Des composants hybrides pour corriger les aberrations chromatiques
Publié par Redbran le 05/04/2019 à 14:00
Source: CNRS INP

© CRHEA (CNRS)
Contrôler la propagation des différentes longueurs d'onde composant la lumière est un enjeu majeur pour corriger les aberrations chromatiques. Dans ce but, cette étude montre la possibilité de concevoir des composants optiques hybrides associant un verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice SiO2) et de...) et une métasurface, cette dernière étant une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) nanostructurée de façon à compenser les effets chromatiques du verre.

Un rayon lumineux est dévié lorsqu'il rencontre une interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir...) entre deux milieux, par exemple entre l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de...) et le verre d'un objectif d'appareil photographique: c'est le phénomène de réfraction (En physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie — le phénomène de réfraction est la déviation d'une onde lorsque la vitesse de...). Ce rayon est souvent une lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...) dite blanche, c'est-à-dire composée de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude...) des couleurs (longueurs d'onde) du spectre visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.), et celles-ci peuvent être déviées différemment: c'est le phénomène de dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes...) chromatique. Ces deux phénomènes se manifestent par exemple à la traversée d'un prisme en verre comme c'est illustré avec la célèbre couverture de l'album des Pink Floyd "Dark side of the Moon". Le phénomène de réfraction est exploité pour faire des images à l'aide de lentilles car il permet de faire converger les rayons lumineux, mais à l'opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés...), le phénomène de dispersion limite la qualité de ces images car toutes les couleurs ne convergent ( en astronautique, convergent en mathématiques, suite convergente série convergente ) pas au même endroit, créant des franges colorées floues sur leurs bords.

Par ailleurs, sont développés des nouveaux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) appelés des métasurfaces qui sont des composants optiques ultraminces dont on peut façonner la structuration pour contrôler la déviation des rayons lumineux et obtenir des propriétés optiques bien définies. Ces composants assemblent des millions de nanostructures par cm^2 et ont des épaisseurs qui sont typiquement de l'ordre de 500 nm. Les chercheurs du Centre de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) sur l'hétéroépitaxie et ses applications (CRHEA, CNRS) à Sophia Antipolis (Sophia Antipolis est une technopole située dans une pinède de 2 400 hectares sur les communes d'Antibes, Biot, Vallauris, Valbonne Sophia Antipolis et Mougins, entre Nice et...), en collaboration avec des chercheurs de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) de Harvard, viennent de concevoir une nouvelle voie pour limiter les aberrations chromatiques en compensant la dispersion du verre grâce aux propriétés optiques d'une métasurface et en fabriquant ainsi un composant hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés, sous-espèces (croisement intraspécifique), espèces (croisement...) verre-métasurface (cf. figure).

Ce sont les lois de Snell-Descartes (Les lois de Snell-Descartes décrivent le comportement de la lumière à l'interface de deux milieux. Ces lois sont au nombre de deux, une pour la réflexion et une pour la réfraction....) qui déterminent les angles de réfraction des rayons lumineux. Elles font intervenir l'indice du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières et mise...) et la dispersion est due à la variation de cet indice en fonction de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...). Dans le cas des métasurfaces, des discontinuités apparaissent sur la surface à des échelles sub-longueur d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...) qui vont introduire des déphasages à prendre en compte pour la déviation des rayons lumineux: on applique alors les lois de Snell-Descartes dites généralisées. Dans cette étude, la dispersion d'un prisme en verre a été caractérisée dans un domaine où l'indice varie de façon linéaire avec la longueur d'onde. Pour compenser cette dispersion, une métasurface dite à gradient de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) et possédant un déphasage qui varie linéairement dans l'espace a été conçue en résolvant les lois de Snell-Descartes généralisées. Les chercheurs ont défini la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures...) des nanostructures qui réalisent des déviations opposées à celles du prisme à l'aide de simulations numériques reproduisant la traversée des champs lumineux au travers de cette métasurface. Un composant hybride a été fabriqué en "collant" la métasurface sur la face de sortie du prisme. Un régime de dispersion achromatique a bien été mesuré pour des longueurs d'onde entre 600 et 800 nm, plage (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de matériaux d'une taille allant des sables fins aux blocs ». La plage ne se limite donc pas aux...) pour laquelle la dispersion du prisme est linéaire. Cette technique a été également exploitée pour concevoir des "méta-lentilles", capables de focaliser plusieurs longueurs d'onde au même endroit (cf. figure).

Des étapes technologiques restent encore à franchir pour une mise en oeuvre généralisée de ce nouveau concept de compensateurs à base de métasurfaces, mais par sa simplicité, il est prometteur et pourrait trouver des applications dans le domaine des optiques grand public, des composants pour la réalité augmentée (La notion de réalité augmentée désigne les systèmes (au sens informatique) qui rendent possible la superposition d'un modèle...) et, de façon générale, pour toute application d'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main,...) polychrome.


(A) Schéma montrant l'effet de focalisation des rayons lumineux de différentes couleurs en passant au travers d'une lentille mince classique. La dispersion du matériau ne permet pas de focaliser toutes les longueurs d'ondes au même point. (B) En combinant une lentille mince avec une métasurface, il est possible de focaliser en lumière blanche, limitant ainsi les aberrations chromatiques. (C) Exemple d'un système hybride comprenant un prisme dispersant et une métasurface composée de plusieurs millions d'éléments nanostructurés en oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) de titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.). © CRHEA (CNRS)

Référence publication
Mitigating chromatic dispersion with hybrid optical metasurfaces. R. Sawant, P. Bhumkar, A. Y. Zhu, P. Ni, F. Capasso et P. Genevet, Advanced Materials, le 23 novembre 2018. Doi: 10.1002/adma.201805555.

Contact chercheur:
Patrice Genevet - Chercheur CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) au CRHEA
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