Fabrication de micro-composants optiques sur-mesure en verre par gravure humide assistée par laser femtoseconde

Free-form micro-optical components manufactured in glass by femtosecond laser assisted wet etching

• Auteur / Autrice : Jean-Loup Skora
• Direction : Michel de Labachelerie, Sylwester Bargiel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microtechniques
• Date : Soutenance le 09/06/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Franck Chollet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andréa Lovera
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Bardinal, Manuel Flury

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usinage par laser

Micro-fabrication

Mots clés libres

Micro-Composants optiques

Gravure humide assistée par Laser femtoseconde

Micro-Optical components

Laser assisted wet etching

Résumé

Dans un contexte où la miniaturisation des systèmes d’imagerie nécessite l’obtention de microcomposants optiques performants et qui dans l’idéal peuvent tenir des conditions rudes (température élevée, chocs mécaniques, etc…), la fabrication à haute-fidélité de microlentilles sur-mesure (au profil librement paramétré) et en verre est un objectif technologique à atteindre. Elle représente aussi un défi majeur par le degré de complexité technique qu’elle suppose. La technique de gravure humide assistée par laser femtoseconde, dite « FLICE », est une technique d’usinage du verre par écriture directe qui a montré récemment son potentiel dans la fabrication de nombreuses catégories de microcomposants, notamment les microcomposants optiques classiques mais pas encore sur-mesure. Par son principe, elle suggère des perspectives uniques, comme la possibilité de réaliser des structures monolithiques et dans le volume mais aussi d’usiner différents types de verres et matériaux diélectriques. En ce sens, cette technique présente les prérequis suffisants permettant de relever le défi associé à la fabrication de microcomposants optiques sur-mesure en verre avec des perspectives orientées vers les microsystèmes opto-électro-mécaniques (MOEMS). Notre travail a eu pour ambition de mettre au point un procédé combinant FLICE au polissage par laser CO2 destiné à la fabrication de microlentilles plan-convexes sur-mesure en Silice Fondue et en Borofloat33®. Ce travail s’est déroulé en deux grandes étapes. La première a consisté à développer la méthode de fabrication en explorant diverses stratégies d’usinage et de polissage sur des composants de test afin d’obtenir des résultats les plus satisfaisants possibles en termes de fidélité de fabrication et de qualité optique. La seconde a ensuite consisté à réaliser puis à caractériser un démonstrateur au profil sur-mesure et avec des hautes fréquences spatiales, à savoir un micro-axicon (microlentille conique) de 500 µm de diamètre et de 5° d’angle d’apex, afin de démontrer l’intérêt et la validité du procédé de fabrication qui a été mis au point.

In a context where miniaturization of imaging systems requires obtaining high-performance micro-optical components that can ideally withstand severe conditions (high temperature, high mechanical shocks, etc.), the high-fidelity fabrication of free-form microlenses made of glass is a technological goal. It also represents a challenge in terms of technical complexity. The technique known as « Femtosecond Laser Irradiation followed pas Chemical Etching » (FLICE), is a glass machining technique which has recently shown its ability to manufacture many categories of microcomponents, including conventional, but not free-form yet, micro-optical components. This technique also has the potentiel to produce monolithic and in-volume structures as well as machining different types of glass and dielectric materials. It thus addresses the challenge of manufacturing free-form micro-optical components made of glass with outlooks towards microoptoelectromechanical systems (MOEMS). Our work aimed at developing a process combining FLICE and CO2 laser polishing for the fabrication of free-form plano-convex microlenses in fused silica and Borofloat33®. This work was carried out in two main stages. The first step consisted in developing the fabrication method by exploring various machining and polishing strategies on test-components to obtain the most satisfactory results possible in terms of fabrication fidelity and optical quality. The second consisted in fabricating and then characterizing a demonstrator showing a free-form profile containing high spatial frequencies, namely a micro-axicon (conical microlens) with 500 μm diameter and 5° apex angle, in order to demonstrate the relevance and validity of the fabrication process that was developed.