Le laser femtoseconde prêt pour l'usinage

- La brièveté des impulsions de ces lasers ouvre de nouvelles possibilités en micro-usinage et, plus généralement, dans le façonnage de la matière.

Hervé Soder attend avec impatience sa première machine laser femtoseconde. Jusqu'à présent, ce jeune créateur d'entreprise (société Impulsion) utilisait les moyens de la plate-forme laser du Laboratoire traitement du signal et instrumentation (LTSI) à l'université Jean-Monnet de Saint-Étienne (Loire), une des composantes du Pôle Optique. Un laboratoire qui travaille à la fois sur le plan fondamental, en s'intéressant à l'interaction laser-matière, et sur les applications industrielles potentielles, comme l'explique Éric Audouard, chercheur au LTSI.

Les objectifs d'Hervé Soder sont le développement de procédés basés sur l'utilisation des impulsions ultrabrèves, inférieures à la picoseconde, la vente de machines adaptées à ces procédés industriels et la production de pièces à la demande.

Les lasers femtosecondes sont apparus en 1990 avec l'arrivée de nouvelles sources solides (cristaux de saphir dopés titane). Leur énergie, très faible (quelques nanojoules puis microjoules), les a longtemps limités aux applications scientifiques de mesure puis aux interventions de chirurgie oculaire (premier microkeratome en 2002). Après avoir gagné en énergie, ils visent désormais l'usinage. Ils ont ici un puissant atout : rien ne leur résiste ! La densité de puissance atteinte volatilise en effet n'importe quel matériau, métal céramique, plastique, verre, bois...

Paradoxalement, cette extrême violence faite à la matière rend le procédé très doux pour la pièce car seule la matière prise dans ce tsunami de photons est affectée ! À trois microns de là, rien n'a été ressenti. Revers de la médaille, la quantité totale d'énergie mise en jeu est faible. Résultat, l'usinage est assez lent et il se limite, pour l'instant, à du micro-usinage (motifs de 10 µm à 1 mm avec une résolution de 1 µm).

L'impulsion est adaptée à l'usinage souhaité

Mais les choses évoluent très vite. Impulsion, la société d'Hervé Soder, a déjà procédé à un certain nombre d'essais, notamment pour le secteur médical, que ce soit en usinage ou en marquage de pièces chirurgicales, en optique pour réaliser directement dans la matière des guides d'onde optique par modification d'indice de réfraction, en perçage de différents métaux ou céramiques, etc.

Pour parvenir à une bonne qualité de la découpe ou du perçage, il faut que l'énergie au sein de l'impulsion laser soit distribuée en fonction de l'usinage souhaité. Cette distribution est à la fois temporelle et géométrique. Géométrique, cela se comprend facilement : si l'impulsion est circulaire et que l'on veut tracer un trait homogène, ou un perçage profond avec des bords bien parallèles et un fond plat, il faut que l'énergie reçue en tout point soit la même. Or la distribution classique gaussienne ne convient pas car, au fil des impulsions, les bords de la zone auront moins reçu que le centre. Il faut donc moduler le profil d'énergie sur la surface du spot.

La distribution temporelle est moins évidente à comprendre et on entre là au coeur de l'interaction laser-matière. Bien que très courtes, les impulsions ont une durée de 100 à 400 fs. En observant très finement le phénomène d'usinage au LTSI, Éric Audouard et son équipe se sont aperçus qu'il était plus efficace, selon la matière, d'avoir un premier pic d'énergie suivi d'un second plus important au sein de la même impulsion. C'est ce que l'on appelle de la mise en forme temporelle du faisceau.

L'activité d'Impulsion est tournée vers cette ingénierie du faisceau : déterminer la bonne forme géométrique et le bon profil temporel de l'impulsion. Optimiser ces paramètres conduira à des gains en temps d'usinage et en qualité. Hervé Soder s'appuie sur les compétences du LTSI pour ce qui est de l'interaction laser-matière, et collabore avec les chercheurs de Thales Laser (fabricant de sources femtosecondes) pour la mise en forme du faisceau. Cette société, installée aussi au Pôle Optique, développe et réalise les valves basées sur l'optique diffractive adaptative qui modulent le faisceau.

Impulsion n'est pas le seul à s'intéresser au sujet. Novalase est l'autre français actif dans la conception, l'assemblage et la vente de machines laser femtoseconde. La société est installée à Pessac (Gironde). C'est à côté de Bordeaux mais, surtout, à proximité de la Pala (Plate-forme d'applications des lasers en Aquitaine). Ce centre technique fédère la majorité des compétences de l'université Bordeaux-I dans le domaine des lasers et de leurs applications.

Un positionnement à quelques microns près

Novalase a été créé en septembre 2001 pour fabriquer des machines de micro-usinage par laser utilisant des sources femtosecondes mais aussi YAG (laser picoseconde) et excimères. « Nous nous positionnons comme fabricant de machines ; le travail de mise au point du procédé est confié à la Pala où une de nos machines femtosecondes est installée », explique Karine Bigot ingénieur d'affaires chez Novalase. L'entreprise collabore avec différents partenaires sur le micro-usinage laser sur tout type de matériaux, sur la microablation à des fins analytiques et dans le domaine médical pour l'ophtalmologie (traitement de la cornée).

« Le faisceau issu d'une source laser n'est pas utilisable en l'état, précise Karine Bigot. Il doit être mis en forme par une chaîne optique, devenir un point chaud grâce à une tête de focalisation et frapper la pièce au bon endroit. » Cela implique le recours à un système de positionnement précis à quelques microns, voire quelques nanomètres. Le positionnement peut-être 2D ou avec différentes inclinaisons, ce qui explique qu'une machine coûte entre 350 et 700 mille euros.

Ni Novalase ni Impulsion n'ont encore vendu de machines. Mais l'intérêt pour la technologie est bien réel comme le confirment les pièces à façon, à des fins de prototypage ou de présérie, réalisées par les deux sociétés.

Pendant ce temps, les sources laser femtoseconde pour l'usinage continuent de progresser, notamment grâce à la société Amplitude Systèmes basée à Talence (Gironde) qui collabore avec le Celia (Centre des lasers intenses et applications). La taille des sources diminue grâce au passage d'une amplification optique par pompage laser à des diodes laser (avec une légère augmentation de la durée des impulsions à 400 fs contre 100 avec le pompage laser). La fréquence augmente : du kilohertz il y a quelques années, on est aujourd'hui à 10 ou 15 kHz et l'on vise 100 kHz, ce qui revient à diviser le temps d'usinage par dix. Enfin, les sources se fiabilisent.

Où en étaient les YAG il y a dix ans ? Ceux qui s'en souviennent comprendront qu'il n'est pas trop tôt pour s'intéresser à ce mode d'usinage.

DEUX PIONNIERS FRANÇAIS

NOVALASE Fabrique des machines laser femtoseconde pour le micro-usinage et développe des solutions optomécaniques. Il réalise des pièces prototypes et de présérie. - Créé en septembre 2001 à Pessac (Gironde) - 10 personnes (5 en début d'année) - Exercice 2003-2004 : 115 000 euros

IMPULSION Développe des procédés utilisant le laser femtoseconde et fabrique des machines en conséquence. Il réalise des pièces prototypes et de présérie. - Créé en août 2003 à Saint-Étienne (Loire) - 5 personnes - Chiffre d'affaires 2004 : 300 000 euros

DES P'TITS TROUS, DES P'TITS TROUS...

1012 à 1015 W/cm2, c'est l'extraordinaire densité de puissance procurée par un laser femtoseconde sur un spot de quelques microns de diamètre. En comparaison, le laser nanoseconde n'offre que quelques kW/cm2... 1 Wc'est la puissance moyenne des lasers femtosecondes actuels. Ce chiffre est le produit de l'énergie d'une impulsion par la cadence de répétition, soit 100 µJ à une cadence de 10 kHz. 30 µmest la longueur d'une impulsion lumineuse de 100 femtosecondes.

UN USINAGE ATHERMIQUE

L'usinage réalisé par les lasers femtosecondes est qualifié d'athermique. - La brièveté de l'impulsion et la concentration de puissance font que la matière touchée par le faisceau est fortement ionisée, passe quasi instantanément à l'état de plasma et se trouve éjectée de la zone touchée : pas de fusion, pas de retombée de matière autour de l'impact, des bords très nets. L'énergie n'a pas le temps d'aller affecter les zones voisines. Ce n'est pas tout à fait vrai : des chercheurs de l'École des mines de Saint-Étienne ont montré qu'il existait une zone affectée thermiquement mais que son épaisseur était inférieure à 3 µm, soit dix fois moins qu'avec des impulsions nanosecondes. Cet effet athermique est observé dès que l'on passe en dessous de la picoseconde.

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