Pourquoi la fibre optique ordinaire ne peut-elle pas transmettre la lumière d’une caméra thermique ? Quel matériau spécial est nécessaire ?
La fibre optique ordinaire ne peut pas transmettre les ondes lumineuses des caméras thermiques, principalement en raison du mécanisme physique d’absorption infrarouge inhérent aux matériaux et des limitations de la structure optique d’imagerie. Voici une analyse systématique sous l’angle de la physique du solide, de la science des matériaux optiques et des principes d’imagerie :
I. Mécanisme physique : Pourquoi les fibres de silice ordinaires ne transmettent-elles pas la lumière de l’imagerie thermique ?
1. Différences physiques dans les bandes de longueurs d’onde cibles
- Bandes de fonctionnement de l’imagerie thermique : Selon la loi de rayonnement de Planck et la loi de déplacement de Wien ( \lambda_{\max} T = b ), l’énergie du rayonnement thermique émise par des objets mesurés à des températures allant de la température ambiante à plusieurs centaines de degrés Celsius se concentre principalement dans les bandes suivantes :
- Infrarouge moyen (MWIR) : 3 \ \mu\text{m} \sim 5\ \mu\text{m} ;
- Infrarouge lointain (LWIR) : 8\ \mu\text{m} \sim 14\ \mu\text{m} .
- Bandes de communication et de détection par fibre optique ordinaire : Principalement dans la région proche infrarouge (NIR/SWIR), telles que 850\text{ nm} , 1310\text{ nm} , 1550\text{ nm} ( 1.55\ \mu\text{m} ), et jusqu’à environ 2\ \mu\text{m} .
2. Limite d’absorption multiphonon du dioxyde de silicium ( \text{SiO}_2 ) (coupure infrarouge)
Les fibres optiques ordinaires sont fabriquées à partir de dioxyde de silicium fondu (verre de quartz de haute pureté). Dans la bande infrarouge, l’atténuation de la lumière est principalement dominée par l’absorption multiphonon, déterminée par les vibrations du réseau cristallin :
- Les liaisons \text{Si}-\text{O} dans les molécules de dioxyde de silicium ont une constante de force élevée et une faible masse atomique, leur fréquence de vibration fondamentale se situant autour de 9\ \mu\text{m} \sim 10\ \mu\text{m} .
- En raison des effets de leurs harmoniques et combinaisons, lorsque la longueur d’onde dépasse 2\ \mu\text{m} , la perte d’absorption de la lumière par le substrat de quartz augmente considérablement ; au-delà de 2.4\ \mu\text{m} \sim 2.5\ \mu\text{m} , le verre de quartz devient presque complètement opaque à la lumière infrarouge, avec des pertes pouvant atteindre plusieurs centaines à plusieurs milliers de \text{dB/m} , entraînant l’atténuation complète des signaux lumineux de rayonnement thermique MWIR et LWIR sur quelques millimètres à quelques centimètres.
II. Quels matériaux spéciaux sont nécessaires pour transmettre la lumière des caméras thermiques ?
Pour décaler la fenêtre de transmission des fibres optiques vers les bandes infrarouges moyennes et lointaines, il est nécessaire d’utiliser des matériaux composés d’atomes plus lourds et ayant des constantes de force de liaison chimique plus faibles afin de réduire la fréquence de vibration fondamentale du réseau cristallin (décalage vers le rouge de la limite d’absorption). Les principaux matériaux de fibres infrarouges utilisés dans l’ingénierie et la recherche à l’heure actuelle comprennent :
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Fibres optiques en verre de chalcogénure (Chalcogenide Glass Fibers)
- Composition chimique : Principalement des verres amorphes composés d’éléments du groupe du chalcogène ( \text{S} , \text{Se} , \text{Te} ) et d’atomes lourds tels que le germanium ( \text{Ge} ), l’arsenic ( \text{As} ) et l’antimoine ( \text{Sb} ) (par exemple, systèmes \text{As}_2\text{S}_3 , \text{As}_2\text{Se}_3 , \text{Ge-As-Se-Te} ).
- Fenêtre optique : La bande de transmission couvre généralement 1.5\ \mu\text{m} \sim 12\ \mu\text{m} , constituant le principal milieu de guidage optique flexible actuel couvrant le MWIR ( 3\ \mu\text{m} \sim 5\ \mu\text{m} ) et une partie du LWIR ( 8\ \mu\text{m} \sim 12\ \mu\text{m} ).
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Fibres optiques infrarouges à halogénures polycristallins (Polycrystalline Halide Fibers, PIR)
- Composition chimique : Principalement des cristaux solides de solutions solides d’halogénures d’argent (tels que \text{AgCl}_{x}\text{Br}_{1-x} ).
- Fenêtre optique : La plage de transmission peut atteindre 3\ \mu\text{m} \sim 18\ \mu\text{m} , couvrant entièrement la fenêtre atmosphérique de 8\ \mu\text{m} \sim 14\ \mu\text{m} des caméras thermiques LWIR.
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Fibres optiques en verre de fluorure (Fluoride Glass Fibers)
- Composition chimique : Principalement des fluorures de métaux lourds, le plus courant étant le \text{ZBLAN} ( \text{ZrF}_4\text{-BaF}_2\text{-LaF}_3\text{-AlF}_3\text{-NaF} ).
- Fenêtre optique : La plage de transmission est de 0.3\ \mu\text{m} \sim 4.5\ \mu\text{m} , avec une très faible perte dans la première moitié de l’infrarouge moyen, mais ne convient pas aux caméras thermiques infrarouges lointaines.
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Fibres microstructurées à cœur creux (Hollow-Core Photonic Bandgap / Anti-Resonant Fibers)
- Principe structurel : La lumière est confinée pour se propager dans le cœur creux grâce à l’effet d’anti-résonance ou de bande interdite photonique du revêtement microstructuré. Comme la majeure partie du champ lumineux se propage dans l’air ou un gaz inerte, cela évite l’absorption infrarouge du matériau de base solide, et peut théoriquement guider les longueurs d’onde infrarouges moyennes.
III. Différences d’ingénierie entre la transmission de « lumière » et la transmission d’« images »
- Fibre unique : Ne peut servir que d’élément de guidage optique pour un détecteur ponctuel (c’est-à-dire transmettre un signal d’intensité lumineuse unique ou un signal spectral pour une mesure de température ponctuelle ou une analyse spectrale).
- Imagerie thermique (transmission d’image) : Nécessite l’utilisation d’un faisceau de fibres infrarouges cohérent (Coherent Infrared Fiber Image Bundle). Ce faisceau est composé de dizaines de milliers à centaines de milliers de fibres infrarouges de taille micrométrique. Les positions des cœurs des fibres aux deux extrémités doivent correspondre spatialement de manière stricte un à un (disposition ordonnée) afin de décomposer et de reconstituer complètement l’image du rayonnement thermique.
IV. Explication des limites technologiques des produits
La série de fibres spéciales de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) (telles que les fibres résistantes aux hautes températures en polyimide, les fibres à grand cœur et les fibres plaquées or) est principalement fabriquée à base de quartz fondu ( \text{SiO}_2 ). Leur fenêtre de transmission est généralement de 200\text{ nm} \sim 2400\text{ nm} ( 0.2\ \mu\text{m} \sim 2.4\ \mu\text{m} ) et elle est principalement appliquée aux capteurs à réseau de Bragg en fibre (FBG), aux communications industrielles dans le proche infrarouge et à la surveillance en environnement hostile.
Les fibres de guidage optique et les faisceaux de fibres de transmission d’images infrarouges dans l’infrarouge moyen et lointain (verre de chalcogénure, polycristallins d’halogénures d’argent) ne font pas partie de la gamme de produits principaux de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®). Pour construire un système complet de transmission d’images flexible pour caméras thermiques, il est recommandé d’utiliser des faisceaux de fibres cohérents spécialisés en chalcogénure ou en halogénure d’argent.