François-Pierre Blondin Jessica Hallé Rémi Hunter Mathieu Turgeon Groupe 403 ©.
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Femto 2004 - E. Audouard
Eric AUDOUARD
.
Procédés laser ultra brefsProcédés laser ultra brefs
Femto 2004, Porquerolles
Femto 2004 - E. Audouard
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
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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.