FR2464486A1 - Dispositif pour l'absorption de rayons electromagnetiques et leur transformation en energie thermique, energie electrique, cinetique, energie d'ionisation et en autres formes d'energie - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIF POUR L'ABSORPTION DE RAYONS ELECTROMAGNETIQUES SITUES DANS UN INTERVALLE SPECTRAL COMPRENANT UNE LONGUEUR D'ONDE L POUVANT ETRE CHOISIE, CE DISPOSITIF COMPORTANT DES COUCHES SEPAREES NON ABSORBANTES OU FAIBLEMENT ABSORBANTES, CAPABLES D'INTERFERER ET COMPOSEES ALTERNATIVEMENT DE COUCHES INDIVIDUELLES A FAIBLE INDICE DE REFRACTION N ET DES COUCHES INDIVIDUELLES A INDICE DE REFRACTION ELEVE N SONT DISPOSEES EN DESSOUS DE LA COUCHE ABSORBANTE EN CONSIDERANT LE SENS DU RAYONNEMENT INCIDENT ET EN CE QUE LES COUCHES CAPABLES D'INTERFERER SONT CALCULEES DE FACON A REPONDRE A L'EQUATION:N A - 2 N B C 0
Description
i La présente invention se rapporte à un dispositif pour l'absorption de
rayons électromagnétiques et la transformation de ceux-ci en énergie thermique, énergie électrique cinétique, énergie d'ionisation et en autres formes d'énergie; l'invention concerne notamment des dispositifs SOUS forme de composants remplissant certaines fonctions, par exemple des détecteurs photoélectriques, des
convertisseurs d'énergie solaire et des absorbeurs de réso-
nance. On connaît des dispositifs pour la réception de rayons électromagnétiques dont la composition matérielle, les propriétés de surface et/ou la structure volumétrique sont réalisés pour absorber une proportion maximale de l'énergie de rayonnement captée. Cependant le rendement en énergie i5 absorbée est faible en raison des réflexions élevées se produisant au niveau des surfaces de séparation des milieux absorbants parce que, selon le principé des forces vives, la proportion en énergie des rayons réfléchis est soustraite au rayonnement pénétrant dans le milieu absorbant. On connait des procédés pour rendre non réfléchissantes les surfaces,
par exemple, de métaux au moyen de constantes optiques appro-
priées, ce qui a pour effet d'augmenter la proportion des rayons pénétrant dans le milieu absorbant. Etant donné que l'absorption d'un rayonnement électromagnétique dans des métaux s'effectue sur des distances d'environ 10O4 à 10-5cm
et dans d'autres substances à plus faible pouvoir d'absorp-
tion sur des distances encore plus importantes, les milieux absorbants doivent présenter une épaisseur qui correspond au moins à cet ordre de grandeur si on veut obtenir une
absorption correcte.
On connalt également d'autres dispositifs dans
lesquels on essaie d'obtenir une augmentation de l'absorp-
tion pour de très minces couches encore perméablessau rayon-
nement et dont les épaisseurs sont inférieures aux ordres de grandeur mentionnés, en ajoutant des milieux appropriés non absorbants, étendus et/ou multicouches, l'augmentation de l'absorptionainsi obtenue étant cependant faible en raison de la perméabilité résiduelle relativement élevée qui subsiste. La présente invention a pour objet, d'une part, de créer un dispositif qui permet une absorption quasi totale
d'un rayonnement électromagnétique et, d'autre part, d'éli-
miner} dans une large mesure, la réflexion et la transmission d'une couche absorbante extrêmement mince afin d'obtenir une
absorption preque totale à l'intérieur de la couche absor-
bante. Ces résultats sont obtenus suivant l'invention par un
dispositif pour l'absorption d'un rayonnement électromagné-
tique d'un intervalle spectral comprenant une longueur d'onde Npouvant etre choisie, ce dispositif comportant deux matières perméables au rayonnement et une couche absorbante et qui est caractérisé en ce que des couches séparées non absorbantes ou faiblement absorbantes, capables d'interférer et composées alternativement de couches individuelles à faible indice de réfraction nn et des couches individuelles a indice de réfraction élevé Xh sont disposées en dessous de la couche absorbante en considérant le sens du rayonnement incident, et en ce que les couches capables d'interférer sont calculées de façon à répondre à l'équation
as - 2n B + C M 0.
A,B,C représentent des combinaisons mathématiques de l'indice de réfraction effectif n, du coefficient d'absorption k et de l'épaisseur optique d de la couche absorbante ainsi que de longueur d'onde ?^ du rayonnement électromagnétique qui est absorbé et dans l'environnement spectral duquel l'absorption
quasi totale est induite.
A - - (sin n 1 2 + (sin h k L)2 Bm 2 (ksin 2 nt+nsin h 2 kT) C. (n2 2 k2) [(sin n X)2 + (sin h k 1)2] = A. d et an représentant l'indice de réfraction du
milieu précédant la couche absorbante.
Le nombre p des couches aptes à interférer se compo-
sant alternativement de couches individuelles à faible indice des réfraction et de couches individuelles à indice de réfraction élève _% et leurs rapports de réfraction ainsi que l'indice de réfraction % + 1 du milieu de fond sont choisis de façon que le facteur
n lère couche. n 3ème couche...
) _D
ph 2ème couche. nh 4ème couche...
pour un nombre p paire soit inférieur & 1, et le facteur ln 1ère couche. an 3ème couche. 2ème couche. nh 4ème couche-.>
pour un nombre p impair soit également inférieur à l.
L'absorption totale à l'intérieur de la couche absor-
bante extrêmement mince augmente au fur et à mesure de la
diminution de ce facteur.
Il est avantageux pour l'invention de calculer les couches aptes à interférer de façon que l'équation suivante soit satisfaite: nd A - 2 A- B + _ _ 0 A, B, O sont obtenus à partir de A, B, C en remplaçant les fonctionstrigonomètrique et hyperbolique par leurs arguments ce qui représente une approximation suffisamment bonne en
raison de l'épaisseur d extrêmement faible de la couche absor-
bante. A2A _(n)2+ () B 2n k 't a (n2 + k2) j(fl2 + (kr)21 L'invention permet de réduire l'intensité réfléchie lors de la dispersion de rayons électromagnétiques au niveau des
surfaces de séparation de milieux optiques. L'effet de réduc-
tion de la réflexion provient des interférences multiples des
rayons partiels aux limites des couches.
Diveres autres caractéristiques de l'invention ressor-
tent d'ailleurs des exemples de réalisation qui suivent.
Une forme de réalisation de l'objet de l'invention est représentée à titre d'exemple non limitatif, au dessin annexé. La fig. I représente schématiquement le dispositif
suivant l'invention.
La fig. 2 montre sous forme de diagramme la relation
entre l'indice de réfraction n, le coefficient d'absorp-
tion k et l'épaisseur d de la couche absorbante ainsi que le
facteur t.
Entre un milieu 1 perméable aux rayons, présentant un
indice de réfraction ni et disposé, en considérant la direc-
tion des rayons incidents 5, devant une couche absorbante 2, et un milieu Z + 1 imperméable aux rayons et présentant un indic;.e réfraction n- + I, sont disposées, en plus de la couche absorbante 2 ex rSmement mince et de préférence en métal, d'autres couches 3, 4, 5, 6... Z-1, Z non absorbante> aptes à interférer et présentant alternativement des indices
de réfraction faibles et importants et des épaisseurs opti-
ques correspondant au quart de la longueur d'onde'? à absorber. La couche absorbante 2 est disposée, en considérant
le sens des rayons incidents S, devant les couches d'inter-
férence. Le diagramme de la fig. 2 représente les relations
entre l'indice de réfraction effectif n. la couche absorban-
te et le facteurt =. d comprenant la longueur d'onde "'et l'épaisseur de la couche absorbante. Ces relations résultent de l'équation d'approximation: - SAI 2n1 B + a0 - I l 2 +1= (1) L'indice de réfraction effectif n de la couche absorbante est rapporté sur l'abscisse de la représentation graphique, la valeur r = 0 a été utilisée en tant que paramètre pour
2 2
la grandeur introduite r m n - k. Une paire de valeurs a, r est à chaque fois combinée avec une valeur du facteur r - h. d, rapporté sur l'ordonnée, et de ce fait avec
l'épaisseur d de la couche pour une longueur d'onde t déter-
-minée. Les exemples de calcul sont basés sur l'équation d'approximation (I) qui a été décomposée pour obtenir le facteur: én (2 _ r)1k + 2r r) (2n2 _ r) - n12 r
Lorsqu'on admet pour le milieu 1 un indice de réfrac-
tion 1, 0, pour la longueur d'onde A = 800 nm et pour T = 0,08, c'est-àdire pour l'épaisseur d de la couche absorbante d 100 nm, on trouve à la fig. 2 pour l'indice de réfraction n et le coefficient d'absorption k, en raison
de r - 0, n - k = 2,5.
Premier exemle de calcul: Afin d'obtenir une couche 2 présentant une absorption presque totale on prévoit quatre couches d'interférence 3 à 6; la première et troisième couche présentent un indice de réfraction de nn 1, 34 et bs deuxième et quatrième couches
un indice de réfraction de ph 2,4 ainsi que le milieu termi-
nal Z + I présentant un indice de réfraction de 1,5. Lors-
qu'on calcule, au moyen des formules généralement connues pour des couches minces, le taux de transmission'U et le taux de réflexions, on obtient pour
C: = 0,127 = 12,7 %
= 09,005 = 0,5%
c'est-à-dire pour le coefficient d'absorptions = -t-
0,868 = 86,8 %. Lors du calcul de façon analogue du taux de transmissionS, du taux de réflexion ' et du coefficient d'absorption de la couche absorbante 2 avec des valeurs identiques pour les constantes n, K et d directement à la suite du milieu terminal Z + I présentant un indice de réfraction de 1, 5> c'est-à-dire en supprimant les couches d'interférence 3 à 6, on obtient pour
%û= 0,488 = 48,8 %
P - o,184 = 18,4 % d= 0,328 = 32,8 % Un dispositif suivant la fig. I permet d'augmenter trois fois le pouvoir d'absorption lorsqu'on utilise quatre
couches d'interférence 3 à 6.
Deuxième exemple de calcul: Les valeurs pour la longueur d'onde A, le taux<:
ainsi que les indices de réfraction des couches d'inter-
férence et du milieu terminal sont les mrmes que dans le premier exemple. Afin que l'absorption de la couche 2
devienne presque totale on insère six couches d'inter-
férence 3 à 9 à la suite de la couche absorbante 2 en considérant le sens des rayons incidents S. Dans ce cas on obtient:
(:. 0,043 = 4,3 %5
f= 0,001 = 0,1%
Le taux d'absoprtion de ce dispositif est de 95,5 %.
Troisième exemple de calcul t Dans cet exemple toutes les valeurs sont identiques a celles des exemples précédents mais on utilise huit couches
d'interférence 3 à 11. -
De ce fait on obtient
O= 0,014 =1,4 %
o,ooo000 = 0,0 % En conséquence 4 = 0,906 - 96,8 % Quatrième exemple de calcul: Etant donné que les constantes optiques n et k de la couche absorbante sont fixées par l'équation (I) à l'intérieur d'une fourchette de valeurs limitée lorsqu'on part d'une longueur d'onde ? a absorber et choisie et d'une épaisseur d déterminée pour la couche absorbante et du fait que des
substances absorbantes et appropriées, du point de vue techni-
que, ne sont pas toujours disponibles pour la paire de valeurs n, k il est interessant d'étudier l'absorption d'un dispositif dans lequel les valeurs n, k sont différentes des
valeurs optimales calculées.
Pour cet exemple de calcul on a choisi un dispositif qui, en ce qui concerne le nombre des couches d'interférence, correspond au deuxième exemple, mais dans lequel les valeurs n = k = 2,5,calculées & l'aide de l'équation d'approximation (I), sont remplacées par n,= 2 et k = 3. De ce fait on obtient pour le taux de transmission(, le taux de réflexion j et le coefficient d'absorption o les valeurs suivantes: i3. 0,043 = 4,3 %
0,044 = 4;4 %
O= 0,913 = 91,3 %
1' '64486
Ce résultat montre que l'absorption augmente pour atteindre une valeur qui est trois fois plus grande que celle obtenue par un dispositif sans couches d'interférence
et ceci malgré l'écart des constantes de la couche absor-
bante des conditions optimales.
?"464486
REVIEDICATIONeS Dispositif pour l'absorption d'un rayonnement électromagnétique d'un intervalle spectral comprenant une longueur d'onde Äpouvant 5tre choisie, ce dispositif comportant deux:matières perméables au rayonnement et une couche absorbante, caractérisé en ce que des couches séparées non absorbantes ou faiblement absorbantes, capables
d'interférer et composées alternativement de couches indi-
viduelles à faible indice de réfraction nnet des couches
individuelles à indice de réfraction élev Ah, sont dispo-
sées en dessous de la couche absorbante en considérant le
sens de rayonnement incident et en ce que les couches capa-
bles d'interférer sont calculées de façon à répondre à l'équation
Dû Dû _ 221 B + 0 0
-ai n 2- " A =- (sin n)2 + (sin hkCt)2 B =- (k sin 2n + n sin h 2 k) 2c2 nsin2 >' Ca (n + k [(sinnci) *(sin h 3L()P C=. Àd et ni représentant l'indice de réfraction du
milieu précedant la couche absorbante.
2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé
en ce que le nombre p des couches aptes à interférer se com-
poeant alternativement de couches individuelles à faible indice de réfraction A et de couches individuelles à indice de réfraction élevé nhet leurs rapports de réfraction ainsi que l'indice de réfraction _% + f du milieu de fond sont choisis de façon que lefacteur 2 lên lère couche. nn 3ème couche-. A (h 2ème couche. 4ème couche...) pour un nombre paire soit inférieur à 1, et le facteur - nn lère couche. n 3ème couche nh 2ème couche. 4ème couche X
pour un nombre ú impair soit également inférieur à 1.
3 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les couches aptes à interférer sont calculées de façon à satisfaire à l'équation suivante: LAS 2 _ 2 An. + C.O dans laquelle 1 -(_n)2 + (k")2 B 2n k + (k
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