🎬 Votre mission
Vous êtes l'ingénieur optique chargé de concevoir, qualifier puis diagnostiquer un filtre interférentiel qui sera réellement déposé sous vide à l'Institut Fresnel. Entre le premier calcul et le spectre mesuré sur le composant fini, vous devrez prouver — chiffres à l'appui — que votre design ne se contente pas d'être bon sur le papier.
Le simulateur n'est pas un oracle : c'est un banc de mesure. Il ne vous donnera ni la largeur à mi-hauteur, ni la bonne fonction de mérite, ni la conclusion. Vous saisirez vos couches, pointerez vos mesures au curseur, exporterez vos données et conclurez vous-même. Une réponse qui recopie un nombre affiché sans le comprendre ne vaut rien.
⭐ Échelle de difficulté — chaque question est graduée
Relevé, lecture de courbe, formule directe. Aucune question de ce niveau ne doit vous bloquer : si c'est le cas, revoyez le rappel théorique avant de continuer.
7 questions — 22 %
Plusieurs étapes enchaînées, traitement de données, interprétation physique. C'est le cœur du TP : prévoyez du temps et un brouillon.
15 questions — 47 %
Vous construisez la méthode, vous décidez et vous argumentez. Il n'y a pas de réponse unique à recopier : c'est votre raisonnement qui est évalué.
10 questions — 31 %
Comment s'en servir : les ★★★ ne sont pas « pour les meilleurs ». Elles sont le but du module — les ★ et ★★ existent pour vous y amener. Si vous manquez de temps, traitez intégralement une ★★★ plutôt que trois ★ : c'est là que se joue l'évaluation.
1. Objectif pédagogique
🚀 Guide du Simulateur Web
- Accès direct : Ouvrez simulateur_couches_minces.html dans votre navigateur. Une connexion réseau est requise pour charger les bibliothèques graphiques (une distribution hors ligne existe : voir votre enseignant).
- Banc de mesure virtuel : Le simulateur ne donne pas de résultats pré-mâchés. Vous devez saisir vos couches, pointer vos mesures au curseur et traiter vos données sous Excel.
- Formules symboliques : Saisie rapide d'empilements comme
(HL)^3 2H (LH)^3. - Exports : Boutons CSV (données pour Excel/Python) et Image pour vos comptes-rendus.
- Grilles publiées : sous le sélecteur de mérite, le simulateur affiche la grille exacte de son calcul. Reprenez-la à l'identique sous Excel : vous devez retrouver le même nombre.
- Export CSV universel : clic droit sur n'importe quel graphique (ou appui long sur mobile) exporte toutes ses courbes visibles, sur la grille réellement tracée — y compris les enveloppes Monte-Carlo et les courbes mémorisées.
- Raccourcis clavier : touche
?pour la liste complète. Les plus utiles :Ooptimiser,Naiguille etMmémoriser. - Mode Étudiant — à activer avant chaque exercice : le simulateur s'ouvre en mode libre, où seule votre cible personnelle est proposée comme mérite. Cliquez sur 🎓 Étudiant dans l'en-tête, puis choisissez l'exercice en cours : les panneaux utiles s'affichent et le mérite de l'exercice (
R moyenen IV et V,Maximiser Qren VIII et X) devient disponible. Sans cette étape, ces mérites restent invisibles. - Design libre : touche
Dou bouton 🎯 Design libre — vous définissez votre cahier des charges. Voir l'atelier libre en fin de document. - Classeur actif : utilisez le squelette Q12/Q14 ; les cellules de calcul restent à programmer.
🛡️ Protocole obligatoire : de l'optimum nominal au design fabricable et robuste
Règle de décision : un empilement optiquement excellent au nominal mais impossible à déposer, trop fin, trop complexe ou trop sensible est refusé. Toute conclusion industrielle doit séparer performance nominale, fabricabilité et rendement statistique.
- Spécifier avant d'optimiser : fenêtre, incidence, polarisation, grandeur et seuil d'acceptation.
- Auditer le nominal : nombre de couches et de matériaux, $d_{min}$, $d_{max}$, épaisseur totale et ordre de dépôt.
- Déclarer le procédé : $\Delta d$, épaisseur minimale et couches réellement perturbées.
- Déclarer les tolérances d'acceptation : sans elles, le rendement n'est pas défini — c'est la fraction des tirages qui restent dans le cahier des charges.
- Dimensionner l'échantillon : $N=100$ pour explorer, $N=500$ pour comparer, $N=1000$ pour une qualification pédagogique.
- Rapporter des statistiques robustes : rendement, IC95 % de Wilson, moyenne, écart-type d'échantillon et P05/P50/P95.
- Regarder le centile défavorable : P95 d'un coût à minimiser ; P05 d'une performance à maximiser.
- Décider : qualifié, inconclusif (étude à compléter) ou non qualifié, avec marges et hypothèses.
Attention : même 1000 succès sur 1000 ne prouvent pas un rendement réel de 100 %. L'intervalle de confiance affiché matérialise l'incertitude d'échantillonnage ; il ne couvre pas l'incertitude des indices, la dérive thermique, la rugosité ou les défauts non modélisés.
Piège classique : les centiles P05/P50/P95 rapportés ne portent que sur les réalisations fabricables. Ils sont donc conditionnels. Le rendement, lui, est rapporté sur le nombre total de tirages. Ne comparez jamais les deux sans le dire.
Rappels Théoriques : Interférences et Formalisme Matriciel d'Abelès
Pour chaque couche $i$ d'épaisseur $d_i$ et d'indice complexe $N_i = n_i - ik_i$, le déphasage optique vaut :
La matrice caractéristique d'une couche, unimodulaire ($\det M_i = 1$), est :
- Polarisation S (TE) : $\vec{E} \perp$ au plan d'incidence $\implies \eta_i = \gamma_i = \sqrt{N_i^2 - N_0^2\sin^2\theta_0}$.
- Polarisation P (TM) : $\vec{E} \parallel$ au plan d'incidence $\implies \eta_i = N_i^2 / \gamma_i$.
- Lumière non polarisée : $R_{moy} = \frac{R_s + R_p}{2}$ et $T_{moy} = \frac{T_s + T_p}{2}$.
Les couches sont listées dans l'ordre de dépôt, substrat → superstrat. La couche n° 1 touche le substrat ; la dernière touche l'air. La lumière les rencontre donc dans l'ordre inverse, et la matrice totale vaut $M = M_m \cdots M_2 M_1$.
Le tableau des couches suit l'ordre de dépôt : la couche 1 touche le substrat. La lumière, elle, arrive par l'air et rencontre les couches dans l'ordre inverse. D'où le produit matriciel M = Mm···M1. Se tromper d'ordre inverse tout l'empilement : c'est l'erreur la plus fréquente du TP.
I. Les matériaux couches minces ⏱ 35 min indicatives
Classez par $k$ croissant les six matériaux suivants : SiO2, YF3, ZnS, Si, Al, Au. Faites-le d'abord à 550 nm, puis refaites le classement à 400 nm : quels matériaux changent de rang ? Indiquez enfin lesquels respectent $k < 5\times10^{-4}$ en tout point du visible ($400-750\,\text{nm}$).
Examinez les matériaux ZnS (Haut indice H) et YF3 (Bas indice L) utilisés en salle blanche à l'Institut Fresnel. Relevez leurs indices à $550\,\text{nm}$ et calculez le contraste $(n_H-n_L)/(n_H+n_L)$.
II. Une interface simple : BK7 // Air ⏱ 50 min indicatives
En S (TE), le champ électrique est perpendiculaire au plan d'incidence (symbole ⊙). En P (TM), il est contenu dans ce plan (double flèche). Les deux voient des admittances différentes, ηs = γ et ηp = N²/γ : c'est toute l'origine de l'angle de Brewster, où Rp s'annule alors que Rs ne s'annule jamais.
Calcul théorique : Déterminez $R$ et $T$ en incidence normale pour une interface Air/BK7 ($n_{BK7} \approx 1{,}5185$ à $550\,\text{nm}$) à l'aide des formules de Fresnel.
Air et Substrat = BK7 sans couche. Comparez la valeur affichée à $550\,\text{nm}$ avec votre calcul. Activez ensuite l'option Face arrière (verre) : la réflexion passe d'environ 4,2 % à 8,1 %. Retrouvez ce second chiffre par la somme incohérente $R_{tot}=R+\frac{(1-R)^2R}{1-R^2}$, puis montrez que cette expression se réduit à $R_{tot}=\dfrac{2R}{1+R}$ — forme plus courte et strictement équivalente. Expliquez enfin pourquoi le résultat n'est pas simplement $2R$.
Cette option ne s'applique qu'à la lame nue, sans aucune couche : dès que vous en ajoutez une, elle reste sans effet. C'est voulu — la formule ci-dessus suppose deux dioptres identiques, ce qui cesse d'être vrai dès qu'une face est traitée.
Angle θ (à $\lambda = 550\,\text{nm}$). Relevez $R(\theta)$ pour $\theta \in [0, 80^\circ]$ par pas de $10^\circ$ en lumière non polarisée, puis séparément en S et en P. Tracez les trois courbes.
Relevez ces trois courbes vous-même en mode Angle θ. Le point remarquable est l’annulation de Rp à θB = arctan(n) ≈ 56,6°. Notez que la courbe non polarisée, moyenne des deux, ne s’annule jamais : c’est pourquoi des lunettes polarisantes suppriment le reflet d’une vitre, alors qu’un filtre neutre ne le peut pas.
BK7 et Substrat = Air. Identifiez l'angle de réflexion totale interne $\theta_{lim}$ et reliez-le à la loi de Snell-Descartes et aux fibres optiques.
III. Monocouche antireflet sur substrat ⏱ 60 min indicatives
Le rayon r₂ parcourt 2·n·d de plus que r₁. Pour n·d = λ₀/4, cet écart vaut λ₀/2 : les deux ondes sont en opposition de phase. Mais l'annulation n'est totale que si leurs amplitudes sont égales, ce qui impose n = √(n₀·ns). Deux conditions indépendantes — la question Q10 vous fait vérifier que la seconde n'est ici pas exactement satisfaite.
Ajoutez manuellement une couche avec le matériau Matériau AR n=1.225 ($d = 112.3\,\text{nm}$). Déterminez la plage spectrale où $R < 0.5\%$. Prouvez que $112.3\,\text{nm}$ est bien l'épaisseur quart d'onde à $550\,\text{nm}$ pour cet indice.
La dispersion du substrat compte-t-elle vraiment ? Relevez d'abord $n_{BK7}$ à 400, 550 et 750 nm : la variation atteint plus de 1 %. On s'attend donc à un effet.
- Notez précisément la position du minimum de $R$ et les bornes de la plage $R<0{,}5\,\%$ avec le substrat
BK7. - Remplacez le substrat par
Indice personnaliséavec $n = 1{,}5185$ constant, et refaites les deux mesures.
Concluez en désignant, dans ce TP, deux situations où la dispersion devient au contraire visible : vous en avez déjà rencontré une à l'exercice I, et vous rencontrerez l'autre à l'exercice VI.
Démystifier la boîte noire avec Excel : Calculez vous-même la réflectivité $R$ de cette monocouche à $550\,\text{nm}$ sous Excel.
- Calculez le déphasage $\phi_1$.
- Construisez la matrice $M_1$. Astuce Excel :
=COMPLEXE(reel; imag)et=IMPRODUIT(z1; z2). - Calculez l'admittance équivalente $Y=\frac{m_{10}+\eta_s m_{11}}{m_{00}+\eta_s m_{01}}$ puis $R=\left|\frac{\eta_0-Y}{\eta_0+Y}\right|^2$.
- Vérifiez que vous retrouvez la valeur du simulateur.
IV. Antireflet bicouche : BK7 / H / L / Air ⏱ 70 min indicatives
Cartographie 2D sous Excel : Avant d'utiliser les optimiseurs automatiques, étudiez la topologie du problème. Pour $\lambda = 550\,\text{nm}$ :
- Relevez $R$ sur une grille croisée : $d_{ZnS}$ de 20 à 140 nm et $d_{YF3}$ de 20 à 140 nm, par pas de 30 nm — soit 25 mesures, à reporter dans l'onglet
Q14_Cartographiedu classeur. Ces bornes ne sont pas arbitraires : elles couvrent environ une période d'oscillation de $R$ en $d_{ZnS}$ ($\lambda/2n_H \approx 116$ nm). Un pas plus large sous-échantillonnerait le paysage et les vallées disparaîtraient. - Saisissez ce tableau à double entrée dans Excel et tracez un graphique de type Surface 3D ou Contour.
- Observez la vallée de minimum et repérez les coordonnées du point optimal.
- Votre minimum de Q13 est-il dans l'une de ces vallées ? Combien de vallées distinctes voyez-vous, et que vous apprend le pas de 30 nm sur la position exacte de leurs fonds ?
Première qualification robuste — mais sur quelle fenêtre ?
R moyen est proposé par défaut sur $400-750\,\text{nm}$. Or vous venez de concevoir un antireflet à 550 nm. Relevez la valeur du mérite sur cette fenêtre large : elle est catastrophique. Est-ce votre design qui est mauvais, ou votre spécification qui est hors sujet ? Justifiez, puis corrigez la fenêtre.
- Réglez la fenêtre AR à 520–580 nm et le seuil à 0,8 % (champs situés sous le sélecteur de mérite). Vérifiez que le nominal passe désormais le critère, et avec quelle marge.
- Qualifiez : $d_{min}=1$ nm, $N=500$. Comparez $\Delta d = 3$ puis $5\,\text{nm}$ ; la graine étant figée, les deux essais portent sur les mêmes réalisations.
- Rapportez rendement, IC95 % de Wilson et P95 de $R_{moy}$ dans les deux cas. Les deux intervalles de confiance se recouvrent-ils ? Pouvez-vous affirmer que $\pm5$ est significativement pire, ou est-ce du bruit d'échantillonnage ?
- Regardez le P95 à $\pm5\,\text{nm}$ : il dépasse le seuil alors que la moyenne le respecte. Que signifie concrètement cet écart pour un lot de production ?
- Isolez la couche critique — à la main, pas au Monte-Carlo. Le tirage perturbe toujours les deux couches : le verrouillage ne concerne que BFGS, jamais la fabrication. Procédez donc par sensibilité : partez du nominal, ajoutez $+3\,\text{nm}$ à ZnS seul et relevez le mérite ; revenez au nominal, ajoutez $+3\,\text{nm}$ à YF₃ seul et relevez. Laquelle des deux dégrade le plus ? Reliez votre réponse à l'indice et à l'épaisseur optique $n\cdot d$ de chaque couche.
Un simple écart-type sans critère d'acceptation ne constitue pas une conclusion de robustesse.
V. Synthèse multicouche & méthode de l'aiguille ⏱ 90 min indicatives
π(z) mesure le gain de mérite qu'apporterait une aiguille infiniment fine insérée à la profondeur z. Là où π > 0, insérer améliore ; là où π < 0, insérer dégrade. On insère au maximum, puis on raffine par BFGS. Attention : le balayage est discret (5 nm) et n'évalue jamais les interfaces — Q17 vous demande d'en tirer les conséquences.
La fonction de mérite n'a pas un seul creux. BFGS descend vers la vallée la plus proche et s'y arrête : deux empilements de départ différents donnent donc deux résultats différents, sans qu'aucun des deux ne soit « l'optimum ». L'algorithme étant déterministe, relancer ne change rien — c'est le point de départ, ou la structure de l'empilement, qu'il faut changer. Ajouter une couche par la méthode de l'aiguille ajoute une dimension au paysage : une barrière infranchissable en dimension n peut se contourner en dimension n+1.
Étude de convergence locale de BFGS. En mode 🎓 Étudiant, exercice V, activez le mérite R moyen sur 400–750 nm avec un seuil de 0,5 %. Objectif : un antireflet large bande sur BK7 en ZnS/YF₃.
H L, puis H L H L. Le mérite est PIRE que celui du verre nu — nettement pour H L, massivement pour H L H L. Ce n'est pas une erreur de manipulation. Expliquez-le : que fait une couche quart d'onde de haut indice posée sur du verre, du point de vue de l'interférence ? Un antireflet est-il forcément un empilement quart d'onde ?
- Repartez de couches fines et dissymétriques (quelques dizaines de nanomètres), et non de quarts d'onde. L'optimiseur est une descente locale : il rejoint le minimum de la vallée où vous le posez, et n'en cherche aucune autre.
- Lancez-le depuis au moins trois empilements initiaux différents et consignez à chaque fois mérite initial, mérite final et nombre de couches après nettoyage. L'algorithme étant déterministe, un même départ redonne exactement le même résultat : toute la dispersion que vous observerez vient du point de départ, pas de l'algorithme.
- Combien de couches faut-il ? Cherchez le meilleur résultat que vous obtenez à 2, puis 3, puis 4 couches. Pour chaque cas, concluez sur le franchissement éventuel du seuil de 0,5 % et quantifiez la marge.
- Un départ qui reste bloqué très au-dessus des autres ne vous apprend rien sur l'optimiseur — il n'y en a qu'un, et il est déterministe. Il vous renseigne sur ce point de départ. Vérifiez-le en relançant depuis un autre empilement initial.
Synthèse Guidée par Méthode de l'Aiguille (Needle Method) :
- Partez d'une seule couche de départ :
YF3d'épaisseur physique $150\,\text{nm}$ sur verre BK7. - Cliquez sur le bouton 📍 Analyser Aiguille. Lisez attentivement le diagnostic : quel matériau et quelle position physique $z$ l'analyse de perturbation vous recommande-t-elle ?
- Le diagnostic trace numériquement la fonction $\pi(z)=[J_0-J_{\delta}(z)]/\delta$ tous les $5\,\text{nm}$ avec une aiguille virtuelle $\delta=0{,}1\,\text{nm}$. Repérez la position physique $z$ (depuis le substrat) où la fonction de perturbation $\pi(z)$ atteint son maximum positif, puis insérez l'aiguille recommandée.
- Cliquez sur Insérer l'aiguille : le logiciel crée la couche virtuelle de $0{,}1\,\text{nm}$ puis lance automatiquement une optimisation BFGS. Comparez le mérite juste avant l'insertion et après ce raffinement.
- Analyse critique : Expliquez l'intérêt de la démarche en deux étapes (diagnostic de nucléation $\to$ raffinement local).
VI. Miroir de Bragg : BK7 / (HL)^n H / Air ⏱ 55 min indicatives
Saisissez la formule symbolique (HL)^3 H avec $\lambda_0 = 550\,\text{nm}$. Mesurez la réflectivité maximale $R_{max}$ et relevez les deux bornes de la bande d'arrêt — l'intervalle de longueurs d'onde où le miroir réfléchit fortement, aussi appelé bande interdite photonique — en adoptant la convention $R \ge 90\,\%$. Notez la largeur obtenue.
Comparez (HL)^3 H (7 couches), (HL)^4 H (9), (HL)^5 H (11) et (HL)^6 H (13) via le bouton Mémoriser Courbe. Pour chacun, relevez $R_{max}$ et la largeur à $R \ge 90\,\%$. Dressez le tableau des quatre couples.
Concluez : à partir de combien de périodes peut-on utiliser la formule comme une approximation acceptable ? C'est cette valeur que vous emploierez en Q23 pour placer vos bandes de mesure.
Les couches extrêmes : un réglage, pas une amélioration. Sur le miroir 13 couches, élargissez l'affichage à $360-800\,\text{nm}$ pour voir les ondulations de part et d'autre de la bande interdite.
- Référence : relevez trois nombres — $R_{max}$ dans la bande, le lobe le plus haut du côté bleu ($360-450\,\text{nm}$) et le lobe le plus haut du côté rouge ($660-800\,\text{nm}$).
- Passez les couches 1 et 13 à $0{,}5\,\text{QWOT}$ et refaites les trois mesures.
- Passez-les maintenant à $1{,}3\,\text{QWOT}$ et recommencez.
Regardez enfin $R_{max}$ : varie-t-il beaucoup ? Concluez sur la nature du réglage — s'agit-il d'un gain de performance, ou d'un arbitrage que le concepteur choisit selon le côté du spectre qu'il doit garder propre ? Donnez un exemple de composant où ce choix s'impose.
VII. Filtre passe-bande interférentiel (Fabry-Pérot) ⏱ 75 min indicatives
🎯 Déposé à FresnelL’espaceur demi-onde 2H est une cavité : à la résonance, une onde stationnaire s’y établit et la lumière traverse presque intégralement l’empilement, alors qu’elle est bloquée partout ailleurs dans la bande interdite. Deux leviers indépendants resserrent le pic — augmenter n (miroirs plus réfléchissants) ou augmenter q (cavité plus épaisse). Q21 vous fait déterminer lequel agit le plus fort.
À $\lambda_0=550\,\text{nm}$, saisissez (HL)^2 2H (LH)^2, puis (HL)^3 2H (LH)^3, puis (HL)^4 2H (LH)^4. Mesurez la largeur à mi-hauteur de chacun.
Testez ensuite l'ordre de cavité : remplacez l'espaceur 2H par 4H (ordre $q=2$) puis 6H ($q=3$). Notation : le préfixe est le multiple de QWOT, donc 4H = 4 quarts d'onde = 2 demi-ondes.
Établissez la relation entre le nombre de périodes $n$ des miroirs, l'ordre $q$ de la cavité et le pouvoir de résolution $\lambda/\Delta\lambda$. Lequel des deux paramètres agit le plus fortement ?
Prescription Fresnel qui sera effectivement déposée : chargez l’empilement BK7 / H L 2H L H L H L 2H L H L H L 2H L H L / Air à $\lambda_0=550\,\text{nm}$. Vérifiez vous-même qu’il comporte exactement 18 couches, dans l’ordre substrat → air. Cette architecture est imposée : elle ne doit ni être raccourcie ni remplacée par une cavité symétrique.
Mesure manuelle imposée. Avec un pas spectral de $0{,}1\,\text{nm}$, relevez au curseur : (a) le maximum $T_{max}$ et sa longueur d’onde, (b) le niveau $T_{max}/2$, (c) les deux intersections $\lambda_1$ et $\lambda_2$, (d) la largeur $\lambda_2-\lambda_1$, (e) le centre à mi-hauteur $(\lambda_1+\lambda_2)/2$. Utilisez le zoom par zone pour affiner chaque intersection, puis le bouton Vue initiale pour revenir au spectre complet.
Cette prescription contient trois espaceurs $2H$, donc trois cavités couplées : c'est ce qu'on appelle un filtre multicavité. Sa passante est bien plus large que celle des filtres à une seule cavité de Q21 — ne transposez pas leur ordre de grandeur — et surtout son sommet est plat et ondulé. Vous y trouverez plusieurs maxima presque égaux : le plus haut peut basculer de l'un à l'autre pour une variation minime de l'empilement. C'est donc le centre à mi-hauteur (e), et non la position du maximum, qui repère la passante de façon fiable ; c'est lui que vous reprendrez aux exercices IX et X.
VIII. Projet pré-fabrication salle blanche ⏱ 75 min indicatives
🎯 Déposé à FresnelAudit nominal et calcul manuel de $Q_r$ : rouvrez le filtre de Q22, dans le même ordre de dépôt substrat → superstrat.
- Dans l'analyseur, choisissez exclusivement la grandeur
T, saisissez les trois bandes du cahier des charges avec un pas de 0,5 nm, et relevez les trois moyennes $\overline{T}$. Les choixRetAservent à d'autres mesures, jamais à définir un rôle dans un mérite. - Calculez $Q_r$ vous-même à partir de ces trois nombres, à la main puis sous Excel à partir du CSV exporté. Les deux voies doivent coïncider.
- Vérifiez l'effet du pas : refaites les mêmes moyennes à 0,1 nm puis à 2 nm. Laquelle des trois bandes est la plus sensible au pas, et pourquoi ?
- Complétez l'audit nominal — nombre de couches, nombre de matériaux, $d_{min}$, $d_{max}$, épaisseur totale — en le calculant depuis le tableau des couches. Le bouton « vérifier mon audit » ne sert qu'à contrôler votre résultat après l'avoir établi.
400–500, puis 430–500, puis la prescription 460–500. De combien $Q_r$ varie-t-il ? Reliez ce résultat au spectre réellement obtenu. Que vaut une spécification de réjection qui ne précise pas ses bandes ?
Note : la bande 400–500 nm déborde de la plage calculée (430–700 nm) et le logiciel vous en avertit. Cet avertissement fait partie de la réponse — dites ce que vaut une moyenne calculée sur une bande tronquée.
Y a-t-il vraiment quelque chose à optimiser ?
La question n'est pas rhétorique. Commencez par mesurer $Q_r$ et $\overline{T}_{pass}$ avant toute optimisation et comparez-les aux deux exigences du cahier des charges. Si la prescription déposée les satisfait déjà, et largement, dites-le : c'est un résultat, pas un échec de votre part. Vous devrez alors répondre à une autre question, plus intéressante : à quoi sert d'optimiser un composant qui passe déjà ? Regardez du côté de la marge — de combien le nominal dépasse-t-il le seuil, et cette marge survit-elle aux erreurs de dépôt de Q25 ? C'est là, et non sur le nominal, que se joue l'intérêt des trois couches libres.
- Passez en mode 🎓 Étudiant, exercice VIII : le mérite
Maximiser Qry est sélectionné d'office. Sa formule reprend strictement les bandes 460–500, 535–565 et 620–680 nm ; l'analyseur de bandes reste un instrument de mesure indépendant. - Fixez à 2 nm le seuil de nettoyage : il devient aussi la borne basse de BFGS. Notez cette contrainte dans le dossier de conception ; un optimum numérique sous ce seuil n'est pas admissible.
- Choisissez
Couches spécifiques, puis autorisez uniquement les couches 16, 17 et 18. Contrôlez dans le tableau que les couches 1 à 15 sont figées. Cette contrainte correspond au composant qui sera déposé et ne doit jamais être relâchée. - Lancez BFGS et consignez $Q_r$, $\overline{T}_{pass}$ et les trois épaisseurs avant/après. Les deux grandeurs évoluent-elles dans le même sens ? Que devient la couche 18 ? Vérifiez que le nombre de couches, leur ordre et les quinze premières épaisseurs sont rigoureusement inchangés.
- Testez la reproductibilité en rechargeant la prescription puis en relançant BFGS avec les mêmes réglages. Expliquez pourquoi l'identité des résultats est attendue d'un algorithme déterministe.
- Refusez toute amélioration nominale qui crée une couche sous $d_{min}$ ou dégrade la transmission passante sous le seuil : un score $Q_r$ isolé n'est pas un dossier de fabrication.
Revue pré-fabrication — qualification robuste sans résultat préfourni.
- (a) Conservez la prescription optimisée de Q24 : 18 couches, quinze premières inchangées, trois dernières issues de BFGS. Fixez $d_{min}=1$ nm et écrivez, avant toute simulation, les critères d'acceptation d'un tirage — au minimum les deux exigences du cahier des charges, $Q_r \ge 30$ ET $\overline{T}_{pass} \ge 85\,\%$ ; tout durcissement doit être justifié — ainsi que le rendement minimal exigé du lot, reporté dans le champ
Rendement exigé: c'est lui qui servira en (d).
Deux seuils différents, à ne pas confondre : les 2 nm de Q24 bornent par le bas ce que l'optimiseur a le droit de proposer ; le $d_{min}=1$ nm d'ici est l'épaisseur minimale que l'on accepte de déposer, et il sert à trier les tirages du Monte-Carlo. Le premier contraint un calcul, le second juge une fabrication. Justifiez leurs valeurs dans votre dossier. - (b) Pour $\Delta d=1$, 2 puis 5 nm, exécutez d'abord $N=100$ pour contrôler le protocole, puis $N=1000$ pour la décision. La graine doit rester identique.
- (c) Pour chaque sévérité, rapportez rendement, IC95 % de Wilson, P05($Q_r$), P05($\overline{T}_{pass}$), taux de fabricabilité et nombre de couches perturbées. Le Monte-Carlo perturbe les 18 couches déposées : le verrouillage des quinze premières ne concernait que BFGS.
- (d) Tracez le rendement et les deux centiles défavorables en fonction de $\Delta d$. Déterminez par interpolation prudente la plus grande valeur de $\Delta d$ compatible avec le rendement minimal exigé ; si les données ne permettent pas de conclure, donnez un intervalle et proposez le calcul supplémentaire nécessaire.
- (e) Distinguez clairement performance nominale, robustesse statistique et fabricabilité. Formulez une recommandation de dépôt fondée sur les bornes de confiance, sans transformer $\Delta d$ en borne absolue : ici $\sigma=\Delta d/2$.
IX. Rétro-ingénierie & diagnostic de défauts salle blanche ⏱ 45 min indicatives
🎯 Après dépôtUne erreur uniforme multiplie toutes les épaisseurs par le même facteur : l'empilement reste homothétique, donc le spectre se translate sans se déformer. Un bruit indépendant désaccorde les couches entre elles : le centre bouge peu mais le pic s'écrase et s'élargit. Savoir lire cette différence, c'est savoir diagnostiquer un dépôt (Q26). Ce qui compte n'est pas le décalage en nanomètres, mais son rapport à la largeur de la passante : les mêmes 5 nm valent presque toute la bande sur le filtre étroit de Q21, et un dixième de bande seulement sur la prescription Fresnel, bien plus large. Comparez toujours les deux.
Diagnostic de la fenêtre décalée. Reproduisez trois scénarios de défaut dans le simulateur et comparez leur signature spectrale :
- (a) une variation uniforme de toutes les épaisseurs (multipliez-les toutes par le même facteur) ;
- (b) une erreur sur le seul espaceur central $2H$ (couche 9) ;
- (c) une erreur sur une seule couche de miroir — prenez la couche 5, pour que tous les binômes comparent la même chose.
Lequel produit un décalage global avec la plus faible déformation de la forme de la fenêtre ? Quel facteur multiplicatif faut-il pour reproduire les $8\,\text{nm}$ observés ? Convertissez-le en écart d'épaisseur sur la couche la plus épaisse, puis comparez cet écart systématique à la sévérité $\Delta d$ étudiée en Q25. Expliquez pourquoi le modèle gaussien indépendant de Q25 ne permet pas, à lui seul, de déclarer ce biais commun couvert.
Expliquez enfin pourquoi la perte de transmission seule ne suffit pas à désigner une couche unique.
X. Revue de conception — dossier de qualification industriel ⏱ 75 min indicatives
Étudiant → X. Revue de conception. Vérifiez les milieux extérieurs, puis écrivez avant tout calcul la fenêtre, l'incidence, la polarisation, la métrique, les bandes exactes, la grille de calcul, les tolérances d'acceptation, $d_{min}$, $\Delta d$ et le rendement minimal exigé. Reportez ce dernier dans le champ Rendement exigé. Distinguez exigences et simples objectifs d'amélioration.Revue A/B de la prescription réellement fabriquée. Vous comparez deux états de la même architecture à 18 couches :
- Design A — référence : rechargez
H L 2H L H L H L 2H L H L H L 2H L H L, sans optimisation ; - Design B — candidat : repartez exactement de A, figez les couches 1 à 15 et optimisez uniquement 16 à 18 par BFGS.
Avant le calcul, écrivez une hypothèse falsifiable : B améliorera-t-il seulement le nominal, ou aussi la borne robuste ? Qualifiez A puis B avec les mêmes bandes, seuils, $d_{min}$, $\Delta d$, $N=1000$, graine et rendement exigé. Capturez A et B dans le comparateur et exigez le voyant vert de comparaison appariée.
Prononcez une décision argumentée pour B : adopter, rejeter ou compléter l'étude. Une amélioration nominale sans gain robuste statistiquement défendable ne suffit pas. Votre conclusion doit aussi confirmer que les 18 couches et les quinze premières épaisseurs ont été conservées, puis citer au moins deux limites du modèle de fabrication.
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Les étapes 2 et 3 alternent : BFGS exploite les couches existantes, l'aiguille en crée une nouvelle quand BFGS sature. L'étape 4 est celle que l'on oublie et qui décide de la fabricabilité. L'étape 5 tranche entre performance et simplicité. L'étape 6 est la seule qui transforme un calcul en composant.
Les dix grands exercices vous ont imposé des cahiers des charges. Ici, c'est vous qui les écrivez. Le simulateur accepte n'importe quelle cible spectrale : il devient un outil de conception réutilisable bien au-delà de ce TP — pour un projet, un stage, ou simplement pour tester une idée.
🚀 Déclarer la cible — 30 secondes
- Touche
D— ou bouton 🎯 Design libre dans l'en-tête. - Cliquez sur + Segment, puis traduisez chaque exigence en une ligne du tableau.
- Saisissez λ min, λ max, grandeur T/R/A, angle, polarisation, cible et poids.
- Sauvegardez-la (
↓) : c'est votre cahier des charges, il ne doit plus bouger pendant la conception.
⚙️ Ce que fait le mérite
La note est une RMSE pondérée entre votre réponse calculée et votre cible, sur les seuls segments que vous avez déclarés :
Tout ce que vous ne couvrez pas est « indifférent » et n'entre pas dans le score. Le poids $w_i$ permet de dire qu'une bande compte plus qu'une autre. C'est exactement la structure d'une spécification industrielle.
🛠️ La méthode du concepteur — c'est un métier, pas un clic
Déclarer une cible et appuyer sur « Optimiser » ne produit presque jamais un bon composant. La conception réelle est un cycle itératif que vous devez conduire vous-même, et qui ne s'achève qu'à l'étude de faisabilité.
L'optimiseur est local : il descend dans la vallée où vous le posez. Partez d'une structure que la physique justifie — un quart d'onde pour un antireflet, (HL)^n pour un miroir, (HL)^n 2H (LH)^n pour un passe-bande — et centrée sur la bonne longueur d'onde. Une bonne initialisation vaut mieux que n'importe quel algorithme.
Lancez l'optimiseur Quasi-Newton (BFGS) avec la touche O. Il ajuste les épaisseurs à structure constante : il ne créera jamais une couche, il ne fera qu'exploiter au mieux celles que vous lui donnez. Notez le mérite avant et après.
Quand BFGS ne progresse plus, c'est que la structure est limitante, pas les épaisseurs. Lancez 📍 Analyser Aiguille (touche N) : le diagnostic $\pi(z)$ vous indique où insérer une couche ultra-fine d'un autre matériau. Insérez, puis réoptimisez immédiatement par BFGS. Recommencez.
Quand s'arrêter ? Quand un cycle complet ne fait plus baisser le mérite de façon significative, ou quand l'aiguille ne trouve plus de maximum positif. Tenez un journal : nombre de couches et mérite à chaque cycle. La courbe « mérite en fonction du nombre de couches » est un résultat de conception.
Après quelques cycles, votre empilement contient des tranches de 0,1 nm et des couches voisines du même matériau. Aucune n'est déposable. Deux outils :
- Bouton 🧹 Nettoyer (en haut du panneau 2. Empilement de Couches) : fixez un seuil, il supprime toutes les couches plus fines et fusionne les couches adjacentes de même matériau. Il vous annonce ensuite le nombre de couches gagnées et le mérite perdu.
- Suppression ligne à ligne : colonne Action du tableau des couches, pour retirer une couche précise que vous jugez inutile.
Puis réoptimisez : les épaisseurs restantes doivent absorber ce qui a été retiré. Vous serez souvent surpris — un empilement de 7 couches peut se réduire à 2 sans perte mesurable. Une couche qui ne coûte rien à supprimer ne servait à rien.
Chaque couche ajoutée coûte du temps machine, une source d'erreur supplémentaire et un risque de rebut. Comparez vos designs successifs : combien de points de mérite gagne la 8ᵉ couche ? Si la réponse est « presque rien », la bonne décision d'ingénieur est de la supprimer. Le meilleur design n'est pas le plus performant : c'est le plus simple qui satisfait le cahier des charges.
Un design n'existe que s'il est déposable. Reprenez le protocole du TP sur votre composant :
- Audit nominal : nombre de couches et de matériaux, $d_{min}$, $d_{max}$, épaisseur totale. Une couche sous le seuil de dépôt disqualifie le design.
- Qualification statistique : Évaluer la robustesse, $N=1000$. Rapportez rendement, IC95 %, centile défavorable et taux de fabricabilité.
- Sensibilité à $\Delta d$ : déterminez la précision de dépôt à exiger du procédé pour tenir le rendement visé.
- Décision : qualifié, inconclusif (étude à compléter) ou non qualifié, avec vos hypothèses et au moins deux limites du modèle.
Un design « optimisé » sans étude de faisabilité n'est pas un livrable : c'est un brouillon.
- Ne spécifiez pas ce que la physique interdit. Une cible T = 100 % sur 400–1000 nm avec un substrat absorbant est irréalisable : l'optimiseur convergera vers un compromis médiocre sans vous prévenir.
- Laissez des zones indifférentes. Une transition abrupte a besoin de place : si vous spécifiez 100 % à 550 nm et 0 % à 555 nm, aucun empilement fini n'y parviendra.
- Un bon score nominal ne vaut rien seul. Passez systématiquement par la qualification statistique avant de déclarer un design bon.
🎯 Six défis, du plus simple au plus exigeant
Conservez votre travail : les boutons ↓ et ↑ de l'éditeur exportent et réimportent votre cible au format JSON. Un cahier des charges enregistré peut être repris, transmis à un camarade, ou versé à un compte rendu comme pièce justificative.
📚 Bibliographie & Ressources à consulter
- Document de cours du BUT : Théorie des couches minces optiques.
- La Bible de l'ingénierie optique : H.A. Macleod, "Thin-Film Optical Filters" (CRC Press).
- Base de données de dispersion : refractiveindex.info.
- Fondements théoriques : Max Born & Emil Wolf, "Principles of Optics".