Femto 2004 - E. Audouard

Eric AUDOUARD

.

Procédés laser ultra brefsProcédés laser ultra brefs

Femto 2004, Porquerolles

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Les procédés ultra brefs en question….

Le cas des métaux : rôle des effets thermiques ?

Le cas des matériaux transparents : une spécificité desprocédés femtoseconde ?

Quels outils, pour quelles applications ?

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Procédés laser ultra brefs :Procédés laser ultra brefs :enjeux industrielsenjeux industriels

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Laser development

Process developmentand beam manipulation

Integration in a laser machine

End users

MULICMicro Usinagepar Laser àImpulsionultra Courtes.

Plate-forme femtoseconde

CTM : Centre de Transfertdes Microtechniques

Réseau National

...

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Amplitude SystèmesDéveloppements de sources laser

NovaLaseDéveloppements de modules et machines demicro usinage laser

À BORDEAUX

À SAINT-ETIENNE

Création de Start Upautour de l’activité MULIC

Impulsion :Soustraitance micro-usinage femtoseconde

Applications industrielles

Médical

Automobile

AéronautiqueMicro-électronique

Télécommunications

Optique intégrée

•Implant médicaux•Micro-chirurgie•Ophtalmologie•Marquage/gravure

•Fuselage•Matériaux spéciaux•à barrière thermique

•Micro-connectique•Circuits intégrés complexes•Décapage par couche

•Injecteurs•Marquage

Contre-façon

•Marquage dans la masse•Guide d ’ondes•réseaux

•Découpe fibres• spéciales

Chimie•Explosifs

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Procédés laser ultra brefs :Procédés laser ultra brefs :techniques utiliséestechniques utilisées

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PLATE FORME FEMTOSECONDEPLATE FORME FEMTOSECONDE

MicroUsinage /Marquage(X, Y, Z, θ)

REGA

10-250 kHz200 fs5 µJVITESSE

80 MHz, 120 fs1,6nJ

CONCERTO

1 kHz, 150 fs1,5 mJ

500 nsYLF

20 W

Scanner

Micro usinage par déplacement de l ’échantillonMicro usinage par déplacement de l ’échantillon

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Micro usinage par déplacement du faisceauMicro usinage par déplacement du faisceau

Photographie

Représentationdu module de focalisation

laserlaser

Mise en formeMise en forme

PositionnementPositionnement

CommandeCommande

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Maîtrise de la forme du faisceau:Maîtrise de la forme du faisceau:exemple de l ’imagerieexemple de l ’imagerie

« Percussion »

Plan focal

Echantillon

Lentille

Diaphragme

Plan objet Plan Image

Choix stratégique : qualité / efficacité

50 µm

50 µm

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Carottageà focale

fixe

Carottagehélicoïdal

Faisceau tournantFaisceau tournant

Qualité en face arrière !Échantillon de 100 µm d ’épaisseur

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Application du micro perçage : Micro- et nano-structuration desApplication du micro perçage : Micro- et nano-structuration dessurfaces, Cas des matériaux « durs »surfaces, Cas des matériaux « durs »

100 X 2 J/cm2, 800 nm, 100 fs

TiCN

WC–Co

LP3G. Dumitru, V. Romano, H.P. Weber, S. Pimenov, M. Sentis, W. Marine

“Femtosecond ablation of ultrahard materials”, Appl. Phys. A 74, 729-739 (2002)

Et aussi : Perçage profond... Cf. Poster S. Bruneau (LP3)

LP3

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Des effets encore à comprendre et à maîtriser: les « rides »

Structures périodiques observées :

en surfaceen bordure de perçage

même à très faible fluence :mécanismes de formation ?

Semi-conducteurs (Borowiec et al.) Appl. Phs Lett. 82 (25) 4462 (2003).

Métaux Rôle de la polarisation(Groupe de F. Dausinger)

Diélectriques, Reif, et al. Appl. Surf. Sc. 197-198 891 (2002)

Exemple de maîtrise des procédés :

fabrication demicro pointes en silicium

(Groupe de E. Mazur)

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Procédés laser ultra brefs :Procédés laser ultra brefs :Cas des métauxCas des métaux

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Photo de la tranche des fentes après un traitement d’image qui ne laisse que les contours

125 passages10 passages 50 passages

160 µm

350 µm

PROFILOMETRE

Contrôle de la profondeurContrôle de la profondeurtaux d’ablationtaux d’ablation

Usinage de fentesUsinage de fentes

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X = 13 nm

FX,seuil

= 0.075 J/cm2

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50

10

20

30

40

50

cuivre

Tau

x d'

abla

tion

(nm

/tir)

Fluence (J/cm 2)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50

10

20

30

40

50

60

aluminium

Tau

x d'

abla

tion

(nm

/tir)

Fluence (J/cm 2)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00

10

20

30

40

50nickel

Tau

x d'

abla

tion

(nm

/tir)

Fluence (J/cm 2)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50

10

20

30

40

Tau

x d'

abla

tion

(nm

/tir)

Fluence (J/cm 2)

Inox 316

X = 44.6 nm

FX,seuil

= 0.853 J/cm2

X = 38.6 nm

FX,seuil

= 0.546 J/cm2

X = 21.4 nm

FX,seuil

= 0.382 J/cm2

TAUX D ’ABLATION EN FONCTION DE LA FLUENCETAUX D ’ABLATION EN FONCTION DE LA FLUENCE

,

lnaX seuil

FT X

F

=

Paramètres Paramètres ajustables : ajustables :

X, FX, FX,seuilX,seuil

Thèse R. LeHarzicSaint Etienne (2003)

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Phénomènes « d ’incubation »Phénomènes « d ’incubation »

Échantillons d ’aluminium : (a) 1 impulsion, (b) 10 impulsions, (c) 100 impulsions(3 J/cm2, 170 fs)

(a) (b) (c)

Cf. aussi posters LP3 et travaux présentés par A.V. Rhode

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Modélisation de l ’interaction : modèle à deux températuresModélisation de l ’interaction : modèle à deux températures

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Simulation des expériences d ’ablation (code DELPOR+modèle 2T)

Taux d ’ablation par tir (cas du cuivre)Taux d ’ablation par tir (cas du cuivre)

♦ Expérience TSI Simulation (DELPOR)

Bon accordavec l’expérience

Cf. poster deJ.-P. Colombier (TSI/CEA)

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Tauxd’ablation Basse

fluenceHaute

fluence

Fluence

Pointoptimal

Encore de nombreuses questions sur les mécanismes….

Maîtrise des procédés de micro usinageMaîtrise des procédés de micro usinage

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Caractérisation de la ZAT par EBSD

Compression plane à températureambiante d’un monocristal

d’aluminium (ε ≈ 2)Déformation hétérogène => création de

bandes de déformation

Thèse de S. Valette, Saint Etienne (2003)

Schéma expérimentalEffets sur la microstructure

∆e ≈ 85 %

(111)

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Régime femtoseconde

Pour le cas femtoseconde, la zone recristallisée

s’étend sur 2-3 µm environ.

Orientations cristallines obtenues par analyse EBSD en bordure du sillon

micro-usiné en régime femtoseconde.

Caractérisation de la ZAT par EBSD

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Exemple d’un début de corrosionobservé sur outil chirurgical au lieu d’un marquage laser YAG

Exemple d ’objectifs de la maîtrise desExemple d ’objectifs de la maîtrise desprocédés : marquage laser et corrosionprocédés : marquage laser et corrosion

Importance d ’une étude des effets dus àla zone thermiquement affectée (ZAT)

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CompressorStretcher

RegenerativeAmplifier Multi-pass

Amplifiers

Oscillator

800 nm, 60 fs , 10 kHz , Energy/pulse ∼ 1 mJ

100 W, 15 kHz, M²=12

AOAcousto

optic

Divergent lens Laser head 1 Laser head 2

polarisationrotator

Div. lens.

Rmax @ 1064 nm + 532 nm

Rmax @ 1064 nm

Rmax @ 1064 nmHT @ 532 nm

type II LBO

Orientation du développement laserOrientation du développement laser

Diminuer les temps de procédé : augmenter la cadence (énergie 1 mJ ) 2, 3, 10 kHz, …. ?

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Matériaux transparents etMatériaux transparents et photoinscription photoinscription

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MARCHE AMERICAIN :

première machinede micro-usinage fs

orientéephotoinsciption

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Procédés laser ultra brefs et matériaux transparentsProcédés laser ultra brefs et matériaux transparents

Focalisation à grande ouverture numérique (E. Mazur)

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Y

Faisceau laser

10xO.N. = 0.25

=

φ

+

0.5°

PHOTOINSCRIPTION D ’UNE JONCTION YPHOTOINSCRIPTION D ’UNE JONCTION Y

4 mm

30 µm

He-Ne633 nm

Lame de microscope d ’épaisseur de 1 mm.Jonction enterrée à 300 µm sous la surface

paramètres laser :1kHz, 2 µJ, 150 fsvitesse de défilement : 20 µm/s

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Procédé basse énergie forte cadence:Procédé basse énergie forte cadence: photoinscription « thermique » par accumulation photoinscription « thermique » par accumulation

C. B. Schaffer et al., Optics Letters 26, 93 (2001)

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Faisceaulaser

Photoinscription Usinage Dépôt de couches

Plasma

Dépôt de couches minces par Dépôt de couches minces par alblation alblation laserlaser

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Imagerie résolue en temps des espèces émettrices

( 45 ns ) ( 65 ns ) ( 85 ns )

( 325 ns ) ( 600 ns ) ( 800 ns ) ( 1,1 µs )

Laser

Target

( 15 ns )

2 cm

2 cm

Images du plasma [200-800 nm] à différents délais après le début de l'impulsion laser

Ø Energies cinétiques d'environ 2 keV et 100 eV

Fluence Laser : 2 J/cm2

F. Garrelie et al, High Power Laser Ablation 2002, Taos

Plasmas créés par ablation laser femtoseconde

Cf. poster de D. Grojo

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Et aussi couches de carbone dopé : Cf. Poster de N. Benchikh

Dépôt de DLC par PLD femtoseconde

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Tête sphérique revêtue d’un film de DLC après décapage ionique in situ

Tête sphérique vierge

Thèse de A.-S. Loir, Saint Etienne (2004).

Revêtement d ’implants orthopédiques

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Et aussi : micro usinage fs de couches minces réalisées par PLD

Guides d ’onde planaires réalisé par micro structuration fs (3 mJ, 150 fs) de couches minces (Er:BaTiO3) déposées par PLD (KrF), équipe de E.W. Kreutz

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par stéréo lithographie(solidification de résine)

LZH LZHCristaux photoniques

« Nano » stéréo lithographiepar polymérisation à deux photons (solidification de résine)

LZH

« Micro venus »

Laser Zentrum Hannovre

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Laser Zentrum HannovreF. Korte et al.,  Opt. Expr. 7, 41 (2000)

Usinage « sub micronique »par contrôle du profil énergétique du faisceau

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Lame dephase

Principe :modulation de la phase ⇒ mise en formedu faisceau au point focal d ’une lentille

→ système programmable temps réel (≠DOE)→ perte réduite (≠filtre d ’amplitude)

Mesure de laphase

Boucle

Lentille

Mise enforme

« active »

Mise en forme spatiale du faisceauMise en forme spatiale du faisceau

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Contrôle de la forme du point focalContrôle de la forme du point focal

Focalisation avec et sanscorrection de front d ’onde

Résultatsobtenu avec un oscillateur,

Possibilité d’étendre à des systèmes amplifiés pour le micro usinage à la limite de diffraction

(Brevet LTSI/THALES)

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30µm

Phas

e

Foca

l spo

t Mise en forme de faisceau Mise en forme de faisceau

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Exemple : micro structuration du silicium

⇒ Poster de A. Mermillod Blondin (LTSI/Max Born)

Single shot

F = 2,9 J/cm2

Vsample = 100 µm/s

F = 4,4 J/cm2

16 µm 16µm

16 µm32 µm

Mise en forme temporelle du faisceauMise en forme temporelle du faisceau

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- Communauté Européenne (Fonds FEDER 1997/1999)

- Collectivités locales

Remerciements

Femto 2004 - E. Audouard

RemerciementsÉquipe « Procédés laser ultra brefs » du laboratoire TSI

Permanents : Nicolas Huot, Florence Garrélie, Christophe Donnet, Jean Louis Subtil, François Rogemond, Eric Audouard Pierre Laporte (directeur LTSI)

Post Doc : Stéphane Valette, Ronan Leharzic.

Doctorants : Nicolas Sanner, Nadia Benchikh, Jean Philippe Colombier, Alexandre Mermillod Blondin.

Impulsion : Herve Soder, Julien Granier, Jerémy Tevane.