Un article essentiel à comprendre : Pourquoi le verre chalcogénure est le matériau de base irremplaçable des filtres optiques infrarouges moyens et lointains

Demandez à n'importe quel ingénieur en optique infrarouge quel est le problème de sélection de matériaux le plus difficile dans la bande infrarouge moyen à lointain, et vous obtiendrez probablement la même réponse : trouver un matériau à la fois très transparent dans l'infrarouge moyen à lointain, suffisamment robuste mécaniquement et capable de résister aux environnements d'exploitation réels est extrêmement difficile.

Le germanium est performant, mais coûteux et sa bande passante est limitée. Les cristaux de fluorure présentent une large bande de transmission, mais ils sont extrêmement hygroscopiques et commencent à se dissoudre même dans des conditions légèrement humides. Le silicium offre des performances acceptables dans l'infrarouge moyen, mais sa transmittance chute sensiblement au-delà de 8 µm et devient inadapté aux longueurs d'onde plus longues de l'infrarouge lointain.

Le verre chalcogénure est l'une des rares solutions systémiques à ce dilemme de sélection.

Qu’est-ce que le verre chalcogénure et pourquoi excelle-t-il dans l’infrarouge moyen et lointain ?

Le verre chalcogénure est un matériau vitreux amorphe composé principalement d'éléments du groupe VI : le soufre (S), le sélénium (Se) et le tellure (Te). Les compositions typiques comprennent As–S, As–Se, Ge–Sb–Se, Ge–As–Se–Te et diverses autres formulations.

La raison fondamentale de son excellente transmission dans l'infrarouge moyen à lointain réside dans l'énergie de liaison relativement faible de ses liaisons chimiques.

La transmission infrarouge est déterminée par la fréquence de coupure des phonons du matériau : la fréquence de vibration des liaisons chimiques entre les atomes détermine le seuil d’absorption de la lumière infrarouge. Une énergie de liaison plus faible et une masse atomique plus élevée entraînent des fréquences de phonons plus basses, permettant ainsi au matériau de transmettre des longueurs d’onde infrarouges plus importantes.

Les éléments chalcogènes possèdent des masses atomiques élevées. Lorsqu'ils forment des liaisons chimiques avec l'arsenic, le germanium et d'autres éléments, les énergies de liaison sont faibles et la fréquence de coupure des phonons peut s'étendre au-delà de 10 µm, voire plus. Ceci permet aux verres chalcogénures de conserver une transmittance élevée sur toute la bande infrarouge lointaine de 8 à 14 µm et au-delà. À l'inverse, les verres d'oxydes tels que le SiO₂ présentent une énergie de liaison Si-O élevée, avec des fréquences de coupure des phonons d'environ 4 à 5 µm, ce qui les rend totalement opaques dans l'infrarouge lointain – raison pour laquelle il est impossible de voir à travers un verre ordinaire avec une caméra thermique.

Les verres chalcogénures, selon leur formulation, présentent des plages de transmission différentes. Les systèmes à base de soufre (par exemple, As₂S₃) ont une fenêtre de transmission d'environ 0,6 µm à 11 µm. Les systèmes à base de sélénium (par exemple, As₂Se₃) peuvent s'étendre au-delà de 15 µm. Les systèmes à base de tellure offrent une transmission encore plus large, dépassant les 20 µm. Cette capacité d'ajustement permet aux verres chalcogénures de couvrir de multiples bandes spectrales, des ondes moyennes aux ondes longues, voire à l'infrarouge lointain, offrant ainsi une flexibilité bien supérieure à celle de tout matériau monocristallin.

Comparaison avec le germanium : chacun a ses atouts, mais le verre chalcogénure offre une irremplaçabilité unique.

Le germanium est le matériau le plus utilisé en optique infrarouge moyen et lointain. Son indice de réfraction à 8–14 μm est d'environ 4,0, ce qui lui confère une excellente capacité de collecte de la lumière et en fait le matériau de choix pour les lentilles d'imagerie thermique.

Cependant, le germanium présente trois limitations notables :

Premièrement, la volatilité des prix. Le germanium est un métal rare dont l'offre mondiale est très concentrée. Son prix, influencé par les politiques d'exportation et la demande en aval, peut doubler ou diminuer de moitié en quelques années, ce qui engendre des risques importants pour la chaîne d'approvisionnement.

Deuxièmement, une dureté limitée. Le germanium possède une dureté Vickers d'environ 780 HV. Dans des environnements difficiles, avec du sable, de la poussière ou de la pluie, sa surface est sensible à l'abrasion et aux rayures, ce qui limite sa durée de vie à long terme en tant que substrat de fenêtre ou de filtre, comparativement à des matériaux plus durs.

Troisièmement, une portée de transmission finie. La fenêtre de transmission du germanium s'étend approximativement de 2 à 15 μm, la transmittance diminuant sensiblement au-delà de 15 μm.

Le verre chalcogénure présente des performances différentes selon ces trois dimensions, mais son avantage en termes de plage de transmission est structurel : pour les applications nécessitant une couverture au-delà de 12 µm dans l’infrarouge très long, le verre chalcogénure est l’un des rares matériaux véritablement adaptés. De plus, étant un matériau amorphe, le verre chalcogénure peut être produit en série avec des profils de surface complexes grâce à des procédés de moulage, à un coût de fabrication inférieur à celui de l’usinage de précision du germanium, ce qui le rend particulièrement adapté aux applications civiles à grande échelle.

Revêtement DLC : une solution au problème de dureté du verre chalcogénure

Le verre chalcogénure présente une faiblesse mécanique notable : sa dureté est faible, généralement de l’ordre de 100 à 200 HV, bien inférieure à celle du germanium (780 HV) et du silicium (1 000 HV). Une surface de verre chalcogénure non revêtue ne résiste pas suffisamment à l’abrasion en extérieur, en présence de sable et de poussière, ni en milieu industriel nécessitant un nettoyage fréquent, ce qui limite sa durée de vie dans des conditions difficiles.

Le revêtement DLC (carbone de type diamant) est la solution technique la plus aboutie à ce problème.

Le DLC est un film de carbone amorphe présentant une dureté Vickers généralement comprise entre 1 500 et 3 000 HV, un faible coefficient de frottement (environ 0,05 à 0,15 en conditions sèches) et une bonne transmittance dans le moyen et l’infrarouge lointain. Déposé sur des surfaces de verre chalcogénure, il améliore considérablement la résistance du substrat à l’usure, aux rayures et à la corrosion, tout en limitant l’impact sur la transmittance infrarouge à 1 ou 2 points de pourcentage.

L'intérêt de cette combinaison réside dans le fait que le verre chalcogénure assure une transmission à large bande dans l'infrarouge moyen et lointain, tandis que le DLC garantit une protection mécanique. Ensemble, ils intègrent deux propriétés rarement réunies dans un seul matériau – la transmission à large bande et la résistance aux intempéries – au sein d'un même élément optique.

MULTI IR a développé de manière indépendante des filtres en verre chalcogénure revêtus de DLC, grâce à des procédés adaptés à de multiples substrats, notamment As-S, As-Se et Ge-Sb-Se. L'adhérence et l'uniformité des films DLC ont été spécifiquement optimisées pour ces substrats. Le coefficient de dilatation thermique entre les différents substrats en verre chalcogénure et le film DLC varie considérablement, ce qui influe directement sur la stabilité d'adhérence de la couche DLC. Il s'agit là de l'aspect le plus complexe du revêtement DLC sur verre chalcogénure et le plus difficile à maîtriser pour garantir la constance de la production. Actuellement, les produits en verre chalcogénure revêtus de DLC de MULTI IR sont utilisés dans des applications telles que les fenêtres infrarouges militaires, l'imagerie thermique industrielle et les systèmes infrarouges à ondes longues pour l'automobile.

Critères de sélection clés pour les filtres en verre chalcogénure

La sélection au niveau de l'application nécessite généralement de confirmer trois éléments :

1. Exigences relatives à la bande de fonctionnement. Les verres chalcogénures présentent des fenêtres de transmission différentes. Pour les applications dans la bande 8–12 µm, les systèmes As–Se sont généralement suffisants. Au-delà de 14 µm, des formulations contenant du tellure ou une teneur plus élevée en sélénium sont nécessaires. Si la formulation du substrat est mal choisie et que la transmittance ne répond pas aux spécifications, aucun revêtement ultérieur ne peut compenser ce défaut.

2. Exigences en matière d'environnement mécanique. Pour les installations fixes en intérieur, des substrats en verre chalcogénure non revêtus peuvent être utilisés, le revêtement DLC engendrant un surcoût. En revanche, pour les applications extérieures, automobiles, aéroportées ou marines exposées au sable, à la poussière, à la pluie ou aux vibrations, le revêtement DLC est indispensable. L'environnement d'utilisation détermine la nécessité du revêtement, ainsi que les spécifications d'épaisseur et de dureté de la couche DLC.

3. Compromis entre transmittance et blocage. La transmittance des filtres en verre chalcogénure est influencée par l'absorption du substrat et la réflexion de surface. Les revêtements antireflets peuvent améliorer significativement la transmittance maximale, mais leur conception doit être envisagée conjointement avec les caractéristiques optiques de la couche DLC ; leur optimisation ne peut être réalisée indépendamment.

Des fenêtres de détection des systèmes d'imagerie thermique militaires aux filtres frontaux des analyseurs de gaz civils, le large éventail d'applications du verre chalcogénure dans le domaine infrarouge moyen à lointain reflète les propriétés physiques uniques de ce matériau : très peu de matériaux peuvent simultanément maintenir une transmittance élevée, une bonne aptitude au traitement et un degré raisonnable de contrôle des coûts sur toute la fenêtre de 8 à 14 μm.

Ce n’est pas parce que personne n’a cherché d’alternatives, c’est parce que la physique moléculaire fixe un seuil élevé à ce niveau, et que le verre chalcogénure le franchit par hasard.

Images générées par l'IA

MULTI-IR, une entreprise spécialisée et sophistiquée de niveau national, surnommée « Petit Géant », disposant de plus de 10 000 types de composants sensibles aux infrarouges en stock, se classant parmi les 3 premières au monde en termes de puissance globale, et principal rédacteur de la norme de l'industrie des filtres infrarouges.

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