Transcript Technologie des Miroirs Haute Réflectivité Laurent PINARD

Technologie des
Miroirs Haute
Réflectivité
Laurent PINARD
Responsable Technique
Laboratoire des Matériaux Avancés - Lyon
2 avril 2009 - LAL
Journées Cavités Fabry-Pérot Passives
Laurent Pinard
1
PLAN
 Introduction - Présentation du LMA
Réalisations de miroirs pour cavités
 Choix et Préparation des substrats
 Technique de Dépôt IBS
 Multicouches haute réflectivité
 Performances optiques
Métrologie optique
Conservation des performances dans le temps
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Introduction - Présentation LMA
Laboratoire des Matériaux Avancés à Lyon
UPS du IN2P3/CNRS (Unité Propre de Service) depuis 2004 (avant IPNL)
Groupe de 12 ingénieurs, 2 chercheurs CNRS
Spécialisé dans l’étude, le réalisation et la caractérisation de couches minces
déposées par différents types de procédés sous vides (CVD, PVD: IBS).
150 m2 salle blanche classe 1 :
machine de dépôt, métrologie
Importance de la propreté
Dépôt faibles pertes
sur petits et grands
composants pour cavités
(Miroirs, AR, dichroïque..)
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Introduction - Réalisations
 Miroirs Gyrolaser : Sagem (depuis 1990)
 Miroirs sur substrats de saphir : finesse 100 000 à 300°K et 4°K
University of Western Australia (1996)
 Miroirs de cavités pour Hera DESY (finesse 30 000) : 2001 (V. Brisson)
 Miroirs pour la cavité BMV : C. Rizzo (2007)
Finesse > 500 000
 Projet MIGHTYLASER (F. Zomer) : Finesse 30 000 et 300 000
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Introduction - Réalisations
 Diamètre = 350 mm,
 Epaisseur = 96 mm, Poids = 20 kg
SIDE B
measurements
VIRGO
specifications
LMA
mesurements
average
scattering
< 5 ppm
4 ppm
150150 mm2
average
transmission
10 < T < 50 ppm
42,9 +/- 0,2 ppm
150 mm
average
absorption
< 5 ppm
0,63 +/- 0,07 ppm
150 mm
wavefront
flatness
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< 8 nm RMS
150 mm
3,8 nm RMS
150
mmCavités Fabry-Pérot Passives
Journées
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VIRGO
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Introduction - Réalisations
Mode Cleaner de VIRGO
Après adhésion optique
Sur le banc optique
5 cm
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PERTES
Transmission
Absorption
Diffusion
Couches Minces
Empilement
Substrat
NETTOYAGE
Nature sub.
Substrat
POLISSAGE
(défauts, rugosité)
Couches Minces
Technique
Dépôt
Substrat
NETTOYAGE
Planéité
Front d’onde
Substrat
POLISSAGE
Couches Minces
Techniques
Dépôts
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Nettoyage
Miroir
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Passives
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Choix et Préparation des substrats
Polissage / Diffusion
Faisceau
Incident
Réflexion
Spéculaire
Sources Diffusion
• Rugosité
• Rayures
• Trous
• Inclusions
• Bulles
1
10
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Inclusions
Bulles
• Particules
(poussières)
Environnement propre
Rugosité RMS
(Å)
Poussières
Trous
Rugosité
Lumière diffusée
Diffusion
(ppm)
Faisceau Transmis
#1
#130 Journées Cavités Fabry-Pérot Passives
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Choix et Préparation des substrats
Compagnies Américaines,
Australiennes, Françaises
Rugosité Substrat Micropoli
Profilomètre optique MICROMAP (proto unique en Europe)
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Choix et Préparation des substrats
Détection Défauts Ponctuels
Scan sur 300 mm max, zone mesure 500*500 µm2 , seuil 0,3 µm
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Choix et Préparation des substrats
Détection Défauts Ponctuels
Rayures/ Trous
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Choix et Préparation des substrats
Détection Défauts Ponctuels - NETTOYAGE
Mauvais Nettoyage : > 106 défauts sur Ø 200 mm (résidus séchage)
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Choix et Préparation des substrats
Détection Défauts Ponctuels - NETTOYAGE
Bon nettoyage: 30 défauts sur Ø 100 mm
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Choix et Préparation des substrats
Planéité – Amélioration Front d’onde
Traitement Correctif
Ajout de matière pour combler
les trous
Source d’ions
Robot
- Surface Plane (< 1 nm RMS)
Advanced Virgo
Substrat en
masque translation
Atomes
pulvérisés
Cible de silice
Interféromètre
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Choix et Préparation des substrats
Planéité – Amélioration Front d’onde
Substrat 156 mm VIRGO type
Avant correction (120 mm)
3.3 nm R.M.S.
16 nm P.V.
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Après correction (120 mm)
0.98 nm R.M.S.
10 nm P.V.
Microrugosité préservée (0,5 Å RMS)
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Choix et Préparation des substrats
Planéité – Amélioration Front d’onde
Polissage ionique : supprimer les « bosses » avec un faisceau d’ions
Planéité très bonne sur de grande surface (société américaine)
Microrugosité plus grande (1,6 Å RMS)
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Choix et Préparation des substrats
Planéité – Réalisation de formes « Chapeau Mexicain »
Faisceau Gaussien
Faisceau “plat”
Faisceau “plat”
Faisceau Gaussien
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Choix et Préparation des substrats
Planéité – Réalisation de formes « Chapeau Mexicain »
1600
Epaisseur de silice (nm)
1400
profil théorique
profil expérimental
1200
1000
800
600
400
Chapeau Mexicain IDEAL
200
0
-15
-10
-5
0
5
10
15
Rayon (mm)
Ecart par rapport au profil théorique:
10 nm dans la partie centrale (Ø < 14 mm)
100 nm aux bords (14 mm < Ø < 26 mm)
Miroirs de 50 mm pour Caltech (USA)
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Chapeau
Mexicain du LMA
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Technique de dépôt IBS
IBS : Pulvérisation par faisceaux d’ions
Technique mondialement utilisée pour réaliser les couches minces faibles pertes
Substrate
Assist
Source
O2
+
+
-
Ar
-
-
+
+
-
Sample Holder
+
-
(Simple rotation)
+
200 eV
Neutralizor
Quartz
Sputtered
Particles
Targets
SiO2/Ta
+
+
+
-
O2
1 keV
-
+
+
-
-
+
+
- -
Neutralizor
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Sputtering
Source
Ar
Ar
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Technique de dépôt IBS
 Bâti IBS au LMA : 0.6*0.6*0.8 m3 : 1er bâti en IBS en France (1986)
 Installé en salle blanche classe 1 (importance de la propreté)
 Pompage « propre » : (pas H20, huiles…)
Cryopompes/ Pompes sèches
 Cibles ultra pures (> 99,999 %)
 Inconvénient : vitesse de dépôt lente (< 1Å/s)
pour que %age atomique Ar bas
Sinon Augmentation absorption
 Composants jusqu’à 80 mm
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Technique de dépôt IBS
“VIRGO” Coater : 2.2*2.2*2.4 m3 – Unique en Europe
Capacité de traitement 1m , uniformité de l’épaisseur #6.10-3
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Miroir : empilement multidiélectrique
 Miroir : empilement de couches de matériaux diélectriques différents (oxydes)
 Les propriétés optiques d’un empilement dépendent des interférences
résultant des différentes couches et de la nature des différents matériaux utilisés
Différences de marche : l /2 l /2 3l /2 3l /2 5l /2 5l /2
Ep. Opt = l/4
no
nH > n
o
nLB << nn
H
H
nH > n
B
nLB < n
H
H
nH > n
L
B
nS < n
H
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interférences
constructives
air
l/2
Haut indice
0
Bas indice
l/2
Haut indice
0
Bas indice
l/2
0
Haut indice
Substrat
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Miroir : empilement multidiélectrique
Alternat couches diélectriques quart d’onde haut (H-Ta2O5) et bas (B-SiO2) indice
de réfraction : (HB)x HBB
(
1 - (n /n )
R=
(1 + (n /n )
2x
H
H
B
B
. n 2H /n S
2x
. n 2H /n S
)
)
R > 99.9% - limitée par les pertes optiques (T, A, S)
2
100
6 couches
2
90
14 couches
26 couches
80
nH - nB
l =  . l0 . arcsin
nH + n B
70
Reflectance (%)
60
50
40
l
30
 Avantages :
20
- Haute réflectivité (> 99.9 %)
10
l0
- Faibles pertes par absorption
0
(Visible, IR : << 10 ppm)
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
 Inconvénients :
Longueur d’onde (nm)
- Multicouche (HB) x HBB
(> 30 couches, temps de dépôt important)
- Haute réflectivité sur une bande étroite (l = 250 nm - dépend du contraste d’indice)
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Performances optiques des miroirs
 Transmission : possible d’avoir T< 1 ppm et de les mesurer (diffusomètre)
 Absorption (@ 1064 nm) : 0,3 ppm (@633 nm #3 ppm)
Problème = mesurer des valeurs si petites : « effet mirage » (photothermie)
La
se
rS
63 onde
3n
m He-N
Lentilles
focalisation
e
Laser Pompe YAG
1064 nm
(énergétique)
Chopper
Lock-in
Amplifier
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Dé
Po tecte
sit
ion ur
Echantillon
(incidence normale)
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Performances optiques des miroirs
Banc d’absorption
 Mesure relative (échantillon référence)
 Sensibilité (@ 1064 nm) :
absorption surface : 0,02 ppm
absorption volume : 0,1 ppm/cm
d
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Performances optiques des miroirs
 Diffusion : # 5 ppm sur optiques de petites ou grandes dimensions
Cartographies sur  400 mm
SNR # 10-9
Niveau diffusion < 1ppm
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Performances optiques des miroirs
Diffusion-Propreté
Toutes les étapes de production des miroirs en salle blanche
Filtres
99,X
Filtre Absolu
99,9999 %
Filtres
Particules > 0,1 µm
Air Propre
+
Flux
Laminaire
Laminaire
Ventilateur
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Performances optiques des miroirs
Diffusion-Propreté
Flux Laminaire
Flux Turbulent
Poussière
Les particules sont entrainées
par le flux laminaire
Faible probabilité de
contaminer le miroir
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Forte probabilité
de contaminer l’échantillon
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Performances optiques des miroirs
Comptage Particules
Diffusion-Propreté
Carte de diffusion à 633 nm
47 particles (< 0,3 µm)
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Diffusion
moyenne 0.3 ppm
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Performances optiques des miroirs
Diffusion-Propreté
Comptage Particules
3000 particules de 1 µm
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Carte de diffusion à 633 nm
Diffusion moyenne 7 ppm
(multipliée par 23)
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Performances optiques des miroirs
Diffusion-Propreté
1E-04
B.R.D.F (sr
-1
)
1 µm
0,5 µm
0,2 µm
0,1 µm
1E-05
1E-06
Substrate Level
1E-07
0
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100
200
300
400
500
Nombre de particules . cm-2
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Performances optiques des miroirs
Diffusion-Propreté
Problème principal pour les utilisateurs de miroirs : conserver le niveau de pertes bas
- manipuler dans des conditions propres (salle blanche)
- ne jamais toucher la surface
- vide de qualité dans les cavités (propres, sans turbulences)
Miroir Virgo
Diffusion moyenne 4 ppm
Après utilisation
Diffusion moyenne 25 ppm
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Performances optiques des miroirs
Diffusion-Propreté
 Miroir pollué : en général réversible
Renettoyage (humide) possible si miroir démontable (Virgo pas possible)
 Autre solution pour le nettoyage : film polymère pelable « First Contact »
(http://www.photoniccleaning.com/)
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Performances optiques des miroirs
 Liquide, sèche en ¼ heure
 Peut être appliqué en spray ou avec un pinceau
 2 propriétés importantes
 Protéger les surfaces optiques (pendant montage,…)
 Peut nettoyer les surfaces optiques
Spray
Pinceau
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Performances optiques des miroirs
Miroir 50 mm après nettoyage classique
Diffusion : 6 ppm
Absorption : 1.91 ppm
Miroir 50 mm pollué
Diffusion 25 ppm
Absorption : 5 ppm
Miroir 50 mm, après avoir mis et retiré
le film ‘First Contact'
Diffusion 6-6.5 ppm
Absorption : 1.73 ppm
Le film a nettoyé et Journées Cavités Fabry-Pérot
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n’a- LAL
pas laissé de résidu absorbant Laurent Pinard
Passives
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