Conception et fabrication d'éléments optiques diffractifs (E. O. D. ) pour la mise en forme de faisceaux laser de puissance

• Auteur / Autrice : Manuel Flury
• Direction : Joël Fontaine, Philippe Gérard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et lasers
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photolithographie

Usinage par laser

Lasers de puissance

Diffraction

Optique

Résumé

Ce mémoire expose une étude sur la conception, la fabrication et les tests d'Eléments Optiques Diffractifs (E. O. D. ) pour la mise en forme de faisceaux laser de puissance. Nous distinguons deux types d'E. O. D. Relatifs aux deux principales approximations de la théorie scalaire de la diffraction : les éléments de Fourier et les éléments de Fresnel. La conception est alors effectuée à l'aide de l'algorithme itératif à transformée de Fourier et l'algorithme selon G. Yang et B. Gu. Nous étudions l'influence du diamètre du faisceau incident, du profil de phase, du facteur M2 et de la cohérence spatiale sur la reconstruction. Nous confirmons l'importance de la définition du faisceau incident par rapport aux performances désirées. Enfin, nous proposons deux techniques alternatives pour l'étape de fabrication : la Lithographie par Ablation Laser (L. A. L. ) et la photolithographie par contact avec des masques flexibles. La première technique a nécessité la mise en œuvre d'une station de micro-usinage dédiée utilisant un laser impulsionnel KrF émettant à 248 nm. Par opposition à la gravure directe par ablation laser, la technique L. A. L. Permet de fabriquer des E. O. D. Binaires avec n'importe quel type de substrats. L'approche multiniveaux est démontrée grâce à un calibrage du processus d'ablation laser. Nous montrons également que la seconde technique est réduite pour l'instant au cas d'E. O. D. Binaires pour des lasers de longueurs d'onde supérieures à 2 microns. Lors des tests, les longueurs d'ondes utilisées sont dans le domaine de l'infrarouge (laser à gaz carbonique et laser Nd:YAG) avec des irradiances moyennes et faibles. Nous proposons différentes configurations pour chaque laser. Ces suggestions sont validées par des simulations optiques grâce au modèle rigoureux de Turunen. De nouvelles applications avec des E. O. D. Sont finalement présentées comme le marquage laser de motifs complexes et le brasage laser multipoints.

This doctoral thesis describes the study of the design, fabrication and testing of Diffractive Optical Elements applied to high power laser beams. Two types of DOEs related to the two most important approximations in the diffraction scalar theory of electromagnetic waves can be distinguished : the Fourier and Fresnel elements. The design is established with the help of the iterative Fourier transform algorithm and the algorithm of G. Yang and B. Gu. In these cases, we study the influence of the diameter of the incident beam, the phase profile, the M2 factor, the electromagnetic modes and the spatial coherence on the performance of the reconstruction. We confirm that the performance in the reconstruction is closely related to the parameters of the incident beam. We propose two alternative techniques for the fabrication step : Laser Ablation Lithography (L. A. L. ) and contact photolithography with flexible masks. The first technique has required the use of a dedicated micromachining station with a pulsed KrF laser emitting at 248 nm. L. A. L. As opposed to direct etching with laser ablation allows binary DOEs with different susbtrates to be produced. The multilevel approach was implemented with a calibration of the ablation process. We also show that the second solution is limited today to the case of binary DOEs for laser sources emitting at wavelengths higher than 2 microns. In the tests, we used radiation in the infrared domain, with moderate power (carbon dioxide laser and Nd:YAG laser). We propose different configurations for each laser source. These suggestions are validated with optical and thermal simulations : they were made with the Turunen rigorous electromagnetic method. As a result of this work, new applications with DOEs are finally introduced such as laser marking or multi-point brazing.