Micro- et nano-usinage par laser à impulsions ultracourtes : amélioration de procédés par des méthodes tout optique

Micro- and nano-processing using ultrafast lasers : all-optical enhancing

• Auteur / Autrice : Sébastien Landon
• Direction : Eric Audouard, Razvan Stoian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Image Vision Signal
• Date : Soutenance le 21/10/2011
• Etablissement(s) : Saint-Etienne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Chavel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Baubeau, Stéphane Benayoun, François Courvoisier, Kevin Heggarty, Christophe Largeron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-usinage

Modulateurs de lumière

Lasers femtoseconde

Mots clés libres

Usinage femtoseconde

Mise en forme

Modulateurs Spatiaux de Lumière

Micro-usinage

Nano-usinage

Femtosecond machining

Beam shaping

Spatial Light Modulators

Micro-processing

Nano-processing

Résumé

La technique d’usinage par impulsions laser femtosecondes possède de nombreux avantages du fait des spécificités physique de l’interaction laser/matière en mode ultra-bref et est donc susceptible d’intéresser le monde industriel. Néanmoins elle présente aussi certaines limitations, principalement en terme de flexibilité et de productivité, limitant l’accès à ce marché. Pour repousser ces limites, nous proposons d’adjoindre des techniques de contrôle du faisceau, à la fois en taille, et plus généralement en forme, exploités par ailleurs dans d’autres domaines scientifiques (pincettes optiques notamment). Ces techniques reposent sur l’utilisation de modulateurs spatiaux de lumière (SLM). Deux solutions sont proposées : la modulation d’amplitude en configuration d’imagerie, et la modulation de phase pure en configuration de Fourier. Le formalisme, les différentes problématiques et la mise en oeuvre de ces deux techniques au sein d’une station de travail prototype que nous avons développée sont présentés. Enfin, nous mettons en évidence le gain apporté par ces techniques sur des problématiques concrètes, tels que l’usinage de réseaux résonant à l’échelle nanométrique, la réduction du temps d’usinage de ces réseaux (ou d’autres motifs), et l’amélioration de la qualité d’usinage de rainures

Femtosecond laser machining processes present many interesting properties owing to the specificities of the light/matter interaction in ultrafast regime. Thus the process may be of prime interest in industrial applications. However some aspects are not compatible with industrialization: namely a lack of flexibility and productivity. To overcome this limitations we propose to add beam shaping techniques in the process that allow control of the beam both in size and shape. These techniques are based on Spatial Light Modulators (SLM). Two different solutions are proposed: amplitude modulation in a geometrical conjugation scheme, and pure phase modulation in a Fourier scheme. Both are integrated in a prototype workstation. We justify the different choices made during the development by the analysis of the formalisms and specific problematics. Finally, enhancements of the femtosecond laser machining process are practically demonstrated in three different fields: reducing the resolution to nanometric scale, reducing the processing time of different texturations and enhancing the quality of simple grooves by modifying only the beam shape