Infrarouge: le BaF2 une alternative au germanium ?
Le Ge est le matériau optique le plus utilisé pour l’optique thermique, peut-il être remplacé par d’autres matériel ? Dans cet article, nous examinerons le Fluorure de baryum en tant que concurrent à cette position dominante. .
Difficultés d’approvisionnement en composants optiques en germanium
Disponibilité difficile
La Chine est le principal producteur mondial de germanium, un élément stratégique utilisé dans l’électronique. Récemment, le pays a imposé des contrôles stricts sur l’utilisation et l’exportation du germanium, probablement en réponse aux sanctions américaines sur les technologies liées aux puces. L’accès au germanium est désormais beaucoup plus difficile, en outre les exportations doivent subir un processus d’approbation long et incertain par les douanes chinoises.
Bien que le germanium soit répandu dans le monde entier, il n’existe qu’en petites concentrations. Le raffiner en un matériau de qualité optique de haute pureté nécessite un équipement complexe. Par conséquent, d’autres pays seront confrontés à des défis importants pour remplacer leur approvisionnement en germanium sans de lourds investissements dans l’exploitation minière et le raffinage.
Tarifs volatils
Comme le montre le graphique ci-dessous (ref. tradingnomics.com), le prix du germanium a augmenté régulièrement au cours de la dernière décennie, connaissant une augmentation de 3,53 fois. Les tendances récentes indiquent non pas une stabilisation mais plutôt une accélération de la hausse des coûts. En octobre 2024, le prix actuel est de 3 883 dollars le kilogramme, ce qui fait du germanium un matériau considérablement coûteux.
Le BAF2 peut-il être une alternative au germanium ?
Le fluorure de baryum et le germanium partagent une bonne transmission dans l’IR et en particulier dans les spectres IR thermiques, mais ils ont des caractéristiques différentes, le tableau ci-dessous résume les plus pertinentes.
| Fluorure de Baryum | Germanium | Commentaires | |
|---|---|---|---|
| Elements chimiques | BaF2 | Ge | |
| Spectre de transmission | 0,25-12 µm (T diminue à partir de 9.5µm) | 1,6 – 20 µm | BaF2 est transparent dans le visible alors que Ge ne l’est pas. Ge va au-delà des infrarouges lointains. |
| Indice de réfraction | 1,47 | 4,0 | Différence importante, ce qui signifie que le design de l’optique doit être entièrement repensée pour passer du Ge au BaF2. |
| Densité (g/cm3) | 4,9 | 5,32 | |
| Dispersion spectrale | Faible | très faible | Les deux matériaux présenteront une faible aberration chromatique, utile pour travailler sur un large spectre |
| Dureté (GPa) | 0,75 (Mohs 3,5) | 6,1 (Mohs 6) | Cette différence est très significative, la faible dureté du BaF2 le rend facile à endommager. |
| Fragilité | Très cassant | cassant | Les deux nécessitent une manipulation prudente, mais encore plus pour le BaF2 |
| Résistance à la température | Peut être utilisé jusqu’à 800°C en milieu sec (500°C en présence d’humidité) | Les propriétés optiques commencent à se dégrader à partir de 100°. | BaF2 est une alternative intéressante au Ge pour une utilisation à plus haute température. |
| Résistance aux chocs thermiques | Mauvaise | Moyenne | |
| Résistance à l’humidité | Une exposition prolongée à l’humidité aura un impact négatif sur sa qualité | S’oxydera en cas d’exposition prolongée à l’humidité | Le revêtement DLC sur le germanium améliorera considérablement sa résistance à l’humidité |
| Disponibilité dimensionnelle | Jusqu’à D200mm | Plus difficile de trouver des gros diamètres | Pour les optiques de diamètre supérieur à D100mm, le germanium sera encore plus cher du fait de la rareté de l’offre. |
Une alternative uniquement pour des applications limitées :
Alors que les deux matières partagent une faible dispersion spectrale et une bonne transmission sur les spectres IR, le germanium est beaucoup plus résistant aux éléments environnementaux, surtout s’il est renforcé avec un revêtement DLC.
Dans un environnement protégé comme un laboratoire, le Fluorure de Baryum présente des avantages intéressants pour les composants optiques : d’abord son prix (la moitié du germanium au moment de la rédaction), ses capacités à travailler à des températures plus élevées et sa transparence dans le visible.
