Soutenance de thèse de Paul ROUQUETTE
Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : OPTIQUE, PHOTONIQUE ET TRAITEMENT D'IMAGE
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
couches minces optiques,rayonnement thermique,tempérarure photo-induite,,
Keywords
optical thin films,themal radiation,photo-induced temperature,,
Titre de thèse
Température et rayonnement thermique photo-induits dans les filtres optiques interférentiels
Photo-induced temperature and thermal radiation in optical interference coatings
Date
Mardi 29 Novembre 2022
à 15:30
Adresse
Campus Universitaire de Saint Jérome
52 Av. Escadrille Normandie Niemen
13013 Marseille
Amphithéatre Rouard
Jury
Directeur de these | M. Claude AMRA | Insitut Fresnel, CNRS |
Rapporteur | M. Detlev RISTAU | Institute of Quantum Optics, Leibniz University Hannover |
Rapporteur | M. Karl JOULAIN | Institut Pprime, Université de Poitiers |
CoDirecteur de these | Mme Myriam ZERRAD | Institut Fresnel, Aix Marseille Univ |
Examinateur | Mme Nathalie DESTOUCHES | Laboratoire Hubert Curien, Université de Saint-Etienne |
Examinateur | Mme Sophie BRASSELET | Insitut Fresnel, CNRS |
Examinateur | M. Jean-Jacques GREFFET | Laboratoire Charles Fabry, Institut d'Optique |
Examinateur | M. Matteo BARSUGLIA | Laboratoire APC, CNRS |
Résumé de la thèse
Les filtres optiques interférentiels, constitués le plus souvent dun 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 dorigine thermique dans ces filtres, qui apparaissent notamment lorsquils sont soumis à des flux lasers, ne peuvent pas être négligés. Dune part, ils peuvent être responsables de nombreux problèmes allant de la dégradation des performances optiques du filtre à son endommagement irréversible. Et dautre part, ils sont à la base des différents procédés de caractérisation de labsorption des filtres, comme la déflexion photo-thermique, linterférométrie 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. Lobjectif 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 dillumination (pulsé, cadencé, continu).
Ces processus photo-induits trouvent leur origine dans labsorption des composants multi-diélectriques, dont la densité volumique constitue la source de chaleur responsable dune 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 léclairement est proposée. Elle sappuie principalement sur une analogie entre loptique et la thermique, permettant dobtenir un modèle analytique de la température. Cette procédure permet de mieux cibler linfluence des différents paramètres dentrée, et daborder plus avant les phénomènes dendommagement laser ou dauto-organisation de nanoparticules.
Lélévation de température donne lieu à une modification du rayonnement thermique du filtre. Bien souvent, la modélisation de ce rayonnement en régime déclairement monochromatique est ramenée à un calcul démissivité en lien avec la loi de Kirchhoff, qui stipule son égalité avec labsorption. Cependant, cette méthode savère insuffisante lorsque lon 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 lon sappuie sur les différents travaux de la physique statistique qui permettent de relier lagitation 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 sappuie 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 lÉnergie. 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.
Thesis resume
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.