Stabilité thermique de filtres optiques interférentiels quart d'onde et à gradient d'indice pour l'astronomie

Light coming from far-away astronomical objects carries a variety of information ranging from chemical composition to distance and kinematics. Amongst these astronomical bodies, galaxies are widely studied objects: they are slowly rotating entities made of gas, stars and dark matter, and their properties are broadly distributed. Rotation velocities of galaxies yield very important information, namely the mass enclosed in the rotation radius, and thus the respective distribution of luminous and dark matter. To determine the rotation velocity, the Doppler effect is a convenient tool. As an emission or absorption line shifts from its reference position, it is possible to calculate the approaching or receding velocity. The maximal rotation velocity difference between the approaching and receding sides is at most a few hundreds of km/s, which translates in a few nm shift from the rest wavelength at most, thus calling for very precise spectral information.

Due to their distance, the objects observed with astronomical instrumentation are very faint. Optical instruments for astronomy thus require high throughput optical film systems, particularly those based on notch/bandpass filters with low/high in-band transmission and high/low out-of-band blocking power. This calls for very high film uniformity and high precision of film monitoring and process control. Such filters must also survive extreme environmental conditions ranging from fresh and humid climate to cryogenic temperatures.

In the present work, we describe all steps leading from filter design to filter fabrication, process monitoring, and characterization. In particular, we focus on the comparison of the performance of graded-index (rugate) filters and quarter-wave stack narrowband filters deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition and dual ion beam sputtering using SiO₂, TiO ₂ and Ta₂O₅.

Optical and mechanical properties of the individual films have been evaluated and are consistent with those found in the litterature reporting on the same techniques. Namely, we find values of compressive stress of 160 and 410 MPa for layers of Ta₂O₅ and SiO₂ deposited by DIBS and of 150 and 60 MPa for PECVD-deposited SiO₂/TiO₂ mixtures rich in SiO₂ and TiO₂ respectively. Young's modulus of 109, 73, 55 and 94 GPa and refraction index of 2,13, 1,49, 1,59 and 2,09 have also been measured for those same materials. Properties of materials mixtures behave qualitatively as the ones reported in references on the subject.

Attention is paid to the effect of temperature on the variation of the central wavelength and bandpass width. The results are discussed in terms of film material and filter design. We report variations of ≃0,04Å/°C for multilayers DIBS-produced filters and -0,0041/°C and 0,19Å/°C for PECVD-deposited quarter-wave stacks and rugate filters respectively. These results match the predictions made by Takashashi's formulae. The bandwidth varies as well with temperature, and the extent of the variation seems related to the number of cavities in the filter. Further work is still needed in order to clearly establish the relation between the number of cavities and the bandpass' narrowing/widening with temperature.

Alternate abstract:

La lumière provenant d ’objets célestes très éloignés est porteuse d ’une énorme quantité d ’information concernant leur composition chimique, leur cinématique, leur distance, etc. L’une des branches de l’astronomie étudie les galaxies, ces assemblages d ’étoiles, de gaz, de poussière et de matière sombre. Plus particulièrement, la cinématique des galaxies recèle des informations sur la distribution spatiale respective de matière lumineuse et sombre en mesurant par effet Doppler la vitesse de rotation de la galaxie à tout rayon. La vitesse de rotation maximale de ce genre d’objets ne dépassant pas quelques centaines de km /s entre le côté approchant et le côté fuyant, ce domaine d ’étude exige donc des instruments capables d ’une très grande résolution spectrale. 

A cause de la distance gigantesque nous séparant de ces objets, la lumière qui nous en parvient est très ténue. C’est pourquoi toutes les composantes de l’instrumentation doivent être conçues pour minimiser les pertes, et c’est particulièrement vrai pour les filtres à bande passante très étroite qui font partie de ces instruments. Ceci requiert un contrôle très serré des propriétés du filtre. Ceux-ci sont également soumis aux intempéries, ce qui affecte leurs propriétés de transmission et leur durée de vie.

Dans le présent mémoire, nous décrirons toutes les étapes menant du design de filtres à leur fabrication et caractérisation. Nous nous concentrerons sur la comparaison des performances des filtres à gradient d ’indice par rapport aux filtres multicouches simple et multi-cavités. Le SiO₂, Ti0₂ et Ta₂O₅ les composant ont été déposés par dépôt chimique en phase vapeur assistée par plasma et par pulvérisation par double faisceau d ’ions. Ces couches simples ont été caractérisées pour connaître leurs propriétés optiques et mécaniques. Le comportement en fonction de la température des filtres réalisés, et plus particulièrement la variation de la longueur d ’onde centrale de transmission et la largeur de la bande passante, sont interprétés à la lumière des informations que l’on peut tirer de ces propriétés.

Les propriétés optiques et mécaniques des matériaux utilisés sont cohérentes avec les valeurs trouvées dans la littérature sur le sujet pour les mêmes techniques de dépôt. On retrouve notamment des contraintes en compression dans les couches de 160 et 410 MPa pour le Ta₂O₅ et le SiO₂ produits par DIBS, et de 150 et 60 MPa pour des mélanges produits par PECVD riches en SiO₂ et en TiO₂ respectivement. Des modules d ’Young de 109, 73, 55 et 94 GPa et des indices de réfraction de 2,13, 1,49, 1,59 et 2,09 ont quant à eux été trouvés pour ces mêmes matériaux. La variation des propriétés des mélanges de matériaux reproduit également qualitativement les données de la littérature.

Des variations de ~0,04À/°C pour les multicouches produites par DIBS et de - 0,004Â/°C et 0,19Â/°C pour les filtres multicouches et à gradient d ’indice respectivement produits par PECVD ont été mesurées. Ces résultats coïncident avec les valeurs trouvées en calculant la stabilité thermique de la longueur d ’onde centrale par la formule de Takashashi. La largeur de la bande passante varie également, et l’amplitude de cette variation semble reliée au nombre de cavités dans le design. Ceci nécessitera toutefois du travail supplémentaire pour déterminer la relation existant entre le nombre de cavités et l’élargissement/rétrécissement de la bande passante avec la température.