Cette thèse porte sur la création d’algorithmes capables d’identifier les meilleures stratégies de contrôle de dépôt de filtres optiques interférentiels. Nous nous intéressons plus particulièrement au contrôle optique qui est, en règle générale, la méthode la plus précise pour définir les critères d’arrêt de dépôt d’une couche de quelques dizaines à centaines de nanomètres et avec une précision de quelques 0,1%. L’objectif de cette thèse vise donc à prédire le résultat expérimental d’un dépôt ainsi que d’en maximiser le taux de réussite.Trois algorithmes sont alors proposés avec pour objectif premier de pouvoir simuler les dépôts de couches minces de manière précise et statistique, de réduire la quantité de stratégies de contrôle possibles à l’aide de critères théoriques, et enfin de sélectionner la solution amenant au meilleur taux de réussite possible. / The aim of this thesis is the creation of algorithms capable of identifying the best strategies for controlling the deposition of optical interference filters. We are particularly interested in optical monitoring, which is, as a general rule, the most accurate method for defining the deposition triggering criteria of a layer from a few tens to hundreds of nanometers and with an accuracy of about 0.1%. The objective of this thesis is thus to predict the result of a deposition and to maximize its success rate by generating an optimal optical monitoring strategy. A virtual deposition process software has then been created to get closer to the experimental conditions and thus allows to select any optical monitoring strategy Two algorithms are then proposed, one with the objective of reducing the quantity of possible solutions for the monitoring of a filter and a second which is used to select the one with the best sucess rate.

Le domaine des couches minces optiques a vu les fonctions de filtrage se complexifier et les techniques de dépôt se perfectionner. Cependant, certains filtres requièrent des performances ultimes notamment en termes d’uniformité et de centrage de leur réponse spectrale. Atteindre ces spécificités requiert un contrôle précis de l'épaisseur optique des couches de l’empilement. Pour se faire, l’utilisation d’un matériau dont l’indice de réfraction peut être modifié localement après dépôt est une solution. Le candidat retenu est un verre de chalcogénures : l’AMTIR-1, un verre commercial, dont l’indice de réfraction décroit sous l’action d’un champ électrique lumineux. Des couches minces de ce matériau ont été déposées par évaporation par canon à électrons et leurs propriétés optiques ont été caractérisées par mesures spectrophotométriques. Des variations d’indice photo-induites de ~4.10-2 ont été enregistrées à λ = 1 μm. Ces variations d’indice ont ensuite été exploitées pour concevoir des composants à base de couches minces optiques spatialement structurés. En particulier, des composants optiques diffractifs binaires ont été enregistrés dans le volume d’une monocouche épaisse de chalcogénure par exposition structurée. Un accord quasi parfait entre théorie et expérience a ainsi été obtenu. L’insertion de ces couches photosensibles à base de chalcogénures dans des filtres optiques interférentiels multicouches a également été investiguée. Une démonstration du contrôle local de la réponse spectrale d’un filtre passe-bande de type Fabry-Perot a été réalisée, démontrant ainsi le potentiel de cette nouvelle approche pour la réalisation de composants optiques optimisés. / In recent years, there has been a tremendous progress in the complexity of thin film optical filters but also an important improvement in the deposition techniques. However, some filters require ultimate performances especially in terms of uniformity and absolute position of their spectral responses. Achieving these characteristics requires a precise and local control of the optical thickness of each of the layers. To overcome some of these fabrication constraints, the use of a material which index of refraction or thickness can be locally changed after deposition is an attractive solution. The chosen material is a chalcogenide glass : AMTIR-1, a commercial glass which refractive index decreases when exposed to light source. Thin films of this material were deposited by electron beam deposition and optical properties were characterized by spectrophotometric measurements. Photo-induced refractive index changes of ~ 4.10-2 were recorded at λ = 1 μm. These refractive index variations were then used to fabricate spatially structured thin films. In particular, diffractive optical elements were recorded in the volume of a thick chalcogenide single layer. This is performed by structured exposure using an optical arrangement based on a digital micromirror device. A close to perfect agreement between theory and experiment has been obtained. The insertion of these chalcogenide-based photosensitive layers in multilayer optical interference filters has also been investigated. A demonstration of the local control of the spectral response of a Fabry-Perot bandpass filter was performed, demonstrating the potential of this new approach for the production of optimized optical components

La réalisation de fonctions de filtrage complexes nécessite une parfaite maîtrise du processus de dépôt ainsi qu’un contrôle précis et en temps réel de l’épaisseur optique des couches déposées. Au cours de ma thèse, consacrée au développement de nouvelles modalités de contrôle optique in situ, je me suis particulièrement intéressé à deux sujets différents, à savoir : - D’une part, la détermination de la dépendance spectrale des constantes optiques (indice de réfraction et coefficient d’extinction) de matériaux diélectriques. Un moyen possible pour effectuer cette détermination consiste à utiliser un système de contrôle optique large bande afin d’enregistrer les spectres de transmission de l’empilement au fur et à mesure de sa formation. En effet, l’évolution temporelle, à chaque longueur d’onde, de ces spectres de transmission contient des informations quantitatives liées aux constantes optiques que nous souhaitons déterminer. - D’autre part, la mesure en temps réel du coefficient de réflexion (r) d’un empilement, en amplitude et en phase, lors de son dépôt. En effet, les méthodes de contrôles optiques en intensité présentent des limitations que la connaissance de l’information de phase devrait permettre de contourner. Cette mesure est réalisée par interférométrie holographique digitale à faible cohérence sur un substrat éclairé par sa face arrière et dont la face avant est équipée d’un masque annulaire. Ceci donne accès aux information de phase et d’amplitude recherchées tout en s’affranchissant des vibrations générées par le fonctionnement de la machine de dépôt ainsi que du mouvement de rotation à 120 tours par minute qu’effectue le porte-substrat. / The realization of complex filtering functions requires a perfect mastering of the deposition process as well as an accurate real time monitoring of the optical thickness of the deposited layers. During my PhD thesis, devoted to the development of new methods of in situ optical monitoring, I was particularly interested in two different subjects, namely:- On the one hand, the determination of the spectral dependence of optical constants (refractive index and extinction coefficient) of dielectric materials. A possible way to achieve this determination consist in using a broadband optical monitoring system in order to record the transmission spectra, in real time, of the stack during its formation. Indeed, the temporal evolution, at each wavelength, of these transmission spectra provide quantitative information related to the optical constants that we wish to determine.- On the other hand, the real time measurement of the reflection coefficient (r) of a stack, in amplitude and phase, during its deposition. Indeed, the optical monitoring methods based on intensity proprieties present some limitations that the knowledge of phase information should overcome. This measurement is performed by low coherence digital holographic interferometry on a substrate illuminated by its rear face and whose front face is equipped with an annular mask. This gives access to desired phase and amplitude information while avoiding the parasitic influence of the substrate motions induced by the vibrations of the deposition machine, and the rotation of the substrate holder at 120 rounds per minute.

A partir d’un diffusomètre multi-sources (UV-MIR), nous avons développé au laboratoire un ellipsomètre basé sur une modulation élasto-optique de la polarisation. Le premier objectif, par comparaison au montage polariseurs/analyseurs tournants, était d’améliorer les performances du dispositif, aussi bien en terme de précision que de rapidité.<br />Les mesures sur champ spéculaire ont tout d’abord largement validé le banc et nous avons mis en oeuvre une méthode pour détecter la présence de contamination sur un composant, sans avoir besoin de la connaissance préalable son indice de réfraction.<br />Dans une deuxième étape, nous avons étendu les mesures à la détermination angulaire du déphasage polarimétrique sur champ diffus. Dans le cas de composants faiblement perturbés, pour lesquels une théorie électromagnétique au premier ordre est utilisée, cette mesure permet de discriminer sans ambiguïté l’origine, surfacique ou volumique, de la diffusion. Nous avons également mis en évidence les effets d’interférences entre ondes diffusées par les surfaces et volumes, grâce à la présence d’oscillations autour de la valeur moyenne du déphasage, et la sensibilité aux effets de décorrélation verticale dans les multicouches.<br />L’étude des composants très hétérogènes est également abordée dans le détail, en tenant compte des effets de dépolarisation. Nous montrons comment les techniques<br />précédentes permettent encore de discriminer les effets de surface et de volume. En particulier le déphasage polarimétrique mesuré dans le speckle résolu du champ diffus, constitue une véritable signature des composants. A l’aide d’une approche phénoménologique, on montre que l’amplitude des oscillations du déphasage permet d’extraire le taux de dépolarisation angulaire. De façon plus générale, la méthode d’ellipsométrie sur champ diffus permet une scrutation approfondie, tout en ouvrant la porte aux problèmes inverses et de reconstruction en champ lointain.

La thèse qui suit est organisée en deux volets: un premier volet portant sur les modèles de masse de galaxies et un second volet sur la conception de revêtements optiques et le contrôle de leurs propriétés mécaniques. Les modèles de masse présentés dans cette thèse ont été réalisés sur un sous-échantillon de dix galaxies de l'étude SINGS comprenant neuf galaxies normales et une galaxie naine. Ce travail visait à fixer le rapport masse-luminosité du disque à tout rayon en utilisant les résultats de modèles d'évolution galactique chimio-spectrophotométriques ajustés spécifiquement à chaque galaxie grâce à son profil de photométrie multi-bandes. Les résultats montrent que les disques stellaires tels que normalisés par les rapports masse-luminosité issus des modèles ont des masses cohérentes dans toutes les bandes étudiées de l'ultra-violet, du visible ainsi que du proche infrarouge (bandes FUV à IRAC2). Ces disques peuvent être considérés comme maximaux par rapport aux données cinématiques des galaxies étudiées. Ceci est dû au fait que le rapport M/L est plus élevé au centre que sur les bords. Les disques étant maximaux et physiquement justifiés, on ne peut dès lors ignorer les effets de composants tels que les bulbes ou les barres et les corrections nécessaires doivent être apportées aux profils de luminosité et de vitesses de rotation de la galaxie. Dans les travaux de la seconde partie, le logiciel en développement libre OpenFilters a été modifié afin de tenir compte des contraintes mécaniques dans la conception numérique de revêtements optiques. Les contraintes mécaniques dans les couches minces ont un effet délétère sur leurs performances optiques. Un revêtement destiné à rendre réflectives les lames d'un étalon Fabry-Perot utilisé en astronomie a été conçu et fabriqué afin d'évaluer les performances réelles de la méthode. Ce cas a été choisi à cause de la diminution de la finesse d'un étalon Fabry-Perot apporté par la courbure des lames sous l'effet des contraintes. Les résultats montrent que les mesures concordent avec les modèles numériques et qu'il est donc possible à l'aide de ce logiciel d'optimiser les revêtements pour leur comportement mécanique autant que pour leurs propriétés optiques. / The following thesis includes two parts: the first concentrates on mass models of galaxies while the second concerns the design of broadband optical coatings and the control of their mechanical properties. Mass models presented here were performed on a subsample of ten galaxies from the SINGS survey. It includes nine late-type regular galaxies as well as a dwarf galaxy. The work consisted in the determination at all radii of M/L ratio of galactic discs by choosing, amongst a grid of chemospectrophotometric galactic evolution models, the one that fits better the galaxy's multi-band photometric profile. Results from this work show that stellar discs weighted by the model's mass-to-luminosity ratio display consistent masses in all studied bands from the ultraviolet to the near-infrared (FUV to IRAC2 bands). The resulting discs are physically motivated and maximal, due to their mass-to-luminosity ratio being higher in the center of the galaxies than at their outskirts. In this maximal-disc situation, bars and bulges of galaxies can no longer be ignored and the appropriate corrections need to be made on the luminosity or circular velocity profiles of the galaxy. In the second part, an additional module of the open source software Open Filters was written in order to take into account the mechanical properties of thin films in the design of optical coatings. The mechanical stresses arising in optical coatings can have a deleterious effect on the optical performances of coatings, and this tool was meant to provide design capacities to minimize this effect. Broadband reflective coatings for Fabry-Perot plates were designed and fabricated as a proof of concept of the method. This specific case was interesting because the curvature induced by mechanical stresses induces decrease of the finesse of Fabry-Perot etalons. Actual curvature of the deposited samples are coherent with the numerical calculations and undergo a substantial reduction for the two strategies devised here with this new design too. We therefore conclude that it is possible with this new software module to optimize coatings for their mechanical behaviour as well as for their optical properties.

La thèse qui suit est organisée en deux volets: un premier volet portant sur les modèles de masse de galaxies et un second volet sur la conception de revêtements optiques et le contrôle de leurs propriétés mécaniques. Les modèles de masse présentés dans cette thèse ont été réalisés sur un sous-échantillon de dix galaxies de l'étude SINGS comprenant neuf galaxies normales et une galaxie naine. Ce travail visait à fixer le rapport masse-luminosité du disque à tout rayon en utilisant les résultats de modèles d'évolution galactique chimio-spectrophotométriques ajustés spécifiquement à chaque galaxie grâce à son profil de photométrie multi-bandes. Les résultats montrent que les disques stellaires tels que normalisés par les rapports masse-luminosité issus des modèles ont des masses cohérentes dans toutes les bandes étudiées de l'ultra-violet, du visible ainsi que du proche infrarouge (bandes FUV à IRAC2). Ces disques peuvent être considérés comme maximaux par rapport aux données cinématiques des galaxies étudiées. Ceci est dû au fait que le rapport M/L est plus élevé au centre que sur les bords. Les disques étant maximaux et physiquement justifiés, on ne peut dès lors ignorer les effets de composants tels que les bulbes ou les barres et les corrections nécessaires doivent être apportées aux profils de luminosité et de vitesses de rotation de la galaxie. Dans les travaux de la seconde partie, le logiciel en développement libre OpenFilters a été modifié afin de tenir compte des contraintes mécaniques dans la conception numérique de revêtements optiques. Les contraintes mécaniques dans les couches minces ont un effet délétère sur leurs performances optiques. Un revêtement destiné à rendre réflectives les lames d'un étalon Fabry-Perot utilisé en astronomie a été conçu et fabriqué afin d'évaluer les performances réelles de la méthode. Ce cas a été choisi à cause de la diminution de la finesse d'un étalon Fabry-Perot apporté par la courbure des lames sous l'effet des contraintes. Les résultats montrent que les mesures concordent avec les modèles numériques et qu'il est donc possible à l'aide de ce logiciel d'optimiser les revêtements pour leur comportement mécanique autant que pour leurs propriétés optiques. / The following thesis includes two parts: the first concentrates on mass models of galaxies while the second concerns the design of broadband optical coatings and the control of their mechanical properties. Mass models presented here were performed on a subsample of ten galaxies from the SINGS survey. It includes nine late-type regular galaxies as well as a dwarf galaxy. The work consisted in the determination at all radii of M/L ratio of galactic discs by choosing, amongst a grid of chemospectrophotometric galactic evolution models, the one that fits better the galaxy's multi-band photometric profile. Results from this work show that stellar discs weighted by the model's mass-to-luminosity ratio display consistent masses in all studied bands from the ultraviolet to the near-infrared (FUV to IRAC2 bands). The resulting discs are physically motivated and maximal, due to their mass-to-luminosity ratio being higher in the center of the galaxies than at their outskirts. In this maximal-disc situation, bars and bulges of galaxies can no longer be ignored and the appropriate corrections need to be made on the luminosity or circular velocity profiles of the galaxy. In the second part, an additional module of the open source software Open Filters was written in order to take into account the mechanical properties of thin films in the design of optical coatings. The mechanical stresses arising in optical coatings can have a deleterious effect on the optical performances of coatings, and this tool was meant to provide design capacities to minimize this effect. Broadband reflective coatings for Fabry-Perot plates were designed and fabricated as a proof of concept of the method. This specific case was interesting because the curvature induced by mechanical stresses induces decrease of the finesse of Fabry-Perot etalons. Actual curvature of the deposited samples are coherent with the numerical calculations and undergo a substantial reduction for the two strategies devised here with this new design too. We therefore conclude that it is possible with this new software module to optimize coatings for their mechanical behaviour as well as for their optical properties.