Des chercheurs développent une approche de fabrication verre dans verre pour fabriquer des optiques infrarouges miniatures

Les chercheurs ont mis au point un nouveau procédé de fabrication qui permet de combiner le verre infrarouge (IR) avec un autre verre et de le façonner en formes miniatures complexes. La technique peut être utilisée pour créer des optiques infrarouges complexes qui pourraient rendre l’imagerie et la détection IR plus largement accessibles.

« Le verre qui transmet les longueurs d’onde IR est essentiel pour de nombreuses applications, y compris les techniques de spectroscopie utilisées pour identifier divers matériaux et substances », a déclaré le chef de l’équipe de recherche Yves Bellouard de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en Suisse. « Cependant, les verres infrarouges sont difficiles à fabriquer, fragiles et se dégradent facilement en présence d’humidité. »

Dans la revue Optique Express, les chercheurs décrivent leur nouvelle technique, qui peut être utilisée pour intégrer des lunettes infrarouges fragiles dans une matrice de silice durable. Le processus peut être utilisé pour créer pratiquement n’importe quelle forme 3D interconnectée avec des caractéristiques mesurant un micron ou moins. Il fonctionne avec une grande variété de verres, offrant une nouvelle façon d’affiner les propriétés de l’optique 3D avec de subtiles combinaisons de verre.

« Notre technique pourrait ouvrir la porte à une toute nouvelle gamme de nouveaux dispositifs optiques car elle peut être utilisée pour fabriquer des circuits optiques infrarouges et des micro-optiques IR de forme arbitraire qui n’étaient pas possibles auparavant en raison de la faible fabricabilité du verre IR », a déclaré Enrico Casamenti, premier auteur de l’article. « Ces optiques pourraient être utilisées, par exemple, pour des applications de spectroscopie et de détection ou pour créer une caméra infrarouge suffisamment petite pour s’intégrer dans un smartphone. »

Fusionner des matériaux

Le nouveau procédé de fabrication est né de travaux antérieurs dans lesquels l’équipe de recherche de Bellouard a collaboré avec l’équipe d’Andreas Mortensen, également à l’EPFL, pour développer une méthode de formation de métaux hautement conducteurs à l’intérieur d’un substrat de silice 3D isolant.

« Notre équipe a commencé à chercher des moyens innovants d’obtenir un confinement de la lumière à large bande dans des circuits optiques 3D de forme arbitraire », a déclaré Bellouard. « C’est alors que nous avons décidé d’explorer la possibilité de modifier un procédé que nous avions d’abord démontré en utilisant du métal afin qu’il puisse être utilisé pour produire des structures qui combinent deux types de verre. »

Pour la nouvelle approche, les chercheurs commencent par créer une cavité 3D de forme arbitraire à l’intérieur d’un substrat en verre de silice fondue à l’aide d’une gravure chimique assistée par laser femtoseconde. Celui-ci utilise le faisceau pulsé d’un laser femtoseconde – qui peut être focalisé sur un point d’environ un micromètre de large – pour modifier la structure du verre de manière à permettre d’éliminer les zones exposées avec un produit chimique tel que l’acide fluorhydrique.

Une fois cela fait, la minuscule cavité doit être remplie d’un autre matériau pour créer une structure composite. Les chercheurs y sont parvenus en utilisant une version miniaturisée de la coulée assistée par pression, dans laquelle un deuxième matériau est fondu et mis sous pression afin qu’il puisse s’écouler et se solidifier dans le réseau de cavités de silice sculptées. Le deuxième matériau peut être un métal, du verre ou tout matériau ayant un point de fusion inférieur à celui du substrat de silice gravé et qui ne réagit pas avec le verre de silice.

Création d’optiques complexes

« Notre méthode de fabrication peut être utilisée pour protéger le verre infrarouge, ouvrant de nouvelles voies pour les circuits optiques infrarouges à micro-échelle qui sont entièrement intégrés dans un autre substrat de verre », a déclaré Bellouard. « De plus, comme la silice fondue et le chalcogénure offrent un contraste d’indice de réfraction élevé, nous pouvons transformer ces matériaux en guides d’ondes infrarouges capables de transmettre la lumière comme des fibres optiques. »

Les chercheurs ont démontré la nouvelle méthode en créant diverses formes complexes, dont un logo EPFL, en utilisant du verre IR de chalcogénure et un substrat de verre de silice. Ils ont également montré, avec l’aide de collègues de l’ETH Zurich, que certaines des structures qu’ils ont créées pouvaient être utilisées efficacement pour guider la lumière infrarouge moyenne émise par un laser à cascade quantique à 8 microns. Peu de composants optiques sont disponibles pour cette gamme spectrale en raison des défis de fabrication.

Ils continuent d’explorer les capacités du nouveau procédé en termes de combinaison de différents verres et prévoient de tester les pièces composites en spectroscopie et dans d’autres applications.