Bibliographie & annexes
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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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Ultra-short laser pulse technologies provide access to the mechanisms of laser-matter interaction in a time scale otherwise inaccessible. This originality differentiates significantly from the conventional laser processes and imparts remarkable and multiple characteristics. Such technologies require expert knowledge of the processes, the energies involved are diverse and the laser sources may differ significantly. For these reasons, despite a range of extensive scientific and technological developments, femtosecond lasers have only recently reached the maturity to step out of the industrial stage. The continuing high costs of femtosecond technology probably represent a barrier to investments in the development and industrialization processes.
Auteur(s)
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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.
L'expertise technique et scientifique de référence
VERSIONS
- Version courante de sept. 2023 par Éric AUDOUARD
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Conclusion4. Grands domaines d'application
Le développement d'applications industrielles passe par une analyse économique qui doit prendre en compte le coût de la technologie. Les technologies ultrabrèves peuvent souffrir d'un ticket d'entrée relativement important, spécialement si une source laser de forte énergie est requise (de l'ordre de plusieurs centaines de ke). Elle doit être introduite dans des domaines où elle apporte une solution inaccessible avec une autre technologie. Il s'agit donc d'une technologie de rupture appelée à développer des nouveaux marchés.
Un exemple de machine de production par laser femtoseconde utilisée dans le domaine de la mécanique est présenté figure 21.
4.1 Domaine médical
L'une des toutes premières applications des lasers femtosecondes à être passée dans le domaine industriel se situe dans le secteur médical, domaine à très forte valeur ajoutée. Cette première utilisation des lasers femtosecondes concerne le domaine de l'ophtalmologie où cette technologie est très « populaire ».
La technique du LASIK (LASer In-situ Keratomileusis) consiste à découper une fine lamelle, le capot cornéen, dans l'épaisseur de la cornée afin de permettre un remodelage en profondeur de la courbure cornéenne, effectué grâce à un laser UV. Initialement, la découpe du capot cornéen était réalisée à l'aide d'un microkératome (lame permettant la découpe précise d'une lamelle de cornée), mais depuis mars 2001 (date d'autorisation de mise sur le marché par la FDA, agence fédérale américaine des produits alimentaires et médicamenteux, du premier système LASIK femtoseconde pour la correction de la myopie), le laser femtoseconde s'est progressivement imposé pour cette application malgré son prix élevé. Il permet une réalisation précise, reproductible et sécurisante, tant pour le médecin que pour le patient, de ces capots cornéens. Afin de réaliser un plan de découpe dans la cornée, le laser est focalisé en profondeur, entraînant la formation d'un plasma puis son expansion, formant une petite cavité. Le laser est ensuite focalisé dans le même plan, sur une position adjacente, et ainsi de suite jusqu'à réaliser un plan de découpe (figure 22) ...
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Grands domaines d'application
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).
-
(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...
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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