value of the effective index and provide an impedance matching layer (anti-reflection).
FIGS. 20 and 21 illustrate two examples of network 10 according to the invention operating in reflective mode as illustrated in FIG. 13, consisting of two types of zones, the type 1 corresponding to a blaze at 850 nm and the type 2 to a blaze at 500 nm. The black color corresponds to the material and the white color to the air. The period Λ is 2.45 μm and a period according to X consists of 7 holes of height 1.7 μm whose respective size is determined so as to obtain the desired blaze. The material is silica of index n = 1.455 to lambda = 0.7pm.
The network of FIG. 20 consists of alternating zones of type 1 and 2, each zone corresponding to once the sampling period according to Y. The proportion of surface area of each type is 50%, each type therefore has an identical weight.
The network of FIG. 21 consists of an alternation of a type 1 zone having a dimension according to Y corresponding to once the sampling period according to Y, and a zone of type 2 having a dimension corresponding to Y corresponding to twice the sampling period according to Y. The proportion of surface of the component with a blazed network of type 1 is thus of 33% and the proportion of surface for type 2 is of 67%, a more important weight is thus given to the type 2 (blaze at 500 nm).
FIG. 22 illustrates the calculated diffraction efficiency curves of the two examples described above, the curve C50 / 50 corresponding to the network of FIG. 20 and the curve C67 / 33 corresponding to the network of FIG. 21.
It can be seen that the two curves have a very wide band diffraction efficiency between 0.35 and 1.1 μm. It is also noted that the curve C67 / 33 which corresponds to a network giving more weight to the type 2 has an overall efficiency higher than the visible wavelengths and lower than the wavelengths IR, compared to the network giving a weight equivalent to two types.
Thus, the respective weight of the different types allows great flexibility in the design of the diffractive component, and allows to choose the desired spectral performance of the component by releasing the constraints on areas of a given type.
From the point of view of application, this flexibility brings a significant advantage. Indeed, for example for spectrometry applications, when designing a new instrument, it is interesting in view of the development of new detectors to be able to adjust the diffraction efficiency of the network with respect to the spectral sensitivity of the detectors.
For detectors that are less sensitive in the UV than in the infrared, it may be interesting to compensate with a network that is broadband with improved efficiency at low wavelengths and slightly reduced at longer wavelengths .
It is also possible in an optical system to combine several types of detectors sensitive to spectral ranges of different wavelengths.
For the photovoltaic field, very wideband flux sensor systems require optics capable of focusing light on a multi-junction cell and the ability to adjust the spectral band without losing efficiency. Indeed, in photovoltaics using multi-junction cells, the electrical assembly of the cells being in series, the current is limited by the minimum current produced by different junctions, themselves having slightly different spectral sensitivities. In this case, it is advantageous to have an optical device that makes it possible to adjust the diffraction efficiency and thus the flux to homogenize the current generated by each junction.

权利要求:
Claims (17)
[1" id="c-fr-0001]
A wide-band diffractive component (10) capable of diffracting an incident beam having a wavelength comprised in a diffraction spectral band, the diffractive component comprising a plurality of elementary zones arranged on a surface (S), each elementary zone. belonging to a type indexed by an index i between 1 and n with n strictly greater than 1, the index i corresponding to a blaze wavelength Ai of index i, the blaze wavelengths being included in the spectral diffraction band, an elementary zone of type i (Zi, Z'i, Z "i) comprising a plurality of microstructures (MSi) respectively having at least one size (di) less than 1.5 times the length of Blaze wave (Ai) of index i, the microstructures being arranged to form an artificial material having an effective index variation (neff (i)) so that an elementary zone of type i constitutes a diffraction element. blazed active at the blaze length Ai of index i, -the different values of the blaze wavelengths and the proportion of area occupied by all the zones of a given type being a function of a global diffraction efficiency desired in the spectral band of diffraction.
[2" id="c-fr-0002]
2. diffractive component (10) according to claim 1 wherein the elementary zones are contiguous.
[3" id="c-fr-0003]
3. diffractive component (10) according to one of the preceding claims wherein said surface (S) is flat or curved.
[4" id="c-fr-0004]
4. diffractive component (10) according to one of the preceding claims wherein the incident beam is a light wave or radiofrequency.
[5" id="c-fr-0005]
5. Component according to one of the preceding claims wherein the elementary zones are arranged on a transparent substrate, said component being configured to diffract the beam by transmission.
[6" id="c-fr-0006]
6. Component according to one of claims 1 to 4 further comprising a reflector, the reflector being disposed between the elementary zones and a substrate, said component being configured to diffract the beam by reflection.
[7" id="c-fr-0007]
7. Component according to one of the preceding claims corresponding to a Fresnel lens having a central portion and a plurality of peripheral portions, wherein each elementary zone of type i corresponds to at least one sector of a portion of the Fresnel lens. .
[8" id="c-fr-0008]
8. Component according to one of claims 1 to 6 corresponding to a network, each elementary zone of type i corresponding to a blazed network to the blaze length Ai of index i, each elementary zone having a periodic effective variation of inde along an axis X of the same period (A) for all types, a dimension of an elementary zone (LX) in the direction X being equal to a multiple of the period.
[9" id="c-fr-0009]
9. Component (10) according to claim 8 wherein the dimension of an elementary zone along X (LX) corresponds to the dimension of the component according to X.
[10" id="c-fr-0010]
10. Component according to claim 9 wherein the elementary areas are arranged in a direction Y perpendicular to X so that all types succeed each once, a plurality of times, and in which the order of types and the dimension according to Y zones of each type are repeated identically.
[11" id="c-fr-0011]
11. Component according to one of the preceding claims wherein the microstructures of an elementary zone have a pillar shape, a hole shape or a combination of both.
[12" id="c-fr-0012]
12. diffractive component (10) according to one of the preceding claims further comprising an antireflection layer disposed over the microstructures.
[13" id="c-fr-0013]
The diffractive component (10) of claim 12 wherein the antireflection layer is a subwavelength structured layer.
[14" id="c-fr-0014]
14. The diffractive component (10) of one of the preceding claims further comprising a plurality of secondary microstructures having a size smaller than the size of the basic microstructures.
[15" id="c-fr-0015]
15. diffractive component according to one of the preceding claims wherein: - an effective index variation of a diffractive element blazed at a blaze wavelength Ai over a period of a network or a portion of a lens Fresnel, has a minimum value (neff / min (i)) and a maximum value (neff / max (i)) the difference of said effective index values being called Aneff (i), -the microstructures (MSi) d a zone of type i has a height hi indexed i, the quantities Aneff (i), hi and Ai being connected by a blaze condition defined by: Aneff (i) .hi = Ai for a diffractive component operating in transmission,
2. Aneff (i) .hi = Ai for a diffractive component operating in reflection.
[16" id="c-fr-0016]
16. diffractive component (10) according to claim 15 wherein for each elementary zone type i, the microstructures are arranged so that the difference Δηθ "<ΐ) verifies the blaze condition for a value of height h identical for all kinds.
[17" id="c-fr-0017]
17. diffractive component (10) according to one of claims 15 or 16 wherein for each elemental zone type i, the microstructures are arranged so that the difference Δηβ "(ΐ) is chosen for a characterization parameter ai defined below is strictly greater than 0 regardless of i:

With: rieff (i) variation of the effective index of an elementary zone blazed at the wavelength Ai over a period (grating) or part (Fresnel lens) between a minimum value neff / min (i) and a maximum value neff / max (i), Aneff (î) = neff / max (D - neff / min (i)> δηί / min = fieff / minO) - neff / min (Aoo) 5ni / max = rieff / max (i) - neff / max (A <>). With i corresponding to a wavelength K of design (or blaze wavelength) and long wavelength before the wavelength of design λ0.

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