Soutenance de thèse de Paul ROUQUETTE

Les filtres optiques interférentiels, constitués le plus souvent d’un empilement de couches diélectriques déposées sur un substrat de verre, réalisent des fonctions essentielles à tout système optique actuel (antireflets, polariseurs, sélecteurs, dichroïques, séparateurs, miroirs, égaliseurs…). De façon générale, les phénomènes d’origine thermique dans ces filtres, qui apparaissent notamment lorsqu’ils sont soumis à des flux lasers, ne peuvent pas être négligés. D’une part, ils peuvent être responsables de nombreux problèmes allant de la dégradation des performances optiques du filtre à son endommagement irréversible. Et d’autre part, ils sont à la base des différents procédés de caractérisation de l’absorption des filtres, comme la déflexion photo-thermique, l’interférométrie photo-thermique ou encore la thermographie par détection synchrone. Cependant, décrire avec précision ces phénomènes demeure une étape difficile. Les modèles existants sont souvent incomplets, reposent sur des approximations ou ne sont pas adaptés au domaine des filtres interférentiels. L’objectif de cette thèse est donc en premier lieu de proposer des outils théoriques permettant de modéliser avec précision les phénomènes thermiques photo-induits dans les couches minces optiques, en régime arbitraire d’illumination (pulsé, cadencé, continu). Ces processus photo-induits trouvent leur origine dans l’absorption des composants multi-diélectriques, dont la densité volumique constitue la source de chaleur responsable d’une élévation de température dans le composant. Ainsi, la température photo-induite est le premier phénomène thermique étudié dans cette thèse et une description complète à partir des paramètres des couches et de l’éclairement est proposée. Elle s’appuie principalement sur une analogie entre l’optique et la thermique, permettant d’obtenir un modèle analytique de la température. Cette procédure permet de mieux cibler l’influence des différents paramètres d’entrée, et d’aborder plus avant les phénomènes d’endommagement laser ou d’auto-organisation de nanoparticules. L’élévation de température donne lieu à une modification du rayonnement thermique du filtre. Bien souvent, la modélisation de ce rayonnement en régime d’éclairement monochromatique est ramenée à un calcul d’émissivité en lien avec la loi de Kirchhoff, qui stipule son égalité avec l’absorption. Cependant, cette méthode s’avère insuffisante lorsque l’on veut aller plus loin dans le détail du bilan des processus thermiques (ondes évanescentes, modes guidés par couplage, régimes transitoires). Ainsi dans ce travail de thèse, on propose une modélisation directe du rayonnement thermique photo-induit. Cela signifie que l’on s’appuie sur les différents travaux de la physique statistique qui permettent de relier l’agitation thermique des particules à des densités volumiques de courant électrique. Ces courants sont insérés dans les équations de Maxwell pour obtenir le champ électromagnétique rayonné en espace libre, appelé rayonnement thermique. La méthode de résolution s’appuie sur les travaux en lien avec les microcavités luminescentes et la diffusion volumique de la lumière dans les filtres. La méthode de résolution permet également de concevoir des filtres qui confinent et exaltent leur propre rayonnement thermique dans une faible bande spectrale ou angulaire. De manière plus large, cela ouvre la voie au contrôle du rayonnement thermique par des cavités planaires multicouches, qui constitue un important domaine de recherche dans les secteurs de la Défense et de l’Énergie. Une méthode analytique de synthèse est proposée pour générer des exaltations géantes de champ en microcavité, avec application au rayonnement thermique. Enfin, cette analyse précise du rayonnement thermique permet, pour la première fois, de quantifier avec précision la part du rayonnement thermique photo-induit qui est transférée sous forme de modes guidés à la structure multi-diélectrique.

Optical interference filters, most often consisting of a stack of dielectric layers deposited on a glass substrate, perform essential functions in any current optical system (antireflection, polarizers, selectors, separators, mirrors, equalizers ...). In general, the phenomena of thermal origin in these filters, which appear when they are subjected to laser flux, cannot be neglected. On the one hand, they can be responsible for many problems ranging from the degradation of optical performance of the filter to its irreversible damage. On the other hand, they are at the basis of various methods of characterizing the absorption of filters, such as photo-thermal deflection, common-path interferometry, or Lock-In Thermography. However, describing these phenomena with precision remains a difficult step. Existing models are often incomplete, based on approximations or are not adapted to the field of interference filters. The objective of this thesis is therefore first to propose theoretical tools to accurately model the photo-induced thermal phenomena in optical thin films, in arbitrary illumination regime (pulsed, clocked, continuous). These photo-induced processes originate from the absorption of multi-dielectric components, whose bulk density is the heat source responsible for a temperature rise in the component. Thus, the photo-induced temperature is the first thermal phenomenon studied in this thesis and a complete description based on layer and illumination parameters is proposed. It is mainly based on an analogy between optics and thermics, allowing to obtain an analytical model of the temperature. This procedure allows to better target the influence of the different input parameters, and to further address the phenomena of laser damage or self-organization of nanoparticles. The temperature increase leads to a modification of the thermal radiation of the filter. Very often, the modeling of this radiation in monochromatic illumination regime is reduced to a calculation of emissivity in connection with Kirchhoff's law, which stipulates its equality with the absorption. However, this method is insufficient when we want to go further into the details of the balance of thermal processes (evanescent waves, guided modes by coupling, transient regimes). Thus, in this thesis, we propose a direct modeling of photo-induced thermal radiation. This means that we rely on the various works of statistical physics that allow to link the thermal agitation of particles to volume densities of electric current. These currents are inserted into Maxwell's equations to obtain the electromagnetic field radiated in free space, called thermal radiation. The method of resolution is based on the work related to luminescent microcavities and the volume scattering of light in filters. The resolution method also allows the design filters that confine and exalt their own thermal radiation in a small spectral or angular bandwidth. More broadly, this opens the way to the control of thermal radiation by multilayer planar structures, which is an important research area in the Defense and Energy sectors. An analytical synthesis method is proposed to generate giant field exaltations in microcavities, with application to thermal radiation. Finally, this precise analysis of the thermal radiation allows, for the first time, to precisely quantify the part of the photo-induced thermal radiation that is transferred as guided modes to the multi-dielectric structure.