Par évaporation sous vide avec un laser pulse, on se propose de fabriquer des couches minces de matériaux varies et des multicouches utilisables pour la réalisation de miroirs a rayons x-uv; les paramètres pour la réflectivité des empilements que nous essayons d'améliorer sont: la pureté, l'homogénéité d'épaisseur, la compacité et la planéité des interfaces des différentes couches obtenues. Nous avons mis en place un dispositif qui utilise un laser nd-yag pulse ayant une densité de puissance au niveau de la cible supérieure a 100 millions de watts par centimètre carre. Un déplacement dans deux directions orthogonales assure un balayage uniforme du faisceau de la cible. L'épaisseur des couches est contrôlée pendant le dépôt par une microbalance a quartz. L'ensemble est gèré par un micro-ordinateur permettant le pilotage automatique de la fabrication de couches simples et multicouches. Pour la plupart des matériaux étudiés, les couches minces fabriquées ont une densité du matériau massif. La rugosité aux interfaces (c sur w par exemple) est souvent meilleure que celle obtenue dans le cas d'une évaporation thermique classique. Il reste a résoudre les problèmes d'homogeneite d'épaisseur que nous avons mis en évidence. Les projections de gouttelettes de matériau durant l'évaporation posent un problème, particulièrement aigu dans le cas du silicium, ou la surface des couches présente des aspérités sous forme de gouttelettes solidifiées .

In this work the roughness and topography evolution of optical materials sputtered with low energy ion beam (≤1 keV) has been investigated. These materials (bulk or thin layer) are used in the manufacturing of mirrors for scientific (ground or space) instruments or for other optical applications. In the first part of the work, the roughness evolution of optical surfaces under sputtering has been investigated in the frame of the industrial process known as Ion Beam Figuring. This technique consists in removing shape errors on optical surfaces with a low energy ion beam (≤1 keV). One disadvantage of this process is a potential increase of roughness for surfaces under treatment. The roughness evolution of some materials relevant to the optical industry has been accurately characterized as function of etching depth down to 5 µm. These sputtering experiments have been carried out at normal incidence, mainly with argon ions (but also in a lesser extent with krypton and xenon ions), ion current density of ~1 mA/cm2 and ion beam energy ranging from 200 eV to 1000 eV. The roughness evolution under sputtering is low for materials with amorphous (glass, electroless nickel), monocrystalline (silicon) or even polycrystalline structure (CVD silicon carbide, PVD gold or nickel film), whereas it is considerably more important for some other metallic materials such as electroplated nickel and aluminium. This work has shown small differences in the roughness evolution of CVD silicon carbide as function of the ion beam energy. The roughness increase is faster at low ion energy (<500 eV) than at higher ion energy (650-1000 eV). The grain structure of this material is less revealed at higher energy, which is supposed to be due to a larger amorphization of the sputtered layer in this case. The influence of the ion mass on CVD silicon carbide and gold films on nickel substrates has been also illustrated. Our measurements have been also compared to scaling laws. Various growth and roughness exponents have been found, sometimes rather different from those foreseen by the KPZ equation. In the second part, we focus on periodically modulated structures (ripples) which developed on many solids when sputtered by an off-normal ion bombardment. In this work, we first observed these ripples on gold films deposited on electroplated nickel (materials used as reflective surfaces for X-ray space telescope) sputtered at grazing incidence. We studied the influence of sputtering parameters (ion beam incidence angle, energy and flux) on the characteristics of ripples induced on gold and silver thin film (~0.2 µm). Ion-induced ripples have also been observed on CdS, an interesting semiconductor crystal for optical applications. The ripples orientation and dimensions (spatial wavelengths from 0.13 µm to 0.29 µm) have been confronted to the Bradley-Harper (B-H) linear model. We used the SRIM software to evaluate the deposited energy and the surface tension coefficient distributions. Our results can be in great part explained by the current theories (Bradley-Harper, Makeev) on morphology of ion-sputtered surfaces. These results can be summarized hereunder: Clear development of ripples for angle of incidence equal or higher than 60° on gold film and 70° on silver film. In this work the ripples wave vector is always perpendicular to the ion beam direction for all angles, whereas the change in ripple orientation beyond a critical angle is usually reported in literature. This is a due to the different shape of the energy distribution function for our sputtering conditions. Different regimes for roughness and topography evolution (grains, ripples) have been observed in function of the angle of incidence. 3 different areas can be distinguished, as predicted by Makeev non-linear model. The diminution of ripple wavelength with ion energy shows that thermal diffusion is the main relaxation mechanism.

Les travaux presentés s'inscrivent dans le cadre de l'étude des interfaces élastiques en milieu aléatoire. Leur dynamique sous l'action d'une force extérieure présente des effets fortement non-linéaires. Dans cette thèse je discute le comportement de l'interface dans la limite où la vitesse s'annule (dépiégeage). Dans la première partie de la thèse je présente les nouveaux algorithmes que nous avons développés pour étudier la dynamique au seuil de dépiégeage. Je montre que les approches utilisées sont rigoureuses et déterminent la solution exacte du problème. Les nouvelles méthodes numériques permettent de repérer exactement les interfaces bloquées au seuil de dépiégeage. La rugosité de ces objets possède des propriétés universelles que je caractérise, dans la deuxième partie de la thèse, pour plusieurs structures d'intérêt expérimental et théorique, en fonction de la dimension de l'espace et de la portée des interactions élastiques.

Les développements technologiques permettent aujourd'hui l'élaboration de systèmes optiques interférentiels composés d'un grand nombre de composants. Ainsi, des formules de filtres diélectriques multicouches comportant plusieurs dizaines ou centaines de couches minces ont été proposées. La combinaison cohérente de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de sources laser fibrées fait également l'objet de nombreux travaux de recherche. De même, d'autres systèmes comme les réseaux diffractifs bi et tridimensionnels composés d'un grand nombre d'ouvertures peuvent être étudiés. L'évaluation de la robustesse de tels systèmes interférentiels aux incertitudes de fabrication constitue un enjeu important mais d'autant plus difficile que le nombre de paramètres décrivant le système est grand. Dans ce document de synthèse, sont rappelés, dans un premier temps, les méthodologies liés aux plans d'expériences numériques et les résultats concernant leur qualité d'exploration des espaces de grandes dimensions au moyen de la construction d'un graphe : l'Arbre de Longueur Minimale. Dans une seconde partie, l'analyse de l'influence des incertitudes des paramètres d'entrée de systèmes interférentiels sur leurs performances est illustrée au moyen de deux applications : les filtres interférentiels multidiélectriques et la combinaison cohérente de sources laser fibrées. La méthodologie mise en oeuvre permet notamment d'identifier les incertitudes et les synergies les plus critiques au sein du système tout en construisant des métamodèles représentatifs. A partir de ces acquis, la caractérisation spatiale du speckle de surfaces rugueuses et plus généralement la caractérisation de la variabilité spatiale de phénomènes optiques sont ensuite explicitées. Enfin, les perspectives scientifiques issues de l'ensemble de ces activités de recherche sont développées. (PS : Les planches présentées lors de la soutenance ont été ajoutées en annexe du document original : pages 170 à 202).