Le bon matériau pour les applications infrarouges (IR)
Introduction à l’infrarouge | l’importance du bon matériau | Choisir le bon matériau | Comparaison substrats IR
Introduction à l’infrarouge (IR)
Le rayonnement infrarouge (IR) est caractérisé par des longueurs d'onde comprises entre 0,750 et 1000 μm (750 à 1000000 nm). En raison des limitations de la portée des détecteurs, le rayonnement IR est souvent divisé en trois régions plus petites : 0,750 - 3 μm, 3 - 30 μm et 30 - 1000μm – définis comme le infrarouge proche (NIR), l'infrarouge à ondes moyennes (MWIR) et l'infrarouge lointain (FIR), respectivement (Figure 1). Les produits infrarouges sont largement utilisés dans une variété d'applications allant de la détection de signaux IR en imagerie thermique à l'identification d'éléments en spectroscopie IR. Au fur et à mesure que le besoin d'applications IR augmente et que la technologie progresse, les fabricants ont commencé à utiliser des matériaux IR dans la conception d'optiques planes (fenêtres, miroirs, polariseurs, séparateurs de faisceau, prismes), de lentilles sphériques (plano-concaves/convexes, biconcaves/-convexes, ménisque), de lentilles asphériques (paraboliques, hyperboliques, hybrides), de lentilles achromatiques et d'assemblages (lentilles d'imagerie, expanseurs de faisceau, oculaires, objectifs). Ces matériaux, ou substrats, IR varient dans leurs caractéristiques physiques. Par conséquent, le fait de connaître les avantages de chacun d'entre eux permet de sélectionner le matériau approprié pour toute application IR.
Figure 1 : Spectre électromagnétique
L'importance d'utiliser le bon matériau
La lumière infrarouge étant composée de longueurs d'onde plus longues que la lumière visible, les deux régions se comportent différemment lorsqu'elles se propagent dans le même milieu optique. Certains matériaux peuvent être utilisés pour des applications dans l'IR ou le visible, notamment la silice fondue, le BK7 et le saphir. Cependant, les performances d'un système optique peuvent être optimisées en utilisant des matériaux mieux adaptés à la tâche à accomplir. Pour comprendre ce concept, il faut considérer la transmission, l'indice de réfraction, la dispersion et l'indice de gradient. Pour des informations plus approfondies sur les spécifications et les propriétés, consultez la Note d’application : Verre optique.
Transmission
L'attribut principal définissant tout matériau est la transmission. La transmission est une mesure du débit et est donnée en pourcentage de la lumière incidente. Les matériaux IR sont généralement opaques dans le visible, tandis que les matériaux visibles sont généralement opaques dans l'IR ; en d'autres termes, ils présentent une transmission quasi nulle dans ces régions de longueur d'onde. Prenons l'exemple du silicium, qui transmet les IR mais pas la lumière visible (Figure 2).
Figure 2 : Courbe de transmission du silicium non traité
Indice de réfraction
Si c'est principalement la transmission qui permet de classer un matériau dans l'IR ou le visible, un autre attribut important est l'indice de réfraction (nd). L'indice de réfraction est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et la vitesse de la lumière dans un matériau donné. C'est un moyen de quantifier l'effet du « ralentissement » de la lumière lorsqu'elle pénètre dans un milieu à indice élevé à partir d'un milieu à faible indice. Il indique également la quantité de lumière réfractée lors d'une rencontre oblique avec une surface, la quantité de lumière réfractée étant d'autant plus importante que le nd augmente (Figure 3).
Figure 3 : Réfraction de la lumière d'un milieu à faible indice vers un milieu à indice élevé
L'indice de réfraction varie entre environ 1,45 - 2 pour les matériaux visibles et 1,38 - 4 pour les matériaux IR. Dans de nombreux cas, l'indice de réfraction et la densité ont une corrélation positive, ce qui signifie que les matériaux IR peuvent être plus lourds que les matériaux visibles. Cependant, un indice de réfraction plus élevé implique également que les performances limitées par la diffraction peuvent être obtenues avec moins d'éléments de lentille, ce qui réduit le poids et le coût du système global.
Dispersion
La dispersion est une mesure de la variation de l'indice de réfraction d'un matériau en fonction de la longueur d'onde. Elle détermine également la séparation des longueurs d'onde, appelée aberration chromatique. Quantitativement, la dispersion est inversement donnée par le nombre d'Abbe (vd), qui est fonction de l'indice de réfraction d'un matériau aux longueurs d'onde f (486,1 nm), d (587,6 nm) et c (656,3 nm) (équation 1).
Les matériaux dont le nombre d'Abbe est supérieur à 55 (moins dispersif) sont considérés comme des matériaux « crown » et ceux dont le nombre d'Abbe est inférieur à 50 (plus dispersif) sont considérés comme des matériaux « flint ». Le nombre d'Abbe pour les matériaux visibles varie de 20 à 80, tandis que le nombre d'Abbe pour les matériaux IR varie de 20 à 1000.
Gradient d’indice
L'indice de réfraction d'un milieu varie en fonction de la température. Ce gradient d'indice (dn/dT) peut être problématique lorsqu'on travaille dans des environnements instables, surtout si le système est conçu pour fonctionner pour une seule valeur de n. Malheureusement, les matériaux IR sont généralement caractérisés par des valeurs de dn/dT plus importantes que les matériaux visibles (comparez N-BK7, qui peut être utilisé dans le visible, au germanium, qui ne transmet que dans l'IR dans le tableau des attributs clés des matériaux au paragraphe Comparaison des substrats IR).
Comment choisir le bon matériau
Pour choisir le bon matériau IR, il faut tenir compte de trois points simples. Bien que le processus de sélection soit plus facile parce qu'il existe une sélection pratique beaucoup plus restreinte de matériaux à utiliser dans l'infrarouge par rapport au visible, ces matériaux ont également tendance à être plus chers en raison des coûts de fabrication et des matériaux.
- Propriétés thermiques - Les matériaux optiques sont souvent placés dans des environnements où ils sont soumis à des températures variables. En outre, une préoccupation commune aux applications IR est leur tendance à produire une grande quantité de chaleur. Le gradient d'indice et le coefficient de dilatation thermique (CTE) d'un matériau doivent être évalués pour garantir à l'utilisateur les performances souhaitées. Le CTE est la vitesse à laquelle un matériau se dilate ou se contracte en fonction d'un changement de température. Par exemple, le germanium a un gradient d'indice très élevé, ce qui peut dégrader les performances optiques s'il est utilisé dans un environnement thermiquement volatile.
- Transmission – Différentes applications fonctionnent dans différentes régions du spectre IR. Certains substrats IR sont plus performants en fonction de la longueur d'onde utilisée (Figure 4). Par exemple, si le système est prévue pour fonctionner dans l’infrarouge à ondes moyennes, le germanium est un meilleur choix que le saphir, qui fonctionne bien dans l’infrarouge proche.
- Indice de réfraction – Les matériaux IR varient en termes d'indice de réfraction bien plus que les matériaux visibles, ce qui permet une plus grande variation dans la conception du système. Contrairement aux matériaux visibles (tels que le N-BK7) qui fonctionnent bien dans l'ensemble du spectre visible, les matériaux IR sont souvent limités à une petite bande du spectre IR, notamment lorsque des traitements antireflets sont appliqués.
Figure 4 : Comparaison des substrats infrarouges (la gamme de longueurs d'onde pour N-BK7 est représentative de la majorité des substrats utilisés pour les longueurs d'onde visibles tels que B270, N-SF11, BOROFLOAT®, etc.)
Comparaison des substrats IR
Bien qu'il existe des dizaines de matériaux IR, seule une poignée d'entre eux est principalement utilisée par les industries de l'optique, de l'imagerie et de la photonique pour fabriquer des composants prêts à l'emploi. Le fluorure de calcium, la silice fondue, le germanium, le fluorure de magnésium, le N-BK7, le bromure de potassium, le saphir, le silicium, le chlorure de sodium, le séléniure de zinc et le sulfure de zinc ont chacun leurs propres attributs uniques qui les distinguent les uns des autres, en plus de les rendre adaptés à des applications spécifiques. Les tableaux suivants présentent une comparaison de certains substrats couramment utilisés.
| Attributs clés des matériaux IR | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Nom | Indice de réfraction (nd) | Nombre d’Abbe (vd) | Densité (g/cm3) | CTE (x 10-6/°C) | dn/dT (x 10-6/°C) | Dureté Knoop |
| Fluorure de calcium (CaF2) | 1,434 | 95,1 | 3,18 | 18,85 | -10,6 | 158,3 |
| Silice fondue | 1,458 | 67,80 | 2,2 | 0,55 | 11,9 | 500 |
| Germanium (Ge) | 4,003 | sans objet | 5,33 | 6,1 | 396 | 780 |
| Fluorure de magnésium (MgF2) | 1,413 | 106,2 | 3,18 | 13,7 | 1,7 | 415 |
| N-BK7 | 1,517 | 64,2 | 2,46 | 7,1 | 2,4 | 610 |
| Bromure de potassium (KBr) | 1,527 | 33,6 | 2,75 | 43 | -40,8 | 7 |
| Saphir | 1,768 | 72,2 | 3,97 | 5,3 | 13,1 | 2200 |
| Silicium (Si) | 3,422 | sans objet | 2,33 | 2,55 | 160 | 1150 |
| Chlorure de sodium (NaCl) | 1,491 | 42,9 | 2,17 | 44 | -40,8 | 18,2 |
| Séléniure de zinc (ZnSe) | 2,403 | sans objet | 5,27 | 7,1 | 61 | 120 |
| Sulfure de zinc (ZnS) | 2,631 | sans objet | 5,27 | 7,6 | 38,7 | 120 |
| Comparaison des matériaux IR | |
|---|---|
| Nom | Propriétés / Applications typiques |
| Fluorure de calcium (CaF2) | Faible absorption, homogénéité élevée de l'indice de réfraction |
| Utilisé en spectroscopie, traitement des semi-conducteurs, imagerie thermique refroidie | |
| Silice fondue | Faible CTE et excellente transmission dans l'IR |
| Utilisé en interférométrie, instrumentation laser, spectroscopie | |
| Germanium (Ge) | nd élevé, dureté Knoop élevée, excellente transmission du MWIR au FIR |
| Utilisé en imagerie thermique, imagerie IR robuste | |
| Fluorure de magnésium (MgF2) | CTE élevé, faible indice de réfraction, bonne transmission du visible au MWIR |
| Utilisé dans les fenêtres, les lentilles et les polariseurs qui ne nécessitent pas de traitement antireflet. | |
| N-BK7 | Matériau à faible coût, fonctionne bien dans les applications visibles et infrarouges proches. |
| Utilisé dans la vision industrielle, la microscopie et les applications industrielles. | |
| Bromure de potassium (KBr) | Bonne résistance aux chocs mécaniques, hydrosoluble, large plage de transmission |
| Utilisé en spectroscopie FTIR | |
| Saphir | Très durable et bonne transmission dans l'IR |
| Utilisé dans les systèmes laser IR, la spectroscopie et l’équipement exposé aux environnements difficiles | |
| Silicium (Si) | Faible coût et légèreté |
| Utilisé en spectroscopie, systèmes laser MWIR, imagerie THz | |
| Chlorure de sodium (NaCl) | Soluble dans l'eau, faible coût, excellente transmission de 250 nm à 16 μm, sensible aux chocs thermiques. |
| Utilisé en spectroscopie FTIR | |
| Séléniure de zinc (ZnSe) | Faible absorption, haute résistance aux chocs thermiques |
| Systèmes laser CO2 et imagerie thermique | |
| Sulfure de zinc (ZnS) | Excellente transmission dans le visible et l'IR, plus dur et plus résistant aux produits chimiques que le ZnSe. |
| Utilisé en imagerie thermique | |
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