Optiques en Germanium : guide d’achat

Le germanium est réputé pour avoir été prédit par Mendeleev avant sa découverte réelle à la fin du 19ème siècle.  Il est largement utilisé en optique comme substrat de composants optiques infrarouges. La matière disposé également de propriétés semi-conductrices intéressantes, mais ce guide se concentre sur les applications optiques du Germanium.

optical germanium window

Fenêtre en Germanium

Pourquoi le Germanium est une bonne matière optique ?

Bien que relativement onéreux (environ 1000 USD/kg) le germanium offre des propriétés optiques intéressantes.

Il a tout d’abord une bonne transmission dans le champs 8 à 14µm, couvrant le spectre de l’infrarouge thermique, il est donc un bon matériel pour les applications de vision nocturnes ou thermiques. Ensuite son indice de réfraction est élevé ce qui permet la réalisation d’optiques avec une ouverture numérique importante.

Ge est également prisé pour sa faible dispersion optique et donc sa très faible dispersion chromatique dans son spectre de transmission.

De façon intéressante, du fait de sa structure cristalline similaire à celle du diamant il peut être recouvert d’un traitement durcissant à base de carbone (DLC : Diamond Like Carbon), qui en plus de protéger l’optique avec une couche dure comme du diamant, réduit la réflexion à sa surface.   Finalement, le Germanium n’est pas transparent dans le visible ce qui peut être intéressant si on veut travailler uniquement sur le signal IR.

Cependant, il est sensible aux hautes températures qui dégradent ses propriétés optiques au delà de 100°C.

Propriétés du Germanium

Tableau récapitulatif des caractéristiques du germanium :

Propriété Valeurs
Nom de la matière Germanium
Formule chimique / élément chimique Ge (numéro atomique 32)
Type d’élément chimique Métalloïd
Couleur Gris
Indice de réfraction 4
Spectre de transmission 1,8µm à 23µm
Densité 5,35 g/cm3
Dureté 800 Knoop
Module de Young 75,79 GPa
Expansion thermique 6,1*10-6 °K-1
Conductivité thermique 59 W/(m*°K)
Point de fusion 1210 °K

Courbe de transmission du Germanium

transmission curve of germanium with DLC

Courbe de transmission d’une fenêtre de Germanium de 3mm d’épaisseur avec traitement AR + DLC.

Le germanium pur a une transmission moyenne inférieure à 50% dans l’infrarouge, mais un traitement Anti-reflet ou DLC améliore très significativement la transmittance.

Quel type de composant optique peut être réalisé en Germanium ?

La matière en elle même est relativement dure, mais elle peut tout de même être usinée et polie sous forme de composants optiques :

  • Fenêtres optiques : correspond à l’utilisation principale du Germanium avec une très bonne transmission dans l’IR tout en restant opaque au visible. Souvent les fenêtres en Germanium sont renforcées avec un traitement DLC sur une face.
  • Lentilles : les lentilles en germanium sont très largement utilisées dans les objectifs de vision thermique ou nocturne.
  • Lentille asphérique en Germanium :  elles sont dessinées et utilisées pour améliorer les propriétés optiques et alléger de systèmes étant en contrainte de poids. Le Germanium peut être travaillé par usinage à pointe diamanté pour produire des asphères de haute qualité de surface.
  • Substrat de semi-conducteurs (Wafers) :  comme le Silicium également un semi-conducteur, le germanium est largement utilisé comme substrat fin pour les composants électroniques.
  • Les fabricants de fibres optiques utilisent également le Ge comme un dopant dans le noyau des fibres optiques en silice.  Du fait de la grande quantité de fibres utilisés pour les communications dans le monde, cette application est pour elle seule responsable de la consommation de 30% du Germanium dans le monde.

Il est également intéressant de noter que le germanium est plus cassant que le silicium par exemple et nécessite donc plus d’attention lors de manipulations.

Spécifications générales de fabrication des lentilles et fenêtres

Propriétés Valeurs
Dimensions disponibles Diam 3 à D400mm
Tolérances dimensionnelles +/-0,01mm
Epaisseur 1-50mm
Qualité de surface S&D : 60/40 qualité normale; 40/20, meilleure qualité
Planéité 1/2 lambda
Parallélisme mieux que 10″

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Les valeurs du tableau correspondent à des spécifications génériques, il est possible d’obtenir de meilleurs qualités, il faut pour cela procéder à une étude au cas par cas.

Où trouver un bon fournisseur pour les composants optiques en Germanium ?

Les composants en Germanium comme ceux en Silicium sont principalement réalisés par les fabricants d’optique de précision spécialisés dans l’IR.  Du fait de la valeur élevée de la matière, la spécialisation permet à ces sociétés de réduire la pression sur les stocks et de réduire les risques de rejet qualité.

La plupart des sources de matières sont localisées en Chine, Russie ou USA, la qualité des matières est sensiblement équivalente selon leur origine.

N’hésitez pas à contacter SINOPTIX pour vous composants optiques IR.

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