Matériaux infrarouges

Lorsque l’on souhaite réaliser une caméra infrarouge, une attention toute particulière doit être portée au choix d’un matériau adapté qui soit transparent dans la bande spec-trale d’étude de façon à maximiser la transmission des éléments optiques. Dans le domaine infrarouge ce choix sera assez contraint. Il existe en effet bien moins de matériaux com-patibles avec des applications d’imagerie infrarouge plutôt que des applications dans le domaine visible notamment.

Le germanium peut être retenu comme étant le matériau le plus utilisé pour l’ima-gerie infrarouge. Il possède une très bonne transmission dans les bandes II et III (voir Fig. 2.63.a). Son indice de réfraction est très grand (n'4) et sa constringence est très élevée pour la bande III (ν '1100). Il est ainsi très peu chromatique, et des systèmes composés d’un minimum de lentilles, voire une seule lentille, peuvent très bien être envi-sagés. Cela fait du germanium un matériau très apprécié des concepteurs optiques. Cepen-dant, l’inconvénient du germanium est que ses propriétés optiques changent rapidement en fonction de la température. De plus, il s’agit d’un matériau très cher.

Le silicium est le second matériau généralement utilisé en infrarouge, mais essentielle-ment pour la bande II. Il possède en effet une bonne transparence dans toute cette bande (voir Fig. 2.63.b). Son indice est plus faible que celui du germanium (n'3.4) mais il lui est parfois préféré parce qu’il a une meilleure constringence en bande II et parce qu’il est

Figure 2.63 – Courbes de transmission d’une lame non traitée d’épaisseur 5mm en germanium (a) et en silicium (b). Données Thorlabs.

aussi moins cher et compatible avec des techniques de fabrication par photolithographie. Le doublet germanium/silicium est particulièrement apprécié à ces longueurs d’onde pour corriger le chromatisme car il associe deux matériaux de dispersions partielles proches et de constringences assez différentes. En bande III, le silicium n’a pas l’habitude d’être utilisé pour réaliser des composants optiques car il devient absorbant dès 9µm sur des épaisseurs de lentille classiques (voir Fig. 2.63.b). Nous pouvons toutefois remarquer que les hublots de la plupart des détecteurs microbolomètres bas coût sont faits en silicium. La faible épaisseur du hublot permet de limiter l’absorption du matériau. De la même façon, si l’on souhaite pouvoir utiliser des composants en silicium en bande III, il faut avoir recours à des architectures optiques innovantes utilisant des optiques très minces. La Fig. 2.64 montre qu’une lame en silicium d’épaisseur inférieure à 1mm possède une relativement bonne transmission jusqu’à 14µm. Notons que les courbes de transmission de deux types de silicium différents sont données. Il s’agit du silicium "Float Zone" (FZ-Si) et du silicium "Optical Czochralski" (OCz-(FZ-Si). Le silicum de type FZ possède une concentration réduite en oxygène, ce qui permet d’atténuer l’absorption à 9µm.

En dehors de ces deux matériaux-rois, il existe d’autres matériaux intéressants pour la réalisation de composants optiques infrarouges. Le sulfure de zinc (ZnS) et le séléniure de zinc (ZnSe) par exemple sont deux matériaux assez couramment utilisés dans l’infrarouge en bandes II et III. Ils ont l’avantage d’être moulables, toutefois leur indice est inférieur celui du silicium (autour de 2,5 en bandes II et III) et ils sont plus dispersifs. Ils peuvent

Figure 2.64 – Courbes de transmission d’une lame en silicium (type FZ-Si ou OCz-Si) d’épais-seur variable. Données Tydex.

de plus être toxiques s’ils sont portés à trop haute température.

Les verres de type chalcogénure quant à eux sont de plus en plus utilisés parce qu’ils sont moins onéreux que le germanium et parce qu’ils se prêtent au pressage et au mou-lage. Ils permettent donc d’envisager la réalisation de lentilles de coût plus faible. Ils sont composés d’un alliage de tellure, de soufre et de sélénium associés à du gallium ou du germanium. On distingue plusieurs types de chalcogénures développés par des sociétés différentes : GASIR1-3 (Umicore), AMTIR1-6 (Amorphous Materials Inc), IG2-6 (Vitron Spezialwerkstoffe GmbH). Ces verres en chalcogénures ont l’avantage de posséder un in-dice encore assez élevé (n'2,5) et des propriétés optiques qui varient assez peu avec la température. L’inconvénient des verres aux chalcogénures est qu’ils contiennent encore du germanium. De plus, ils contiennent des éléments toxiques comme l’arsenic, ce qui peut s’avérer très gênant pour une large diffusion dans des applications civiles. Des recherches sont actuellement menées par les fabricants afin de réduire la composition en germanium et en arsenic des verres aux chalcogénures.

Le polyéthylène est un autre matériau intéressant, en raison de son faible coût et de la possibilité qu’il a d’être moulé. Il possède néanmoins un indice très faible (n'1.5), ce qui le rend moins efficace à la correction des aberrations optiques et tend à augmenter la complexité de l’architectures optique. Aussi, le polyéthylène possède surtout une

ab-sorption très forte rendant impossible son utilisation sur des épaisseurs trop importantes. Notons par exemple que sur une épaisseur de 2mm, le polyéthylène ne transmet que 6% de la lumière à la longueur d’onde de 10µm [119]. Des études sont néanmoins menées afin de réaliser de nouveaux matériaux plastiques infrarouges moulables ou possédant une grande transmission. En effet, une équipe américaine a par exemple récemment proposé un nouveau matériau plastique moulable bas coût transparent dans la bande II [120]. Son indice se situe autour de 1,72 à 1,88, supérieur à celui des matériaux polymères tradition-nellement utilisés. De plus, il possède une transmission environ six fois meilleure que celle du PMMA.

Le bromure de potassium (KBr) est un autre matériau peu onéreux pouvant ainsi trouver des applications en infrarouge bas coût. Il a l’avantage de pouvoir être pressé et d’être moins toxique que les chalcogénures. La contrepartie est son indice très faible (n'1.5). L’autre inconvénient du KBr est qu’il est hygroscopique, ce qui signifie qu’il absorbe l’humidité de l’air. Des méthodes de passivation du KBr sont donc nécessaires.