ES2369109T3

ES2369109T3 - Filtro óptico conmutable con cristales fotónicos.

Info

Publication number: ES2369109T3
Application number: ES07822707T
Authority: ES
Inventors: Gérard Berginc; Jean-Jacques Bonnefois; Géraldine GUIDA; Alain Priou
Original assignee: Thales SA; Universite Paris Nanterre
Current assignee: Thales SA; Universite Paris Nanterre
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2007-11-19
Publication date: 2011-11-25
Anticipated expiration: 2027-11-19
Also published as: EP2092380A2; WO2008061961A3; ATE519137T1; WO2008061961A2; FR2908894B1; FR2908894A1; EP2092380B1

Abstract

Limitador óptico pasivo (1) de cristal fotónico destinado a recibir un haz láser incidente (2), que incluye un material no lineal y apto para conmutar en una banda óptica predeterminada, de un estado transparente a un estado opaco en función de la potencia del haz incidente, caracterizado porque el material no lineal es un material no lineal de transición de fase aislante de metal, que comprende microestructuras de dicho material dispuestas en un material dieléctrico (4) 3D transparente en dicha banda óptica, para formar capas del material dieléctrico con microestructuras (3) dispuestas en redes periódicas, en alternancia con capas de dicho material dieléctrico sin microestructuras, estando las microestructuras separadas unas de otras por al menos 100 nm y porque el material dieléctrico presenta una cara (41) delantera destinada a recibir el haz incidente y una cara posterior (42), la dimensión de las microestructuras es creciente y la distancia (31) que las separa decreciente cuando se va de la cara delantera a la cara posterior.

Description

Filtro óptico conmutable con cristales fotónicos

El campo de la invención es el de contra-contra-medida óptica o CCMO frente a la niebla incluso a la destrucción provocada por equipos optrónicos de contra-medida; se refiere a la protección de los equipos optrónicos frente a la amenaza de los láseres especialmente de los láseres ágiles en frecuencia de impulsos muy cortos instalados en estos dispositivos de contra-medida. Se recuerda que un láser ágil en frecuencia es un láser apto para cambiar rápidamente sus frecuencias de emisión (típicamente en un lapso de tiempo que se escalonan del microsegundo al milisegundo), a la vez que conserva una frecuencia estable durante la emisión; se trata generalmente de un láser impulsional.

Las bandas ópticas exploradas son típicamente las de los campos visible (0,4 -0,8 µm), próximo infrarrojo (0,8 -2 µm) e infrarrojo banda II (banda 3 -5 µm) y banda III (banda 8-12 µm).

Las tecnologías actuales de protección se pueden clasificar en 4 grandes grupos.

-: Obturadores mecánicos: es el sistema más sencillo que se puede posicionar internamente o externamente, pero que no es eficaz contra los láseres impulsionales. El mando mecánico no permite posicionar lo suficientemente rápido la pieza mecánica, la densidad óptica o el filtro absorbente durante la agresión: en efecto, la duración de posicionamiento es superior al milisegundo.

-: Filtros fijos: utilizan las propiedades de reflexión o d’absorción de los materiales utilizados y se centran alrededor de una longitud de onda. Se pueden utilizar contra los láseres impulsionales o continuos. Los filtros interferenciales que forman el concepto más usado para rechazar las longitudes de onda indeseables, están constituidos comúnmente por multicapas de materiales dieléctricos depositados sobre un sustrato. Una baja tolerancia al ángulo de incidencia de la amenaza y el impacto de estos filtros sobre los rendimientos ópticos del sistema optrónico presentan limitaciones técnicas importantes. Asimismo, estos filtros no pueden responder a la necesidad de protección respecto de los láseres ágiles en frecuencia.

-: Filtros conmutables que utilizan las propiedades de reflexión o de absorción de materiales activos que presentan una pasabanda óptica controlable en función del tiempo. Se pueden usar contra los láseres continuos o de impulsos largos. Los materiales pueden ser electroactivos. El tiempo de activación es del orden del microsegundo al milisegundo, lo cual no permite responder correctamente a la necesidad de protección respecto de los láseres ágiles en frecuencia.

-: Limitadores ópticos activos o pasivos.

Los limitadores activos se disparan mediante una fuente de energía exterior, una tensión eléctrica por ejemplo. De este modo se pueden construir válvulas ópticas con una mezcla de compuestos de polímero-cristales líquidos (PDLC o Polymer Dispersed Liquid Crystal). La mezcla PDLC es homogénea y transparente cuando se aplica la tensión de mando: en efecto esta tensión de mando permite la alineación de las bolas de cristales líquidos. Cuando se anula la tensión, las bolas se disponen aleatoriamente en la estructura y el material se vuelve difusor. E sistema pasa de este modo de un estado de paso óptico a un estado de bloqueo óptico. El tiempo de respuesta está limitado por la viscosidad del cristal líquido, lo cual corresponde a las rotaciones de las moléculas.

Los limitadores denominados pasivos son disparados por el impulso láser, dependiendo el disparo entonces de la potencia láser; otros conceptos de limitadores están ligados a los cambios del índice de refracción del material debidos a la elevación de temperatura interna.

Los efectos no lineales se pueden producir en los líquidos, sólidos y gases. La explotación de estos efectos permite diseñar diferentes limitadores.

Se recuerda que los diferentes efectos non lineales se describen mediante un desarrollo en serie de Taylor de la polarizabilidad óptica P en función del campo eléctrico E. Los términos de la serie representan los tensores de susceptibilidad. El tensor de susceptibilidad del primer orden está ligado al campo óptico lineal del material, al índice lineal de refracción, a la absorción lineal. El segundo orden del tensor de susceptibilidad incluye los efectos fotorrefractivos, electroópticos. El tercer orden describe la absorción de dos fotones, la absorción saturable. La absorción de dos fotones (ADP) es un efecto del tercer orden a lo largo del cual hay un paso del estado fundamental hacia el estado excitado por absorción simultánea de dos fotones de frecuencia ω. L’absorción αL se puede escribir en este caso αL= α0+β0 / donde β0 es el coeficiente de ADP, α0 es el coeficiente de absorción lineal del material considerado y I es la iluminación energética (en W.m-2) asociada al campo electromagnético. Asimismo, uso trabajos recientes han evidenciado que el fenómeno de absorción no lineal puede ser exaltado por procesos de absorción en estado excitado inducidos por ADP; estos efectos son observados a nivel de flujo elevado y se ha podido establecer que el término de reabsorción en estado excitado es un fenómeno preponderante en la absorción no lineal.

La eficacia de estos limitadores está naturalmente ligada al umbral de disparo del material non lineal. Para alcanzar estos umbrales de disparo, a menudo es necesario posicionar estos limitadores en los planos focales intermedios

con el fin de aumentar artificialmente la focalización del haz láser, aumentando por lo tanto las densidades de energía por unidad de superficie. Ya se han estudiado materiales no lineales en capas homogéneas o en suspensión en soluciones. En la banda Visible / PIR, los siguientes materiales en suspensión: CBS (Carbon Black Suspension) Porfirina

PDLC Las suspensiones de negro de carbón (CBS) presentan una estabilidad limitada que está ligada a su transmisión lineal. La dilución necesaria para obtener une solución transparente implica una dilución fuerte, y esto reduce la estabilidad de la solución.

En banda IR II, los siguientes materiales en capas: InAs, VO2, HgCdTe. En banda IR III, los siguientes materiales en capas: InSb, VO2. Los limitadores actuales basados en estos materiales necesitan además, posicionar los limitadores en un plano focal

intermedio, de intensidades muy fuertes para bascular del estado de paso al estado de bloqueo, lo cual implica el añadido de costosas y voluminosas ópticas en los dispositivos a proteger. Las protecciones son raramente de banda ancha, son sensibles al ángulo de incidencia de la amenaza (de ahí la necesidad de colocar el limitador en un plano focal intermedio) y presentan un contraste insuficiente entre el estado de paso (transparente) y el estado de bloqueo (opaco): el contraste del coeficiente de transmisión es por ejemplo igual a 60/0,05; este contraste se da en porcentaje de transmisión. Se divulgan limitadores óptico en el documento US 2003/0189758, "Ultra fast Bragg switching induced by a transition in a 3 D photonic crystal", D. A. Mazurenko et al., SPIE vol 5450 y "Phase transition governed opal-VO2 photonic crystal", V.G. Goluber et al, AIP, Vol 79, No 41

El objeto de la invención es proponer un filtro óptico que no presente los inconvenientes anteriormente mecionados. Con el fin de mejorar estos limitadores o filtros no lineales, se utilizan cristales fotónicos: estos cristales artificiales

permiten modificar artificialmente las propiedades ópticas de los materiales no lineales que constituyen estos limitadores. Más concretamente la invención tiene por objeto un limitador óptico pasivo tal como se define en la reivindicación 1. La distancia entre los centros de las microestructuras es por ejemplo invariable. Ventajosamente, las microestructuras están dispuestas en el cristal según una red que puede ser una red de mallas

cúbicas o hexagonales. Según un modo de explotación de la invención, el material no lineal es VO2 y el cristal es zafiro. Típicamente, las microestructuras están dispuestas según 5 a 100 capas, dimensión de las microestructuras está

comprendida entre 40 nm y 300 nm y la red tiene un paso comprendido entre 100 nm y 2 µm.

Según una característica de la invención, el filtro presenta un ancho de banda comprendido entre 3 y 12 µm y más concretamente entre 3 y 5 µm. La invención tiene también por objeto un sistema optrónico que incluye tal filtro ventajosamente situado en el plano

focal. Este sistema puede ser un sensor optrónico tal como o una cámara térmica. La invención se refiere asimismo a un procedimiento de filtración óptica de un haz láser ágil en frecuencia mediante

tal filtro. Según una característica de l invención, el filtro es apto para conmutar en menos de 10 ns. Según otra característica de la invención, el láser es un láser impulsional. El láser tiene típicamente una longitud de onda comprendida entre 3 y 12 µm. Otras características y ventajas de la invención se harán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada,

realizada a título de ejemplo no limitativo y en referencia a los dibujos anexos en los cuales: -la figura 1 representa esquemáticamente un ejemplo de filtro según la invención,

-: las figuras 2a y 2b representan esquemáticamente formas de mallas del cristal fotónico utilizado en la invención,

-: la figura 3 representa esquemáticamente un ejemplo de sensor optrónico que incluye un filtro según la invención.

Se recuerda que el VO2 es un óxido de vanadio que posee dos estados cristalinos distintos. Por debajo de 67°C la malla cristalina es monoclínica y corresponde a un estado semiconductor. Por encima de 67°C la malla c ristalina se vuelve tetragonal y corresponde a un estado metálico. Las propiedades ópticas de los dos estados son muy diferentes. Se pasa de un estado de baja absorción(índice de refracción de 3, coeficiente de absorción k de 0,1) a un estado muy absorbente (índice de 3, absorción k de 6) por un cambio de fase muy rápido (inferior a 120 femtosegundos) controlado por la temperatura.

No se trata ni de una absorción de dos fotones ni de una no linealidad de tercer orden clásico sino de un efecto térmico ultrarrápido: un efecto no lineal térmico.

Se utiliza para usos de limitaciones ópticas en banda II y III, calentando el impacto láser el material y haciendo pasar del estado transparente al estado opaco.

Este tipo de material experimenta sin embargo dos defectos importantes.

En primer lugar, para obtener una atenuación suficiente en el estado opaco, hay que disponer un espesor de material tal que la transmisión en el estado transparente se degrada fuertemente: menos del 60% de transmisión en el estado transparente para garantizar encontrarse por debajo del 5% en el estado opaco.

En segundo lugar, la transición de fase del VO2 no se hace rápidamente (es decir en menos de 10ns) más que en las capas superficiales del VO2. En efecto, el VO2 macizo iluminado por un flash láser no conmuta de estado semiconductor al estado metálico más que en una capa superficial de 200 nm. Todo el VO2 situado a más de 200 nm de profundidad no aporta nada a la transición de fase. El estudio del mapa de campo en el interior de la estructura muestra que las capas de VO2 conmutan según un orden ligado a la intensidad del campo. El parche de VO2 situado en la zona más iluminada del mapa de campo hace bascular el primero e impide que las capas enterradas más profundamente basculen a su vez.

El valor práctico de atenuación del limitador se limita de este modo al producido por esta capa delgada demasiado débil para ser útil en un caso práctico (conmutación de la transparencia del 80% al 20%).

Según la invención, el cristal fotónico permite modificar las propiedades del material no lineal tal como el VO2 y su respuesta a une iluminación láser.

La invención se basa en el uso de la estructura de los cristales fotónicos con el fin de organizar microestructuras de VO2, denominadas parches, para dar al conjunto cualidades ópticas no lineales que no tienen el VO2 macizo ni el VO2 depositado en capas delgadas como se ha expuesto anteriormente.

Más concretamente, el filtro óptico conmutable 1 según la invención representado en la figura 1, comprende un cristal 4 fotónico 3D en el cual se disponen microestructuras 3 del material no lineal, separadas por capas de cristal.

Según un primer modo de explotación correspondiente al de la figura 1, las microestructuras de VO2 se disponen en tres dimensiones (3D), en mallas cúbicas, separadas por capas transparentes de cristal fotónico en banda II o en banda III. La distancia 32 entre los centros de las microestructuras es invariable. Para la banda II, el cristal fotónico es por ejemplo zafiro.

Estas microestructuras deben ser pequeñas ante las longitudes de onda consideradas y el nivel de llenado (la cantidad de VO2 contenida por unidad de volumen) muy reducido, del orden de algunos %. Este punto permite obtener una fuerte opacidad en estado bloqueado sin sacrificar la transparencia en estado de paso.

La dimensión de las microestructuras de VO2 así como su separación debe variar lentamente de una capa a otra y respetando un perfil preciso: los parches 3 de VO2 tienen una dimensión creciente a medida que se penetra en la estructura, a partir de la cara del cristal destinada a recibir el haz incidente 2, y la separación 31 entre las capas de parches de VO2 se reduce a medida que se introduce en la estructura del filtro.

El respeto de estas condiciones permite obtener las siguientes propiedades:

-: la curva de transmisión del filtro es sensiblemente uniforme en la banda espectral considerada,

-: la figura de interferencia creada por el filtro es de intensidad creciente en los parches de VO2 a medida que se progresa hacia las capas enterradas.

La estructura del filtro según la invención produce un mapa de campo donde la intensidad luminosa máxima se encuentra en la capa más profunda, la intensidad inmediatamente inferior se encuentra en la penúltima capa, y así sucesivamente. De esta manera, las capas profundas de VO2 basculan del estado semiconductor al estado metálico antes que las capas superficiales. Se tiene un efecto cascada donde la capa la más enterrada cambia de estado justo antes que la que la precede inmediatamente y por efecto domino todas les capas bascula al estado metálico desde el fondo hasta la superficie de la estructura. El fenómeno es asimismo muy rápido: la totalidad de la estructura bascula en menos de 10 ns.

La estructura del filtro posee una característica propia a todos los cristales fotónicos: su comportamiento espectral es proporcional a su dimensión. Es decir, que si se multiplican todas las dimensiones por dos, la respuesta espectral es idéntica pero para longitudes de onda multiplicadas por dos.

En el caso de la banda 3-5 µm, se tiene por ejemplo dimensiones de parches que varían de 40 a 300 nm, variando un paso 32 de malla de la red entre 100 nm y 2 µm, variando un número de capas de 5 a 100.

Un filtro cuya evolución de la dimensión de las microestructuras es lineal y cuya relación de dimensión de las microestructuras entre la primera y la última capa de VO2 es de 0,4 da buenos resultados. Tal filtro incluye entre cinco y diez capas.

En otro ejemplo, el cristal fotónico de malla cuadrada, de paso 32 de 300 nm, comprende 30 capas separadas por un dieléctrico tal como zafiro cuya distancia 31 entre parches de VO2 es nominalmente de 200 nm pero varía lentamente de una capa a otra ya que la dimensión de los parches disminuye. Gracias a esta disminución de la dimensión, las curvas de transmisiones no contienen oscilaciones o « ripples ». La organización de estas microestructuras descrita anteriormente permite obtener transparencias en fase de paso superiores a las del VO2 macizo o de capas delgadas sin disminuir la opacidad en fase de bloqueo. La dinámica del limitador óptico se mejora: para el ejemplo citado, se obtienen coeficientes de transmisión >90/ <10-6 en lugar de 60/0,05.

Otras técnicas de disposición de la red 3D corresponddientes a otros modos de explotación se pueden usar. Se puede tener:

-: una malla de red cúbica centrada tal como la descrita en la figura 2a,

-: una malla no cúbica como por ejemplo una malla hexagonal tal como la descrita en la figura 2b, incluso otras formas de mallas,

-: o también un perfil de variación de las dimensiones de parche que ya no sea lineal.

En estas figuras 2a y 2b, se representan los centros de las microestructuras 3 de VO2 separadas por cristal (o material dieléctrico) 4, y las aristas (o paso de malla) 32 que conectan 2 centros de microestructuras. Su dimensión creciente no se representa. Los ejemplos de malla de estas figuras incluyen 3 capas de VO2 situadas en los siguientes plano:

-: dos caras opuestas y una cara paralela a media distancia de las anteriores para la malla cúbica centrada de la figura 2a,

-: dos caras hexagonales opuestas y una cara paralela a media distancia de las anteriores para la malla hexagonal de la figura 2b.

Este tipo de organización en cristal fotónico permite el uso de la totalidad del espesor del material y no solamente la capa superficial durante el impacto de un impulso láser. Esto permite que la estructura conserve un gran contraste de paso/bloqueo incluso frente a un impulso y por consiguiente protegerse del mismo, lo que el uso del VO2 macizo no puede asegurar ya que su espesor útil permanece limitado a 200 nm.

Las constantes de tiempo son reducidas y resultan de una gran rapidez de conmutación. La estructura bascula del estado de paso al estado de bloqueo en menos de 10 ns (5ns la mayoría del tiempo para una iluminación de 600J/m2) durante un impacto láser. Esto permite proteger contra impulsos láser de este orden de magnitud. Las otras estructuras de VO2, macizas o no, no lo permiten.

Por analogía con el comportamiento de todos los otros cristales fotónicos, la estructura tiene una cierta independencia respecto del ángulo de incidencia contrariamente a una estructura de capa delgada.

La banda espectral utilizable es ancha y permite responder a una amenaza de un láser ágil en frecuencia. La estructura usada con VO2 permite de cubrir la banda II y la banda III. La estructura sigue siendo válida para toda la longitud de onda por simple cambio de escala, solamente la elección del material óptico que incluye los parches se puede oponer a un uso desde el espectro visible al infrarrojo lejano.

El filtro obtenido se puede colocar en el plano focal, siendo el plano focal intermedio inútil.

Se ha tomado el ejemplo del VO2 utilizable en las bandas II y III. Esta invención se aplica a otros tipos de materiales con propiedades equivalentes en bandas ópticas diferentes, tales como los nanoagregados de materiales de transición de fase aislante de metal, los materiales de estructura perovskita tales como los niquelatos de tierra rara.

El filtro según la invención se puede instalar en un sistema optrónico susceptible de ser sometido a agresiones láseres procedentes de por ejemplo dispositivos de señuelo o de contra-medida optrónico. Este sistema es típicamente un sensor optrónico especialmente una cámara térmica, que mide directa o indirectamente el calor producido por la radiación incidente a detectar. El campo espectral de sensibilidad de tal cámara térmica se sitúa en el espectro infrarrojo.

Se ha representado en la figura 3 un ejemplo de sensor optrónico que incluye una lente 200 y un filtro 1 según la invención situado a la distancia focal F de la lente y destinado a recibir un haz incidente 2. El filtro está dispuesto en el detector 100 que comprende un plano focal 101, un circuito de lectura 102 y un chip de detección 103.

El filtro según la invención incluye un conjunto de capas que comprende redes periódicas de micro-estructuras del material no lineal considerado (VO2 por ejemplo) y materiales dieléctricos transparentes (zafiro por ejemplo). Este tipo se puede colocar cerca del plano focal de detección como en el ejemplo de la figura 3.

Una tecnología potencial de fabricación de este cristal fotónico consiste en fabricar cada plano del cristal independientemente y a continuación en ensamblar el cristal fotónico. Cada plano del cristal está constituido por una capa de material dieléctrico (zafiro por ejemplo) en la cual se fabrican directamente las microestructuras de material no lineal. Se imponen cuatro etapas importantes en este procedimiento de fabricación.

La primera etapa es el depósito de una resina en el sustrato, el zafiro por ejemplo), la segunda etapa es la litografía que consiste en transferir el motivo de microestructuras sobre la resina, siendo una técnica de litografía directa por ejemplo la escritura par haz de electrones. Esta técnica es la más usada debido a las pequeñas dimensiones (típicamente de algunas decenas de nanómetros). Una vez atacada la parte de la resina por la litografía, entonces es necesario grabar las microestructuras en el sustrato siguiendo el motivo inscrito en la resina, lo que constituye la tercera etapa del procedimiento. El tipo de procedimiento más adapta al grabado de motivos submicrónicos es el grabado seco de tipo Grabado por plasma (Plasma Etching), o el grabado de tipo RIE (Reactive Ion Etching). La última etapa comprende el depósito del material no lineal y la retirada de la resina. El material rellena las microestructuras grabadas y recubre la resina no atacada; ya no queda más que retirar la resina no atacada, lo que se obtiene en la práctica sumergiendo por ejemplo el sustrato en acetona.

El procedimiento es replicado por cada plano del cristal fotónico; a continuación basta con ensamblar las diferentes capas obtenidas para obtener el cristal fotónico.

Claims

REIVINDICACIONES

1.

Limitador óptico pasivo (1) de cristal fotónico destinado a recibir un haz láser incidente (2), que incluye un material no lineal y apto para conmutar en una banda óptica predeterminada, de un estado transparente a un estado opaco en función de la potencia del haz incidente, caracterizado porque el material no lineal es un material no lineal de transición de fase aislante de metal, que comprende microestructuras de dicho material dispuestas en un material dieléctrico (4) 3D transparente en dicha banda óptica, para formar capas del material dieléctrico con microestructuras (3) dispuestas en redes periódicas, en alternancia con capas de dicho material dieléctrico sin microestructuras, estando las microestructuras separadas unas de otras por al menos 100 nm y porque el material dieléctrico presenta una cara (41) delantera destinada a recibir el haz incidente y una cara posterior (42), la dimensión de las microestructuras es creciente y la distancia (31) que las separa decreciente cuando se va de la cara delantera a la cara posterior.
2.

Limitador óptico pasivo según la reivindicación anterior, caracterizado porque la distancia (32) entre los centros de las microestructuras es invariable.
3.

Limitador óptico pasivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la dimensión de las microestructuras crece linealmente.
4.

Limitador óptico pasivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las microestructuras están dispuestas según una red de mallas cúbicas o hexagonales.
5.

Limitador óptico pasivo según la reivindicación anterior, caracterizado porque el material dieléctrico es zafiro.
6.

Limitador óptico pasivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el material de transición de fase aislante de metal es un material de estructura perovsquita o de V02.
7.

Limitador óptico pasivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las microestructuras están dispuestas según 5 a 100 capas, la dimensión de las microestructuras está comprendida entre 40 nm y 300 nm, la red es periódica y tiene un paso comprendido entre 100 nm y 2 µm.
8.

Limitador óptico pasivo según una de las reivindicaciones 1 a 6 tomada en combinación con la reivindicación 3, caracterizado porque las microestructuras están dispuestas según 5 a 10 capas, y porque la relación de dimensión de las microestructuras es de 0,4 entre la primera y la última capa.
9.

Sistema optrónico que comprende un limitador óptico pasivo (1) según una de las reivindicaciones anteriores.
10.

Sistema optrónico según la reivindicación anterior que incluye un plano focal (101), caracterizado porque el limitador óptico pasivo (1) está situado en el plano focal.
11.

Sistema optrónico según una de las reivindicaciones 9 o 10, caracterizado porque este sistema optrónico es una cámara térmica.
12.

Procedimiento de limitación óptica de un haz láser ágil en frecuencia mediante un limitador óptico pasivo (1) según una de las reivindicaciones 1 a 8.
13.

Procedimiento de limitación óptica según la reivindicación anterior, caracterizado porque el láser (2) es un láser impulsional.
14.

Procedimiento de limitación óptica según una de las reivindicaciones 12 o 13, caracterizado porque el láser (2) tiene una longitud de onda comprendida entre 3 y 12 µm.