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On appelle verre optique un verre de qualité adaptée à la réalisation nf en 13508 2 pdf systèmes optiques tels que les lentilles optiques, les prismes ou les miroirs. Outre les paramètres optiques et mécaniques, les verres optiques se caractérisent par leur pureté et leur qualité, nécessaires du fait de leur utilisation dans des instruments de précision. Les défauts sont quantifiés et classés selon des normes internationales : bulles, inclusions, rayures, défauts d’indice, coloration, etc. Articles connexes : Histoire de l’optique et Histoire du verre.

Il faut attendre l’essor des Grecs et des Romains pour que le verre soit utilisé comme matériau optique. Bien que l’on ne connaisse pas exactement la date de leur invention, les lunettes de vue auraient été décrites en 1299 par Sandro di Popozo dans son Traité de conduite de la famille :  Je suis si altéré par l’âge, que sans ces lentilles appelées lunettes, je ne serais plus capable de lire ou d’écrire. Cependant, à cette époque, les  verres  sont en fait fabriqués avec du béryl ou du quartz. Le seul verre alors disponible, le verre sodocalcique ordinaire, ne permet pas de compenser les aberrations.

Celui-ci évolue cependant, lentement, au cours des siècles. La véritable révolution des verres optiques arrive avec le développement de la chimie industrielle, qui facilite la composition du verre, permettant ainsi de faire varier ses propriétés, telles que l’indice de réfraction et le coefficient de dispersion. Entre 1934 et 1956, d’autres oxydes sont utilisés. Puis, par l’ajout de phosphates et de fluorures, on obtient des crowns au phosphate et des crowns au fluor. Les notations sont les noms donnés par Schott aux différentes familles de verres optiques.

L’indice de réfraction permet de connaître le pouvoir de réfringence d’un verre, c’est-à-dire sa capacité à dévier plus ou moins les rayons lumineux. Cette déviation peut être déduite de la loi de Descartes. La dépendance de l’indice de réfraction à la longueur d’onde nécessite d’avoir une mesure de la dispersion du verre, c’est-à-dire la différence de déviation entre deux longueurs d’onde. Un verre très dispersif dévie beaucoup les longueurs d’onde courtes mais peu les longueurs d’onde grandes, au contraire d’un verre peu dispersif. La mesure de la dispersion est le nombre d’Abbe, ou constringence. Un nombre d’Abbe élevé signifie que le verre est peu dispersif, et inversement.

Indices de réfraction réel et imaginaire pour le verre de quartz ou fused silica vers l’IR. On divise habituellement les verres en deux groupes aux noms génériques de crown et flint, désignant respectivement des verres de faible dispersion et faible indice et des verres de grande dispersion et grand indice. Ces deux paramètres seuls sont nécessaires pour discriminer les verres entre eux : deux verres dont le nd et νd sont égaux, sont identiques. Les verres sont représentés sur ce qu’on appelle le diagramme d’Abbe, graphique d’abscisses nd et d’ordonnées νd, où chaque verre est noté par un point dans le graphique.

Les verres d’oxydes se répartissent dans une zone de nd de 1,4 à 2,0 et νd de 20 à 90, le SiO2 étant le verre d’oxyde à la plus haute contringence et plus faible indice. 100 et nd2 étant le verre de fluorure à la plus haute constringence et plus faible indice. Une autre caractéristique très importante pour un verre optique est son comportement en absorption et transmission. C’est l’utilisation que l’on fera du futur verre qui détermine le comportement à lui donner : filtres qui absorbent sur certaines bandes spectrales, verres pour lentilles très transparents dans le visible, l’ultraviolet ou l’infrarouge, résistance aux radiations.

En règle générale c’est la transmittance du verre qui est donnée par le fabricant, notée τi ou Ti, valeur dépendante de l’épaisseur du matériau et dont la mesure permet de prendre en compte la perte de transmission due à l’absorption et à la diffusion par les défauts internes du verre. Les fenêtres de transmission sont particulièrement intéressantes pour choisir le verre adéquat dans des domaines d’application comme le lointain infrarouge ou le lointain ultraviolet. Ces fenêtres sont la conséquence de l’absorption des matériaux constituant le verre, qui croît dans l’infrarouge et dans l’ultraviolet. L’absorption dans ces deux domaines de longueurs d’onde est due à des phénomènes distincts et peut évoluer différemment selon les conditions environnementales. Dans l’ultraviolet, ou UV, la chute de transmission a lieu du fait des transitions électroniques des éléments composant le verre : les électrons de valence absorbent les longueurs d’onde dont l’énergie correspond à leur énergie de gap. Vue de la structure chimique de la silice vitreuse, la proportion d’oxygène non-pontant va déterminer sa transmission dans l’ultraviolet. Selon l’intensité des liaisons avec les cations dans le verre, la fenêtre de transmission varie : en présence de métaux alcalins les électrons peuvent aller d’une bande à l’autre plus facilement car moins liés aux oxygènes non-pontants.

Selon le métal lourd utilisé, la chute de transmission dans l’UV sera plus ou moins rapide, ainsi des verres au plomb transmettent mieux que des verres au niobium ou au titane. L’attention à porter à la matière des creusets et des fours est dès lors très importante car ces matériaux peuvent aussi avoir une influence sur la fenêtre de transmission dans l’UV. Ce sont les verres qui transmettent le mieux dans l’UV qui sont le plus victimes de l’effet de solarisation, qui modifie leur fenêtre de transmission. Dans l’infrarouge, ou IR, les phénomènes physiques entraînant une chute de transmission sont différents.

Lorsqu’une molécule reçoit une quantité d’énergie donnée, elle se met à vibrer selon différents modes : fondamental, première harmonique, deuxième harmonique, etc. Dans un verre de silice, la liaison Si-O possède deux modes de vibration principaux, la rotation et l’élongation. L’absorption due à cette vibration étant très forte, la silice devient opaque dès le premier harmonique. C’est pour réduire les fréquences des vibrations moléculaires que l’on utilise des verres de chalcogénures : le soufre ou le sélénium étant plus lourds, leurs modes de vibrations sont moins forts et leur transmission est alors meilleure dans l’infrarouge.

Cependant ceci se paye au prix de la transmission dans le visible puisque les verres de chalcogénures sont opaques dans le visible. Une autre solution consiste à élaborer des verres d’halogénures, notamment de fluorure. Articles détaillés : Émission stimulée et Optique non linéaire. L’utilisation des lasers fait souvent entrer en jeu des puissances d’éclairement très fortes. Les verres les plus dispersifs sont ceux présentant en général un indice de réfraction non linéaire le plus fort, sans doute du fait des ions métalliques présents dans le verre. En 1988, une expérience a montré que la silice, dont le réseau est isotrope, est capable d’émettre un rayonnement vert lorsqu’elle est traversée par un puissant rayonnement infrarouge. De la fluorescence peut apparaître dans des verres optiques.

La fluorescence est la réémission par un matériau éclairé, d’un rayonnement de longueur d’onde supérieure. L’énergie de la lumière incidente excite les électrons du matériau, qui vont se désexciter et retourner à l’état fondamental par émission d’un photon de longueur d’onde plus grande que la longueur d’onde d’origine. Four à bassin de Siemens, vue de coupe. Four à bassin de Siemens, vue longitudinale.