Brevet FR2872351A1 — publié le 20051230

Laser ultra-bref haute cadence avec conformation dynamique de faisceau La présente invention se rapporte à un laser ultrabref à haute cadence et 5 conformation dynamique du faisceau. Les sources laser produisant des impulsions ultra-courtes sont utilisées, entre autres, pour le micro-usinage, et sont connues, par exemple, d'après le brevet U.S. N 6 628 877 (Société CLARK-MXR). La source décrite dans ce brevet est particulièrement intéressante car elle permet, pour des matériaux suffisamment minces (typiquement d'épaisseur inférieure au millimètre), d'effectuer des micro-usinages à effet thermique colatéral extrêment limité [Le Harzic 2002]. Les références notées entre crochets sont détaillées à la fin de la présente description. L'intérêt industriel d'une telle méthode est la montée en cadence de façon à diminuer le temps de process. Par ailleurs, des sources laser utilisant des éléments optiques diffractants fixes permettent une mise en forme du faisceau avant process, comme par exemple des lasers excimères utilisés pour obtenir une répartition homogène du faisceau. De telles sources sont utilisées, par exemple, en lithographie, micro-usinage, recuit laser de matériaux,... La présente invention a pour objet un laser à impulsions ultra-courtes et à haute cadence dont le faisceau puisse être mis en forme en temps réel ou quasi-réel pour pouvoir s'adapter aux contraintes imposées par le système utilisant un tel laser, et cela avec une perte d'énergie laser négligeable. Par exemple, lorsque ce laser est utilisé en micro-usinage, la forme de la partie active de la section droite du faisceau doit pouvoir être adaptée au travail d'usinage, au rythme du déplacement relatif entre la pièce usinée et le faisceau laser, et facilement modifiable lors d'un changement d'application. Le laser conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte une source laser suivie d'un dispositif de conformation dynamique de faisceau laser, lui-même suivi d'un dispositif de mise en oeuvre applicative du faisceau laser après sa conformation. 2872351 2 Selon une autre caractéristique de l'invention, le laser comporte un dispositif actif de modification de front d'onde suivi d'un dispositif de prélèvement de faisceau et d'un mesureur de front d'onde, relié par une boucle de contre-réaction au dispositif actif de modification de front d'onde. Le dispositif de l'invention présente un réel intérêt industriel: les impulsions ultra-courtes garantissent un procédé propre , la haute cadence diminue le temps de process, la mise en forme programmable et/ou asservie permet de structurer la forme de la section du faisceau et de la faire varier par tout dispositif de commande tel qu'un ordinateur. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est une vue simplifiée en perspective d'un laser conforme à l'invention, et - la figure 2 est une vue partielle en coupe du dispositif de mise en forme de faisceau du laser de la figure 1. Le dispositif de l'invention, schématiquement représenté sur les figures du dessin, comporte essentiellement: une source 1 de rayonnement lumineux cohérent de type laser émettant des impulsions ultra-courtes (de durée inférieure à 100 ps, et, de préférence, inférieure à 10 ps) à haute cadence (supérieure ou égale à 1 kHz), un dispositif 2 de conformation dynamique de faisceau, comportant un dispositif 3 d'analyse de front d'onde, et - un dispositif 4 de mise en oeuvre applicative du faisceau après sa conformation. La source 1 est une source de rayonnement cohérent de type laser qui fonctionne en régime impulsionnel à blocage de modes et délivre des impulsions ultra-courtes. Les énergies délivrées pour chaque impulsion sont typiquement supérieures à 10 nJ. La source émet à une longueur d'onde compatible avec le dispositif de conformation dynamique de faisceau, décrit ci-dessous. A titre d'exemple, il peut s'agir d'une chaîne femtoseconde amplifiée basée sur le cristal de Saphir dopé Titane émettant des impulsions de 4 J pour une durée de 200 fs à une cadence variable de 10 à 250 kHz (par exemple le produit commercial RegA de la société Coherent, USA). Il peut également s'agir d'une source femtoseconde pompée par diodes et basée sur le dopage à l'ion Ytterbium émettant des impulsions de 100 J pour une durée de 400 fs à une cadence de là 10 kHz (par exemple le produit commercial S-pulse Amplitude Technologie, France). Le dispositif de conformation dynamique de faisceau 2 de l'invention est un dispositif essentiellement optique composé d'une partie qui est un dispositif actif 5 de modification du front d'onde de la source laser et de la partie 3 d'analyse de ce front d'onde. Ces deux parties sont reliées par une boucle de contre-réaction 6, reproduisant ainsi le schéma de principe d'une boucle d'optique adaptative (voir figure 1). La partie 5 de modification active du front d'onde contient deux éléments: -un premier composant (non représenté) est fixe ou actif. Il est chargé du réglage grossier du front d'onde plan ou sphérique sur un diamètre de l'ordre de 10 à 20 mm. S'il est fixe, il peut être un système optique afocal composé de lentilles et/ou miroirs qui peut être déréglé de manière à fabriquer une courbure du front d'onde. Il peut également être un élément optique diffractant fixe réalisant une fonction de pré-mise en forme qui sera modulée par le deuxième élément. S'il est actif, il peut être un miroir ou une membrane déformable ou un MEM (dispositif à micro-miroirs mobiles). Ces composants sont adressés électriquement et pilotés par ordinateur. -un deuxième composant est actif et possède une résolution spatiale plus élevée que celle du premier composant (typiquement 50-100 m). Il est basé sur une couche de cristal liquide. Ce composant peut être une valve optique adressée optiquement non pixellisée [Aubourg 82] (figure 2) ou tout autre dispositif de type modulateur spatial de lumière (par exemple, modèle commercial Hammamatsu, pixellisé, adressé électriquement). Ce composant actif vient affiner la mise en forme spatiale grossière du front d'onde effectuée par le premier composant. 2872351 4 Un exemple de réalisation 7 de ce deuxième composant, appelé valve optique, est représenté en figure 2. Il est placé sur le trajet du faisceau laser 8, en aval du premier composant (non représenté) de mise en forme grossière. La valve 7 est précédée d'une lame dichroïque 9, disposée à 45 par rapport à l'axe du faisceau 8. La lame 9 reçoit un faisceau 10 de lumière incohérente d'adressage qu'elle renvoie vers la valve 7. On notera que le faisceau pourrait être un faisceau de lumière cohérente, mais dans ce cas, il risquerait de créer des tavelures ( speckles en anglais) sur la valve. Le faisceau 10 a, dans le cas présent, une section inférieure à celle du faisceau 8 parce que dans ce cas on cherche à modifier le front d'onde uniquement dans la partie centrale du faisceau 8. Il est cependant possible d'utiliser un faisceau 10 de section sensiblement égale à celle du faisceau 8 lorsque l'on veut modifier le front d'onde sur toute la section du faisceau 8. La valve 7 comporte, de façon connue en soi, un empilement d'éléments, tous transparents à la longueur d'onde laser utilisée, et comprenant respectivement un substrat de verre 11, une première électrode 12 (en ITO par exemple), une cellule 13 à cristaux liquides, une lame 14 en BSO et une deuxième électrode 15. Les deux électrodes 12 et 15 sont reliées à une source de tension électrique commandable appropriée 16. Le fonctionnement d'une valve optique étant bien connu en soi, ne sera pas décrit ici, et on décrira que l'influence exercée par une telle valve sur le faisceau laser 8. Le faisceau d'adressage 10 de la valve 7 modifie, en coopération avec le champ électrique créé par les électrodes 12 et 15 lorsqu'elles reçoivent la tension produite par la source 16, l'orientation des cristaux liquides de l'élément 13 recevant ce faisceau 13, en fonction de l'intensité de ce dernier. Cette intensité n'est pas homogène sur toute la section du faisceau 10, mais est modulée en fonction du profil de transparence que l'on veut conférer à l'élément 13. Dans l'exemple de réalisation représenté sur le dessin, cette transparence doit être la plus élevée au centre de la section du faisceau 8, et diminuer de façon sensiblement gaussienne vers la périphérie de la section. Il en résulte que le front d'onde 17 du faisceau laser 8, qui est plan en amont de la valve 7, est déformé lors de son passage à travers la valve 7. Dans l'exemple représenté, la partie centrale du front d'onde 18, juste en aval de la valve 7, est en avance de phase par rapport à sa périphérie, et présente en coupe un 2872351 5 profil gaussien. Ainsi, la puissance du faisceau laser issu de la valve 7 est concentrée en son centre et diminue vers sa périphérie selon une loi sensiblement gaussienne. C'est cette partie centrale du faisceau qui est alors essentiellement sa partie active pour l'application considérée (micro-usinage dans leprésent exemple), et sa forme est déterminée par la répartition spatiale d'énergie du faisceau d'adressage 10. La partie 3 d'analyse du front d'onde ainsi produit contient un système optique de prélèvement de faisceau 19, comportant (de façon non représentée en détail) un dispositif d'imagerie avec les filtres atténuateurs adéquats, et un mesureur de front d'onde 20 (de type ShackHartmann, par exemple le produit commercial HASO, produit par la société Imagine Optique, France) ou un senseur de courbure ou un senseur à décalage tri-latéral (produit par la société Phasix) ou un senseur de Hartmann modifié (J. Primot, L. Sogno, J. Opt Soc Am A 12 (12) 1995 2697), ou senseur de Hartmann par masque variable utilisant un modulateur spatial de lumière [Olivier 2000] ou tout autre dispositif optique réalisant cette fonction.... Une boucle 6 de contre-réaction informatique est également mise en place entre l'analyseur 3 du front d'onde et les dispositifs d'adressage des éléments actifs du sous-ensemble 5, de façon à rectifier le front d'onde en temps réel ou quasi-réel (typiquement avec un temps de réponse d'environ l ms à 1s). Cela correspond à une boucle d'optique adaptative classique . Le dispositif 4 de mise en oeuvre applicative du faisceau après sa conformation comporte tout d'abord un objectif 21 dit lentille de Fourier qui focalise le faisceau ainsi structuré et produit en son point focal une tache ayant la répartition spatiale souhaitée (ronde, carrée, gaussienne, triangulaire, annulaire...). Si la dimension minimale de cette tache ne correspond pas aux dimensions requises, un dispositif d'imagerie à lentilles et/ou miroirs peut être ajouté en aval de la valve 7. Au niveau de la tache image du faisceau laser, on dispose l'échantillon 22 sur lequel le process laser est mis en oeuvre. Pour cela, l'échantillon est relié mécaniquement à un ensemble mécanique mobile 23 qui est piloté par un ordinateur 24. Cet ensemble 23 peut être typiquement: -un ensemble de platines motorisées 2872351 6 -un système à miroirs galvanométriques, autrement appelé scanner -toute combinaison des deux systèmes ci-dessus. Références [Le Harzic 2002]: R. Le Harzic, N. Huot, E. Audouard, C. Jonin, P. Laporte, S. Valette, A. Fraczkievicz and R. Fortunier, Comparison of heat-affected zones due to nanosecond and femtosecond pulses using transmission electronic microscopy , Appl. Phys. Lett. 80, 3886 (2002). [Aubourg 82] : P. Aubourg, J.P. Huignard, M. Hareng and R.A. Mullen, Liquid crystal light valve using bulk monocrystalline Bi12SiO20 as the photoconductive 10 material", Appl. Opt. 21, 3706 (1982). [Olivier 2000] : S. Olivier, V. Laude and J.P. Huignard Liquid-crystal Hartmann wave-front scanner , Appl. Opt. 39, 3838 (2000). 7 REVENDICATIONS 1. Laser ultra-bref à haute cadence et conformation dynamique du faisceau, caractérisé en ce qu'il comporte une source laser (1) suivie d'un dispositif (2) de conformation dynamique de faisceau laser, lui-même suivi d'un dispositif (4) de mise en oeuvre applicative du faisceau laser après sa conformation. 2. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de conformation dynamique comporte un dispositif actif de modification de front d'onde (5) suivi d'un dispositif (19) de prélèvement de faisceau et d'un mesureur de front d'onde (20), relié par une boucle de contreréaction (6) au dispositif actif de modification de front d'onde. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le dispositif actif de modification de front d'onde comporte un premier composant de réglage grossier du front d'onde et un deuxième composant à résolution spatiale plus élevée que celle du premier composant. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le premier composant du dispositif actif de modification de front d'onde comporte l'un des éléments suivants: un système optique afocal composé de lentilles et/ou de miroirs, un élément optique diffractant, un miroir ou une membrane déformable, un dispositif MEM à micro-miroirs mobiles. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que le deuxième composant du dispositif actif de modification de front d'onde comporte une valve optique adressée optiquement (7) ou un modulateur spatial de lumière à adressage électrique. 6. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que le dispositif de mise en oeuvre applicative (4) comporte un objectif (21) focalisant le faisceau conformé.