Il s’agit ici d’une activité historique ancrée au laboratoire depuis les années 80-90, étroitement liée  au domaine des couches minces optiques. En effet, pour certains systèmes stratégiques (miroirs de gyrolaser, éclateurs spectraux, détection d’onde gravitationnelles…), les pertes dans les composants optiques ne doivent pas excéder quelques 10^-6 du flux incident. A ce niveau de précision, la moindre rugosité de surface (0,1nm) ou hétérogénéité locale de volume (10-4) doit être détectée, contrôlée voire éliminée. Les techniques de diffusion lumineuse permettent de répondre à ce problème, à la fois pour tester la qualité de surface des substrats, et pour qualifier les processus de fabrication. Cependant, pour atteindre ces objectifs, il a fallu développer au laboratoire les outils théoriques et expérimentaux suivants :

 

Un premier modèle pour décrire la diffusion de surface dans les multicouchesa été développé (1986)

 

Une autre théorie a été développée pour tenir compte des hétérogénéités de volume (1990)

 

Ces modèles ont été étendus à l’optique planaire, et au cas des microcavités luminescentes (1995)

 

Un diffusomètre mis en œuvre dans les années 80 a été réactualisé à 2 reprises, notamment sur des fonds DGA puis européens ; cet instrument permettait la mesure des indicatrices de diffusion angulaires sur une série de longueurs d’onde allant de l’UV au moyen infra-rouge.

 

Avec ces outils théoriques et expérimentaux, un grand nombre de problèmes inverses ont pu être résolus, et concernent notamment la séparation surface/volume, l’extraction des spectres de rugosité ou de permittivité, la détermination des lois de corrélation verticale… Par ailleurs, certains phénomènes originaux ont pu être mis en évidence, comme l’effet « antiscattering », ou l’exaltation des lobes de diffusion, l’influence de la lumière piégée, l’existence d’un seuil de rugosité… On trouvera près de 50 publications RICL sur ces thèmes, ainsi que plusieurs chapitres de livre, des conférences invitées, des « lectures » données dans le cadre de congrès internationaux …

Toutefois cette activité avait été partiellement délaissée depuis les années 2000, compte tenu des progrès extraordinaires obtenus au sein de la communauté mondiale (Optical Interference Coatings), progrès notamment motivés par le boom des télécommunications optiques (multiplexage WDM) : techniques de synthèse fonctionnant sans solution de départ, technologies de fabrication à haute énergie, contrôle in-situ entièrement automatisé… L’état de l’art avait alors paru reléguer les activités de caractérisation au rang de la R&D.

 

Il se trouve aujourd’hui que suite à ce « saut technologique », de nouvelles difficultés sont apparues et ont conféré un regain d’intérêt stratégique aux activités de diffusion lumineuse :

 

Les filtres aujourd’hui réalisés contiennent couramment une centaine de couches minces (contre une vingtaine dans les années 90), et peuvent en contenir près d’un millier pour certaines applications ; dans ces conditions, les hétérogénéités de volume prennent le pas sur la diffusion de surface…

 

Les exigences se sont accrues de façon drastique pour certaines applications (miroirs de gyrolaser, projets VIRGO et LIGO….)

 

Les mêmes exigences ont été étendues aux micro-optiques, dont il faut maintenant extraire les taux de diaphonie spécifiques de chaque pixel

 

Dans ce nouveau contexte, nous nous sommes intéressés depuis 2011 à lever de nouveaux verrous, à la demande du CNES, de l’ESA et de nombreux industriels (ASTRIUM, CILAS, SODERN…) :

 

Du point de vue de l’instrumentation, il fallait être capable de mettre en œuvre un nouveau système de mesure fonctionnant sur l’ensemble du spectre visible, et présentant à chaque longueur d’onde les mêmes performances que les anciens diffusomètres basés sur des raies laser. On peut considérer que cet objectif est désormais atteint, grâce à une nouvelle génération d’instruments mis en œuvre dans l’équipe. Les instruments sont désormais entièrement fibrés et appuyés sur des concepts différents (réciprocité, télé-centrisme, illumination structurée), et font appel à des sources et détecteurs modernes (laser blanc, fibre micro-structurée, CCD à bruit réduit…). Ces équipements ont été rassemblés au sein d’une plateforme DIFFUSIF sans commune mesure avec les équipements précédents : il s’agit donc bien d’une rupture technologique qui a été réalisée et qui nous engage auprès de grands industriels pour des années, avec notamment le CNES pour donneur d’ordre et principal financeur. On trouvera de plus amples informations sur cette plateforme sur cette page.

 

Un autre verrou concernait l’extraction de la topographie de surface, en lieu et place d’une caractérisation jusqu’ici limitée à des moments statistiques (spectres de rugosité). Une nouvelle technique a permis de lever ce verrou en n’utilisant que des mesures d’intensité en cham lointain. Ce résultat entièrement original, basé sur la mesure fréquentielle des spectres de rugosité issus de chaque pixel de la surface,a considérablement relancé l’activité internationale sur le thème de la diffusion lumineuse.

 

Un troisième verrou concernait l’extraction, dans la mesure de rugosité (de l’ordre du nm), de la contribution des défauts localisés (quelques défauts dans un champ de 100mx100m). Ce point essentiel est aujourd’hui résolu par une méthode basée sur la détection d’oscillations de l’intensité dans le champ lointain.

 

Un instrument spécifique est également en cours de développement pour le cas des micro-optiques.

 

Enfin, une demande d’invention a été déposée en 2015…