Fabrication de composants optiques

Renforcer l’expertise dans le domaine du dépôt de couches minces

Depuis l’automne 2014, le Laboratoire Temps-Fréquence (LTF) de l’Université de Neuchâtel exploite un système ultramoderne de pulvérisation cathodique par faisceau d’ions (IBS) à la pointe de la technologie. Cette machine, le Navigator 1100 produite par Cutting Edge Coatings GmbH, un produit dérivé du centre Laser à Hannovre en Allemagne, a été dédiée à la fabrication d’optiques sur mesure. Elle permet de créer des structures multicouches diélectriques denses présentant des pertes extrêmement faibles (de l’ordre du ppm), des densités de défauts réduites et une qualité optique supérieure.

Le projet initial financé par le FNS, OPTICS (OPTical IBS Coating for Swiss research), a permis la mise en place d’une plateforme complète à l’Université de Neuchâtel. Celle-ci fournit des solutions complètes pour la conception, la préparation des échantillons, le dépôt de couches, la caractérisation et l’évaluation par laser de revêtements IBS de haute qualité. Au fil des ans, la plateforme OPTICS a joué un rôle déterminant dans de nombreux efforts de recherche et de développement et, continue de croître en taille et en capacités.

Maîtriser le revêtement grâce à l’IBS

La pulvérisation par faisceau d’ions (IBS-Ion Beam Sputtering) utilise un faisceau d’ions pour frapper une cible matérielle, transférant l’impulsion à un flux de particules qui est déposé sur divers substrats optiques. Pour certains matériaux, tels que les oxydes et les nitrures, on utilise la pulvérisation réactive, où un gaz comme l’oxygène ou l’azote est introduit dans la chambre de revêtement lors de l’utilisation de cibles métalliques. La possibilité de contrôler indépendamment le flux et l’énergie des ions permet d’obtenir une énergie ionique à faible largeur de bande à une gamme de taux de dépôt. Par rapport à d’autres techniques de revêtement, les particules du matériau de revêtement ont une vitesse d’impact relativement élevée sur le substrat. Ces propriétés permettent de réaliser des revêtements de pointe qui sont :

  • Extrêmement uniformes
  • De très haute densité (adaptée à la qualification spatiale)
  • Entièrement amorphes
  • Avec d’excellentes propriétés d’adhésion à divers matériaux de substrat
  • Une solution efficace aux défis complexes rencontrés.

Depuis sa création, la plateforme OPTICS a été continuellement améliorée avec de nouvelles fonctionnalités et de nouveaux instruments afin de répondre aux demandes d’applications de plus en plus exigeantes. Elle a joué un rôle crucial dans plusieurs projets, allant d’applications ultrarapides dans le visible et le proche infrarouge à des applications plus exotiques, dans l’ultraviolet et l’infrarouge moyen. Nos capacités de revêtement IBS ainsi que notre expertise dans la conception et la caractérisation des multicouches optiques, ont joué un rôle essentiel dans la réussite de plusieurs projets de recherche.

Par exemple, nous avons conçu et fabriqué des miroirs dispersifs pour la génération intra cavité d’harmoniques élevées dans un oscillateur laser femtoseconde fonctionnant à des niveaux de puissance sans précédent. Les miroirs commerciaux n’étaient pas en mesure de gérer les non linéarités intolérables, les effets thermiques et les dommages, ce qui a mis en évidence la nécessité de concevoir des optiques sur mesure.

Continuer à innover

Nos capacités de dépôt et nos instruments de caractérisation de pointe nous placent dans une position unique pour développer, fabriquer et intégrer des optiques personnalisées hautement spécialisées, adaptées aux besoins spécifiques de nos projets et de nos collaborations. Notre infrastructure et notre expertise continuent d’ouvrir la voie à de nombreuses collaborations nationales et internationales, où les revêtements haute performance sur mesure sont cruciaux mais ne sont pas encore disponibles dans le commerce.

Nous avons collaboré avec succès à la recherche fondamentale et appliquée, ainsi qu’avec des partenaires industriels, pour nous attaquer à des tâches exigeantes et délicates qui nécessitent un contrôle étroit du processus. Notre équipe se consacre à repousser les limites de la technologie des couches minces optiques et se réjouit de contribuer à de nouvelles avancées dans ce domaine.

Publications
  • G-W. Truong, L. W. Perner, D. M. Bailey, G. Winkler, S. B. Cataño-Lopez, V. J. Wittwer, T. Südmeyer, C. Nguyen, D. Follman, A. J. Fleisher, O. H. Heckl, and G. D. Cole, « Mid-infrared supermirrors with finesse exceeding 400 000, » Nat Commun 14, 7846 (2023).

  • Müller, M. Hamrouni, K. N. Komagata, A. Parriaux, V. J. Wittwer, and T. Südmeyer, « Powerful 1-µm 1-GHz optical frequency comb, » Opt. Express 31, 44823 (2023).
  • Jornod, M. Jankowski, L. M. Krüger, V. J. Wittwer, N. Modsching, C. Langrock, C. R. Phillips, U. Keller, T. Südmeyer, and M. M. Fejer, « Monolithically integrated femtosecond optical parametric oscillators, » Optica 10, 826 (2023).
  • Vosoughi Lahijani, N. Descharmes, R. Barbey, G. D. Osowiecki, V. J. Wittwer, O. Razskazovskaya, T. Südmeyer, and H. P. Herzig, « Centimeter‐Scale Propagation of Optical Surface Waves at Visible Wavelengths, » Advanced Optical Materials 2102854 (2022).
  • Moroney, L. Del Bino, S. Zhang, M. T. M. Woodley, L. Hill, T. Wildi, V. J. Wittwer, T. Südmeyer, G.-L. Oppo, M. R. Vanner, V. Brasch, T. Herr, and P. Del’Haye, « A Kerr polarization controller, » Nat Commun 13, 398 (2022).
  • Labaye, V. J. Wittwer, M. Hamrouni, N. Modsching, E. Cormier, and T. Südmeyer, « Efficient few-cycle Yb-doped laser oscillator with Watt-level average power, » Opt. Express 30, 2528 (2022).
  • Hillbrand, M. Bertrand, V. Wittwer, N. Opačak, F. Kapsalidis, M. Gianella, L. Emmenegger, B. Schwarz, T. Südmeyer, M. Beck, and J. Faist, « Synchronization of frequency combs by optical injection, » Opt. Express 30, 36087 (2022).
  • Hamrouni, F. Labaye, N. Modsching, V. J. Wittwer, and T. Südmeyer, « Efficient high-power sub-50-fs gigahertz repetition rate diode-pumped solid-state laser, » Opt. Express 30, 30012 (2022).
  • Gianella, S. Vogel, V. J. Wittwer, T. Südmeyer, J. Faist, and L. Emmenegger, « Frequency axis for swept dual-comb spectroscopy with quantum cascade lasers, » Opt. Lett. 47, 625 (2022).
  • Fischer, J. Drs, F. Labaye, N. Modsching, M. Müller, V. J. Wittwer, and T. Südmeyer, « Efficient XUV-light out-coupling of intra-cavity high harmonics by a coated grazing-incidence plate, » Opt. Express 30, 30969 (2022).
  • Modsching, J. Drs, P. Brochard, J. Fischer, S. Schilt, V. J. Wittwer, and T. Südmeyer, « High-power dual-comb thin-disk laser oscillator for fast high-resolution spectroscopy, » Opt. Express 29, 15104 (2021).
  • Hamrouni, J. Drs, N. Modsching, V. J. Wittwer, F. Labaye, and T. Südmeyer, « Intra-oscillator broadband THz generation in a compact ultrafast diode-pumped solid-state laser, » Opt. Express 29, 23729 (2021).
  • Fischer, J. Drs, N. Modsching, F. Labaye, V. J. Wittwer, and T. Südmeyer, « Efficient 100-MW, 100-W, 50-fs-class Yb:YAG thin-disk laser oscillator, » Opt. Express 29, 42075 (2021).
  • Drs, J. Fischer, N. Modsching, F. Labaye, V. J. Wittwer, and T. Südmeyer, « Sub-30-fs Yb:YAG thin-disk laser oscillator operating in the strongly self-phase modulation broadened regime, » Opt. Express 29, 35929 (2021).
  • M. Krüger, A. S. Mayer, Y. Okawachi, X. Ji, A. Klenner, A. R. Johnson, C. Langrock, M. M. Fejer, M. Lipson, A. L. Gaeta, V. J. Wittwer, T. Südmeyer, C. R. Phillips, and U. Keller, « Performance scaling of a 10-GHz solid-state laser enabling self-referenced CEO frequency detection without amplification, » Opt. Express 28, 12755 (2020).