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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 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 2 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..) 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 3 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 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 4 Introduction - Réalisations Diamètre = 350 mm, Epaisseur = 96 mm, Poids = 20 kg SIDE B measurements VIRGO specifications LMA mesurements average scattering < 5 ppm 4 ppm 150150 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 2 avril 2009 - LAL < 8 nm RMS 150 mm 3,8 nm RMS 150 mmCavités Fabry-Pérot Passives Journées Laurent Pinard VIRGO 5 Introduction - Réalisations Mode Cleaner de VIRGO Après adhésion optique Sur le banc optique 5 cm 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 6 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 2 avril 2009 - LAL Nettoyage Miroir Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 7 Choix et Préparation des substrats Polissage / Diffusion Faisceau Incident Réflexion Spéculaire Sources Diffusion • Rugosité • Rayures • Trous • Inclusions • Bulles 1 10 2 avril 2009 - LAL 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 Laurent Pinard 8 Choix et Préparation des substrats Compagnies Américaines, Australiennes, Françaises Rugosité Substrat Micropoli Profilomètre optique MICROMAP (proto unique en Europe) 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 9 Choix et Préparation des substrats Détection Défauts Ponctuels Scan sur 300 mm max, zone mesure 500*500 µm2 , seuil 0,3 µm 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 10 Choix et Préparation des substrats Détection Défauts Ponctuels Rayures/ Trous 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 11 Choix et Préparation des substrats Détection Défauts Ponctuels - NETTOYAGE Mauvais Nettoyage : > 106 défauts sur Ø 200 mm (résidus séchage) 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 12 Choix et Préparation des substrats Détection Défauts Ponctuels - NETTOYAGE Bon nettoyage: 30 défauts sur Ø 100 mm 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 13 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 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 14 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. 2 avril 2009 - LAL Après correction (120 mm) 0.98 nm R.M.S. 10 nm P.V. Microrugosité préservée (0,5 Å RMS) Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 15 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) 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 16 Choix et Préparation des substrats Planéité – Réalisation de formes « Chapeau Mexicain » Faisceau Gaussien Faisceau “plat” Faisceau “plat” Faisceau Gaussien 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 17 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) 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard Chapeau Mexicain du LMA 18 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 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard Sputtering Source Ar Ar 19 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 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 20 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 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 21 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 2 avril 2009 - LAL interférences constructives air l/2 Haut indice 0 Bas indice l/2 Haut indice 0 Bas indice l/2 0 Haut indice Substrat Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 22 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) 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 23 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 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard Dé Po tecte sit ion ur Echantillon (incidence normale) 24 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 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 25 Performances optiques des miroirs Diffusion : # 5 ppm sur optiques de petites ou grandes dimensions Cartographies sur 400 mm SNR # 10-9 Niveau diffusion < 1ppm 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 26 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 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 27 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 2 avril 2009 - LAL Forte probabilité de contaminer l’échantillon Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 28 Performances optiques des miroirs Comptage Particules Diffusion-Propreté Carte de diffusion à 633 nm 47 particles (< 0,3 µm) 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard Diffusion moyenne 0.3 ppm 29 Performances optiques des miroirs Diffusion-Propreté Comptage Particules 3000 particules de 1 µm 2 avril 2009 - LAL Carte de diffusion à 633 nm Diffusion moyenne 7 ppm (multipliée par 23) Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 30 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 2 avril 2009 - LAL 100 200 300 400 500 Nombre de particules . cm-2 Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 31 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 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 32 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/) 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 33 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 2 avril 2009 - LAL Journées Cavités Fabry-Pérot Passives Laurent Pinard 34 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 2 avril 2009 n’a- LAL pas laissé de résidu absorbant Laurent Pinard Passives 35
