Contrôle de faisceaux : quatre grandes techniques de fabrication
L'expertise de l'INO en ce domaine s'appuie, tout d'abord, sur l'utilisation de nombreux outils de conception, puis sur une gamme extrêmement variée de techniques de fabrication. Celles-ci peuvent être divisées en quatre grandes catégories, soit les couches minces optiques, la photolithographie, l'holographie et la gravure. À ces techniques s'ajoutent de nombreux outils de caractérisation ainsi qu'une capacité de reproduction par injection dans le plastique quand la situation le permet. Notre expertise en conception optique constitue enfin un atout majeur, car nombre de problèmes de contrôle de faisceaux nécessitent l'utilisation d'éléments réfractifs conventionnels (lentilles, fenêtres, etc.). L’INO ne fabrique pas de tels éléments, mais s’approvisionne auprès de fournisseurs externes au besoin. Par contre, l'assemblage des composants optiques individuels vers le système optique final est souvent effectué par les spécialistes de l'INO.
Quelques notions de base…
Le contrôle de faisceaux peut se définir comme la science du maintien ou de la redistribution contrôlée du profil énergétique d'un faisceau. L'exemple le plus commun consiste probablement en l'application de revêtements antireflets sur divers composants, mais d'autres exemples également bien connus concernent les filtres en longueur d'onde, l'homogénéisation de faisceaux laser pour applications d'usinage, ou les hologrammes générés par ordinateur permettant de séparer un faisceau incident en plusieurs sous-faisceaux pour applications d'usinage ou de vision. Le contrôle de faisceaux trouve des applications dans essentiellement toutes les sphères d'activité reliées à l'optique, la manipulation adéquate des rayons lumineux étant à la base de tout système optique.
À l’INO, le contrôle de faisceaux s'appuie, d'une part, sur l'utilisation adéquate d'éléments optiques réfractifs ou réflectifs conventionnels (lentilles, miroirs, prismes, etc.), et d’autre part, sur des composants micro-structurés, dont les propriétés sont basées davantage sur le contrôle des phénomènes d'interférence et de diffraction. Un substrat comportant plusieurs couches minces optiques constitue un bel exemple d'un tel composant, les nombreuses réflexions provoquées par les différentes couches interférant entre elles pour donner la réponse spectrale désirée. D'autres exemples moins conventionnels concernent les éléments diffractifs de relief dont la surface a été gravée d'une trame prédéterminée. De tels éléments peuvent présenter des fonctions similaires à certains éléments optiques traditionnels, mais peuvent tout aussi bien introduire des transformations n'ayant aucun équivalent en optique classique. Tel est le cas des hologrammes générés par ordinateur utilisés pour la division d'un seul faisceau incident en plusieurs faisceaux secondaires.
Nos technologies de fabrication
Voici quatre des grandes technologies de fabrication disponibles à l'INO : couches minces optiques (CMO), photolithographie, holographie, gravure. Elles sont mises en œuvre dans des salles blanches de classes 100 et 1000 en fonction du caractère critique de l'élément à fabriquer.
Couches minces optiques (CMO)
Les CMO représentent la toute première activité commerciale soutenue de l'INO et c’est par la vente de ses miroirs à réflectivité variable (MRV), utilisés pour l'amélioration de la qualité des faisceaux laser, que l'INO a acquis une notoriété internationale dans ce domaine. C’était en 1987. Depuis, d'autres composants ont été développés dont les masques de phase apodisés (MPA) pour la suppression des lobes secondaires des réseaux de Bragg, ainsi que divers filtres basés sur des empilements de couches minces diélectriques ou métalliques pour diverses applications, notamment en cryogénie et en astronomie. D’ailleurs à l'heure actuelle, nous travaillons activement, en collaboration avec la compagnie COM DEV, à l'élaboration d'un filtre sur mesure pour le télescope spatial JWST (James Webb Space Telescope). Ce télescope, dont le lancement est prévu en 2013, remplacera le télescope Hubble et constitue présentement l'un des projets les plus ambitieux à voir le jour à l'échelle internationale.
Un procédé qui repose sur deux technologies
Les procédés de dépôt de couches minces optiques de l'INO reposent sur deux technologies. La première, le placage ionique, utilise le plasma pour densifier les couches minces optiques sur les substrats et ainsi améliorer leurs propriétés mécaniques et optiques. Des revêtements denses affichent de bonnes résistances face aux égratignures, au décollement, aux environnements hostiles, en plus de pouvoir soutenir de très fortes puissances optiques. La deuxième technique, un système de déposition assistée par faisceau d’ions, est une technique d’évaporation physique en phase vapeur (PDV) secondée d’un canon d’ions permettant encore une fois la production de couches minces optiques très denses avec les avantages énumérés plus haut. Deux canons d’ions sont disponibles et utilisent de l’oxygène ou de l’argon comme gaz d’ionisation. Ni le placage ionique, ni la déposition assistée par faisceau d'ions n'introduit d'échauffement en température des substrats en cours de dépôt ce qui représente un avantage indéniable pour maintenir les stress aux niveaux les plus faibles.
Les matériaux de déposition utilisés couvrent une plage spectrale de l'UV (0,23 µm) jusqu'à l'infrarouge lointain (14 µm) et incluent les diélectriques à base d'oxyde, les métaux (Au, Ag, Al) et le silicium amorphe. Il est observé que les matériaux diélectriques produits par placage ionique affichent une excellente stabilité à des températures cryogéniques de 77° Kelvin, propriété essentielle aux applications de filtrage en astronomie. Enfin, des empilements à base de silicium amorphe et de SiO2 ont permis la réalisation d'un réflecteur uniforme à 90 % de réflexion sans saut de phase. C’est d’ailleurs grâce à ces réflecteurs utilisés dans une cavité Fabry-Pérot, que nous avons pu réaliser un filtre accordable sur une large plage spectrale à température cryogénique, lequel sert maintenant dans le projet du télescope spatial JWST, dont il a été question en début d’article.
Photolithographie
La photolithographie permet l'introduction d'une trame de relief sur la face d'un substrat, technique ayant été perfectionnée par l'industrie de la microélectronique. De façon simplifiée, le processus repose sur l'utilisation d'un photomasque, d'une source lumineuse ultraviolette (UV) et d'un milieu photosensible aux UV appelé photorésine. La photorésine est disposée sur le substrat à l'aide d'une tournette pour l'obtention d'une couche de l'ordre de 1 µm d'épaisseur. Quant au masque, il est constitué d'une plaque de verre recouverte d'une trame complexe de chrome transparente et opaque qui est amenée en contact avec la couche de photorésine. Après illumination UV et développement de la photorésine par un agent chimique adéquat, la trame du masque est ainsi transférée en relief dans la photorésine, c'est-à-dire que l'épaisseur de photorésine est modulée en deux niveaux conformément à la trame du masque. Ce processus n'endommage pas le masque de sorte que ce dernier peut être réutilisé à de nombreuses reprises pour la fabrication d'éléments identiques, à un coût raisonnable. La réalisation d'éléments de plus de deux niveaux est en principe possible par l'exécution de plusieurs photolithographies successives sur un même substrat, mais des difficultés d'ordre expérimental restreignent sévèrement la gamme des éléments réalisables.
Deux éléments clés sont à la base du processus photolithographique, soit la conception de la trame nécessaire à la réalisation de la fonction optique désirée, puis la fabrication du photomasque correspondant. La conception est principalement réalisée à l'aide d'une suite logicielle diversifiée et performante développée à l'INO. Quelques logiciels commerciaux sont également utilisés à l'appui. Les photomasques, quant à eux, ne sont pas fabriqués à l'INO. Ils sont générés par des firmes externes à l'aide de systèmes d'écriture par faisceau d'électrons. Ceux-ci offrent une très grande résolution au besoin (< 1 µm) et permettent la réalisation de trames quasi arbitraires, d'où la très grande versatilité de la photolithographie.
Les éléments réalisés par photolithographie sont souvent désignés par « éléments optiques diffractifs » ou « hologrammes générés par ordinateur ». Leurs comportements optiques sont généralement basés sur la diffraction, et non sur la réfraction/réflexion, comme en optique conventionnelle. Ils sont généralement utilisés pour la division d'un faisceau en plusieurs sous-faisceaux, ce qui trouve des applications principalement en vision numérique et en métrologie.
Holographie
La fabrication d'éléments par holographie partage certains points avec la photolithographie du fait que, dans les deux cas, un patron de relief est enregistré dans une couche de photorésine. Cependant, alors qu'un masque est utilisé en photolithographie, c'est le patron d'interférence provoqué par la superposition d'au moins deux faisceaux lasers cohérents qui est enregistré par holographie. Si les deux faisceaux lasers sont collimatés, le patron d'interférence est constitué de lignes parallèles équidistantes. En modifiant l'état de collimation de l'un ou des deux faisceaux, il est possible d'altérer le patron d'interférence pour obtenir des lignes d'espacement variable. On parle alors d'un glissement en fréquence du patron obtenu.
Photolithographie vs holographie
En comparaison avec la photolithographie, l'holographie est un processus d'enregistrement difficile. Nombre de précautions doivent être prises pour maintenir les parcours optiques stables à une fraction de microns en cours d'enregistrement. De plus, l'holographie est beaucoup moins versatile que la photolithographie dans la variété des patrons de relief réalisables et on pourrait se questionner sur la pertinence d'une telle activité. Cependant, l'holographie est reconnue pour permettre la réalisation de réseaux de très hautes fréquences spatiales (5000 lignes/mm) difficilement accessibles par photolithographie. De plus, les fréquences spatiales réalisables sont continues alors qu'elles ne sont que discrètes par photolithographie. Ces dernières caractéristiques se sont montrées déterminantes dans le succès des masques de phase holographiques développés conjointement avec StockerYale pour les applications de télécommunication.
Une autre réalisation reliée à l'enregistrement holographique concerne les échantillonneurs holographiques (HBS) développés en collaboration avec Gentec-EO. C'est la nature sinusoïdale intrinsèque du patron d'interférence à l'enregistrement qui est ici mise à profit, en plus des capacités de gravure de l'INO, pour produire ces éléments à seuils de dommage très élevés.
Gravure
La photorésine, bien qu'à la base des enregistrements photolithographique et holographique, n'affiche pas de bonnes résistances mécanique, chimique, thermique et optique. C'est pourquoi l'INO s'est doté de systèmes de gravure par ions réactifs (RIE) permettant le transfert des reliefs, initialement de photorésine, vers les substrats sous-jacents constitués d'un matériau optique de grande qualité. Les éléments gravés peuvent alors supporter de grands écarts de température ainsi que de grandes densités de puissance optique. Ils deviennent également faciles à nettoyer et aussi résistants aux agents mécaniques et chimiques, de même qu'aux rayons UV, que le matériau optique utilisé. Les masques de phase et les échantillonneurs holographiques en sont des exemples.
L'INO est présentement équipé de deux systèmes de gravure RIE pouvant accueillir des substrats jusqu'à 20 cm de diamètre. Ces systèmes et les recettes de gravure associées sont parfaitement adaptés au transfert de structures dans la silice fondue (SiO2), l'un des matériaux les plus intéressants pour les applications de l'UV au proche IR. Ces recettes permettent même d'introduire une déformation contrôlée du relief de photorésine lors de son transfert vers le substrat. Enfin, l'utilisation de certains gaz dans les systèmes RIE permet la gravure d'autres matériaux tels le séléniure de zinc (ZnSe) et le silicium (Si).
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