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RÉSUMÉ
Les technologies lasers à impulsions ultrabrèves permettent l'accès à des mécanismes d'interaction laser-matière à une échelle de temps inaccessible autrement. Cette originalité les différencie grandement des procédés laser conventionnels et leur confère des spécificités remarquables et plurielles. Ces technologies requièrent maîtrise des procédés et expertise, les énergies sont variées, les sources laser peuvent être très différentes. Pour ces raisons, malgré un champ de développement technologique et scientifique très étendu, les lasers femtosecondes n’ont eu que tardivement la maturité nécessaire pour passer le cap du stade industriel. Le coût encore élevé de la technologie femtoseconde représente probablement un frein à l’investissement dans la mise au point et l'industrialisation de procédés.
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Éric AUDOUARD : Professeur des Universités Telecom Saint Étienne/Laboratoire Hubert Curien (CNRS 5516) Université Jean Monnet – Université de Lyon
INTRODUCTION
Les impulsions ultrabrèves sont une nouvelle technologie laser permettant l'accès à un mode d'interaction laser-matière très original par rapport aux mécanismes d'interaction à la base des procédés laser conventionnels. Les impulsions laser ultrabrèves recouvrent un domaine de durée d'impulsion allant de la femtoseconde (10–15 s) à la picoseconde (10–12 s). Ces impulsions peuvent être à l'origine de technologies innovantes mais il s'agit de bien comprendre leurs spécificités pour les utiliser à bon escient. Nous n'évoquerons pas dans cet article le domaine des hautes énergies laser (celui des grands instruments comme le Laser MégaJoule, LMJ), où les technologies femtosecondes jouent aussi un rôle. Nous envisagerons plutôt le domaine des énergies associées aux applications industrielles, réelles ou potentielles, des impulsions ultracourtes. L'article [AF 3 282] présente en détail les principes de fonctionnement des lasers femtosecondes, nous insisterons donc davantage sur les caractéristiques de l'interaction laser-matière en mode ultrabref pour en saisir toutes les conséquences.
Il convient de maîtriser le procédé laser lui-même avant de passer à l'étape de l'industrialisation. Cela est déjà vrai pour l'ensemble des applications laser et l'est encore plus pour les applications de l'ultrabref. D'où la question : quand cette technologie réussira-t-elle à sortir du laboratoire ? Les lasers femtosecondes sont très largement utilisés dans les différents domaines de la recherche, et sont associés à une abondante production scientifique. Les phénomènes physiques peuvent être « vus » à une échelle de temps inaccessible autrement. Très tôt, il a été possible d'imaginer que cette spécificité pouvait conduire aussi à des applications dans le secteur industriel, applications innovantes car capables de produire des réalisations jusqu'alors techniquement impossibles. Mais une telle technologie est-elle capable d'atteindre le stade industriel ? En France, plusieurs centres techniques se sont résolument engagés dans cette voie depuis les années 2000, dans un contexte de forte compétition, essentiellement en Allemagne et au Japon. Grâce au développement très précoce en France de sources laser adaptées aux applications industrielles, ces technologies ont désormais atteint la maturité nécessaire pour passer le cap industriel : une machine de production dans le domaine de la mécanique a par exemple été installée dès 2009 à Saint-Étienne (cf. figure 21 dans § 4), grâce à une collaboration originale entre industrie et recherche.
Cependant, les technologies de l'ultrabref sont plurielles, les énergies sont variées, les sources laser peuvent être très différentes et il s'agit donc de technologies qui requièrent une forte expertise. Pour permettre au lecteur de se retrouver dans ce vaste champ de développements scientifiques et technologiques, nous présenterons tout d'abord la nature spécifique et originale de l'interaction laser-matière en mode ultrabref, puis nous montrerons tous les enjeux de la maîtrise des procédés afin de bien comprendre toutes les techniques de mise en œuvre, avant finalement d'aborder les grands domaines d'application de l'ultrabref.
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- Version courante de sept. 2023 par Éric AUDOUARD
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5. Conclusion
Après une période de démarrage relativement longue depuis les années 2000, de nombreux indices (notamment lors des salons internationaux) montrent l'ancrage réel des technologies de l'ultrabref dans le monde industriel.
L'aptitude technologique des lasers femtosecondes n'est plus à démontrer. L'enjeu est donc clairement la démonstration de la capacité d'accès au marché pour cette technologie. Tant que des marchés de production grand public ne sont pas visés, la technologie femtoseconde reste un bel outil pour des centres techniques bien équipés. La mise au point de procédés efficaces et économiquement compétitifs demande plus qu'une compétence technique. En France par exemple, les financements industriels peinent à se risquer dans le développement de la fabrication de produits innovants. La technologie femtoseconde peut apparaître trop chère, à cause de la source laser elle-même, pour imaginer d'investir dans la mise au point et l'industrialisation de procédés. Les applications industrielles de « niches » où la technologie femtoseconde apporte un avantage concurrentiel significatif se développent donc prioritairement, mais le champ applicatif ouvert est en fait beaucoup plus large.
Dans le processus d'industrialisation qui va du laboratoire à l'industriel, l'un des défis, et non le moindre, est de veiller à la « communication » entre les différents acteurs de ce développement. Le chercheur, l'ingénieur de transfert et l'industriel ne font pas le même métier. Les structures nées dans de nombreuses universités ne sont pas seulement des « plates-formes » technologiques permettant un développement technique, elles doivent permettre une réelle rencontre des personnes dont les intérêts professionnels ne sont pas les mêmes, mais qui peuvent apprendre beaucoup les unes des autres. On peut espérer, par exemple, un effort d'investigation de problématiques globales (effets dynamiques du dépôt d'énergie, méthodes d'augmentation des vitesses d'exécution, etc.). Le chercheur ne peut pas imaginer seul les problèmes industriels et l'industriel risque bien ne pas avoir conscience des potentialités de développement associées à l'état des connaissances. Comme de nombreuses technologies innovantes, les technologies de l'ultrabref représentent une aventure attractive à la triple interface technique/économique/humaine. Comme nouvelles technologies au XXI e siècle, elles représentent aussi une occasion unique de fonder leur...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - PETITE (G.) - Mécanismes fondamentaux de l'ablation laser femtoseconde en « flux intermédiaire ». - In Lasers et Technologies femtoseconde., ed. by SENTIS (M.) et UTEZA (O.), Publication de l'Université de Saint-Étienne (2005).
-
(2) - LE HARZIC (R.), HUOT (N.), AUDOUARD (E.), JONIN (C.), LAPORTE (P.), VALETTE (S.), FRACZKIEWICZ (A.), FORTUNIER (R.) - Comparison of heat affected zone due to nanosecond and femtoseconde laser pulses using transmission electronic microscopy. - Applied Physics Letters, vol. 80, no 21, p. 3886 (2002).
-
(3) - COLOMBIER (J.P.), COMBIS (P.), STOIAN (R.), AUDOUARD (E.) - High shock release in ultrafast laser irradiated metals : scenario for material ejection. - Physical Review B, vol. 75, p. 104105 (2007).
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(4) - KELDYSH (L.V.) - Ionization in the field of a strong electromagnetic wave. - Soviet. Physics, JETP, vol. 20, p. 1307-1314 (1965).
-
(5) - MAUCLAIR (C.), CHENG (G.), HUOT (N.), AUDOUARD (E.), ROSENFELD (A.), HERTEL (I.), STOIAN (R.) - Dynamic ultrafast laser beam tailoring for three dimensional parallel micromachining of...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Congrès LPM (Laser Precision Micromachining) : Congrès international sur le micro usinage de précision, a lieu un an sur deux au Japon http://www.jlps.gr.jp/lpm/lpm2011/
Salon Laser Munich : Exposition laser internationale, a lieu tous les deux ans à Munich (Allemagne) http://www.world-of-photonics.net/en/laser/start
Salon Photonics West : a lieu tous les ans à San Francisco (États-Unis), en même temps que plusieurs dizaines de conférences http://spie.org/x2584.xml
Journées du Club Laser et Procédés, a lieu en France tous les ans http://www.laserenligne.fr/
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