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Spécifications des verres utilisés en astronomie

Document Photonics Online.

La famille des verres (IV)

Pour la fabrication des miroirs, en excluant les verres organiques (en polycarbonate, une variété de plastique), il existe 4 grandes familles de verres minéraux de qualité optique que l'on peut classer en fonction de leurs performances :

1. les vitrocéramiques

2. les verres de silice et de quartz

3. les borosilicates

4. les sodocalciques.

1. Les vitrocéramiques

 Les vitrocéramiques furent inventées par accident en 1953 par le chercheur amérciain Stanley Donald Stookey de Corning Glass Works (Corning Ware).

Alors qu'il cherchait une technique de cuisson à base de verre céramique pour conserver les images argentiques de manière permanente, il découvrit que l'échantillon était non seulement resté intact sous l'effet de la haute chaleur (900°C) mais présentait de façon homogène une phase micro-cristallisée et une phase vitreuse aux propiétés particulières en terme de dilatation thermique et de résistance. Il avait inventé ce qui deviendra après quelques années de recherches supplémentaires, le Pyroceram, le fameux verre de cuisson en pyrocéramique blanc qui fut commercialisé à partir de 1958.

On lui doit également le verre photochromique qui s'assombrit sous l'effet d'une forte lumière et une cinquantaine d'autres brevets valant chacun plusieurs millions de dollars.

 La vitrocéramique est capable de supporter un choc thermique jusque 450°C. C'est le seul "verre" qui peut passer instantanément du congélateur à -45°C au micro-onde à 250°C ou 800 W sans se briser. Même le Pyrex n'y résiste pas (voir plus bas).

 Depuis, les propriétés exceptionnelles des vitrocéramiques ont permis de les mettre à toute épreuve : on s'en sert pour fabriquer des plats de cuisson, les parois intérieures des fours, les turbines des réacteurs, les ogives des missiles, les miroirs des télescopes terrestres et spatiaux et on s'en servit comme tuile réfractaire sur la navette spatiale, parmi d'autres applications.

Microphotographie prise au microscope électronique à balayage d’une vitrocéramique. Elle est constituée de deux phases distinctes : une phase vitreuse, la matrice (désordonnée) et une phase cristalline (ordonnée). C'est cette phase cristalline incorporée dans la matrice vitreuse qui augmente la dureté et la résistance des céramiques par rapport aux verres.

Les vitrocéramiques sont des solides polycristallins composites constitués de 70 % de cristaux de matériau céramique figés dans une matrice vitreuse. Les miroirs de ce type ont une couleur généralement brun clair, doré ou jaune crème.

Les vitrocéramiques présentent un coefficient linéaire de dilatation thermique ultra faible, parfois qualifié de nul, avec une valeur de 0.01 ±0.6x10-6/K pour le Zerodur, d'où son nom, contre 3.25x10-6/K pour le Pyrex et autre Duran 50 en borosilicate, soit 66 fois plus élevée.

Les vitrocéramiques sont très homogènes et très stables tant sur le plan mécanique que thermique. Ce matériau est stable en tout point du volume entre -10°C et +25°C mais reste dans les tolérances bien au-delà et certains matériaux comme le ClearCeram d'Ohara sont ultra stables sur une plage de plus de 50 degrés.

Les vitrocéramiques présentent une dureté d'environ 7 sur l'échelle de Mohs, donc similaire au quartz et sont donc plus difficiles à travailler que les borosilicates ou les sodocalciques (voir plus bas).

Les vitrocéramiques destinées à l'astronomie comprennent principalement le Zerodur inventé par Schott (dont voici une autre présentation), le Cer-Vit inventé par Owens Corning, le Sitall et Astrositall fabriqués par LZOS (Lytkarino Optical Glass Factory) en Russie et le ClearCeram du fabricant japonais Ohara.

Parmi les autres vitrocéramiques, citons pour mémoire le Pyroceram ainsi que l'Hercuvit de Pittsburgh Plate Glass dont les spécifications sont proches du Cer-Vit et qui sert à fabriquer des plats de cuisson en vitrocéramique blanche et opaque.

A gauche, interférogramme montrant le niveau d'homogénéité d'un échantillon de verre de 38x8 cm en ClearCeram-Z (vitrocéramique) Ohara du futur miroir du télescope TMT de 30 m diamètre. Cette analyse permet d'évaluer la qualité du verre au cours de la cuisson et du refroidissement. Tout défaut peut affecter les propriétés physique du verre. Au centre, la distribution du coefficient de dilatatation thermique linéaire d'un disque brut de miroir en Zerodur de Schott est évalué avec une précision de 4 milliardième de degré. A droite, les différentes formes que l'on peut façonner avec le Zerodur à partir d'un logiciel de CAO 3D relié à une machine-outil 3D. Documents Ohara Corp. et Schott.

Le Zerodur

C'est une vitrocéramique inventée par Schott à base d'aluminosilicate excessivement stable et homogène sur les plans mécanique, thermique et chimique.

Rappelons que Schott AG fut fondée par Ernst Abbe et les frères Carl et Roderich Zeiss en 1884 et est basée à Mayence, en Allemagne. Elle dispose aujourd'hui d'un réseau de succursales et de représentants à travers le monde. Sa production est de 130000 tonnes de verre par an soit 10 % de celle de Corning.

Le Zerodur est l'un de ses produits phares, notamment dans le domaine de l'astronomie. Pour 0.3 tonne de Zerodur, Schott garantit un coefficient linéaire de dilatation thermique homogène à 0.01x10-6/K. Pour 6 tonnes de Zerodur, il atteint 0.02x10-6/K et pour 18 tonnes de Zerodur il atteint à 0.03x10-6/K.

Pour atteindre une telle performance, le Zerodur est refroidit d'une température initiale oscillant entre 320 et 130°C selon les applications à la température ambiante à un taux qui ne diffère pas du taux de refroidissement initial fixé entre 1°/h et 6°/h.

Tout écart significatif (un facteur 10) de la courbe de refroissement normale peut provoquer un changement du coefficient linéaire de dilatation thermique supérieur à 0.025x10-6/K.

Ce disque en Zerodur de Schott a été allégé de 90 % de son poids tout en conservant ses propriétés grâce à une structure alvéolaire extrêment aérée construire grâce à un logiciel de CAO 3D.

Sur le plan mécanique, le Zerodur contient 1 bulle pour 500 kg de vitrocéramique. En pratique, on ne peut pas éviter la présence de bulle d'air ou de gaz carbonique (jusqu'à 0.5 mm de diamètre) dans les vitrocéramiques, pas plus que les impuretés (inclusions de cristaux de 0.5 mm de diamètre) dans le matériau (même le ClearCeram d'Ohara en contient).

Nous avons vu précédemment que ces bulles peuvent poser problème quand elles sont tout près de la surface car au niveau microscopique elles forment des trous dans la masse de verre mesurant jusqu'à 1.5 microns dans le cas d'une bulle de 500 microns (0.5 mm) de diamètre.

Le Zerodur présente une dureté élevée sembable à celles des verres en borosilicate, un module de Young (élasticité) de GPa supérieur à celui de la plupart des verres et une ténacité (fragilité) de 0.9 MPa/m2. Il présente également un très faible niveau d'imperfection, une bonne stabilité chimique et est pratiquement non poreux contrairement aux céramiques frittées. Enfin, il présente une forte affinité pour les revêtements.

L'avantage du Zerodur est qu'il permet d'atteindre une précision de polissage de λ/100, présentant une surface excessivement douce avec des rugosités inférieures à 1 nm.

En outre, Schott est capable de réaliser des structures alvéolaires en Zerodur à la fois solides et résistantes permettant d'alléger le miroir de 90 % de son poids, y compris des surfaces hyperboliques grâce à des logiciels de CAO 3D.

En fait, comme d'autres vitrocéramiques, on peut lui donner toutes les formes géométriques grâce à des machines-outils 3D tout en préservant les propriétés du matériau. Ce n'est que lorsqu'on travaille à une échelle très différente, par exemple des contraintes d'un miroir de 20 tonnes à celles d'un miroir cent fois plus légé ou plus petit que les spécifications sont très légèrement adaptées.

Enfin, le Zerodur peut avantageusement remplacer des systèmes de sécurité ou de protection en béton armé, en métal et même en carbone.

En effet, il supporte une charge de pression de 10 MPa sans difficulté, aussi longtemps que sa surface n'a pas été endommagée. Moyennant un traitement de surface (polissage optique ou décapage à l'acide, l'etching), le Zerodur peut supporter une charge de pression d'environ 50 MPa soit 510 kg/cm2 (510 fois la pression de l'atmosphère au niveau de la mer), au-delà de laquelle les modèles indiquent que la vitrocéramique risque de se briser sous l'effet du stress (probabilité de 1 % à partir de 100 MPa ou 14500 psi).

Conséquence de ses excellentes spécifications, le Zerodur est l'un des verres composites les plus chers mais c'est un matériau idéal pour fabriquer les substrats des miroirs exigeant une excellente stabilité thermique et une précision de polissage nanométrique exempt de défaut.

A gauche, contrôle d'un disque en Zerodur. A droite, disque en Zerodur de 175 mm de diamètre f/0.8 destiné au système de mise au point laser du système Astra Gemini. Document Optisurf.

Plusieurs sociétés spécialisées dans la fabrication des miroirs et la vente de matériel de polissage dont Mirro-sphère et OAMS en France vendent sur demande des disques bruts en Zerodur. Vu leur prix, aucun commerçant n'en a en stock. De plus, en raison de leur prix, très peu de fabricants artisanaux de télescopes amateurs ont l'expérience du polissage du Zerodur.

Un miroir brut en Zerodur revient à plus 1000 € les 100 mm pour les petits blanks, leur prix augmentant exponentiellement avec le diamètre et il explose littéralement après le polissage.

Ainsi, un miroir de 1.5 m de diamètre f/4.9 d'occasion mais dont la surface doit être repolie a été proposé à plus de 78000$ par Hofstragroup sur ebay, ce qui porte les 100 mm de miroir à 5200$ !

Les fabricants de télescopes destinés aux amateurs utilisent notamment le Zerodur pour fabriquer les renvois diagonaux diélectriques haut de gamme et parfois le miroir primaire des télescopes haut de gamme.

C'est notamment le cas chez RC Optical Systems (RCOS) qui propose des miroirs primaires en Zerodur (ou encore en Sitall ou en ULE) sur ses modèles Ritchey-Chrétien de 250 à 860 mm de diamètre. Ils sont certifiés à λ/20 ou λ/40 RMS selon le type de polissage.

Questar utilise optionnellement le Zerodur pour fabriquer le miroir de son télescope Maksutov-Cassegrain de 7" taillé à λ/110 RMS (λ/24 P-V).

A gauche, inspection par Johan Floriot du LAM de Marseille d'un prototype de miroir en Zerodur destiné au futur télescope ELT de 40 m de diamètre de l'ESO. A droite, inspection et retrait à la main des résidus de revêtement sur le miroir du VLT avant sa réaluminure en décembre 1999. Documents AFP et ESO.

Dans le monde professionnel, le Zerodur fut utilisé pour fabriquer les quatre grands miroirs monolithiques des télescopes de 8.2 m du VLT de l'ESO, le miroir segmenté des télescopes Keck I et II de 10 m de Mauna Kea, le miroir segmenté du Gran Telescopio Canarias de 10.4 m et le miroir primaire de 4.1 m du télescope Vista de l'ESO (d'autres images sur Futura-Sciences) qui fut poli par LZOS.

Le futur télescope ELT de 40 m de l'ESO disposera également d'un miroir segmenté en Zerodur.

Le ClearCeram-Z

Le verrier japonais Ohara fabrique des verres depuis 1935. Il dispose de bureaux aux Etats-Unis, en Allemagne et de plusieurs usines en Asie.

Il est peu connu du public car il travaille principalement pour les professionnels avec une production de 3600 tonnes de verre en 2014.

Ohara produit plus de 130 types de verres, y compris en silice et en quartz, ainsi que la fameuse vitrocéramique ClearCeram-Z.

Le ClearCeram-Z est proposée en deux qualités : HS et EX. Le ClearCeram-Z EX présente un coefficient linéaire de dilatation thermique record de 0.0 ±0.1x10-7/°K qui reste stable jusqu'au-delà de 50°C (cf. cet article) alors que tous les autres matériaux présentent une légère variation. Ses qualités sont similaires au Zerodur.

Le ClearCeram-Z HS a été choisi pour fabriquer le miroir segmenté de 30 m du Thirty Meter Telescope (TMT) de Mauna Kea qui devrait voir sa première lumière fin 2018. Voici un article du fabricant.

Il fut également utilisé pour fabriquer le miroir de segmenté de 21.5 m du Télescope Géant Magellan (GMT) qui verra sa première lumière en 2021 et celui de 8.4 m du Large Synoptic Survey Telescope (LSST) installé en 2015 au Chili (dont la partie centrale de 5 m de diamètre a été fabriquée en verre borosilicate E6 d'Ohara et sert de miroir tertiaire).

Inclusions de cristaux de 0.5 mm de diamètre et 0.15 microns soit 150 nm d'épaisseur (gauche) et une bulle d'air de 0.5 mm de diamètre et 1.4 microns soit 1400 nm de profondeur (droite) dans un échantillon du vitrocéramique ClearCeram-Z du futur télescope TMT de 30 m de diamètre. Les inclusions n'ont pas d'effet sur la qualité du polissage. En revanche, les bulles formant des trous microscopiques, si elles apparaissent en surface, il faut absolument les élimiter et donc polir cette partie du miroir avec le risque de déformer la surface L'échantillon de 100 cm3 (50x50x40 mm) de ClearCeram-Z contenait 18 inclusions réparties uniformément et 18 bulles de 0.3 mm à 0.8 mm de diamètre, ce qui est conforme aux spécifications dans la zone critique centrale du miroir brut de 145 cm de diamètre. Documents Ohara.

Le Sitall

Le Sitall a été inventé en 1959 par la société russe LZOS (Lytkarino Optical Glass Factory) installée à Lytkarino, près de Moscou. Egalement appelé CO-115M ou Astrositall, c'est une vitrocéramique offrant des performances similaires au Zerodur de Schott et une qualité équivalente à celle du quartz fondu ou au Pyrex.

Le Sitall présente un coefficient linéaire de dilatation thermique de 0.0 ±1.5x10-7/°K entre -60 et +60°C.

Le Sitall fut d'abord utilisé pour fabriquer les télescopes Makustov mais depuis le changement de régime en Russie, il semble que la qualité de ce produit ait diminuée. LZOS propose cette vitrocéramique sous forme de disque ou de dalle jusque 3 mètres de longueur.

Le Sitall fut également utilisé par le Pentagone pour réaliser des tests d'armement composite capables de résister à des agressions chimiques et cinétiques.

Il fut également utilisé pour fabriquer le miroir de 2.6 m du VLT Survey Telescope (VST) de l'ESO équipé de l'OmegaCAM.

L'Astrositall fut utilisé pour fabriquer le miroir secondaire de 1.24 m du télescope Vista de 4.1 m de l'ESO et le miroir de 1.70 m du télescope spatial WSO-UV.

Les constructeurs de matériel amateur utilisent également le Sitall pour fabriquer les renvois diagonaux diélectriques haut de gamme.

Fusion du Sitall et blanks. Documents LZOS.

Le Cer-Vit

Egalement appelé Cervit ou Cer-Vit C-101, c'est une vitrocéramique à très faible coefficient linéaire de dilatation thermique à base d'oxydes de silicium, d'aluminium et de lithium créé par Owens Corning en 1967.

Comme le Zerodur, le Cer-Vit contient des inclusions de cristaux de minuscules bulles (0.1–0.2 mm de diamètre) résultant du processus de fabrication.

Ses performances sont équivalente à celles des verres en borosilicates, mais restent inférieures à celle du Sitall.

Dans les années 1970, le Cer-Vit fut notamment utilisé pour fabriquer le miroir des télescopes Questar (aujourd'hui fabriqués en Pyrex, quartz ou Zerodur), ce qui expliquait aussi en partie leur prix élevé.

Le Cer-Vit fut aussi utilisé pour fabriquer le miroir de 4 m du télescope Victor Blanco du CTIO installé à Cerro Tololo au Chili ainsi que les deux miroirs de 1.5 m de l'Observatoire du Mt Lemmon (Steward Observatory) qui permit notamment de découvrir l'astéroïde 2011 AG5, un NEO qui atteignit le niveau 1 sur l'échelle de Turin.

A gauche, fusion de Cer-Vit dans l'usine de Owens-Illinois à Toledo en 1970. A droite, miroir de 4 m en Cer-Vit du télescope Victor Blanco du CTIO prêt pour l'aluminure.

La production de Cer-Vit fut arrêtée en 1978. Ses performances ont largement été dépassées par les nouveaux matériaux.

2. Les verres de silice et de quartz

Plus de 90 % des corps solides naturels ou de synthèse se présentent sous une forme cristalline : les minerais, le sable, les argiles, les métaux, le carbone, les sels, etc.

La plupart des solides adoptent cette structure car elle offre la plus grande stabilité pour les liaisons chimiques avec les autres éléments du réseau comparé à un arrangement aléatoire ou amorphe et minime la quantité d'énergie intermoléculaire. Ces propriétés sont exploitées dans les verres.

Les verres de silice ou de quartz sont fabriqués à partir de silice synthétique ou de sable à forte teneur en silice (>96 % d'oxyde de silicium, SiO2), ce que les Anglo-saxons appellent le "fused silica".

On peut également fabriquer ce verre par fusion de quartz cristallin ("fused quartz"), c'est le verre de quartz.

Cristaux de fluorite naturels et de synthèse, blanks et lentille en fluorite fabriqués par Canon. Ce verre cristallin est utilisé pour réduire l'aberration chromatique et est souvent combiné à des lentilles UD et Hi-HD à très faible dispersion.

Enfin, on peut fabriquer des optiques à partir de cristal de fluorite naturel ou de synthèse comme le font plusieurs fabricants japonais

Comme les gemmes, les verres de silice et de quartz présentent une faible conductivité électrique. Contrairement aux métaux, les électrons restent liés aux atomes et ne forment pas de nuage électronique conducteur de courant.

Les verres de silice ou de quartz sont plus homogènes que les quartz cristallins, ces derniers présentant les mêmes défauts que les verres sodocalciques en cristal.

Comme les diamants, les quartz cristallins présentent une biréfringence; l'indice de réfraction (et donc les reflets dans le cas des gemmes) dépend de la polarisation de la lumière. Ce phénomène s'explique par la présence de tensions internes, généralement d'ordre mécanique.

Les verres de silice ou de quartz présentent plusieurs avantages. La plupart des verres de silice présentent un coefficient linéaire de dilatation thermique proche de 4x10-7/K soit plus de 8 fois inférieur à celui des borosilicates mais il reste relativement plus élevé que celui des vitrocéramiques.

L'un des verres de silice les plus connus et les plus performants est le titanosilicate ULE 7971 ou son remplaçant, le ULE 7972, un verre à "ulta low expansion" fabriqué par Corning. Son coefficient linéaire de dilatation thermique est de 0.3x10-7/K soit très proche du ClearCeram et cent fois inférieur au Pyrex.

Ces verres de silice ou de quartz offrent une très grande transparence optique et sont réputés pour leur grande résistance à haute température, à la corrosion et aux chocs thermiques.

Blanks de silice plans et polis par Pixelteq.

Leur dureté est de 7, supérieure à celle de la majorité des verres et notamment du Pyrex (borosilicate). C'est un avantage car cela permet de fabriquer des miroirs bruts plus minces et donc plus légers que ceux fabriqués en borosilicate. Par conséquent, le barrilet supportant le miroir primaire peut également être plus simple et plus léger, quel que soit le diamètre.

Seul inconvénient, ce type de verre étant plus dur que acier, cela rend la fabrication des optiques plus difficile, plus longue et beaucoup plus coûteuse. Enfn, la dureté des quartz n'empêche pas qu'ils soient fragiles.

On peut également fabriquer des optiques à partir de cristal de fluorite, naturel ou de synthèse comme le font plusieurs fabricants japonais dont Canon comme on le voit ci-dessus à gauche.

Ce matériau disperse très peu la lumière et convient donc parfaitement pour réduire l'aberration chromatique des objectifs à lentilles, notamment les téléobjectifs des appareils photos et des lunettes astronomiques. La fluorite est souvent combinée à des verres à très faible dispersion de type UD et ED.

Les verres de silice ou de quartz sont utilisés pour fabriquer certaines lentilles et miroirs, les tubes des lampes halogènes, les radômes (les dômes abritant les radars), etc.

Un verre de quartz bien connu des amateurs est l'ULS Quartz qui sert généralement à fabriquer les miroirs secondaires tel le Protostar taillé à λ/10.

Le miroir de 2.40 m du Télescope Spatial Hubble mis en orbite en 1990 a été fabriqué en titanosilicate ULE 7971 par Corning et poli par Perkin-Elmer. Le miroir backup est exposé au Musée Smithsonian de l'Air et de l'Espace de Washington.

Le verre ULE fut également utilisé pour fabriquer le miroir de 8.20 m monolithique du télescope Subaru installé à Mauna Kea en 1999.

A gauche, inspection du miroir en titanosilicate ULE 7971 de Corning destiné au Télescope Spatial Hubble par des ingénieurs de Perkin-Elmer en 1981. Document NASA/MSFC. A droite, le miroir brut (dos) en verre ULE de 8.20 m du télescope Subaru.

Applications UV et laser

Les verres de quartz et les verres de silice présentent une transparence spectrale étendue du proche ultraviolet au proche infrarouge, en particulier les cristaux à base de fluor (MgF2, CaF2, etc).

Ainsi, en photographie UV, le quartz de fluorite 105UV transmet 85 % des UV à 350 nm. Un verre de silice non traité est transparent jusqu'à 160 nm tandis que les verres contenant des oxydes de bore sont transparents jusqu'à 172 nm et jusqu'à 145 nm pour ceux contenant du pentoxyde de phosphore. 

Cette bande spectrale allant de 300-150 nm trouve de nombreuses applications : biologie (étude de l'ADN, dermatologie, etc), botanique, entomologie, minéralogie par fluorescence et triboluminescence, contrôle et restauration d'oeuvre d'art, etc.

Les principaux fournisseurs de verres UV sont Corning, Schott et Heraeus.

Les verres de silice synthétiques (oxydation du SiCl4) sont également utilisés pour les pièces optiques en transmission des installations lasers de puissance exigeant un seuil élevé de résistance aux dommages et une forte tenue au flux à 351 nm et 1053 nm : lentilles, hublots, réseaux, lames de phase, etc. Les verres utilisés sont les Corning 7980, Schott Lithosil et Heraeus Suprasil S312.

Voyons à présent les deux familles de verres les plus connues et les plus répandues, les borosolicates et les sodocalciques. C'est l'objet du prochain et dernier chapitre.

Dernier chapitre

Les borosilicates

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