Homogénéité et diffusion due aux inclusions et aux bulles

Homogénéité

L’homogénéité d’un substrat optique caractérise les variations d’indice de réfraction, entraînant une déformation du front d’onde transmis et des effets de transmission polarisants.¹ Elle est définie par :

$ \small{ \Delta s} $ est la déviation du front d’onde, d est l’épaisseur du substrat, et $ \small{ \Delta n} $ est la variation P-V de l’indice de réfraction. Un degré d’homogénéité élevé, ou plutôt, un degré de variation faible, est particulièrement important pour les applications avec des lasers à haute puissance. Les variations d’homogénéité se développent à partir des processus dans lesquels les matériaux sont fondus. Un mauvais mélange et des déséquilibres thermodynamiques induisent des variations de densité et les processus de refroidissement et de recuit peuvent conduire à des profils de déformation. L’inhomogénéité prend la forme soit d’une inhomogénéité globale, qui est une variation de l’indice de réfraction sur l’ensemble de la pièce de verre, soit de stries, qui sont des variations à court terme de l’homogénéité dans un verre couvrant une distance d’environ 0,1 mm à 2 mm. Le Tableau 1 indique les variations maximales de l’indice de réfraction des classes d’homogénéité communes.

Tableau 1 : Classes d’homogénéité et valeurs maximales de variation de l’indice de réfraction²

Les lentilles à gradient d’indice (GRIN) ne sont qu’un exemple d’un type de lentille intentionnellement non homogène avec un profil d’indice de réfraction non aléatoire et déterministe utilisé pour courber les rayons lumineux de manière non linéaire (Figure 1).

Figure 1 : Comparaison d’une lentille homogène et d’une lentille GRIN focalisant la lumière en un point

La non-homogénéité provoque une diffusion, qui dégrade les performances du système et pourrait entraîner des dommages induits par les lasers de haute puissance. Pour prévenir les dommages et utiliser l’énergie efficacement, il est important que l’optique des lasers transmissifs soit très homogène et évite ainsi la déformation du front d’onde transmis et les effets transmissifs polarisants.

Diffusion due aux inclusions et aux bulles

Les inclusions sont des particules étrangères présentes dans le verre optique qui sont introduites de différentes manières, notamment par contamination pendant la fusion, par des lots de substrat qui ne fondent pas complètement et par des matériaux de paroi à faible solubilité. Des bulles peuvent également se former au cours de réactions lors de la fonte du verre. Celles-ci sont presque entièrement éliminées lors de l’étape d’affinage de la fusion du verre, mais certaines bulles peuvent subsister en cas d’affinage imparfait. Grâce à des procédés de fabrication sophistiqués, le verre optique est pratiquement exempt d’inclusions et de bulles, mais de petites quantités sont inévitables. Dans les optiques laser, les inclusions réduisent le seuil de dommage laser (LIDT) en raison de la lumière diffusée par les inclusions. L’ampleur des effets dépend du nombre, de la nature et de la taille des inclusions présentes dans le verre.

La concentration des inclusions et des bulles d’un verre est donnée par la section transversale totale en mm² d’un volume de 100 cm³ du matériau, calculée comme la somme des sections transversales détectées des bulles et des inclusions. Le diamètre maximal autorisé et le nombre de bulles par volume de 100 cm³ sont définis pour chaque section transversale. Les inclusions sont traitées comme des bulles de taille équivalente. Les trois classes de bulles comprennent : standard, VB (vaste sélection de bulles), et EVB (très vaste sélection de bulles) :

Tableau 2 : Classes de bulles et d’inclusions dans les milieux optiques³

Tableau 3 : Classes CORNING d’inclusions dans les milieux optiques 

Références

1. F. Reitmayer and E. Schuster, "Homogeneity of Optical Glasses," Appl. Opt. 11, 1107-1111 (1972)
2. “TIE-26: Homogeneity of Optical Glass.” Schott, February 2016.
3. “TIE-28: Bubbles and Inclusions in Optical Glass.” Schott, May 2016.

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