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Un Guide des Types et Sélections de Revêtements de Filtres

I. Types et Fonctions de Revêtements Principaux
La diversité fonctionnelle des filtres provient principalement des combinaisons de différentes couches de revêtement dans leur conception :

1. 1. Revêtement Anti-Reflet (AR) :

   • Fonction : L'objectif principal est de réduire les pertes par réflexion sur les surfaces optiques pour des longueurs d'onde ou des bandes spécifiques, améliorant considérablement la transmission. C'est le revêtement de base le plus largement utilisé.

   • Principe : Utilise l'annulation des interférences de films simples ou multicouches pour que les ondes lumineuses réfléchies s'annulent.

   • Application : Présent sur les surfaces de presque tous les composants optiques de haute qualité (lentilles, prismes, fenêtres, protecteurs de capteurs). Les revêtements AR monocouches (par exemple, MgF₂) sont courants pour les longueurs d'onde visibles centrales, tandis que les revêtements AR à large bande (par exemple, AR multicouche à large bande) couvrent des spectres plus larges (par exemple, l'ensemble du visible ou du proche infrarouge). Les spécifications clés incluent la réflectivité minimale, la largeur de bande de fonctionnement, la tolérance à l'angle d'incidence et la durabilité environnementale.

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2. 2. Revêtement Coupe-Bande :

   • Fonction : Forme la couche fonctionnelle principale pour la « coupe » spectrale :

     • Filtre passe-court : Transmet la lumière plus courte qu'une longueur d'onde de coupure spécifique, réfléchissant/absorbant les longueurs d'onde plus longues.

     • Filtre passe-long : Transmet la lumière plus longue qu'une longueur d'onde de coupure spécifique, réfléchissant/absorbant les longueurs d'onde plus courtes.

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3. 3. Revêtement Passe-Bande : Permet à une plage de longueurs d'onde spécifique (bande passante) de se transmettre tout en réfléchissant/absorbant fortement la lumière des deux côtés.

4. 4. Revêtement Notch : Réfléchit/absorbe fortement une plage de longueurs d'onde spécifique très étroite/large (longueur d'onde notch) tout en transmettant les autres.

   • Principe : Utilise des empilements multicouches méticuleusement conçus de matériaux à indice de réfraction élevé/faible alternés (par exemple, TiO₂/SiO₂, Ta₂O₅/SiO₂, Nb₂O₅/SiO₂) pour créer une réflectivité élevée (coupure) dans des régions spécifiques via l'interférence.

   • Application : Noyau absolu de divers filtres fonctionnels (filtres de fluorescence, lunettes de protection laser, roues chromatiques, composants de spectromètre, biodétection, vision industrielle). Les spécifications sont strictes : longueur d'onde centrale, longueur d'onde de coupure, largeur de bande passante, transmission moyenne de la bande passante, profondeur de coupure, largeur de coupure, ondulation de la bande passante, raideur du bord, sensibilité angulaire, stabilité thermique, seuil de dommage laser (LDT).

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5. 5. Revêtement Séparateur de Faisceau :

   • Fonction : Divise la lumière incidente par longueur d'onde ou rapport d'énergie en deux ou plusieurs faisceaux.

   • Types :

     • Dichroïque : Réfléchit une bande, en transmet une autre (une application de coupure spéciale).

     • Neutre : Réfléchit et transmet la lumière incidente dans un rapport fixe (par exemple, 50:50, 70:30) sur un large spectre, en maintenant la neutralité spectrale.

   • Application : Séparateurs/combineurs de faisceaux dans les microscopes, les projecteurs, les systèmes laser, les instruments optiques. Spécifications clés : précision du rapport de division, planéité spectrale, dépendance à la polarisation, dépendance angulaire, uniformité de l'ouverture, LDT.

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6. 6. Revêtement Hautement Réfléchissant (HR) :

   • Fonction : Atteint une très haute réflectivité (> 99,9 %) à des longueurs d'onde spécifiques ou des bandes larges.

   • Principe : Utilise des structures périodiques multicouches (DBR) de matériaux à contraste d'indice élevé (par exemple, TiO₂/SiO₂) ou des films métalliques (Al, Ag, Au).

   • Application : Miroirs de cavité laser, miroirs d'interféromètre, filtres réfléchissants. Spécifications clés : réflectivité de crête, largeur de bande, perte d'absorption/diffusion, LDT, contrôle des contraintes.

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7. 7. Revêtement Métallique :

   • Fonction : Utilise l'absorption/réflexion à large spectre inhérente des métaux (Al pour UV-Vis, Ag pour Vis-NIR, Au pour IR, Cr pour l'absorption).

   • Application : Couches réfléchissantes de base (souvent avec des couches protectrices), filtres à densité neutre, blocs de faisceau, ouvertures. Spécifications clés : courbe de réflexion/absorption, stabilité (résistance à l'oxydation), état de surface, adhérence.

II. Structure et Matériaux du Revêtement

• 1. Structure : Monocouche (simple), multicouche (le plus courant, matériaux alternés), à gradient d'indice (variation de l'indice de réfraction pour de meilleures performances en termes de largeur de bande/d'angle).

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• 2. Matériaux : Diélectriques (SiO₂, MgF₂, TiO₂, Ta₅O₂, Nb₅O₂, ZnS, ZnSe – faible perte) et métaux (Al, Ag, Au, Cr – réflexion/absorption large). Sélection basée sur l'indice de réfraction, la plage de transparence, la dureté, la stabilité, la contrainte, le coût.

III. Théorie de la Conception et Fabrication

• 1. Théorie de la Conception : Basée sur l'interférence des couches minces (équations de Maxwell). Méthodes : adaptation de l'admittance optique, méthode vectorielle, optimisation par ordinateur (Needle, algorithme génétique) avec des logiciels (TFCalc, Essential Macleod).

• 2. Fabrication :

  • Dépôt Physique en Phase Vapeur (PVD) :

    • Évaporation thermique : Traditionnelle, moins chère, pour les lots moyens/petits.

    • Pulvérisation cathodique magnétron : Processus haut de gamme grand public – couches denses, bonne adhérence, uniformité, répétabilité.

    • Pulvérisation par faisceau d'ions : La plus haute précision, la meilleure qualité (faible diffusion/absorption, LDT élevé), coûteuse.

  • Dépôt Chimique en Phase Vapeur (CVD): Moins courant en optique.

  • Contrôle du processus: Surveillance de l'épaisseur (optique, cristal de quartz), vitesse de dépôt, contrôle du vide/gaz, température, propreté.

IV. Normes d'Application Clés
Les performances doivent répondre à des exigences pratiques strictes :

1. 1. Performance Spectrale : Précision de la longueur d'onde centrale/de coupure, largeur de bande, transmission (moyenne/crête), profondeur de coupure (valeur OD, par exemple, OD4 = transmission <0,01 %), raideur du bord, ondulation de la bande passante, suppression de l'arrière-plan.

2. 2. Uniformité Optique : Cohérence sur l'ouverture.

3. 3. Propriétés Angulaires : Décalage spectral avec l'angle (décalage vers le bleu, changement de largeur de bande).

4. 4. Propriétés de Polarisation : Différence de réponse à la polarisation S/P (critique à incidence oblique).

5. 5. Qualité de Surface : État de surface (rayures-trous, par exemple, 60-40), planéité (par exemple, λ/4), distorsion du front d'onde.

6. 6. Stabilité Environnementale : Décalage de température (ppm/°C), résistance à l'humidité (85°C/85 % HR), durabilité mécanique (adhérence, abrasion), résistance chimique, LDT (pour les applications laser, dépend de la longueur d'onde/de la largeur d'impulsion).

7. 7. Substrat et Taille : Type de verre (par exemple, silice fondue, saphir), épaisseur, dimensions, biseautage, ouverture claire.

V. Applications et Sélection des Revêtements
La technologie de revêtement imprègne tous les domaines optiques :

• 1. Imagerie et Photographie : AR de lentille, filtres anti-UV/IR, filtres ND, filtres couleur, polariseurs.

• 2. Affichage : Filtres couleur dans les LCD/OLED, miroirs dichroïques/roues chromatiques dans les projecteurs.

• 3. Sciences biomédicales/de la vie : Microscopie à fluorescence (filtres d'excitation/d'émission, dichroïques), cytomètres en flux, analyseurs.

• 4. Technologie laser : Miroirs de cavité, filtres de séparation de ligne, lunettes de sécurité laser (OD élevé), revêtements de cristaux de génération d'harmoniques. LDT est critique.

• 5. Spectroscopie : Revêtements AR de réseau/prisme ; filtres passe-bande pour la sélection de la longueur d'onde ; filtres ND pour le contrôle de l'intensité.

• 6. Vision industrielle/Inspection industrielle : Filtres couleur/polarisation pour l'amélioration du contraste/la reconnaissance des caractéristiques.

• 7. Astronomie : Filtres à bande étroite pour la suppression de la pollution lumineuse/lignes d'émission spécifiques ; filtres solaires (haute sécurité).

• 8. Communications/Détection : Filtres DWDM dans la fibre optique ; filtrage dans les capteurs à fibre.

• 9. Sécurité/Défense : Revêtements AR IR pour l'imagerie thermique ; filtres IR dans les systèmes de recherche de missiles ; filtres de protection laser (OD élevé/LDT).