Cette photographie montre l’intérieur d’une machine de microusinage laser ultrarapide de la famille Lumera Rapid / Super Rapid / Hyper Rapid, probablement acquise après le rachat de Lumera par Coherent. On reconnaît une architecture typique de station de micro-usinage industrielle :
- banc optique monobloc usiné dans l’aluminium pour une excellente stabilité thermique ;
- trajet optique entièrement fermé ;
- axes motorisés de haute précision ;
- modules optiques de façonnage du faisceau ;
- électronique de commande intégrée ;
- tête laser ultracourte séparée du système de balayage.
Ce que l’on distingue sur votre photo
-
- Chemin optique principal.
- Plusieurs montures motorisées.
- Possibles séparateurs de faisceau et optiques de conversion harmonique (532 nm et 355 nm).
- Boîtier rouge en haut à droite
- Très probablement le module laser scellé ou l’alimentation RF/électronique associée.
- Le gros dissipateur thermique indique une puissance moyenne relativement élevée.
- Partie inférieure
- Axes de déplacement de précision.
- Support d’échantillon.
- Capteurs de position.
- Possibles systèmes autofocus ou vision.
- Connectique fibre ou câblage blindé
- Synchronisation des impulsions.
- Commande des galvanomètres ou des axes.
Caractéristiques typiques des Lumera Rapid
Les premiers modèles RAPID étaient des lasers Nd:YVO₄ pompés par diodes produisant des impulsions d’environ 10 ps à 1064 nm, avec possibilité de génération harmonique à 532 nm et 355 nm. Les caractéristiques typiques étaient :
| Paramètre | Valeur typique |
|---|---|
| Longueur d’onde | 1064 nm |
| Harmonique 2 | 532 nm |
| Harmonique 3 | 355 nm |
| Durée d’impulsion | 8 à 12 ps |
| Énergie d’impulsion | jusqu’à 30 µJ |
| Répétition | jusqu’à 500 kHz |
| Qualité de faisceau | M² < 1,2 |
| Puissance moyenne | 2 à plusieurs dizaines de watts selon modèle |
Pourquoi les lasers picosecondes sont si performants
La durée d’impulsion est suffisamment courte pour que l’énergie soit déposée avant que la chaleur diffuse dans le matériau.
Pour une impulsion typique :
Pcre^te=EimpulsionτP_{cr\hat{e}te}=\frac{E_{impulsion}}{\tau}
Si l’on prend :
- 30 µJ
- 10 ps
on obtient :
Pcre^te≈3 MWP_{crête} \approx 3 \,\text{MW}
ce qui correspond exactement aux valeurs annoncées pour les systèmes RAPID.
Une fois focalisé sur un spot de quelques microns, on atteint facilement :
1011−1012 W/cm210^{11} – 10^{12}\ \text{W/cm}^2
suffisant pour ablater pratiquement tous les matériaux.
Précision atteignable
Les systèmes Lumera étaient réputés pour :
| Paramètre | Valeur |
|---|---|
| Spot focal | 3 à 20 µm |
| Résolution latérale | ~1 µm |
| Profondeur par tir | 50 nm à 1 µm |
| Rugosité | < 1 µm possible |
| Zone affectée thermiquement | quasi nulle |
Ces performances ont fait des lasers Lumera une référence pour le micro-usinage de précision.
Matériaux usinables
Un avantage majeur du picoseconde est qu’un seul laser peut traiter :
- acier inoxydable
- titane
- aluminium
- cuivre
- tungstène
- céramiques
- silicium
- GaAs
- saphir
- verre borosilicate
- quartz
- polymères
- diamant (dans certaines conditions)
avec très peu de bavures et pratiquement pas de fusion périphérique.
Rapport avec la polymérisation à deux photons
Comme nous en avons parlé précédemment, un système Lumera picoseconde peut également servir de source pour :
- absorption multiphotonique ;
- polymérisation 2 photons ;
- génération THz ;
- spectroscopie ultrarapide.
Cependant, pour la polymérisation 2 photons moderne, on préfère généralement des impulsions femtosecondes (100 à 300 fs) car le rendement d’absorption non linéaire augmente fortement lorsque la durée d’impulsion diminue.
