Fabrication of Diffractive Optical Elements by Microstructuration of Polymer Materials

Fabrication d'éléments optiques diffractifs par microstructuration de matériaux polymères

Aurélie Chan Yong (1)

1 FOTON - Fonctions Optiques pour les Technologies de l'informatiON

Diffractive optical elements (DOEs) are components widely used for laser beam shaping and data storage. The aim of this study is the fabrication of efficient DOEs which correspond to current industrial needs, by a simple, reproducible and low-cost process. A first approach investigated adresses holographic recording of gratings in photopolymerisable materials with a three-components photo-initiator system. These systems are photochemically more efficient (high polymerisation speed and rate), corrected first-order diffraction efficiencies higher than 90% are obtained after optimisation of the materials. The second approach centres on DOE fabrication in a sol-gel hybrid material from the ORMOCER®s family. This new material is shown to be more efficient (transparency, thermal, chemical and mechanical stabilities) than photoresist, microstructured initially material. The final DOE is created by moulding from a photoresist prototype which is obtained by parallel direct-write photolithography at 436 nm. This process is developed, optimised and validated by several structural and functional characterisations, to obtain zero-order diffraction efficiencies lower than 1%. This fabrication method is used to realise prototypes and small series DOEs on substrates of different sizes and materials (silicon, glass, silica, ceramic and plastic) to extend their application field.

Les éléments optiques diffractifs (EODs) sont des composants largement utilisés pour la mise en forme de faisceaux laser et le stockage d'information. L'objectif de cette étude est la fabrication d'EODs, qui soient performants et répondent aux besoins actuels des industriels, selon un procédé simple à mettre en 'uvre, reproductible et pour un coût raisonnable. Une première approche a porté sur l'enregistrement holographique de réseaux dans des matériaux photopolymérisables où le système photo-amorceur est un système à trois composants. Ce dernier étant plus performant d'un point de vue photochimique (vitesse et taux de polymérisation élevés), l'optimisation de ces matériaux a conduit à des rendements de diffraction corrigés dans l'ordre 1 supérieurs à 90%. La seconde approche correspond à la fabrication d'EODs dans un matériau sol-gel hybride de la famille des ORMOCER®s, qui est plus performant (transparence, stabilités thermique, chimique et mécanique) que la photorésine initialement mise en 'uvre. L'élément final est créé par moulage à partir d'un EOD en photorésine obtenu par photolithographie à écriture directe parallèle à 436 nm. Ce procédé a été mis en place, optimisé et validé grâce à de nombreuses caractérisations structurelles et fonctionnelles, ce qui conduit à une nouvelle génération d'EODs présentant des efficacités de diffraction à l'ordre 0 inférieures à 1%. Ainsi, cette méthode de fabrication a pu être utilisée pour fabriquer des composants en petites séries ou pour le prototypage, sur des substrats de tailles et de matériaux différents (silicium, verre, silice, céramique et plastique), afin d'étendre le champ d'applications des EODs.

Mots clés: Diffractive optical elements (DOEs); Holography; Photopolymerisable materials; Photoresist; Photolithography

Mots clés: Eléments optiques diffractifs (EODs); Holographie; Matériaux photopolymérisables; ORMOCER®; Photorésine; Photolithographie

Domaines: Optique / photonique; Optique [physics.optics]

Aurélie Chan Yong. Fabrication d'éléments optiques diffractifs par microstructuration de matériaux polymères. Optique / photonique. Télécom Bretagne, Université de Bretagne-Sud, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00908837⟩