Procédés laser femtoseconde - Applications industrielles des impulsions ultrabrèves

Les impulsions ultrabrèves constituent une nouvelle technologie laser permettant l'accès à un mode d'interaction laser-matière très original par rapport aux lasers conventionnels, continus, ou délivrant des impulsions de durées supérieures à la nanoseconde. Les impulsions laser ultrabrèves recouvrent un domaine de durée d'impulsion allant de la femtoseconde (10⁻¹⁵ s) à la picoseconde (10⁻¹² s). Ces impulsions sont à l'origine d’applications très innovantes dans le domaine du traitement des matériaux. Une distinction s’opère alors entre les impulsions femtoseconde, habituellement d’une durée de quelques centaines de femtoseconde, et les impulsions picoseconde, d’une durée supérieure à 1 ps. Nous n'évoquerons pas dans cet article les applications d’imagerie, pour lesquelles une visualisation sans modification du matériau est recherchée, domaine où les technologies ultrabrèves jouent aussi un rôle. Nous n’aborderons pas non plus le domaine des très hautes énergies, utilisées pour les grands instruments de recherche comme le Laser MégaJoule (LMJ). Le champ des procédés lasers concerne une modification apportée à un matériau et adresse plutôt les applications industrielles des lasers. Cette modification peut conduire à un enlèvement de matière, appelé ablation laser. Nous insisterons donc sur les caractéristiques de l'interaction laser-matière en mode ultrabref et leur intérêt dans le développement d’applications.

Dans le cas des impulsions laser ultrabrèves, une physique de l’interaction laser-matière très originale conduit au besoin d’une expertise très spécifique pour la maîtrise des procédés. Leur développement a été rendu possible par les nombreux résultats de recherche en laboratoire, associés à une intense activité de publication scientifique. Avant même les années 2000, date du démarrage effectif des premières utilisations des impulsions femtoseconde en chirurgie ophtalmique, des applications industrielles innovantes ont été imaginées et étudiées avec les moyens disponibles. La motivation de ces études était, et est encore, la levée de verrous technologiques limitant le champ des applications concernées. En particulier, la « marque de fabrique » des procédés femtoseconde est la très grande précision de réalisation des usinages, habituellement de l’ordre de la dizaine de microns, mais pouvant assez facilement atteindre quelques centaines de nanomètres, et simultanément la non-altération des matériaux en dehors de la zone traitée.

La première période du développement des procédés femtoseconde avait donc pour objectif d'atteindre le stade industriel. En France, plusieurs centres techniques se sont très tôt engagés dans cette voie, dans un contexte de forte compétition, essentiellement en Allemagne et au Japon. Grâce au développement et à la mise sur le marché, dès les années 2000 en France, de sources laser adaptées aux applications industrielles, ces technologies ont atteint la maturité nécessaire pour passer le cap des premières industrialisations. Les applications concernées se trouvaient surtout dans le domaine médical, mais le secteur de la production industrielle a aussi très vite démarré. Des machines de micro-usinage femtoseconde font désormais partie du catalogue de nombreux fournisseurs, spécialement en Europe et en Asie.

Depuis les années 2020 et la possibilité d’utiliser des sources laser multi centaines de watts, les secteurs industriels du « macro-usinage » comme l’automobile ou l’aéronautique sont désormais accessibles aux technologies femtoseconde. Plusieurs développements majeurs sont attendus dans ces domaines, spécialement dans le cadre des efforts actuels pour une industrie plus respectueuse de l’environnement. Les techniques laser d’ablation peuvent par exemple permettre un remplacement des techniques chimiques d’érosion très polluantes. La productivité désormais atteinte pour la texturation de grandes surfaces permet d’envisager les applications de réduction des frottements mécaniques (moteurs) ou de résistance à l’air (ailes d’avion).

Les technologies de l’ultrabref sont plurielles, les procédés laser associés pouvant être très différents, elles requièrent donc une forte expertise. Pour permettre au lecteur de se repérer dans ce vaste champ de développements scientifiques et technologiques, nous proposons dans cet article le parcours suivant : nous introduirons tout d’abord la nature spécifique et originale des impulsions femtoseconde. Une description plus précise des mécanismes d’interaction laser matière nous permettra alors de pénétrer au cœur de cette spécificité. Nous montrerons ensuite le lien entre la compréhension des mécanismes et les possibilités d’optimisation des procédés. À cette étape du parcours, l’exposé de la grande variété de mises en œuvre des procédés permettra de comprendre l’ampleur du champ applicatif. Enfin, nous terminerons par une revue des principaux secteurs industriels où les procédés femtoseconde se déploient.

Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et une liste des symboles utilisés.