Conception et réalisation d’une source laser femtoseconde GHz et applications au régime d’ablation très haute cadence

Abstract

Ces deux dernières décennies, la technologie des lasers femtosecondes a considérablement gagné en maturité et en fiabilité. Ces impulsions permettent aujourd’hui de réaliser des procédés de micro-usinage avec des dommages thermiques minimes, autorisant ainsi de travailler avec une grande précision sur des matériaux fortement sensibles à la température. Néanmoins, l’implantation de cette technologie dans le marché des applications industrielles est freinée par une productivité insuffisante. Pour pallier à ce problème, les stratégies utilisées consistent en une optimisation des procédés et en l’obtention de puissances moyennes de plus en plus élevées avec ces sources laser. Une autre voie propose d’augmenter l’efficacité des procédés d’ablation en délivrant différemment l’énergie sur la matière : par rafales d’impulsions de faible énergie plutôt que par impulsions uniques de forte énergie.De récents travaux ont montré que l’utilisation de rafales d’impulsions à des cadences de l’ordre du GHz permet d’atteindre des niveaux d’efficacités supérieurs d’un ordre de grandeur à ceux de l’usinage par impulsions femtosecondes classique. Ces résultats encourageants sont néanmoins controversés, d’autres travaux ayant par la suite mis en évidence des niveaux d’efficacité en deçà des attentes mais aussi la présence de dommages thermiques sur les matériaux usinés. Une étude approfondie de ce potentiel nouveau procédé d’usinage est donc nécessaire afin de s’assurer d’une part qu’il présente bien un intérêt et d’autre part de mettre en évidence les conditions optimales pour son utilisation. Pour cela, différents oscillateurs optiques délivrant des rafales d’impulsions femtosecondes à des cadences de l’ordre du GHz ainsi que des amplificateurs ont été développées. Ces systèmes lasers innovants présentent une grande flexibilité sur les paramètres laser accessibles (cadence et énergie des impulsions, nombre d’impulsions par rafale notamment). Cette flexibilité nous a permis de mener une étude approfondie du procédé d’ablation par rafales GHz sous la forme de nombreux essais d’usinage sur des matériaux d’intérêts industriel. Cette étude a mis en évidence l’influence des différents paramètres laser et a ainsi permis d’expliquer l’inhomogénéité des résultats obtenus avec ce procédé et d’orienter l’utilisation de ce procédé dans des conditions favorables à l’obtention d’un usinage efficace et de bonne qualité.