Bibliographie & annexes
Présentation
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.
Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.
Lire l’articleABSTRACT
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)
-
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
DOI (Digital Object Identifier)
Cet article fait partie de l’offre
Optique Photonique
(219 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Présentation
Mécanismes d'ablation et contrôle des procédés1. Nature spécifique de l'interaction laser-matière en mode ultrabref
La première propriété des impulsions très courtes qui vient à l'esprit est la possibilité d'obtenir des puissances très élevées, puisque même pour une énergie faible, si la durée est encore plus faible, le rapport des deux, la puissance, peut prendre des valeurs importantes. On atteint ainsi une puissance crête de 10 GW pour une impulsion de 1 mJ et 100 fs. La grandeur physique importante pour les procédés laser est plutôt la densité de puissance (souvent exprimée en W/cm2) qui tient compte de la surface du matériau sur lequel le faisceau laser est focalisé. Ainsi, l'impulsion précédente, focalisée sur un diamètre de 50 μm, permet d'atteindre une densité de puissance crête de 30 TW/cm2 qui dépasse le seuil d'ablation de tous les matériaux connus. Notons que ce résultat est obtenu avec une puissance moyenne très modeste, qui peut ne pas dépasser le watt (en fonction de la cadence des impulsions). L'aptitude à concentrer une puissance lumineuse considérable est donc la première propriété des impulsions ultrabrèves, ce qui a de multiples conséquences que nous envisagerons dans la suite.
Illustrons cependant immédiatement la nature très spécifique de l'interaction laser-matière dans le cas ultrabref. En effet, dans le cas classique d'une impulsion laser ayant une durée de l'ordre de la nanoseconde ou plus (figure 1a ), le mécanisme d'interaction est essentiellement thermique. La lumière absorbée est convertie en chaleur qui, d'une part, diffuse dans le matériau et, d'autre part, permet la transformation du solide en liquide puis en gaz en fonction de l'énergie disponible. Il s'ensuit un mécanisme d'éjection de matière (que l'on appelle plus communément ablation) sous une forme et dans un temps qui vont dépendre du matériau et des paramètres du rayonnement laser. Notons cependant qu'il convient alors de considérer l'interaction de la matière éjectée (dans ce que l'on appelle le panache d'ablation) avec le faisceau laser incident.
Dans le cas d'une impulsion ultracourte (figure 1b ), il y a au contraire découplage complet entre l'irradiation laser et la réaction du matériau. Les mécanismes d'absorption, puis de relaxation de l'énergie dans le matériau sont tout à fait nouveaux ...
L'expertise technique et scientifique de référence
Cet article fait partie de l’offre
Optique Photonique
(219 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Nature spécifique de l'interaction laser-matière en mode ultrabref
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/
HAUT DE PAGE
L'expertise technique et scientifique de référence
Cet article fait partie de l’offre
Optique Photonique
(219 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
