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Les mécanismes d’interaction à la base des procédés

Dossier - Laser ultra bref : un rayon pour le futur
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Les lasers à impulsions ultra brèves – d'une durée d’impulsion inférieure à la picoseconde (10-12 s) jusqu’à quelques centaines de femtoseconde (10-15 s) – peuvent apporter des innovations significatives dans des secteurs variés de production industrielle.

  
DossiersLaser ultra bref : un rayon pour le futur
 

L'expérience montre que l'on ne peut pas développer de manière crédible et durable une application industrielle avec une connaissance approximative des procédés de fabrication.

© TRUMPF, Wikimedia commons, CC by-sa 3.0

Bien sûr la réalisation d'une démonstration, à laquelle sont usuellement limités les fabriquants de sources laser, ne permet pas d'atteindre cette connaissance des procédés. Le domaine des technologies femtoseconde a débuté par l'affirmation du caractère non thermique de l'interaction ultra brève, argument utilisé pour la vente des sources laser mais ne rendant pas compte de manière suffisamment précise des mécanismes d'interaction élémentaires. En effet la simple description d'une absorption multiphotonique conduisant à une mise en mouvement des électrons sans réaction des ions, puis un mécanisme d'explosion coulombienne du réseau, est une vision de l'interaction pratiquement jamais réaliste pour décrire l'effet des impulsions ultra brèves sur un matériauLe travail sur la maîtrise des procédés est donc un passage obligé et une meilleure compréhension des mécanismes d'interaction peut grandement aider cette démarche de contrôle des procédés. Dans la suite nous aborderons plusieurs aspects de cette interaction sans prendre la distinction habituelle, métaux et matériaux transparents, mais en détaillant la description de l'interaction par rapport à des paramètres pouvant être des paramètres critiques pour les applications.

Une photo d’artiste du faisceau laser

1 - Importance des effets thermiques et thermomécaniques

Dans le cas des métaux, en réponse au champ laser, les électrons libres du métal sont les premiers acteurs de l'interaction. Ils absorbent le rayonnement incident sur l'épaisseur de peau, de l'ordre d'une dizaine de nm, puis se répartissent l'énergie par collisions électron-électron, dont la fréquence caractéristique est d'environ 1014 s-1. Une température électronique supérieure à celle du réseau cristallin s'établit de manière transitoire, les collisions électron-phonon {e-ph} permettant un transfert de l'énergie électronique vers les ions du solide en quelques picosecondes. Ainsi, toute la spécificité des impulsions ultracourtes réside dans le fait que le temps de relaxation de l'énergie électronique vers les ions du cristal est typiquement plus long que la durée de l'impulsion laser. Le rôle joué par la dynamique électronique est alors crucial dans l'évolution des propriétés optiques, thermiques, hydrodynamiques et mécaniques du milieu. Il est aujourd'hui admis que ce déséquilibre est directement responsable de la faible zone thermiquement affectée, observée après l'irradiation d'échantillons. La corrélation entre la mise hors d'équilibre électron-ion de la matière et les phénomènes conduisant à l'ablation du matériau reste néanmoins à déterminer. Afin de clairement identifier l'effet de ce déséquilibre, le développement de modèles complets, adaptés à cette dynamique, s'est avéré nécessaire pour la description et la compréhension des mécanismes susceptibles d'entraîner l'éjection du matériau en surface.

Figure 1 : illustration du code de calcul Esther

Ainsi les propriétés thermodynamiques et hydrodynamiques associées à la population électronique sont découplées de celles du métal ionique. Les équations d'évolution des propriétés intrinsèques telles que l'énergie interne, la température, la pression doivent explicitement prendre en compte l'effet du déséquilibre thermique. Les processus de transport thermique sont régis par un modèle à deux températures, constitué de deux équations couplées de diffusion de la chaleur, pour les électrons et les ions. Un découplage en pressions électronique et ionique, contribuant indépendamment aux ondes de compression et de détentes dans la cible doit être pris en compte. Le transfert de l'énergie électromagnétique vers les électrons du milieu nécessite une prise en compte du comportement collectif de la dynamique électronique [4]. Un code d'interaction laser matière développé par le CEA et intégrant les caractéristiques particulières de l'interaction en mode femtoseconde est disponible auprès des auteurs [5].

L'étude réalisée [6] sur les différents processus pouvant conduire à l'ablation permet de définir un critère d'ablation résultant de l'impulsion laser. Celui-ci nous permet de localiser le point de rupture entre la matière dense restant attachée au solide et celle qui semble vouloir s'en détacher. Ce critère contient les conditions thermodynamiques et cinétiques, de mise en vitesse de la matière vers l'extérieur de la cible, nécessaires à l'éjection effective d'une partie du matériau. L'outil numérique dont nous disposons peut ainsi estimer la quantité de matière ablatée par une impulsion laser. Des expériences spécifiques de taux d'ablation en fonction de la fluence incidente ont été réalisées [6]. La confrontation d'un taux d'ablation simulé avec des résultats expérimentaux dans le cuivre et l'aluminium s'est montrée très satisfaisante comme le montre la figure 2. Le comportement de la dépendance du taux d'ablation en fluence était sensiblement bien reproduit, démontrant alors que la saturation de la profondeur ablatée était imputable à des effets hydrodynamiques [6]. En effet, la formation du plasma en surface comprime la matière chauffée et limite ainsi l'éjection de la couche liquide plus interne. Grâce à ces comparaisons, nous avons pu dégager les propriétés optimales de l'impulsion, notamment en fluence, afin d'optimiser les procédés de micro usinage. Ces résultats sont d'un intérêt particulier pour les techniques de micro/nano structuration de surface, comme la réalisation de micro cavité à profondeur parfaitement contrôlée.

Figure 2 : Utilisation du code de calcul Esther pour la simulation de taux d’ablation

Dans les matériaux transparents, en focalisant une impulsion lumineuse ultra brève dans la masse d'un matériau diélectrique transparent, un mécanisme d'ionisation non-linéaire peut conduire à la création de porteurs libres. L'énergie lumineuse peut alors être efficacement déposée. Après relaxation de l'énergie, un matériau ayant de nouvelles propriétés optiques peut être obtenu. Afin de caractériser les propriétés optiques de ce matériau transformé ainsi que la morphologie de la zone altérée, des techniques optiques spécifiques (microscopie à contraste de phase) doivent être utilisées pour visualiser le résultat. L'analyse de tels résultats révèle l'importance des phénomènes thermiques et des effets thermomécaniques [7].

Une bonne connaissance de ces mécanismes d'interaction est fort utile pour bien comprendre le rôle des mécanismes thermiques y compris dans les matériaux diélectriques. Un mécanisme d'accumulation peut par exemple être mis à profit pour obtenir un phénomène de soudage des verres, comme observés récemment dans plusieurs groupes [8].

2 - Le rôle de la durée d’impulsion

En ce qui concerne les applications industrielles, le rôle de la durée d'impulsion est tout à fait important, si une impulsion de quelques picosecondes suffit pour obtenir l'effet ou la fonction désirée, la source laser à utiliser n'est pas du tout la même, et la technologie laser picoseconde peut être plus simple à mettre en oeuvre industriellement. Sur les métaux, il a été prouvé expérimentalement [9] que des résultats semblables peuvent être obtenus avec des durées de vie plus longues. Ce résultat est confirmé par la modélisation de l'interaction [10] présentée plus haut, qui ne peut en revanche être utilisée de manière prédictive sur des alliages. La connaissance en ce domaine reste donc relativement empirique, mais il est clair que la question de l'utilisation d'impulsion picosecondes doit être clairement posée lorsque l'application visée utilise un matériau métallique. Des firmes allemandes proposent déjà des machines d'usinage intégrant des lasers picoseconde [11].  Deux grands domaines de durée d'impulsion apparaissent donc autour d'une durée critique de 1 ps. Des études expérimentales et théoriques plus précises sont encore sans doute nécéssaires pour mieux caractériser ces deux domaines pour les matériaux d'intérêt industriel.

[4] J.P. COLOMBIER, P. COMBIS R. STOIAN AND E. AUDOUARD.
"High shock release in ultrafast laser irradiated metals : A scenario for material ejection"
Phys. Rev. B, 75, 104105 (2007)
[5] Contact : Patrick Combis, CEA DIF/DPTA
[6] J.-P. COLOMIER, P. COMBIS, F. BONNEAU, R. LeHARZIC and E. AUDOUARD
« Hydrodynamic simulations of metal ablation by femtosecond laser irradiation »
Phys. Rev. B, 71, 165406 (2005)
[7] ALEXANDRE MERMILLOD-BLONDIN, « Analysis and optimization of ultrafast laser-Induced bulk modification in dielectric materials", Thesis, April 2007, Université Jean Monnet/ Freie Universität Berlin.
http://www.diss.fu-berlin.de/2007/501
[8] C.B. SCHAFFER et al. « Welding of transparent materials with high repetition rates » and W. WATANABE et al. "Joining of transparent materials by femtosecond laser pulses", Conference Laser Applications in Microelectronic ans Optoelectronic
manufacturing XII, LASE, Photonics West, January 2007.
[9] R. LEHARZIC, D. BREITLING, M. WEIKERT, S. SOMMER, C. FOEHL, F. DAUSINGER S. VALETTE, C. DONNET AND E. AUDOUARD,
« Pulse-width and energy influence on laser micromachining of metals in a range of 100 fs to 5 ps », Appl. Surf. Sci., 249, 322-331 (2005)
[10] J.P. COLOMBIER, P. COMBIS, A. ROSENFELD, I.V. HERTEL, E. AUDOUARD, R. STOIAN.
"Optimized energy coupling at ultrafast laser irradiated metal surfaces by tailoring intensity envelopes.
Consequences for material removal from Al samples." Phys. Rev. B, 74, 224106 (2006)
[11] Cf. site web Lumera Laser