Etude de l'interaction laser-matière en régime d'impulsions ultra-courtes : application au micro-usinage de matériaux à destination de senseurs

Laser matter interaction study with ultrashort laser pulses : application to the cutting of materials used in sensors

• Auteur / Autrice : Yoan Di Maio
• Direction : Florent Pigeon, Jean-Philippe Colombier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique, Hyperfréquences
• Date : Soutenance le 31/05/2013
• Etablissement(s) : Saint-Etienne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Jury : Président / Présidente : Marc Sentis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Bellouard, Laurent Berthe, Cyril Mauclair

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usinage par laser

Céramiques piézoélectriques

Lasers femtoseconde

Mots clés libres

Impulsions laser ultra-courtes

Optimisation découpe laser

Onde de choc laser

Seuil et taux d'ablation

Interaction laser-céramique

Mise en forme de faisceau

Contrainte matériau irradié

PZT piézoélectrique

Ultrashort laser pulses

Laser cutting optimization

Ablation threshold and rate

Laser-ceramic interaction

Spatiotemporal beam shaping

Irradiated material stress

Piezoelectric PZT

Laser shock wave

Résumé

Le laser à impulsions ultra-courtes constitue un procédé innovant et très avantageux pour la découpe de céramiques piézoélectriques PZT. Grâce à un fort confinement spatiotemporel de l’énergie au cours de l’interaction, ce système minimise les dégâts collatéraux et préserve l’intégrité physique du matériau sur des échelles micrométriques. Néanmoins, une propagation de faisceau mal maîtrisée, associée à des mécanismes d’interaction complexes fonction de la cible irradiée, peuvent impliquer de fortes disparités sur la qualité d’usinage. Dans le cadre d’une application industrielle donnée, ces travaux nous ont donc permis d’approfondir les principales étapes d’optimisation d’un tel procédé selon des critères de reproductibilité, de qualité et de rapidité. Pour cela, nous avons tout d’abord souligné l’influence des propriétés gaussiennes des faisceaux et de leur perturbation afin de définir la distribution énergétique au niveau des plans de focalisation. Aussi, la quantification de l’interaction via les critères de seuil et de taux d’ablation, d’incubation et de saturation a contribué à comprendre la réaction du matériau de manière macroscopique. Les problèmes méthodologiques inhérents à leurs calculs ont été mis en évidence et ont permis par la suite d’anticiper les formes d’usinage ainsi que les temps de procédé. Dans un second temps, l’optimisation des paramètres laser s’est appuyée sur des caractérisations aussi bien qualitatives pour l’aspect visuel que quantitatives avec l’estimation de la stoechiométrie et des contraintes résiduelles au niveau des flancs d’usinage. Nous avons en outre tiré profit de la piézoélectricité afin de développer une méthode d’observation in situ de la réponse à l’onde de choc laser contribuant à la compréhension des fissurations apparentes. Nous proposons au terme de ce travail un jeu de paramètres optimal pour la découpe de PZT assurant une bonne répétabilité du procédé tout en minimisant les défauts d’usinage comme la fissuration, les dépôts de surface et les irrégularités de bords. Des essais sur la mise en forme spatio-temporelle de faisceau sont enfin abordés principalement en tant que perspective d’accélération du procédé et encouragent son utilisation pour une future industrialisation

Lasers delivering ultrashort pulses are innovative and very attractive tools for cutting piezoelectric PZT ceramics. Thanks to an efficient spatiotemporal confinement of the energy during the interaction, these systems reduce collateral damage and preserve the physical integrity of the material on a micrometric scale. Nevertheless, uncontrolled beam propagation associated with complex interaction mechanisms depending on the irradiated target can involve large disparities on machining quality. In the context of an industrial application, this study describes the main steps of optimization of such a process according to criteria of reproducibility, quality and speed. To this purpose, we first pointed out the influence of Gaussian beam properties and their disturbance to define the energy distribution at focal planes. Thus, the quantification of the interaction with the ablation threshold, the ablation rate, incubation and saturation helped to understand the reaction of the material macroscopically. Methodological issues coming from their calculations have been highlighted while machining shapes and processing times were anticipated. Secondly, the optimization of laser parameters was based on both qualitative and quantitative characterizations. Electronic microscopy was rather used for visual appreciations whereas stoichiometry and residual stress estimations were employed to quantify the quality of side walls. We also took benefit from piezoelectricity to develop an in situ observation method which succeeded in detecting the electrical response to the laser shock wave and mainly contributed to the understanding of visible cracks. We finally propose an optimum set of parameters for cutting PZT ensuring good repeatability of the process while minimizing machining defects such as cracking, surface recast and jagged sides. Tests with spatiotemporal beam shaping were finally presented primarily as perspectives of processing time decrease so as to promote its use for future industrialization