Article

1 - SPÉCIFICITÉS DES IMPULSIONS FEMTOSECONDE

2 - MÉCANISMES PHYSIQUES D’ABLATION

3 - MISES EN ŒUVRE DES PROCÉDÉS FEMTOSECONDE

4 - GRANDS DOMAINES D'APPLICATION

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

7 - SYMBOLES

Article de référence | Réf : E6455 v2

Procédés laser femtoseconde - Applications industrielles des impulsions ultrabrèves

Auteur(s) : Éric AUDOUARD

Date de publication : 10 sept. 2023

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RÉSUMÉ

Les impulsions laser femtoseconde, de durée inférieure à la picoseconde, permettent d’atteindre les plus grandes précisions du traitement laser, et cela sur la plupart des matériaux : métaux, verres, ou semiconducteurs. Les procédés industriels utilisant des lasers femtoseconde ont été fortement stimulés par l’augmentation de la puissance moyenne des lasers, passée de 1 W à 1 kW en 20 ans. Le nombre d’applications augmente sans cesse, allant du micro-usinage (microélectronique) vers le macro-usinage (automobile, aéronautique). Cet article explicite l’intérêt de telles impulsions pour les procédés laser, puis détaille les enjeux de leur mise en œuvre et présente enfin quelques exemples significatifs d’application.

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ABSTRACT

Femtosecond laser processing - Industrial applications of ultra-short pulses

Femtosecond laser pulses of sub-picosecond duration allow the greatest achievable precision by laser processing, on most materials: metals, glasses, or semiconductors. Industrial femtosecond laser processes have been strongly stimulated by the increase in laser power from 1 W to 1 kW in 20 years. The number of applications is constantly increasing, ranging from micro-machining (microelectronics) to macro-machining (automotive, aeronautics). This article presents the basics of femtosecond pulses interest for laser processing, then details their use and finally presents some significant examples of application.

Auteur(s)

  • Éric AUDOUARD : HDR - Expert procédés laser, société Amplitude, Pessac, France

INTRODUCTION

Les impulsions ultrabrèves constituent une nouvelle technologie laser permettant l'accès à un mode d'interaction laser-matière très original par rapport aux lasers conventionnels, continus, ou délivrant des impulsions de durées supérieures à la nanoseconde. 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 sont à l'origine d’applications très innovantes dans le domaine du traitement des matériaux. Une distinction s’opère alors entre les impulsions femtoseconde, habituellement d’une durée de quelques centaines de femtoseconde, et les impulsions picoseconde, d’une durée supérieure à 1 ps. Nous n'évoquerons pas dans cet article les applications d’imagerie, pour lesquelles une visualisation sans modification du matériau est recherchée, domaine où les technologies ultrabrèves jouent aussi un rôle. Nous n’aborderons pas non plus le domaine des très hautes énergies, utilisées pour les grands instruments de recherche comme le Laser MégaJoule (LMJ). Le champ des procédés lasers concerne une modification apportée à un matériau et adresse plutôt les applications industrielles des lasers. Cette modification peut conduire à un enlèvement de matière, appelé ablation laser. Nous insisterons donc sur les caractéristiques de l'interaction laser-matière en mode ultrabref et leur intérêt dans le développement d’applications.

Dans le cas des impulsions laser ultrabrèves, une physique de l’interaction laser-matière très originale conduit au besoin d’une expertise très spécifique pour la maîtrise des procédés. Leur développement a été rendu possible par les nombreux résultats de recherche en laboratoire, associés à une intense activité de publication scientifique. Avant même les années 2000, date du démarrage effectif des premières utilisations des impulsions femtoseconde en chirurgie ophtalmique, des applications industrielles innovantes ont été imaginées et étudiées avec les moyens disponibles. La motivation de ces études était, et est encore, la levée de verrous technologiques limitant le champ des applications concernées. En particulier, la « marque de fabrique » des procédés femtoseconde est la très grande précision de réalisation des usinages, habituellement de l’ordre de la dizaine de microns, mais pouvant assez facilement atteindre quelques centaines de nanomètres, et simultanément la non-altération des matériaux en dehors de la zone traitée.

La première période du développement des procédés femtoseconde avait donc pour objectif d'atteindre le stade industriel. En France, plusieurs centres techniques se sont très tôt engagés dans cette voie, dans un contexte de forte compétition, essentiellement en Allemagne et au Japon. Grâce au développement et à la mise sur le marché, dès les années 2000 en France, de sources laser adaptées aux applications industrielles, ces technologies ont atteint la maturité nécessaire pour passer le cap des premières industrialisations. Les applications concernées se trouvaient surtout dans le domaine médical, mais le secteur de la production industrielle a aussi très vite démarré. Des machines de micro-usinage femtoseconde font désormais partie du catalogue de nombreux fournisseurs, spécialement en Europe et en Asie.

Depuis les années 2020 et la possibilité d’utiliser des sources laser multi centaines de watts, les secteurs industriels du « macro-usinage » comme l’automobile ou l’aéronautique sont désormais accessibles aux technologies femtoseconde. Plusieurs développements majeurs sont attendus dans ces domaines, spécialement dans le cadre des efforts actuels pour une industrie plus respectueuse de l’environnement. Les techniques laser d’ablation peuvent par exemple permettre un remplacement des techniques chimiques d’érosion très polluantes. La productivité désormais atteinte pour la texturation de grandes surfaces permet d’envisager les applications de réduction des frottements mécaniques (moteurs) ou de résistance à l’air (ailes d’avion).

Les technologies de l’ultrabref sont plurielles, les procédés laser associés pouvant être très différents, elles requièrent donc une forte expertise. Pour permettre au lecteur de se repérer dans ce vaste champ de développements scientifiques et technologiques, nous proposons dans cet article le parcours suivant : nous introduirons tout d’abord la nature spécifique et originale des impulsions femtoseconde. Une description plus précise des mécanismes d’interaction laser matière nous permettra alors de pénétrer au cœur de cette spécificité. Nous montrerons ensuite le lien entre la compréhension des mécanismes et les possibilités d’optimisation des procédés. À cette étape du parcours, l’exposé de la grande variété de mises en œuvre des procédés permettra de comprendre l’ampleur du champ applicatif. Enfin, nous terminerons par une revue des principaux secteurs industriels où les procédés femtoseconde se déploient.

Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et une liste des symboles utilisés.

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KEYWORDS

femtosecond laser   |   femtosecond laser processing   |   ultra-short pulses

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-e6455


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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.  -  Appl. Phys. Lett., 80, p. 3886 (2002).

  • (3) - LE HARZIC (R.), BREITLING (D.), WEIKERT (M.), SOMMER (S.), FOEHL (C.), DAUSINGER (F.), VALETTE (S.), DONNET (C.), AUDOUARD (E.) -   Pulse-width and energy influence on laser micromachining of metals in a range of 100 fs to 5 ps.  -  Applied Surface Science, 249, p. 322 (2005).

  • (4) - MAUCLAIR (C.), MISHCHIK (K.), MERMILLOD-BLONDIN (A.), BONSE (J.), ROSENFELD (A.), HERTEL (I.V.), AUDOUARD (E.), STOIAN (R.) -   Time-resolved observation of energy deposition in fused silica by ultrashort laser pulses in single and cumulative regime.  -  Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA Technical Digest (CD), p. CMBB7 (2010).

  • ...

1 Événements

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

Congrès ICALEO : Congrès international sur les applications laser industrielles, a lieu tous les ans aux États-Unis, https://icaleo.org

Salon Laser Munich : Exposition laser internationale, a lieu tous les deux ans à Munich (Allemagne) http://www.world-of-photonics.net

Salon Photonics West : a lieu tous les ans à San Francisco (États-Unis), en même temps que plusieurs dizaines de conférences http://spie.org

PLI : Conférence nationale Procédés Lasers pour l’Industrie, a lieu en France tous les ans https://www.clp-laser.fr

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2 Annuaire

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2.1 Exemples d’entreprises commercialisant des sources laser ultrabrèves

France

Thales

...

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