A pr´esent, nous allons donner une description des moyens mis en œuvre pour r´ealiser des exp´eriences d’ablation et pour d´eterminer la quantit´e de mati`ere ablat´ee `a chaque tir laser. Cette s´erie de mesures a ´et´e r´ealis´ee au LTSI de Saint-Etienne au sein de la plateforme Femto. 5.2.1 Proc´ed´es exp´erimentaux
Les impulsions laser ultracourtes sont g´en´er´ees au moyen d’une chaˆıne laser Ti : saphir. Des impulsions de basse ´energie sont extraites d’un oscillateur `a mode bloqu´e et sont ensuite inject´ees dans l’amplificateur `a d´erive de fr´equence (syst`eme« concerto » de Thales Laser) qui inclue un ´etireur d’impulsion, un amplificateur r´eg´en´eratif, un amplificateur `a deux passages et un compresseur d’impulsion. Des impulsions d’une longueur d’onde de 800 nm, une ´energie de 1.5 mJ, un taux de r´ep´etition de 1 kHz et d’une dur´ee typique de 170 fs (FWHM) sont obtenues. Des objectifs de focalisation de longueurs focales ´egales `a 10 ou 25 mm sont utilis´es pour permettre de graver des rainures de moins de 30 µm de largeur. Le montage exp´erimental complet est repr´esent´e sur la figure (5.3).
He-Ne
RD
DP1
BS M4
M3
M2
M1
DP3
DP2
A
O/2 P
CCD
OBJ
L E
AMP
OSC
YLF CLO
Fig. 5.3 – Montage exp´erimental [92]. OSC : oscillateur Ti : saphir, 80 MHz, 800 nm, 1.6 nJ/impulsion, 120 fs ; YLF : laser Nd : YLF, 532 nm, 20 W, 1 kHz, 400 ns ; AMP : am-plificateur `a d´erive de fr´equence, 1 kHz, 800 nm, 1.5 mJ par impulsion, 150 fs ; He-Ne : laser H´elium-N´eon continu d’alignement et d’imagerie ; CLO : synchronisation et compteur d’impul-sions ; Mi : miroirs ; BS : lame s´eparatrice ; A : ouverture circulaire ; DPi : lame dichro¨ıque ; P : polariseur ; λ/2 : lame demi-onde ; L : lentille ; OBJ : objectif de focalisation ; RD : diffuseur tournant ; E : ´echantillon.
Le proc´ed´e d’ablation est contˆol´e en temps r´eel grˆace `a un syst`eme d’imagerie incoh´erente qui consiste `a illuminer une lame diffusante en rotation avec un laser He-Ne. Les effets de
Chapitre 5 : Détermination de l’ablation de matière
« speckle » observ´es avec la cam´era CCD sont alors liss´es. L’irradiation laser est r´ealis´ee au point image d’une ouverture localis´ee avant l’objectif ce qui permet de r´eduire les effets de conicit´e des crat`eres dus `a un faisceau spatiallement inhomog`ene au point focal. En d´epla¸cant l’´echantillon devant le faisceau laser fixe, des fentes ou rainures sont alors cr´e´ees, plus ou moins profondes suivant le nombre de passages. Sur la figure (5.4), nous avons juxtapos´e une photographie MEB (Microscope Electronique `a Balayage) de fentes ´egalement espac´ees `a une image profilom´etrique obtenue avec un profilom`etre optique.
Fig.5.4 – Image MEB de fentes obtenues pour diff´erents nombres de passages devant le faisceau (`a gauche). Image donn´ee par le profilom´etrique optique d’un r´eseau de fentes (`a droite).
La profondeur de chacune des fentes est mesur´ee au moyen d’un profilom`etre optique d’une r´esolution de 10 nm environ en profondeur. Il est important qu’il y ait eu suffisamment d’im-pulsions en chaque point de la rainure pour s’assurer de pouvoir r´ealiser une moyenne de la quantit´e de mati`ere ablat´ee par tir. Plusieurs observations ont en effet montr´e que la quantit´e de mati`ere ablat´ee ´etait diff´erente lors des premi`eres impulsions, sans doute en raison des effets de surface [92]. Ensuite, pour quelques dizaines d’impulsions jusqu’`a quelques centaines, le taux d’ablation par impulsion reste constant. Il s’agit de notre domaine d’´etude afin de nous limiter au cas o`u la profondeur ablat´ee est lin´eaire en fonction du nombre de tirs. De plus, cette derni`ere a tendance `a saturer pour un nombre d’impulsions trop important en raison de la formation de plus en plus prononc´ee du crat`ere dans lequel doit se propager chaque impulsion. Nous avons donc impos´e un recouvrement local d’une dizaine d’impulsions par passage devant le faisceau laser pour satisfaire la condition de reproductibilit´e impliquant que chaque impulsion rencontre un ´etat de surface presque identique et produise alors des dommages similaires. Nous allons maintenant pr´eciser de quelle mani`ere nous avons mesur´e un taux d’ablation par impulsion dans la cible.
5.2.2 Obtention d’un taux d’ablation
Plusieurs s´eries de rainures sont r´ealis´ees pour diff´erents nombres de passages `a une fluence donn´ee. Ces rainures sont usin´ees au plan image d’une lentille de focale 10 mm. Le diam`etre th´eorique du faisceau laser est alors estim´e `a 16 µm, il doit correspondre `a la largeur maximale des rainures si la diffusion thermique, les aberrations et l’incertitude sur le d´eplacement des platines sont n´eglig´ees. Le taux d’ablation par tir doit ˆetre effectu´e sur la surface de la tache focale pour ˆetre coh´erent avec la fluence utilis´ee. Or, si en th´eorie la tache laser est homog`ene, similaire `a un« top-hat » au plan image, en pratique ce n’est pas tout `a fait le cas et l’intensit´e du faisceau se r´ev`ele ˆetre moins forte sur les bords qu’au centre. Il peut alors advenir que pour les plus faibles ´energies laser, seule une portion de la tache laser conduise `a de l’ablation. Dans ce cas, il convient de faire attention `a la notion conjointe de fluence et de taux d’ablation. En effet, le diam`etre de la tache focale, d´efinissant la valeur de la fluence, n’a aucune raison d’ˆetre d´etermin´e par le diam`etre du volume endommag´e, comme il est coutume de le faire [49, 81, 111]. Pour mesurer avec plus de pr´ecision la tache focale, des trous sont ´egalement r´ealis´es `a cˆot´e de chacune des s´eries. Ils ont ´et´e effectu´es par huit impulsions et leur dimension doit permettre d’identifier au mieux le diam`etre du volume ablat´e par une impulsion. Nous mesurons au profilom`etre optique la profondeur moyenne ablat´ee sur la rainure mais il faut ´egalement moyenner sur la surface n’ayant pas ´et´e ablat´ee pour rester coh´erent avec notre d´efinition de la fluence. Ainsi, si nous notons φt le diam`etre du trou et φs le diam`etre du spot au plan impage, estim´e grˆace `a la relation de conjugaison d’optique g´eom´etrique [19],le taux d’ablation moyen Tmoy s’´ecrit en fonction du taux d’ablation mesur´eTmes :
Tmoy=Tmes×φt
φs (5.1)
Le taux d’ablation mesur´e par tir s’exprime comme le rapport de la profondeur ablat´ee totale sur le nombre d’impulsions effectives et s’´ecrit en fonction de la profondeur ablat´ee mesur´ee Dmes, de la distance d entre deux impulsions et du nombre de passages NP :
Tmes/tir = Dmes× d NP × φt
(5.2) Nous pouvons alors ´ecrire le taux d’ablation par impulsion ind´ependamment du diam`etre effectif de dommage :
Tmoy/tir= Dmes× d NP × φs
(5.3)
Nous avons alors pu faire correspondre `a ce taux d’ablation par tir une fluence de Fs= 4Etot πφ2
s
qui est de ce fait ´equivalente aux fluences que nous imposerons dans nos simulations 1D, puisqu’elles ne sont pas corr´el´ees `a la taille du crat`ere obtenu exp´erimentalement.
Chapitre 5 : Détermination de l’ablation de matière
La profondeur totale ablat´ee Dmesest mesur´ee grˆace au profilom`etre optique. La figure (5.5) montre une reconstitution 3D au profilom`etre optique de rainures usin´ees dans une feuille d’alu-minium pour diff´erents nombres de passages. De gauche `a droite, des s´eries de 2 `a 10 passages ont ´et´e r´ealis´ees. Trois mesures sont effectu´ees : en bas, au centre et en haut de chacune des rai-nures. Un exemple de mesure est donn´e sur la figure (5.6) pour plusieurs nombres de passages. Nous voyons clairement la difficult´e `a estimer pr´ecis´ement la hauteur de la surface ainsi que la profondeur maximale de la rainure en raison, par exemple, de la rugosit´e de surface.
0.6 mm
0.1 mm
17 µm
µm
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Fig. 5.5 – Reconstitution 3D au profilom`etre optique de l’usinage de rainures dans une feuille d’aluminium. Conditions exp´erimentales : impulsions de 800 nm, 170 fs `a 1 kHz, fluence de 2.1 J cm−2, vitesse d’usinage : 2 mm/s.
Fig. 5.6 – Mesure profilom´etrique de la profondeur d’une s´erie de rainures. La profondeur est d´etermin´ee comme la diff´erence de hauteur entre la surface non irradi´ee de l’´echantillon et le fond du crat`ere. La r´esolution spatiale de la mesure est de l’ordre du microm`etre.
Apr`es cet expos´e des conditions et des moyens exp´erimentaux mis en œuvre pour r´ealiser une s´erie de mesures d’ablation par impulsions laser ultracourtes, nous allons d´etailler les m´ eca-nismes susceptibles de conduire `a l’ablation de mati`ere. Ceux-ci nous permettront d’envisager un lien entre les r´esultats obtenus grˆace aux exp´eriences pr´ec´edentes et nos simulations. Les r´ e-sultats d’exp´erience seront pr´esent´es par la suite, en confrontation avec nos r´esultats th´eoriques.