Fenêtres optiques : les applications les plus courantes par matériaux optiques

La fabrication des fenêtres optiques nécessite de sélectionner le matériau adapté à l’usage souhaité. Les matériaux optiques présentent des spécificités identifiées selon des critères tels que la plage spectrale de transmission, l’indice de réfraction ou la dureté Knoop. Ces critères contribuent à définir le ou les champs d’application où les matériaux optiques sont les plus performants. Nous vous proposons une présentation des domaines d’utilisation les plus courants des hublots optiques en fonction du matériau de fabrication.

Le N-BK7 est utilisé par l’industrie pour la protection des caméras et des capteurs optiques dans les systèmes d’imagerie industrielle et les systèmes de mesure dimensionnelle optique (inspection des composants à haute température ou dans des environnements hostiles). Dans la recherche, le N-BK7 est utilisé en microscopie optique, en spectroscopie et comme fenêtre de protection. Il peut également servir à isoler une chambre à vide. Les fenêtres optiques en N-BK7 sont par ailleurs adaptées à une utilisation dans les laboratoires de recherche laser et peuvent être utilisées dans des instruments astronomique pour protéger les composants optiques (télescopes, caméras).

Les hublots optiques en pyrex sont souvent utilisés pour des fours industriels ou des équipements de traitement thermique (observation à haute température). Ils servent également à surveiller les réactions chimiques dans des réacteurs à haute température et pression élevée. Les fenêtres optiques en pyrex permettent aussi l’observation des processus de dépôt dans l’industrie des revêtements et de la métallisation sous vide. Dans la recherche scientifique, elles équipent les microscopes à fluorescence, les réacteurs de recherche chimique et sont utilisées dans des instruments de spectrométrie à haute température. Les fenêtres en pyrex permettent l’observation d’échantillons dans des conditions de pression élevée. Le pyrex est utilisé principalement dans le domaine du visible.

En raison de sa large plage spectrale dans l’infrarouge, le germanium est utilisé pour la fabrication de fenêtres optiques pour les caméras thermiques, les systèmes de vision nocturne et de télémétrie (sécurité, industrie militaire). Dans le domaine de la recherche, les fenêtres en germanium sont adaptées à des applications infrarouges en spectroscopie (étude des propriétés spectrales), microscopie (imagerie à haute résolution des échantillons analysés) et en astronomie (observation des émissions infrarouges des étoiles et des planètes). En raison de la perte par réflexion très élevée de ce matériau, il doit systématiquement être recouvert d’un traitement antireflet et/ou hard carbone (applications extérieures).

Les fenêtres optiques en ZnSe sont adaptées pour l’imagerie dans l’infrarouge (courtes et longues ondes). Les hublots optiques en ZnSe sont couramment utilisés dans les systèmes laser à haute puissance (découpe, soudure, gravure au laser). Leurs propriétés infrarouges sont exploitées pour des applications en imagerie thermique (détecter les variations de température), en spectroscopie (analyse des spectres infrarouges des échantillons), en astronomie et en astrophysique (sur des détecteurs de caméra pour mener des observations). Dans le secteur de la défense, les fenêtres optiques en ZnSe équipent des systèmes de vision nocturnes, des viseurs infrarouges et des systèmes de télémétrie.

Les fenêtres optiques en ZnS multispectral sont utilisées dans les systèmes d’imagerie multispectrale appliqués à des domaines tels que la surveillance environnementale (instruments de télédétection), la cartographie géologique ou la caractérisation des matériaux (étude des propriétés). Les hublots en ZnS multispectral sont utilisés en spectroscopie et microscopie pour l’analyse d’échantillons ou la détection de biomarqueurs. En astronomie, les fenêtres optiques en ZnS multispectral sont intégrées à la construction de télescopes.

Les fenêtres optiques en silice sont utilisées dans les systèmes d’imagerie (dont les caméras et les microscopes) et pour la création d’images de haute qualité dans le domaine médical ou la vision industrielle (transmission de la lumière visible). Dans les domaines de la chimie analytique ou la recherche pharmaceutique, elles équipent les spectromètres. Les hublots optiques en silice peuvent également être montés sur des systèmes laser (fenêtres de sortie). Les applications scientifiques couvrent l’astronomie (fenêtres optiques en silice pour la construction de télescopes – observation dans l’ultraviolet et le visible), la biologie (microscopie), la recherche en science des matériaux (étude des propriétés optiques).

Le quartz est un matériau de fabrication de fenêtres optiques dédiées à la spectroscopie (analyse échantillons, caractérisation des matériaux) et à l’optique laser (systèmes laser haute puissance). Les hublots optiques en quartz se trouvent également dans les systèmes d’imagerie (transparence dans le visible et l’ultraviolet). Le quartz est utilisé comme substrat pour la fabrication de dispositifs optoélectroniques. Dans le domaine de la recherche, les fenêtres optiques en quartz équipent des instruments de télédétection (étude surface terrestre, surveillance des ressources naturelles, etc.) et des télescopes pour l’observation dans l’UV et le visible. Elles sont aussi utilisées en microscopie et en science des matériaux (étude des propriétés optiques et électroniques). Enfin, le quartz est également utilisé comme fenêtre de visualisation de température élevée dans des fours de production, de traitement thermique.

Dans l’industrie, les fenêtres optiques en BaF2 sont couramment utilisées dans les spectromètres infrarouges, l’optique laser (résistance aux niveaux élevés d’énergie laser et aux variations rapides de température), les caméras thermiques et les systèmes d’imagerie infrarouge. Pour des applications de recherche, les hublots optiques en BaF2 sont employés pour la construction de télescopes (observation dans l’UV et le visible), d’instruments de spectroscopie et de microscopie (UV et visible). En science des matériaux, les fenêtres optiques BaF2 sont par ailleurs utilisées pour étudier les propriétés optiques et électroniques.

Les fenêtres optiques en CaF2 ont la capacité de transmettre la lumière sur une large gamme de longueurs d’onde, allant de l’ultraviolet à l’infrarouge (8µm). Dans le domaine industriel, elles sont utilisées dans la microlithographie, la pyrométrie, la spectroscopie UV (industrie chimique, recherche pharmaceutique, etc.) et l’optique laser UV à haute puissance (gravure, découpe et micro-usinage) en tant que fenêtre de sortie. Pour des applications de recherche, dans l’ultraviolet et l’infrarouge, les hublots optiques en CaF2 équipent les télescopes (UV lointain), les microscopes (imagerie haute résolution en biologie et nanotechnologie, microscopes à fluorescence UV), les spectromètres Raman et les souffleries. Il est très intéressant pour sa haute transmission sur une très large bande allant de l’UV, visible à l’IR.

En raison de ses propriétés optiques et mécaniques, le saphir synthétique permet de fabriquer des fenêtres optiques de très haute qualité. Le saphir est employé pour des optiques de haute précision (spectromètres, les microscopes à force atomique ou les systèmes de mesure dimensionnelle) et les optiques de surveillance et d’imagerie (surveillance aérienne, maritime et terrestre). Les fenêtres en saphir sont utilisées comme fenêtre de sortie pour les lasers à haute puissance notamment. Très résistant, les hublots optiques en saphir permettent des applications en environnement sévère (températures ou pressions élevées, environnement chimique corrosif, résistance aux radiations spatiales et conditions extrême de l’espace). Le saphir est également présent dans les caméras thermiques pour protéger la lentille optique tout en permettant le passage du rayonnement infrarouge.

Lire notre article sur les propriétés et les avantages des fenêtres optiques en saphir.