Quels sont les matériaux optiques infrarouges ?
Les matériaux optiques infrarouges sont généralement classés en trois catégories principales : le verre optique infrarouge, les plastiques optiques infrarouges et les cristaux optiques infrarouges.
1. Verre optique infrarouge
Les avantages du verre optique infrarouge sont une bonne uniformité optique, il peut être fondu et traité dans n'importe quelle forme dans des conditions de température élevée pour répondre aux exigences d'utilisation du concepteur. Dans le même temps, ce matériau a une résistance mécanique et une dureté élevées, est facile à traiter, une stabilité chimique élevée, une résistance à la corrosion, une résistance à l'usure et les matières premières sont faciles à obtenir et à faible coût. Cependant, il a une bande de transmission étroite et est susceptible de fondre et de s'endommager à des températures élevées. Les exemples incluent les verres d'oxyde et les verres de chalcogénure.
Le verre optique infrarouge est généralement classé en deux catégories principales : le verre oxydé et le verre chalcogénure. Les verres à oxyde les plus couramment utilisés comprennent le saphir (Al 2 O 3 ) et quartz (SiO 2 ). En raison de l'existence de fortes bandes d'absorption à 3 μm et 7 μm, la limite de longueur d'onde longue de la transmission du verre d'oxyde n'est pas longue, elle ne peut donc être utilisée que dans les longueurs d'onde du visible, du proche infrarouge, de l'infrarouge à ondes courtes et de l'infrarouge moyen. Les verres de chalcogénure les plus couramment utilisés comprennent le verre germanium-arsenic-sélénium (Ge 33 As 12 Se 44 ) et le verre germanium-antimoine-sélénium (Ge 28 Sb 12 Se 60 ). Les verres de chalcogénure remplacent l'oxygène par les éléments du groupe VI S, Se et Te pour améliorer la limite des longueurs d'onde longues, qui conviennent aux bandes infrarouges à ondes courtes, moyennes et longues.
2. Plastiques optiques infrarouges
Les plastiques optiques infrarouges courants comprennent le polyéthylène, le polypropylène, le polytétrafluoroéthylène et d'autres, qui sont des polymères amorphes élevés. La faible transmission des plastiques dans l’infrarouge des ondes moyennes est due au fait que les bandes d’absorption des vibrations de rotation et de réseau de leurs molécules se situent exactement dans la bande des ondes moyennes. Les plastiques ont une plus grande transparence dans les bandes infrarouges proches et infrarouges à ondes longues. Les plastiques optiques infrarouges présentent de nombreux avantages, tels qu'un faible coût, une résistance à la corrosion et ne sont pas facilement solubles dans l'eau. Les lentilles de Fresnel dans les alarmes infrarouges sont souvent fabriquées à partir de matériaux plastiques infrarouges à ondes longues.
3. Cristaux optiques infrarouges
Pour les systèmes optiques infrarouges, il existe deux types courants de matériaux cristallins infrarouges : les cristaux ioniques et les cristaux semi-conducteurs. Par rapport au verre optique infrarouge, les matériaux cristallins infrarouges se caractérisent par des limites de transmission de longueur d'onde plus longues, des différences plus importantes dans le nombre d'Abbe et les coefficients d'indice de réfraction, ainsi que par des propriétés physiques et chimiques distinctes. Les cristaux ioniques courants comprennent les cristaux d’oxyde, les composés halogénures alcalins et les halogénures infrarouges. Les cristaux semi-conducteurs courants comprennent le germanium, le silicium, le sulfure de zinc, le séléniure de zinc, etc. En raison de la réflectance généralement plus élevée des cristaux semi-conducteurs, des revêtements antireflet sont généralement nécessaires. Ce qui suit donne un aperçu de certains cristaux semi-conducteurs couramment utilisés.
Le germanium a une gamme de longueurs d'onde de 1,8 à 23 µm et le diamètre des monocristaux de germanium est généralement d'environ 250 mm. Il présente une bonne stabilité chimique. La dureté du germanium est faible, une attention particulière est donc nécessaire lors de la production et du traitement. En raison du coefficient de température élevé de son indice de réfraction, il ne peut être utilisé au-delà de 150°C. De plus, en raison de l'indice de réfraction élevé, la perte d'énergie réfléchie est importante et des revêtements antireflet sont nécessaires. Le germanium peut être utilisé pour fabriquer des lentilles, des fenêtres et des filtres.
Le silicium est un matériau cristallin non métallique avec un diamètre monocristallin supérieur à 150 mm et un diamètre polycristallin allant jusqu'à plus de 400 mm. Le silicium présente des avantages significatifs par rapport au germanium en termes de solidité, de dureté et de résistance aux chocs thermiques. La limite supérieure de la température de fonctionnement du silicium est de 325°C. Son indice de réfraction se situe généralement autour de 3,4, nécessitant des revêtements antireflet. En plus de son utilisation dans les lentilles et les fenêtres, le silicium peut également être utilisé pour le carénage.
Le séléniure de zinc a une gamme de longueurs d'onde de 0,5 à 24 μm et est un matériau optique infrarouge courant avec des propriétés chimiques stables, mais un physique relativement doux, nécessitant généralement le dépôt de revêtements antireflet à haute résistance, qui peuvent être utilisés pour les lentilles et les fenêtres.
Le sulfure de zinc a une gamme de longueurs d'onde de 0,4 à 18 μm et présente une couleur jaune clair sous la lumière du soleil. Il est généralement traité par dépôt en phase vapeur pour être utilisé dans les lentilles, les fenêtres et les carénages. Le tableau 1.0 fournit l'indice de réfraction du cristal optique infrarouge dans différentes bandes.
Pour les systèmes optiques infrarouges, le choix des matériaux infrarouges est aussi important que la structure initiale. Lors de la sélection des matériaux, les concepteurs doivent d'abord se référer aux informations pertinentes, analyser les caractéristiques de chaque matériau sous les aspects optiques, mécaniques, chimiques et autres, et faire des choix raisonnables en fonction de l'environnement de fonctionnement réel du système optique infrarouge tout en répondant aux exigences de conception. En général, il existe moins de matériaux optiques infrarouges qui prennent simultanément en compte les points ci-dessus.
Lors de la sélection des matériaux, il est essentiel de noter que les paramètres de performance plus élevés du matériau ne sont pas toujours meilleurs et que les paramètres plus faibles ne sont pas nécessairement préférables. Par exemple, les miroirs réfléchissants nécessitent des matériaux à haute réflectivité, tandis que les lentilles nécessitent des matériaux à faible réflectivité et à transmission élevée ; les fenêtres des détecteurs infrarouges refroidis nécessitent des matériaux à faible indice de réfraction. Les matériaux du séparateur de faisceau nécessitent un faible nombre d'Abbe pour obtenir une dispersion élevée, et la lentille doublet nécessite une combinaison de matériaux à nombre d'Abbe faible et élevé.