Applications

De nombreuses applications scientifiques et industrielles utilisent la forte puissance disponible par le laser CO2, combinée à l’absorption élevée de la silice à cette longueur d’onde. Cette partie décrit quelques applications. Nous présentons l’utilisation de cette technique pour la fabrication de micro-composants optiques et de fibres optiques. Le polissage et l’usinage par laser CO2 sont également présentés. Nous terminerons par une application visant le domaine de l’holographie optique.

Fabrication de micro-optiques

Pour la fabrication de micro-composants optiques, la fonte de verre par laser CO2

a été proposée [21]. En effet, les micro-lentilles sont utilisées pour connecter les sources de lumières à des détecteurs ou des modulateurs, de petites dimensions, ou bien à des fibres optiques. C’est à partir de tiges de verre, qu’il est possible d’obtenir des lentilles de formes différentes ayant des dimensions allant de quelques dizaines de micromètres à plusieurs millimètres. Cette technique est basée sur la fonte et le ramollissement du verre de silice. Pour obtenir une lentille sphérique, le faisceau laser est envoyé sur le bout d’une tige de verre. Quand la température de ramollissement est atteinte, une lentille de forme sphérique se forme par tension de surface. Sur la figure 1.8, (a) représente la tige avant le tir par laser CO2, (b) une lentille de forme sphérique de diamètre environ 35 µm. Notons que dans le cadre de ces applications, les paramètres d’irradiations sont sélectionnés afin d’atteindre les températures de déformation voire de ramollissement de la silice. Typiquement, le temps d’irradiation (∆t) est de l’ordre de la seconde, le faisceau laser (Φ) de dimension millimétrique pour une puissance delivrée (P) de quelques watts.

Figure1.8 – (a) Cylindre de verre avant le procédé par laser CO2. (b) le même cylindre après le tir : la lentille de forme sphérique est formée. La distance entre deux traits est de 100 µm. (Source [21])

L’ablation de matière par laser CO2a également été étudié dans le cadre de fabrication de micro-optiques appliquée au développement d’optique intégrée de petites dimensions.

En 2002, Markillie et al. ont mis en place une technique d’évaporation de silice [22]. Les durées d’irradiations utilisées varient de quelques dizaines jusqu’à la centaine de micro-seconde (les fluences mises en jeu vont de 25 à 100 J/cm2). Dans le but d’optimiser le procédé d’ablation par laser CO2, les seuils d’ablation et de fusion ont été étudiés en fonction de la durée d’irradiation. Ces études préliminaires ont permis à la communauté

scientifique, travaillant dans ce domaine, de concevoir des micro-composants complexes tel que des guides d’ondes multimodes (figure1.9) (Multimode Interference, MMI). L’équipe de Vasquez a également utilisé cette technique d’ablation afin de fabriquer des diviseurs ou séparateurs de faisceau [23].

Figure 1.9 – Coupe d’une observation d’un composant MMI (séparateur de puissance) (Source [23])

Fibres optiques

Concernant le domaine des fibres optiques, une des méthodes employées pour dénuder une fibre utilise l’irradiation par laser CO2 [24] [25]. Le dénudage, permettant le couplage entre fibres, s’effectue en envoyant les impulsions laser en périphérie de la fibre, qui est en rotation pendant les tirs.

Un exemple de dénudage d’une gaine en polymère plastique mettant en œuvre 100 tirs laser CO2, émettant à 9,2 µm, à 1,1 J/cm2 est présenté sur la figure 1.10 (a). Des études menées avec une longueur d’onde d’irradiation laser différente, à 10,6 µm, montrent un mauvais dénudage de la gaine en polymère. Le choix des paramètres d’irradiations est très important pour ce genre d’application, notamment la longueur d’onde ayant un fort impact (dans le cas du polymère plastique) sur le niveau d’absorption.

Figure1.10 – Observation par microscopie à balayage électronique de l’ablation par laser CO2 de la gaine en polymère d’une fibre optique pour une longueur d’onde d’irradiation de 9,2 µm (a) et 10,6 µm (b)). (Source [24])

La reproductibilité du clivage d’une fibre optique est un point critique pour les indus-triels de laser à fibre et des télécommunications. Des travaux [26] sur le traitement de bout de fibre par laser CO2 montrent la possibilité de produire des profils, en extrémité de fibre, plans, lisses ou symétriques sans arrondi ou rebond (dû à la fusion) aux bords de la fibre. Pour ces expériences, un laser CO2 émettant à 9,6µm a été utilisé afin d’avoir une profondeur d’absorption plus courte que le matériau de silice et ainsi limiter la zone affectée thermiquement. Pour ablater la fibre, le faisceau laser irradie la fibre qui pivote autour de son axe de rotation. La figure 1.11 représente un exemple de ce procédé : des impulsions de 47 µs ont été envoyées tous les 1,8° (ce qui donne la forme légèrement convexe en bout de fibre).

Figure1.11 – Profil de surface en extremité d’une fibre optique en verre de silice obtenue par plusieurs irradiation par laser CO2 de 47 µs de durée tous les 1,8° autour de la fibre.

(Source [26]) Polissage

Le polissage par laser CO2 a pour but de modifier les propriétés de surface d’un verre afin de diminuer sa rugosité. Comparativement au polissage mécanique, le polissage par laser est avantageux car il ne nécessite pas d’abrasif mécanique, est plus rapide et permet de traiter des surfaces asphériques et qui ne sont pas de révolution (qui ne peuvent pas être polies en utilisant des techniques classiques).

Pour cette application, le faisceau laser est mis en mouvement, par des miroirs gal-vanométriques, à haute vitesse (de l’ordre de la dizaine de mm/s) [27]. Ce balayage à haute vitesse permet d’obtenir une "ligne focale" qui se déplace perpendiculairement à la surface de l’échantillon à quelques dizaines de mm/s, comme représenté sur la figure 1.12 (a). La puissance du laser CO2 utilisée ici est d’environ 1kW. Ainsi, en raison de la forte absorption du rayonnement laser dans une faible épaisseur du matériau de verre, la température augmente jusqu’aux points de déformation, voire de ramollissement, sans atteindre les températures d’évaporation. Par effet de tension de surface, la surface est

lissée sans ablation de la matière. Cette technique permet d’atteindre un écart de profon-deur inférieur à 1 µm, en quelques dizaines de secondes, pour des lentilles de silice fondue de 25 mm de rayon. Le résultat d’un polissage d’une lentille asphérique en BK7 est donné sur la figure1.12 (b).

x y b_Line

P_L

vs

v

(a) (b)

Figure 1.12 – (a) Principe du polissage laser par laser CO2 à grande vitesse et (b) exemple de résultat d’un polissage sur une lentille asphérique en BK7. (Source [27]) Marquage et découpe

Au cours de ces dernières années, le marquage sur verre par laser CO2 a été l’une des premières application dans les industries du verre (fabrication et commercialisation) et dans l’automobile (figure 1.13 (a)). Comparé à d’autres techniques de marquage, les principaux avantages du marquage par laser CO2sur le verre sont l’absence de dégradation du marquage, sa très haute précision et la possibilité de marquer des endroits difficiles d’accès [28].

Figure 1.13 – (a) Tube de verre marqué par laser CO2 (b) Lame de verre de quelques centaines de microns d’épaisseur.

Dans le cadre d’applications comme la fabrication de lames de microscope ou bien d’écrans de téléphone portable, la découpe par laser CO2 [29] est appliquée pour des lames de verre ayant une épaisseur de quelques dizaines à quelques centaines de microns.

Composants optiques holographiques

L’irradiation par laser CO2 sur un matériau de verre peut également être utilisée dans le cadre de l’holographie optique. Un procédé proposé par Wlodarczyk et al. [30]

consiste à concevoir des "structures holographiques" à la surface d’un verre. Ces structures binaires contiennent des informations d’une image et/ou d’un caractère, comme présenté dans la figure 1.14 (la répartition des structures est obtenue par des méthodes basées sur des algorithmes de transformée de Fourier itératifs). Un hologramme correspond donc à une matrice de pixels disposés selon un motif approprié dans lequel chacun des pixel correspond à un cratère ou une bosse, créant ainsi un déphasage local.

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Fig. 9. Design and fabrication process of holographic structures on glass.

#253539 Received 6 Nov 2015; revised 11 Jan 2016; accepted 12 Jan 2016; published 19 Jan 2016

2016 OSA EXPRESS 1458

Figure 1.14 – Procédure de design et de fabrication de structures holographiques sur verre.(Source [30])

Afin d’obtenir des cratères lisses ayant un diamètre de 20µm pour une profondeur de moins de 500 nm, le verre est irradié avec un faisceau laser de puissance 20 W durant 10µs avec un diamètre de 35µm. Ceci fournit une combinaison de fusion et d’évaporation. Un exemple de matrice de pixel est donné sur la figure 1.15 (a) ainsi que l’image diffractée associée obtenue (b).

Figure 1.15 – (a) Exemple de cartographie 3D de la structure holographique produite dans un verre de silicate de bore. (b) Image de diffraction obtenue par les structures dans le verre (par un faisceau laser visible). (Source [30])