Quelles sont les caractéristiques des matériaux de fabrication des fenêtres optiques ?

Les fenêtres optiques répondent à des objectifs de surveillance, contrôle ou mesure. Elles sont utilisées couramment par l’industrie (aérospatiale, défense, médicale, pétrochimie, etc.) et les acteurs de la recherche (laboratoires, instituts de recherche, école d’ingénieurs, etc.). Pour concevoir une fenêtre optique, il est nécessaire d’indiquer avec précision son application (conditions d’utilisation, domaine spectral, résultats attendus) afin de déterminer quel matériau sera le plus adapté pour sa conception. Les matériaux optiques ont en effet des caractéristiques bien spécifiques. Quelles sont-elles ? Parcourons ensemble ces éléments.

Pour concevoir une fenêtre optique, aussi appelé hublot optique, il existe trois grandes catégories de matériaux aux propriétés différentes : les verres, les polymères et les cristaux. Chacune de ces familles de matériaux est composé de substrats aux propriétés définies selon des critères précis tels que la transmission, l’indice de réfraction et la dureté de Knoop. Nous vous proposons une description générale des spécificités des substrats les plus courants, suivie de tableaux comparatifs sur leur transmission optique, leur indice de réfraction et leur dureté.

Le N-BK7 se caractérise par sa grande homogénéité, sa faible porosité et sa facilité d’usinage. Sa plage de transmission s’étend de l’ultra-violet à l’infrarouge ondes courtes. Le N-BK7 est doté d’une bonne stabilité thermique. Résistant à la plupart des produits chimiques non fluorés et non alcalins, il est toutefois sensible aux acides. Le N-BK7 présente une faible dispersion ce qui en fait un matériau adapté notamment à la spectroscopie. Relativement dur, le N-BK7 peut toutefois être sensible aux rayures.

Le borosilicate présente une résistance thermique élevée. Il se caractérise également par une faible homogénéité et une porosité élevée. Il offre une bonne transmission optique dans la plupart du spectre visible et de l’infrarouge proche. Résistant à la plupart des produits chimiques, il peut être utilisé pour des applications avec une exposition à des substances corrosives. Le borosilicate est adapté pour des fenêtres optiques soumises à des conditions thermiques sévères ou à des environnements chimiques agressifs.

La silice est transparente dans une large gamme spectrale allant de l’ultraviolet jusqu’à l’infrarouge. La lumière se propage relativement vite dans ce matériau qui est par ailleurs résistant à de nombreux produits chimiques. Toutefois, la silice est sensible aux solutions alcalines concentrées. Forte d’une excellente stabilité thermique, elle résiste à des températures élevées sans se déformer ou de dégrader de manière notable. Matériau dur, la silice résiste modérément aux rayures et à l’usure.

Le germanium est un métalloïde qui transmet environ 45 % entre 2 et 14 µm à 45°C. A partir de 100 °C la transmission se dégrade lentement, et bien plus rapidement au-delà de 200 °C. Dépasser les 200 °C entraine une défaillance presque fatale du matériau. Il n’est donc pas conseillé de l’utiliser dans ces conditions. Le germanium est souvent utilisé dans les applications d’imagerie thermique. Le germanium est très souvent accompagné de traitement anti-reflet sur les plages de transmission 3-5 µm et 8-14 µm car cela permet de supprimer presque totalement les pertes par réflexion du matériau. Cela ajoute une contrainte supplémentaire à ne pas excéder 120°C d’utilisation, car les traitements ne résistent pas à une température supérieure. Enfin, il existe également des traitements hard carbone ou DLC qui lui confère une transmission et une résistance mécanique accrue. Celui-ci est généralement en contact vers l’extérieure (protège de l’érosion, les rayures, l’air salin, l’oxydation, etc.).

Le zinc sélénium (ZnSe) est un matériau cristallin qui affiche une transmission modérée (environ 70%) dans la plage du proche infrarouge à l’infrarouge à ondes thermiques. Le ZnSe ne présente pas une dureté significative. Il peut être facilement rayé ou endommagé. Ce matériau est sensible à l’humidité et à la contamination par les impuretés. Le ZnSe peut supporter des niveaux de puissance élevés de faisceaux laser infrarouges.

Comme le ZnSe, le sulfure de zinc multispectral (ZnS) est également un cristal doté d’une excellente transmission modérée (environ 70%) dans la plage du proche infrarouge à l’infrarouge à ondes thermiques. Ce matériau peut être utilisé pour concevoir des fenêtres optiques pour différentes longueurs d’onde. Le ZnS a une dureté très modérée. Cependant il possède une grande résistance thermique (à utiliser jusqu’à 750 °C). Il est apprécié pour ses caractéristiques de transmission dans le visible.

Le fluorure de calcium (CaF2) a d’excellentes propriétés optiques dans un large domaine de transmission : de l’ultraviolet à l’infrarouge onde longue. Ce matériau biréfringent, à travers lequel la lumière se propage assez lentement, présente une dispersion faible à modérée, limitant les aberrations chromatiques. Le CaF2 résiste à de nombreux produits chimiques mais peut être sensible à certains acides forts. Il est adapté pour des applications à haute température. Cependant il faut tout de même faire attention car il craint les chocs thermiques. Il est de faible dureté et il est sensible aux rayures

Le fluorure de baryum (BaF2) est transparent dans une large gamme de longueurs d’onde, en particulier dans l’ultraviolet profond. Au contraire du CaF2, la lumière se propage relativement vite à travers le BaF2. Ce matériau affiche une dispersion plutôt faible. Il est sensible à l’humidité et aux acides forts. Bénéficiant d’une stabilité thermique correcte, il peut résister à des températures modérées. De faible dureté, il est sensible aux rayures. Comme le CaF2, il est sensible aux chocs thermiques.

Le quartz est un matériau cristallin qui permet de répondre à des applications optiques couvrant une large place spectrale. Il présente une dispersion relativement faible et une absorption minimale. Ce matériau transmet efficacement la lumière sans dissipation significative sous forme de chaleur. Il se distingue par une très forte résistance à la plupart des produits chimiques (incluant les acides forts et les bases fortes). Doté d’une excellente stabilité thermique, le quartz, matériau dur, résiste à des températures élevées.

Le saphir est un matériau cristallin transparent dans une large gamme d’onde spectrale allant du visible à l’infrarouge proche. Il est particulièrement transparent dans l’ultraviolet. Le saphir est connu pour sa grande résistance mécanique, thermique (jusqu’à 1000 °C) et chimique (y compris acides forts bases fortes). Il présente une dispersion relativement faible. La lumière se propage assez lentement à travers ce matériau. Le saphir est extrêmement dur et résistant aux rayures (érosion, abrasion, etc.). Son processus d’usinage nécessite le recours à des techniques maîtrisées telles que l’utilisation de la technologie ultrasonique.

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La transmission est la capacité du matériau optique à transmettre la lumière dans une longueur d’onde donnée (domaine spectral – ultraviolet, visible, infrarouge).

Récapitulatif du découpage du spectre de l’infrarouge :
Proche infrarouge (PIR) : 0.7 µm à 0.9 µm
Ondes courtes (SW) : 0.9 µm à 2.5 µm
Ondes moyennes (MW) : 2 µm à 5 µm
Ondes longues ou ondes thermique : 8 µm à 14 µm
L’infrarouge lointain : 14 à 100 µm

L’indice de réfraction détermine la déviation de la lumière lorsque celle-ci traverse le hublot optique. Cet indice dépend du matériau et de la longueur d’onde de la lumière.

Plus la dureté d’un matériau optique est élevée, plus celui-ci présente une forte résistance mécanique ou une forte résistance aux rayures.

Découvrir le processus de fabrication d’une fenêtre optique et son coût.