Expérience sur la soudure de deux matériaux transparents

La mise en contact des surfaces est la première étape du processus de soudure et elle est très déterminante quant à la qualité de la jonction finale. L’écart entre les surfaces à l’endroit où la soudure sera inscrite doit être inférieur à λ/4 afin d’assurer la réussite du processus, sinon il y aura ablation des surfaces sans création d’une jonction [13]. Comme on verra à la section 3.3, le critère λ/4 est du même ordre de grandeur que les déformations de surface en partie responsables du mélange de la matière pendant l’irradiation. Pour cette expérience, la qualité de surface des échantillons était insuffisante pour appliquer la technique améliorée de mise en contact décrite à la section 3.1.3. Ainsi, une monture a été conçue pour appliquer une pression au centre d’un assemblage de deux lames suivant le principe illustré à la figure 3.1a. Les lames de verre ont été préalablement nettoyées avant la mise en contact. Lors du rapprochement des surfaces, il faut appliquer tout juste la bonne pression pour produire les anneaux de Newton entourant une tache sombre centrale. L’application d’une pression excessive génère des contraintes dans l’assemblage qui risquent de diminuer la résistance mécanique du joint, voire rompre la soudure lors du retrait de la monture.

La suite du procédé tel que décrit par Tamaki et al. consiste à focaliser le faisceau laser à l’intérieur de la tache sombre tout en s’assurant d’ajuster les conditions d’exposition pour générer des filaments optiques qui croiseront l’interface. La soudure est inscrite en déplaçant l’échantillon dans le plan perpendiculaire à l’axe du faisceau, de façon à créer un volume de matière jointe par un balayage de trame. Pour cette expérience, la géométrie de balayage de la figure 3.1b a été employée, soit une succession de carrés de 100 µm de côté, chaque carré étant le produit de 100 lignes de 100 µm de longueur dans la direction x, décalées de 1 µm dans la direction y. La figure 3.7 montre un assemblage de deux lamelles de borosilicate soudées par laser fs. Le point au centre de l’assemblage correspond à la tache sombre de la figure d’interférence de Newton où la soudure a été inscrite. L’agrandissement de cette zone permet de bien distinguer cette tache centrale, entourée d’anneaux concentriques qui correspondent aux franges de Newton. La région soudée, soit un carré de 600 µm de

côté composé de 36 régions distinctes de 100 µm de côté, est complètement confinée à l’intérieur de la tache centrale.

Figure 3.7 : Photographie d’un assemblage soudé par laser fs de deux lamelles de borosilicate et agrandissement de la tache centrale, où la région soudée a été inscrite. (Objectif : 10X 0.3 NA, Laser : 789 nm, 250 kHz, 75 fs, 0.5 µJ, 1 mm/s)

Par rapport aux travaux de Watanabe et al. [13], nous avons exploité le fait de travailler à une cadence de 250 kHz afin d’augmenter la vitesse d’exécution du procédé. Ce groupe soude à des vitesses inférieures à 1 mm/s, travaillant principalement avec un système laser offrant une cadence fixe de 1 kHz. Or, le fait de travailler à 250 kHz nous permet d’augmenter la vitesse de translation d’un facteur 250 tout en conservant le même taux de superposition spatial des impulsions (i.e. le nombre d’impulsions incidentes dans le matériau par unité de volume). Ainsi, dans le cadre de la présente expérience visant à délimiter les conditions propices à la soudure avec notre montage, des soudures ont été inscrites à des vitesses de balayage jusqu’à 10 mm/s dans le borosilicate, soit 10 fois plus élevées que lors des essais similaires menés par Watanabe et al. Les mêmes essais avec des lames en silice fondue ont permis l’inscription de soudures à une vitesse maximale de 2 mm/s, soit environ 50 à 100 fois supérieure aux vitesses utilisées par les mêmes auteurs. Toutefois, nous avons choisi de limiter la vitesse de balayage dans la plupart des expériences à 1 mm/s au lieu d’essayer de toujours exploiter le maximum de rapidité. Il a été démontré que la résistance mécanique des soudures est légèrement supérieure pour des vitesses de

Toujours par rapport aux travaux de ces mêmes auteurs, l’énergie par impulsion utilisée lors de notre expérience est nettement inférieure alors que la longueur d’onde (≈ 800 nm), l’ouverture numérique de la lentille (0.3 NA) ainsi que la durée d’impulsion (≈ 80 fs) sont presque identiques dans les deux cas. Un parallèle quant aux types de modifications attendues peut être fait entre la silice fondue, matériau qui est bien documenté, et le verre de type borosilicate qui a été utilisé dans le cadre de ces expériences. Nous supposons que les types de modifications inscrites dans la silice fondue peuvent également être générées dans le borosilicate, et ce avec des seuils T1 et T2 différents mais qui suivront la même allure générale. Ainsi, l’énergie par impulsion utilisée par Watanabe et al. pour souder le borosilicate (1 – 12 µJ) doit vraisemblablement être majoritairement supérieure au seuil T2. À la section 3.1.4, les défauts typiques d’une modification inscrite au-dessus du seuil T2 ont été décrits avec les impacts potentiels sur la qualité de la soudure. C’est pourquoi nous avons choisi d’ajuster l’énergie par impulsion afin d’être près de la limite d’inscription d’une modification, et donc supérieure à la puissance critique d’autofocalisation (≈ 0.2 µJ @ 80 fs pour le borosilicate) et du seuil d’inscription T1, tout en demeurant sous le seuil de modification de matière de type 2. Notre hypothèse est que la résistance mécanique des joints sera meilleure dans ces conditions.