DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine général des dispositifs optiques de diffraction en réflexion d'un faisceau lumineux incident.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Dans toute la description qui va suivre, par convention, on utilise un repère orthonormé direct en coordonnées cartésiennes (X, Y, Z) tel que représenté sur la Figure 1. Les directions X et Y sont orientées suivant la longueur et la largueur du dispositif optique et la direction Z est orientée suivant son épaisseur.

Les réseaux de diffraction en réflexion sont utilisés pour obtenir un laser à impulsions brèves, c'est-à-dire des impulsions d'une durée de l'ordre de la picoseconde à la femtoseconde.

L'obtention de ce type d'impulsions présente un certain nombre de difficultés.

I l n'est notamment pas possible d'amplifier directement une impulsion sans générer des effets non-linéaires qui détériorent les caractéristiques temporelles et spatiales du faisceau et peuvent endommager les matériaux amplificateurs.

La méthode dite d'amplification à dérive de fréquences permet d'éviter cet inconvénient.

Cette méthode consiste dans un premier temps à étirer temporellement l'impulsion de manière à ce que la durée de l'impulsion soit augmentée et sa puissance diminuée. L'impulsion est ensuite amplifiée par propagation dans un matéria u amplificateur, comme par exemple un cristal de saphir dopé au titane (Ti ³⁺ :AI ₂ 0 ₃ ). Enfin, l'impulsion est comprimée temporellement de manière à retrouver sa durée initiale.

Les systèmes étireur et compresseur utilisés habituellement sont des dispositifs optiques comportant un réseau de diffraction disposé directement sur une structure réfléchissante comportant une pluralité de couches. L'utilisation de lasers de forte puissance de plus en plus performants conduit à considérer la tenue au flux laser comme une spécification incontournable des dispositifs optiques.

A titre d'exemple, le laser PetaWatt appelé PETAL délivre une impulsion de quelques kilojoules en une fraction de picoseconde, par exemple 500 fs, et présente une puissance de l'ordre de 10 ¹⁵ watt.

La tenue au flux laser d'un dispositif optique peut-être définie comme le seuil de résistance des matériaux composant le dispositif à une certaine densité d'énergie du laser. Une haute tenue au flux laser d'un dispositif optique dénote alors la propension de ce dispositif à ne pas subir d'effets irréversibles plus ou moins importants lorsque l'on augmente la densité d'énergie du laser jusqu'à des valeurs d'énergie élevées. Les effets irréversibles sont par exemple la fusion, la vaporisation, ou encore les décollements des couches du dispositif optique. Des craquelures, des brisures, des éclats, ou des cratères peuvent aussi apparaître dans les couches. Ces modifications des matériaux optiques qui composent le dispositif optique sont définies comme l'endommagement laser.

La structure réfléchissante est généralement réalisée par un empilement de couches minces mono-matériau diélectrique réalisées alternativement en un premier matériau diélectrique ayant un premier indice optique et en un second matériau diélectrique ayant un second indice optique différent du premier. L'épaisseur optique des couches de l'empilement est soit de l'ordre du quart ou de la moitié de la longueur d'onde, de manière à garantir une réflectivité maximale à la longueur d'onde de l'impulsion.

Par couche mince, on entend une couche optique dont l'épaisseur, qui est définie comme la dimension suivant le trajet optique, est faible par rapport à ses dimensions de longueur et de largueur. L'épaisseur est habituellement comprise entre quelques nanomètres à quelques centaines de nanomètres.

Le brevet US-5,907,436 décrit l'exemple d'un dispositif optique de diffraction en réflexion 1 comportant un réseau de diffraction 10 disposé directement sur une structure de réflexion 20 comprenant un empilement de couches minces mono-matériau tel que décrit plus haut. La Figure 1 représente, de manière schématique, un des modes de réalisation décrit dans le brevet US-5,907,436.

Plus précisément, la structure de réflexion 20 est une structure multicouche constituée par un empilement de couches minces 21, 22 ; chacune étant réalisée en un matériau diélectrique possédant un indice optique n _L et n _H respectivement, avec n _L <n _H . Ainsi, l'alternance régulière des couches permet d'obtenir un indice optique dont la valeur alterne entre n _L et n _H , le long de l'épaisseur de la structure réfléchissante 20. La variation de l'indice le long de l'épaisseur est calculée afin d'optimiser l'efficacité en réflexion au dispositif.

Un réseau de diffraction 10 est gravé dans une couche diélectrique 11, déposée sur la structure réfléchissante 20. Plus précisément, la structure réfléchissante 20 est déposée sur un substrat 30. Enfin, un arrangement périodique de motifs 12 est gravé sur la couche diélectrique 11.

L'avantage d'une telle structure de réflexion multicouche est de pouvoir obtenir in fine, en combinaison avec un réseau de diffraction disposé à sa surface, un dispositif de diffraction en réflexion ayant une efficacité et une bande passante réglables. En effet, il est aisé de prédéfinir la configuration de la structure multicouche pour une application optique donnée en modifiant l'épaisseur, les matériaux ou le nombre des couches minces.

En contrepartie, un nombre important de couches minces empilées les unes sur les autres amène nécessairement des contraintes mécaniques élevées au niveau des interfaces entre deux couches minces de l'empilement. Les contraintes mécaniques sont notamment une conséquence de la nature physique différente des matériaux déposés alternativement. Si ces contraintes sont trop importantes, elles peuvent aboutir à la rupture mécanique du dispositif (faïençage) lors de son fonctionnement sous vide.

En outre, un empilement de couches minces ainsi gravé contribue à diminuer la tenue au flux laser et donc à diminuer le seuil d'endommagement global d'un système optique.

Les recherches menées sur la tenue au flux laser des dispositifs optiques, telles que détaillées dans l'article de Neauport et al., intitulé « Effect of electric field on laser induced damage threshold of multilayer dielectric gratings », 2007, Opt. Express, Vol.15, No.19, 12508, montrent que le seuil d'endommagement en impulsion courte d'un dispositif optique est relié au carré du module du champ électrique dans ledit dispositif. On comprend alors que la présence de nombreuses interfaces dans la structure réfléchissante peut conduire à une diminution importante du seuil d'endommagement du dispositif optique.

Différentes solutions ont été proposées pour diminuer les contraintes et diminuer le module du champ électrique dans la structure réfléchissante.

Une première solution consiste à limiter le nombre de couches minces dans l'empilement, par conséquent le nombre d'interfaces. A cette fin, on cherche à concevoir une alternance de couches minces réalisées dans des matériaux diélectriques présentant un écart important d'indice optique afin de maximiser la réflexion dans la structure multicouche.

Cependant, comme le montre l'article de Mero et al., intitulé « Scaling laws of femtosecond laser puise induced breakdown in oxide films », 2005, Phys. Rev. B, 71, 115109, les seuils d'endommagement les plus élevés sont obtenus pour les matériaux diélectriques ayant les indices optiques les plus faibles.

Cette solution est donc peu avantageuse, car l'augmentation du seuil globa l d'endommagement du dispositif de diffraction en réflexion obtenue par la diminution du nombre de couches est donc contrebalancée par la présence de matériaux diélectriques ayant un indice optique élevé.

Une autre solution, qui fait actuellement l'objet de nombreuses recherches, consiste à utiliser des couches à gradation d'indice. Ces couches, dites couches de mélange à gradation d'indice, sont réalisées par un mélange inhomogène de matériaux d'indices optiques différents.

Par inhomogène, on entend que la proportion des composants chimiques qui constituent la couche n'est pas la même en tout point de la couche suivant son épaisseur.

Par gradation d'indice, on entend que la composition du mélange varie continûment suivant son épaisseur. Par couche de mélange, on entend une couche comprenant ou formée de l'association locale d'au moins deux matériaux diélectriques, sans réaction chimique entre lesdits matériaux.

Une couche de mélange présente un indice optique et un seuil d'endommagement intermédiaires entre ceux des matériaux diélectriques compris dans ladite couche.

On peut alors prédéfinir les proportions des matériaux dans le mélange afin de limiter les inhomogénéités de matériaux aux interfaces entre les couches. Cela revient à faire varier l'indice optique de façon continue et régulière et non plus de façon brusque lors de la transition entre deux couches homogènes réalisées en des matériaux différents.

Il est alors possible de supprimer les interfaces en concevant la structure réfléchissante sous la forme d'une seule couche de mélange dont la proportion en matériaux varie de manière continue suivant son épaisseur.

En procédant ainsi pour l'une ou pour la totalité des couches de l'empilement de la structure diélectrique, il devient alors possible de limiter les variations de champ électrique dans la structure réfléchissante.

De récentes études, comme celle décrite dans l'article de Jupé et al., intitulé « Laser Induced Damage in Graduai Index Loyers and Rugate Filters», 2006, SPIE Digital Library, ont avancé certains résultats prometteurs dans l'augmentation du seuil d'endommagement grâce à de telles structures.

Cependant, l'une des principales difficultés de réalisation de telles structures réside dans le fait que l'indice optique de la structure réfléchissante doit varier régulièrement de manière à garantir une réflectivité maximale à la longueur d'onde de l'impulsion. Cela implique que la proportion en matériaux du mélange à une première épaisseur de la structure réfléchissante soit la même à une seconde épaisseur, espacée d'une distance de l'ordre du quart ou de la moitié de la longueur d'onde de la première épaisseur.

Malgré la précision apportée par certaines techniques de dépôt comme la pulvérisation réactive ou le dépôt assisté par faisceau d'ions, la réalisation pratique de telles structures est actuellement mal maîtrisée. Au vu des problèmes rencontrés dans les solutions détaillées ci-dessus, l'objectif de la présente invention est de proposer un dispositif optique de diffraction en réflexion à haute efficacité de diffraction et à haute tenue au flux laser et qui soit facilement réalisable. EXPOSÉ DE L'INVENTION

Cet objectif est atteint par un dispositif optique de diffraction en réflexion d'un faisceau lumineux incident. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, celui-ci est caractérisé en ce qu'il comprend un résea u de diffraction composé d'une couche diélectrique da ns laquelle est gravé un arrangement périodique de motifs, ladite couche diélectrique étant déposée sur une structure de protection elle-même déposée sur une couche mince diélectrique réalisée en un premier matériau diélectrique d'une structure réfléchissante comprenant un empilement de couches minces diélectriques alternativement réalisées en un premier matériau et en un second matéria u diélectriques, ledit premier matériau ayant un indice optique inférieur à celui dudit second matériau, ladite structure de protection comprenant au moins une première couche de mélange réalisée par un mélange homogène desdits premier et second matériaux diélectriques, l'indice optique de ladite première couche de mélange étant supérieur à celui dudit premier matériau diélectrique.

En variante du premier mode de réalisation, le dispositif optique de diffraction en réflexion d'un faisceau lumineux incident est caractérisé en ce que ladite structure de protection comprend ladite première couche de mélange déposée sur une couche intermédiaire diélectrique réalisée en ledit premier matériau diélectrique, ladite couche intermédiaire diélectrique étant déposée sur une seconde couche de mélange réalisée par un mélange homogène desdits premier et second matériaux diélectriques, l'indice optique de ladite seconde couche de mélange étant supérieur à celui dudit premier matériau diélectrique.

Selon un second mode de réalisation, le dispositif optique de diffraction en réflexion d'un faisceau lumineux incident est caractérisé en ce qu'il comprend une structure de protection déposée sur une couche mince diélectrique réalisée en un premier matériau diélectrique d'une structure réfléchissante comprenant un empilement de couches minces diélectriques alternativement réalisées en un premier matériau et en un second matériau diélectriques, ledit premier matériau diélectrique ayant un indice optique inférieur à celui dudit second matériau diélectrique,

ladite structure de protection comprenant au moins une première couche de mélange réalisée par un mélange homogène desdits premier et second matériaux diélectriques, l'indice optique de ladite première couche de mélange étant supérieur à celui dudit premier matériau diélectrique, un arrangement périodique de motifs étant gravé à la surface libre de ladite structure de protection afin de former un réseau de diffraction.

En variante du second mode de réalisation, le dispositif optique de diffraction en réflexion d'un faisceau lumineux incident est caractérisé en ce que ladite structure de protection comprend ladite première couche de mélange déposée sur une couche intermédiaire diélectrique réalisée en ledit premier matériau diélectrique, ladite couche intermédiaire diélectrique réalisée en ledit premier matériau diélectrique étant déposée sur une seconde couche de mélange (143) réalisée par un mélange homogène desdits premier et second matériaux diélectriques, ledit arrangement périodique de motifs étant gravé à la surface libre de ladite première couche de mélange, l'indice optique de ladite seconde couche de mélange étant supérieur à celui dudit premier matériau diélectrique.

Avantageusement, le premier matériau diélectrique est du Si0 ₂ , et le second matériau diélectrique est du Hf0 ₂ .

De préférence, la première couche de mélange (141,141') contient au moins 5% de Si0 ₂ . De même, la seconde couche de mélange contient préférentiellement au moins 5% de Si0 ₂ .

Le dispositif optique de diffraction en réflexion d'un faisceau lumineux incident peut comprendre un substrat sur lequel repose ladite structure réfléchissante.

Ce substrat peut être métallique. En variante, le dispositif selon l'invention comprend une couche d'un matériau métallique, disposée entre ladite structure réfléchissante et ledit substrat. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

On décrira à présent, à titre d'exemples non limitatifs, des modes de réalisation de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :

La Figure 1 est une vue schématique d'un dispositif optique de diffraction en réflexion selon un exemple de l'art antérieur ;

La Figure 2 est une vue schématique en coupe transversale d'un dispositif optique de diffraction en réflexion selon un premier mode de réalisation de l'invention ;

La Figure 3 est une vue schématique en coupe transversale d'un dispositif optique de diffraction en réflexion selon une variante du premier mode de réalisation de l'invention ;

La Figure 4 est une vue schématique en coupe transversale d'un dispositif optique de diffraction en réflexion selon un second mode de réalisation de l'invention ;

La Figure 5 est une vue schématique en coupe transversale d'un dispositif optique de diffraction en réflexion selon une variante du second mode de réalisation de l'invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PRÉFÉRÉ

L'idée à la base de l'invention est d'intégrer, dans un dispositif optique de diffraction en réflexion comprenant un réseau de diffraction et une structure réfléchissante, une structure de protection qui permette d'augmenter le seuil global d'endommagement du dispositif optique.

Un dispositif optique de diffraction en réflexion comportant une telle structure de protection a une haute efficacité de diffraction et une haute tenue au flux laser. Par ailleurs, la structure de protection est conçue de telle sorte qu'elle soit facilement déposable sur la structure réfléchissante multicouche.

Plus précisément, le dispositif optique de diffraction comprend successivement suivant le sens du trajet d'un faisceau lumineux incident pénétrant dans le dispositif:

un réseau de diffraction,

une structure de protection,

une structure réfléchissante. Le réseau de diffraction peut-être réalisé de deux façons différentes. Il peut être gravé sur une couche diélectrique déposée directement sur la structure de protection, ou alors être gravé directement sur la structure de protection. Ces deux options constituent les deux modes de réalisation de l'invention qui seront décrits en relation avec les Figures 2 à 5.

A des fins de concision, la suite de la description ne décrit que les caractéristiques techniques communes aux différents modes de réalisation de l'invention.

La structure réfléchissante est formée d'un empilement de couches minces diélectriques mono-matériau alternativement réalisées en un premier matériau et en un second matériau diélectriques. Les couches mono-matériau de la structure de réflexion ont toutes sensiblement la même épaisseur.

Cette épaisseur est faible par rapport aux dimensions de longueur et de largueur des couches, de l'ordre de quelques nanomètres à quelques centaines de nanomètres.

L'épaisseur optique des couches minces diélectriques mono-matériau est de l'ordre du quart, voire de la moitié, de la longueur d'onde du faisceau lumineux incident de manière à garantir une réflectivité maximale à la longueur d'onde de l'impulsion.

Le premier et le second matériaux diélectriques sont choisis différents de sorte qu'ils présentent des indices optiques et des seuils d'endommagement différents les uns des autres.

Le premier matériau diélectrique est un matériau qui a un indice optique inférieur à celui du second matériau diélectrique. L'écart d'indice optique entre les deux matériaux sera choisi important pour minimiser le nombre de couches minces, et donc diminuer le nombre d'interfaces dans la structure réfléchissante.

Les couches minces mono-matériau en premier et en second matériaux diélectriques de la structure réfléchissante peuvent être réalisées par des techniques connues de dépôt physique en phase vapeur, telles que, par exemple, la pulvérisation cathodique (sputtering, en anglais), la pulvérisation par faisceau d'ion IBS (Ion Beam Sputtering), l'évaporation, ou le dépôt physique en phase vapeur à faisceau d'électrons EBPVD (électron beam physical vapour déposition, en anglais). Les techniques connues de dépôt chimique en phase vapeur, telles que, par exemple, le dépôt en couche atomique ALD (atomic layer déposition, en anglais) peuvent également être utilisées, ainsi que les techniques connues dites hybrides, telles que, par exemple, la pulvérisation réactive et le dépôt assisté par faisceau d'ions (IBAD pour ion beam assisted déposition, en anglais). La technique connue du dépôt sol-gel peut également être utilisée.

La structure de protection, quant à elle, peut comprendre une pluralité de couches minces ou une unique couche mince. Dans tous les cas, elle comprend au moins une couche de mélange réalisée par un mélange homogène des premier et second matériaux diélectriques utilisés comme matériaux pour les couches minces monomatériau de la structure réfléchissante.

La structure de protection est telle que sa première couche atteinte par un faisceau lumineux incident est une couche de mélange. Par conséquent, selon les modes de réalisation de l'invention, le réseau diélectrique est soit gravé directement sur une couche de mélange de la structure de protection, soit gravé sur une couche diélectrique déposée directement sur une couche de mélange de la structure de protection.

Les procédés de dépôt utilisés pour la réalisation de la ou des couches de mélange de la structure de protection sont mis en œuvre de sorte que le mélange dans ces couches soit homogène. La réalisation d'une couche de mélange homogène est une technique qui est actuellement parfaitement maîtrisée.

Afin de préciser ce que l'on entend par couche de mélange homogène, on rappelle que les concentrations du premier matériau diélectrique et du second matériau diélectrique sont uniformes en tout point de la couche de mélange. Dès lors, la couche de mélange présente un indice optique et un seuil d'endommagement intermédiaires entre ceux des premier et second matériaux diélectriques, constants en tout point de la couche de mélange.

L'indice optique de la couche de mélange est alors obtenu comme une combinaison linéaire des indices optiques des matériaux du mélange, pondérés par leurs proportions relatives. Le seuil d'endommagement de la couche de mélange pour une certaine proportion de matériaux, est quant à lui obtenu par des mesures expérimentales. Sa valeur dépend en effet de phénomènes électriques complexes, notamment des interactions au niveau des bandes électroniques entre les atomes des matériaux constituant le mélange.

Il est alors possible, à partir de mesures effectuées dans des conditions précises, de définir une table de correspondance entre des proportions de matériaux dans le mélange et les seuils d'endommagement de la couche de mélange mesurés pour ces proportions.

Chaque couche de mélange de la structure de protection est déposée, de préférence, par Ion Beam Sputtering (IBS) à partir d'au moins deux cibles, une pour chacun desdits matériaux diélectriques formant la couche de mélange. Ces matériaux sont pulvérisés simultanément mais avec des taux de pulvérisation propres à chacun desdits matériaux, le taux de pulvérisation de chaque source de matériau diélectrique étant constant au cours du temps afin d'obtenir un mélange homogène.

Il est à noter que les techniques de dépôt mentionnées précédemment en référence aux couches minces mono-matériau peuvent également être utilisées.

Des exemples de réalisation de couches de mélange 22 peuvent être trouvés dans l'ouvrage de MacLeod intitulé « Thin-Film Optical Filters », 2001, Edition Taylor & Francis, au chapitre neuf « Production methods and thin-film materials ».

Avec de tels procédés de dépôt, on comprend qu'il soit aisé de définir la proportion de chacun des matériaux constituant une couche de mélange afin de l'adapter à une application particulière, et notamment aux divers modes de réalisation de l'invention décrits plus loin.

Les proportions de premier matériau diélectrique et de second matériau diélectrique peuvent donc être définies de sorte à obtenir un certain seuil d'endommagement et un indice optique précis.

Afin de garantir une efficacité optimale en réflexion, les couches minces de la structure de protection et de la structure de réflexion sont agencées et configurées de sorte que deux couches minces consécutives, le long de l'épaisseur de la structure réfléchissante 20, aient un indice optique différent. La variation de l'indice optique est calculée afin d'optimiser l'efficacité en réflexion au dispositif.

On comprend alors que les proportions des matériaux d'une couche de mélange homogène de la structure de protection sont définies de sorte à obtenir une couche de mélange homogène ayant une valeur d'indice optique différente de celle de la couche mince mono-matériau sur laquelle elle est déposée.

Ainsi lorsqu'une couche de mélange homogène de la structure de protection est déposée sur une couche mince mono-matériau réalisée en un premier matériau diélectrique, alors les proportions des matériaux de la couche de mélange sont définies de telle sorte que l'indice optique de la couche de mélange soit supérieur à celui du premier matériau diélectrique. La couche de mélange possède alors un seuil d'endommagement supérieur aux couches minces mono-matériau réalisées en un second matériau diélectrique et l'alternance de la valeur de l'indice optique entre chaque couche est respectée, conférant de ce fait une efficacité optimale en réflexion au dispositif. Une telle couche de mélange est une couche à haute tenue au flux laser.

Avantageusement, les couches minces de la structure de protection, en particulier la couche supérieure de la structure de protection lorsqu'elle n'est pas gravée pour former un réseau de diffraction, et les couches minces de la structure réfléchissante ont sensiblement la même épaisseur. Préférentiellement, leur épaisseur optique est de l'ordre du quart ou de la moitié de la longueur d'onde, de manière à garantir une réflectivité maximale à la longueur d'onde de l'impulsion.

Les couches minces de la structure de protection, en particulier la couche supérieure de la structure de protection lorsqu'elle n'est pas gravée pour former un réseau de diffraction, et les couches minces de la structure réfléchissante, forment une structure à haute efficacité en réflexion et à haute tenue au flux laser.

On comprend alors, que lorsqu'un réseau de diffraction est monté sur une telle structure, on obtient un dispositif optique de diffraction en réflexion à haute efficacité en diffraction et à haute tenue au flux laser.

Les premiers et second matériaux diélectriques sont choisis à partir d'oxydes tels que du Si0 ₂ , Hf0 ₂ , Ti0 ₂ , Al ₂ 0 ₃ , Nb ₂ 0 ₃ , Ta ₂ 0 ₄ _ ₅ , Sc ₂ 0 ₃ , Zr0 ₂ , à partir de fluorures tels que du PbF ₂ , CeF ₂ , LaF ₃ , ThF ₄ , YF ₃ , MgF ₂ , Na ₃ AIF ₆ , CaF ₂ , BaF ₂ , à partir de sulfures tels que du ZnS, voire de séléniures tels que du ZnSe.

De préférence, le premier matériau sera du Si0 ₂ et le second matériau sera du

Hf0 ₂ .

En effet, au regard de leurs indices optiques, les matériaux Si0 ₂ et le Hf0 ₂ ont des tenues au flux parmi les plus élevées de la littérature, comme le montre à titre indicatif le tableau 1 suivant. Le tableau 1 donne l'indice optique n et le seuil d'endommagement F d'une couche mince mono-matériau soumise à une impulsion laser de longueur d'onde 800nm, d'une durée de 500fs et à incidence 0°, pour quelques exemples d'oxydes diélectriques.

Tableau 1

avec n l'indice optique et F le seuil d'endommagement en J/cm ² . Pour un premier matériau en Si0 ₂ et un second matériau en Hf0 ₂ , le tableau 2 suivant montre des caractéristiques de couches de mélange mesurées pour différentes proportions de matériaux.

% Hf0 ₂ % Si0 ₂ n F (J/cm ² )

100 0 2,03 2,66

87 13 1,96 2,73

79 21 1,92 2,81

60 40 1,81 3,11

44 56 1,72 3,34

29 71 1,64 3,77

23 77 1,6 3,91

10 90 1,53 4,3

3 97 1,49 4,62

0 100 1,47 5,02

Tableau 2

Le seuil d'endommagement F de la couche de mélange homogène pour les différentes proportions de matériaux a été mesuré selon la norme NF EN ISO 11254-1 pour une impulsion laser de longueur d'onde de 1030 nm, d'une durée de 500 fs, et pour un angle d'incidence de 0°.

La structure réfléchissante peut reposer sur un substrat formant support. Le substrat peut être réalisé en un matériau réfléchissant ou transparent à la longueur d'onde du faisceau lumineux incident. Le substrat peut être par exemple réalisé en verre, en un matériau semi-conducteur, en verre de silice, en saphir ou en céramique.

Le substrat peut également être recouvert d'une couche métallique, par exemple en or, dans le but d'augmenter encore le taux de réflexion du dispositif optique. Plus précisément, une couche métallique peut être comprise entre le substrat et la structure réfléchissante.

Dans une variante de réalisation du dispositif selon l'invention, le substrat est métallique.

Les deux modes de réalisation de l'invention vont être décrits en relation avec les Figures 2 à 5. On considérera dans la suite de la description, que le premier matériau est du Si0 ₂ et que le second matériau diélectrique est du Hf0 ₂ . Ce choix des premier et second matériaux diélectriques n'est pas limitatif et les conclusions établies dans la suite de la description seraient valables pour d'autres premier et second matériaux diélectriques tels que définis précédemment.

Dans les Figures 2 à 5, le substrat sur lequel est déposée la structure réfléchissante est noté 130.

La Figure 2 représente le dispositif optique de diffraction en réflexion 100 selon un premier mode de réalisation de l'invention.

Plus précisément, le réseau de diffraction 110 se compose d'une couche diélectrique 111 dans laquelle est gravé un arrangement périodique de motifs 112. Cette couche diélectrique 111 est déposée sur une couche de mélange 141 de la structure de protection 140, par exemple par des techniques de dépôt relatives aux couches minces mono-matériau de la structure réfléchissante.

La couche diélectrique gravée 111 est une couche homogène réalisée en un mono-matériau. La couche diélectrique gravée 111, qui est alors la première couche du dispositif atteinte par un rayon incident, est réalisée en un matériau possédant un seuil d'endommagement élevé afin d'éviter sa détérioration par des impulsions laser. Avantageusement, la couche diélectrique gravée 111 est réalisée en Si0 ₂ .

L'arrangement périodique 112 de motifs peut être une succession de rayures ou de traits de période a et d'épaisseur h.

Par motifs périodiques, on entend une variation spatiale suivant la direction Z et périodique dans le plan (X,Y) d'une surface destinée à recevoir le faisceau incident.

Les motifs 112 représentés sur les Figures 2 à 5 sont trapézoïdaux. La largeur des sillons, définie à mi-hauteur, est notée c, la base des trapèzes forme des angles notés a et β avec le plan (X,Y) et l'épaisseur de la couche diélectrique non gravée du réseau diélectrique est notée e.

Les motifs 112 périodiques sont gravés dans la couche diélectrique gravée 111 selon des procédés connus d'holographie et/ou de décapage ionique, voire de gravure par diamant. On peut également utiliser un procédé de dépôt à travers un masque présentant les motifs périodiques voulus.

Dans ce premier mode de réalisation, la structure de protection 140 ne comporte qu'une couche, à savoir une couche de mélange homogène 141. Celle-ci a sensiblement la même épaisseur que les couches minces mono-matériau 121, 122 de la structure réfléchissante 120.

La couche de mélange homogène 141 est déposée, par l'une des techniques de dépôt décrites précédemment, sur une couche mince mono-matériau réalisée en Si0 ₂ .

Afin de maximiser l'efficacité en réflexion, et donc de respecter l'alternance régulière de la valeur de l'indice optique à chaque transition de couche, la couche de mélange 141 a un indice optique supérieur à celui d'une couche mono-matériau 121 en Si0 ₂ . De préférence, la couche de mélange 141 est réalisée de sorte que le mélange comprenne une proportion de Si0 ₂ au moins égale à 5%, et par conséquent une proportion de Hf0 ₂ au plus supérieure à 95%.

Un exemple de ce premier mode de réalisation va être maintenant décrit.

Le réseau de diffraction 110 comprend une couche diélectrique 111 monomatériau en Si0 ₂ sur laquelle sont présents des motifs 112 trapézoïdaux arrangés de manière périodique.

Les motifs 112 présentent une épaisseur de 390nm et des angles α=β=83°. Le pas du réseau est de 1780 motifs par millimètre.

L'épaisseur E des parties non gravées de la couche diélectrique 111 est de 600nm. L'indice optique de cette couche est de 1,50.

La couche de mélange 141 directement en contact avec la structure réfléchissante 120 présente une épaisseur de 255 nm. La couche de mélange 141 est composée d'un mélange homogène de 23% de Hf0 ₂ et de 77% de Si0 ₂ . Elle présente un indice optique de 1,6 sensiblement constant en tout point de ladite couche.

Chacune desdites couches minces mono-matériau 121 en Si0 ₂ présente une épaisseur de 155nm. L'indice optique du Si0 ₂ est de 1,50.

Les couches minces mono-matériau 122 en Hf0 ₂ présentent une épaisseur de

255nm. L'indice optique du Hf0 ₂ est 2,09.

La structure réfléchissante 120 disposée entre la couche de mélange 141 et le substrat 30 comprend une première couche mince 121 en Si0 ₂ , en contact avec la couche de mélange 141, suivie de deux paires de couches minces Hf0 ₂ / Si0 ₂ . La structure réfléchissante 20 comprend enfin une fine couche d'or (non représentée) et repose sur un substrat 30.

Les couches minces diélectriques 121, 122, 141 du dispositif optique 100 présentent les seuils d'endommagement suivants, vis-à-vis d'une impulsion laser de longueur d'onde 1053nm et d'une durée de 500fs, en polarisation TE, et d'angle d'incidence 0° : 5,02 J/cm ² pour la couche mince mono-matériau 121 en Si0 ₂ , 2,66 J/cm ² pour la couche mince mono-matériau 122 en Hf0 ₂ et 3,91 J/cm ² pour la couche de mélange 141. Il est à noter que ces seuils d'endommagement sont mesurés selon la norme NF EN ISO 11254-1.

Un tel dispositif optique 100 présente une efficacité de diffraction dans l'ordre -1 sensiblement égale à 99%.

Il est ainsi à noter que la couche de mélange 141 présente un indice optique (n _M = 1,6) proche de celui d'une couche mono-matériau en Al ₂ 0 ₃ (n _A i ₂ 03 = 1,65), mais un seuil d'endommagement plus élevé (F _M ~ 3,91 J/cm ² contre F _A | ₂ 03 ~ 3,1 J/cm ² ).

Le dispositif optique 100 selon cet exemple de réalisation présente alors un seuil global d'endommagement particulièrement élevé, et peut permettre de limiter le nombre nécessaire de couches minces diélectriques.

Une première variante de ce premier mode de réalisation est illustrée en

Figure 3.

Selon cette variante, la structure de protection 140 comprend une seconde couche de mélange 143 déposée sur une couche 121 en Si0 ₂ de la structure réfléchissante 120. Une couche mince intermédiaire diélectrique 142 réalisée en Si0 ₂ est déposée sur la seconde couche de mélange 143. Enfin, une première couche de mélange 141 est déposée sur cette couche diélectrique intermédiaire 142. La couche diélectrique intermédiaire 142 est par exemple formée par les techniques de dépôts utilisées pour les couches minces de la structure réfléchissante 120.

Afin de maximiser l'efficacité en réflexion, et donc de respecter l'alternance régulière de la valeur de l'indice optique à chaque transition de couche, la couche de mélange 141 et la couche de mélange 143 ont un indice optique supérieur à celui d'une couche mono-matériau 121 en Si0 ₂ . De préférence, la couche de mélange 141 et la couche de mélange 143 sont réalisées de sorte que le mélange comprenne une proportion de Si0 ₂ au moins égale à 5%, et par conséquent une proportion de Hf0 ₂ au plus supérieure à 95%.

Par exemple, la couche de mélange 141 peut être composée d'un mélange homogène de 23% de Hf0 ₂ et de 77% de Si0 ₂ et présenter un indice optique de n _M i ~ 1,6 sensiblement constant en tout point de ladite couche, et une épaisseur de 255nm.

La couche de mélange 143 peut être composée d'un mélange homogène de 60% de Hf0 ₂ et de 40% de Si0 ₂ , et présenter un indice optique de n _M2 ~ 1,81 sensiblement constant en tout point de ladite couche, et une épaisseur de 255nm.

Dans ce cas, les couches de mélanges 141 et 143 présentent les seuils d'endommagement suivants, vis-à-vis d'une impulsion laser de longueur d'onde 1053nm et d'une durée de 500fs, en polarisation TE, et d'angle d'incidence 0° : 3,91 J/cm ² pour la couche de mélange 141 et 3,11 J/cm ² pour la couche de mélange 143. Il est à noter que ces seuils d'endommagement sont mesurés selon la norme NF EN ISO 11254-1.

Les couches de mélange 141, 143 présentent donc à la fois des indices optiques adéquats et des seuils d'endommagement élevés. Les seuils élevés des couches de mélanges confèrent ainsi au dispositif optique 100 selon cette variante du premier mode de réalisation, un seuil global d'endommagement particulièrement important. Selon cette variante du premier mode de réalisation, la protection au flux laser apportée par la structure de protection 140 est à la fois améliorée par la présence des deux couches de mélange 141,143 présentant un seuil d'endommagement élevé et un indice optique dit haut, mais aussi par la présence de la couche mince intermédiaire diélectrique 142 réalisée, en Si0 ₂ , intercalée entre les deux couches de mélange.

Par ailleurs, on comprend que selon la variante qui vient d'être décrite, la structure de protection 140 puisse comprendre une pluralité de couches de mélanges, une couche intermédiaire mono-matériau en Si0 ₂ étant intercalée entre deux couches de mélanges homogènes.

La Figure 4 représente le dispositif optique de diffraction en réflexion 100 selon le second mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, le réseau de diffraction 110 est intégré à la structure de protection 140. Plus précisément, un arrangement périodique de motifs 112 est gravé dans la couche de mélange 14 qui est la première couche de la structure de protection atteinte par un rayon lumineux incident.

Ce mode de réalisation exploite pleinement l'utilisation d'une couche de mélange 141' de la structure de protection 140, qui possède une haute tenue au flux laser.

L'arrangement de motifs est tel que décrit précédemment en relation avec la

Figure 2.

L'avantage de ce mode de réalisation par rapport au premier mode de réalisation, est d'éliminer l'interface entre une couche diélectrique en Si0 ₂ dans laquelle est gravé un réseau de diffraction et la structure de protection, d'autant que le module du champ électrique est généralement élevé à l'interface entre une couche diélectrique gravée et une couche mince directement sous-jacente à cette couche.

En conséquence, le seuil d'endommagement global du dispositif 100 s'en trouve donc amélioré et le profil spatial de l'impulsion est moins dégradé puisque il y a moins de contraintes qui conduisent à la déformation de la surface du réseau de diffraction.

La couche de mélange 14 de la structure de protection 140 dans laquelle est gravé le réseau de diffraction 110 est déposée sur une couche mince mono-matériau en Si0 ₂ de la structure réfléchissante 120.

Afin de maximiser l'efficacité en réflexion, la couche de mélange 14 a un indice optique supérieur à celui d'une couche mono-matériau 121 en Si0 ₂ .

De préférence, la couche de mélange 141 est réalisée de sorte que le mélange comprenne une proportion de Si0 ₂ au moins égale à 5%, et par conséquent une proportion de Hf0 ₂ au plus supérieure à 95%.

Une variante de ce second mode de réalisation est illustrée en Figure 5.

Selon cette variante, la structure de protection 140 comprend en sus de la couche de mélange gravée 14 pour former un réseau de diffraction 110, une couche mince intermédiaire diélectrique 142 réalisée en Si0 ₂ et une seconde couche de mélange 143 réalisée par un mélange homogène desdits premier et second matériaux diélectriques. La couche intermédiaire 142 diélectrique est intercalée entre la première 141' et la seconde couches 143 de mélange et la seconde couche de mélange 143 est déposée sur une couche mince 121 en Si0 ₂ de la structure réfléchissante 120.

De préférence, les couches mono-matériau 121,122 de la structure réfléchissante 120 et les couches qui composent la structure de protection 142,143, hormis la première couche de mélange gravée 14 , ont toutes sensiblement la même épaisseur.

Afin de maximiser l'efficacité en réflexion, la couche de mélange 141' et la couche de mélange 143 ont un indice optique supérieur à celui d'une couche mono-matériau 121 en Si0 ₂ .

De préférence, le mélange dans les couches 141' et 143 comprend une proportion de Si0 ₂ au moins égale à 5%, et par conséquent une proportion de Hf0 ₂ au plus supérieure à 95%.

On comprend que selon cette variante du second mode de réalisation, la protection au flux laser offerte par la structure de protection 140 selon l'invention est à la fois améliorée par la présence d'une seconde couche de mélange 143 présentant un seuil d'endommagement élevé et un indice optique dit haut, mais aussi par la présence de la couche mince intermédiaire diélectrique 142.

Les variantes du premier mode et du second mode de réalisation de l'invention n'ont été décrites que dans le cas où la structure de protection comporte deux couches de mélange. Il va de soi qu'il est envisageable que la structure de protection comporte une pluralité de couches de mélange et par conséquent, de couches intermédiaires supplémentaires.

On peut également prévoir, sans sortir du cadre de l'invention, que la proportion du second matériau diélectrique dans les couches de mélange soit strictement supérieure à celle du premier matériau diélectrique. De cette façon, les couches de mélange ont un indice optique proche de celui d'une couche mono-matériau en Hf0 ₂ mais avec un seuil d'endommagement bien plus élevé.