On appelle verre optique un verre de qualité adaptée à la réalisation de systèmes optiques tels que les lentilles optiques, les prismes ou les miroirs. Ainsi, à la différence du verre de vitre ou du cristal, dont la formule est adaptée à l'effet esthétique désiré, un verre optique contient des additifs destinés à modifier certaines propriétés optiques ou mécaniques du verre : indice de réfraction, dispersion, transmittance, dilatation thermique, ainsi que d'autres paramètres. Les verres produits pour l'optique utilisent des matériaux très divers, de la silice et des borosilicates classiques aux éléments tels que le germanium ou la fluorine, certains matériaux étant indispensables à la transparence du verre pour d'autres domaines que le spectre visible.
Les éléments capables de former du verre sont variés, on recense le silicium, le bore, le phosphore, le germanium et l'arsenic sous forme d'oxydes la plupart du temps, ou de séléniures, sulfures, fluorures Ces matières permettent de donner sa structure caractéristique non cristalline au verre. Les ajouts de matériaux tels que des métaux alcalins, des métaux alcalino-terreux ou des terres rares permettent de changer les propriétés physico-chimiques de l'ensemble afin de donner au verre les qualités adaptées à sa fonction. Quelques verres optiques utilisent ainsi jusqu'à une vingtaine de composants chimiques différents pour obtenir les propriétés optiques désirées..
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
Historique
vignette|gauche|alt=Lentille en quartz d'un diamètre de de Nimrud encore très transparente et peu dégradée|La lentille en quartz (d'un diamètre de ) de Nimrud, Assyrie, vers 750 (British Museum)
Les premières lentilles optiques connues, antérieures à -700, ont été réalisées sous l'empire assyrien. : il s'agissait alors de cristaux polis, la plupart du temps de quartz, et non de verre.
Il faut attendre l'essor des Grecs et des Romains pour que le verre soit utilisé comme matériau optique. Ceux-ci l'utilisent sous forme de sphères remplies d'eau pour en faire des lentilles destinées à allumer des feux (verre ardent), comme le décrivent Aristophane et Pline ou à rendre des caractères très petits et peu distincts plus grands et plus nets (loupe), selon Sénèque..
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 : . 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. Il est d'abord éclairci par l’emploi de cendres, qui contiennent du dioxyde de manganèse transformant l'oxyde ferreux () en oxyde ferrique (), beaucoup moins colorant. Puis, vers 1450, Angelo Barovier invente le « verre cristallin » () ou « cristal de Venise » (), par amélioration du procédé précédent, notamment en purifiant les cendres par lessivage pour l'obtention d'une potasse plus pure. La chaux est introduite, d'abord dans un but économique au ., puis pour l'amélioration technique apportée au en Bohême (cristal de Bohême), ce qui permet d'éliminer une part très importante d'impuretés. Cette pratique n'arrive en France qu'au milieu du .. C'est à cette époque qu'apparaît, à la Manufacture royale de glaces de miroirs, l'élaboration d'un verre à glace composé de 74 % de silice, de 17,5 % de soude et potasse et de 8,5 % de chaux.
Ainsi, les premiers instruments d'optique complexes, tels que la lunette de Galilée (1609), utilisent des verres ordinaires sodocalciques (premiers verres crowns), composés de sable, de soude, de potasse, et parfois de chaux qui, bien qu'adaptés aux vitrages ou aux bouteilles, ne le sont que très peu au domaine de l’optique (distorsion, effet flou, des irrégularités). En 1674, l'anglais George Ravenscroft, désireux de rivaliser avec le cristal de Venise et celui de Bohême, tout en étant moins tributaire des matières premières importées, remplace la chaux par l'oxyde de plomb(II) afin de pallier le manque de résistance à l'humidité du verre, inventant ainsi le cristal au plomb (premier verre flint, dont le nom est tiré de la pierre siliceuse anglaise de grande pureté utilisée), plus brillant que le verre ordinaire, composé de silice, d'oxyde de plomb et de potasse.
lang=fr|vignette|alt=Schéma d'un doublet achromatique : les rayons lumineux sont peu déviés en fonction de leur longueur d'onde|Schéma de principe d'un doublet achromatique
Chester Moore Hall (1703-1771), en utilisant les deux types de verres disponibles (sodocalcique crown et au plomb flint), invente le premier doublet achromatique. Ses travaux sont repris par John Dollond dans son , publié en 1758.
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 1880 et 1886, le chimiste allemand Otto Schott en collaboration avec Ernst Abbe, invente de nouveaux verres contenant des oxydes tels que la « baryte anhydre » (oxyde de baryum BaO) et l'acide borique anhydre () avec lesquels il développe des crowns au baryum, des flints au baryum et des crowns borosilicatés..
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. C'est avec les besoins croissants de l'optique en complexité et en diversité des verres que les catalogues des différents fabricants s'étendent, jusqu'à intégrer de 100 à 200 verres différents ; les fontes de verres intègrent de plus en plus des composants spéciaux comme des oxydes d'éléments lourds (indice de réfraction élevé et dispersion faible), des chalcogénures (sulfure, séléniure, tellurure), des halogénures comme les fluorures (indice de réfraction faible et dispersion élevée) ou des phosphures, des verres dopés au cérium pour obtenir des verres résistants aux radiations
Les catalogues de verres ont cependant tendance depuis les années 1980 à se restreindre de plus en plus..
Propriétés
Les propriétés physiques les plus importantes dans un verre destiné à être utilisé en optique sont d'une part l'indice de réfraction et la constringence, qui sont déterminants lors de l'élaboration de systèmes optiques, d'autre part sa transmission, la résistance du verre et les effets non linéaires.
Indice et constringence
vignette|alt=Diagramme d'Abbe : la constringence du verre en abscisses, son indice en ordonnées|Diagramme d'Abbe. 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. L'indice de réfraction est une grandeur dépendante de la longueur d'onde, créant de ce fait les aberrations chromatiques d'un système en réfractant plus ou moins les rayons selon leur longueur d'onde : c'est le phénomène observé lors de la décomposition de la lumière par un prisme. Plusieurs lois ont approché cette relation à la longueur d'onde, notamment la loi de Cauchy ou l'équation de Sellmeier.
L'indice de réfraction d'un verre est donné pour la raie jaune d'émission dite raie d de l'hélium (noté alors nd) ou pour la raie verte e du mercure (noté alors ne) selon les usages et les deux principales normes utilisées....
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. La dispersion principale est la différence nF-nC (raies de l'hélium) ou nF'-nC' (raies du cadmium) et on en déduit les constringences pour les mêmes raies que l'indice de réfraction par et . Un nombre d'Abbe élevé signifie que le verre est peu dispersif, et inversement.
+ Table des raies spectrales utilisées pour la mesure des indices de réfraction. Longueur d'onde (nm) 2325,4 1970,1 1529,6 1013,98 852,1101 706,5188 656,2725 643,8469 632,8 589,2938 587,5618 546,074 486,1327 479,9914 435,8343 404,6561 365,0146 Dénomination t s r C C' D d e F F' g h i Source Raie Hg IR Raie H IR Raie Cs IR Raie He rouge Raie H rouge Raie Cd rouge Raie laser He-Ne Raie jaune NaLa raie spectrale jaune du sodium est en fait un doublet. La longueur d'onde utilisée est celle du milieu des deux raies du sodium. Raie jaune He Raie verte Hg Raie bleue H Raie bleue Cd Raie bleue Hg Raie violette Hg Raie Hg UV
vignette|gauche|alt=Courbe des indices de réfraction réels et imaginaires du verre de quartz|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. Typiquement la distinction se fait aux alentours de νd=50, les verres sous cette valeur sont des flints, les autres sont des crowns.
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 étant le verre d'oxyde à la plus haute contringence et plus faible indice. Les verres fluorures peuvent aller jusqu'à νd>100 et nd<1,4, le étant le verre de fluorure à la plus haute constringence et plus faible indice. Les verres de chalcogénures ont des indices dépassant 2, une grande part de ces verres ne peut pas être indiquée sur un diagramme d'Abbe du fait de leur absorption dans les longueurs d'onde visibles empêchant une mesure de νd pertinente. Pour les matériaux optiques opaques dans le visible, on utilise donc une mesure de constringence à des longueurs d'onde plus grandes.
Cette classification présente aussi ses limites dès lors que l'on parle de verres optiques actifs (biréfringence, effet acousto-optique et effets non linéaires), de filtres optiques ou de lentilles à gradient d'indice, ainsi on restreint le terme de verre optique classique aux verres sus-mentionnés, c'est-à-dire dont l'indice et la dispersion sont limités et qui sont descriptibles essentiellement par leur comportement dispersif et leur indice de réfraction..
Transmission et absorption
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.