Traitement du verre avec des impulsions laser ultra courtes

Glass processing with ultra short laser pulses

• Auteur / Autrice : David Sohr
• Direction : Stefan Skupin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/09/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Éric Constant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefan Skupin, François Courvoisier, Stefan Nolte, Stefanie Kroker, Vincent Motto-Ros, Rachel Nuter
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Courvoisier, Stefan Nolte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers femtoseconde

Usinage par laser

Innovation

Verre -- Fabrication

Science des matériaux

Mots clés libres

Verre

Faisceau d'Airy

Traitement des matériaux par laser

Façonnage par faisceau laser

Impulsions laser ultra-courtes

Glass

Airy beam

Laser material processing

Laser beam shaping

Ultra short laser pulses

Résumé

S'inscrivant dans le vaste domaine en pleine expansion du traitement du verre à l'aide d'impulsions laser ultra-courtes, cet ouvrage traite de la découpe et du façonnage des bords des feuilles de verre. Des faisceaux laser avec des géométries focales allongées ont été utilisés précédemment pour perforer des feuilles de verre, même épaisses, en un seul tir laser, permettant ainsi des processus de découpe rapides et propres. Jusqu'à présent, ces foyers allongés étaient limités à des géométries droites donnant lieu à des arêtes vives qui, pour de nombreuses applications, nécessitent une étape de traitement supplémentaire pour obtenir une arête en forme de c. En revanche, le faisceau d'Airy en forme de c a été employé dans des processus ablatifs pour créer des bords courbes et des tranchées dans des feuilles minces de silicium et de diamant. Ce travail décrit l'application du faisceau d'Airy au processus de découpe de micro-perforations dans le verre. Pour cela, la propagation linéaire du foyer du faisceau d'Airy est examinée en ce qui concerne la longueur, la courbure et le contraste focal réalisables qui dépendent des conditions de focalisation. Avec une ouverture numérique effective de 0.13, des modifications de volume allant jusqu'à plus de 2 mm de longueur sont démontrées dans du verre borosilicate, qui suivent très bien la trajectoire parabolique attendue du faisceau d'Airy avec un rayon de courbure de 12 mm. En appliquant les modifications d'Airy à la microperforation pour la première fois, des feuilles de verre aux bords arrondis ont été obtenues après gravure avec un rayon de courbure de 727 µm dans une feuille de 600 µm d'épaisseur. La limitation la plus cruciale du faisceau d'Airy en ce qui concerne le processus de micro perforation est le contraste focal relativement faible qui conduit à l'absorption et à l'endommagement du matériau dans les lobes latéraux du faisceau. Ceci peut être observé expérimentalement comme une inclinaison effective du faisceau d'Airy due à l'absorption préférentielle dans la partie supérieure de la modification du verre et est corroboré par les résultats de la simulation non linéaire. Des ajustements de la configuration optique permettent de compenser cette inclinaison et conduisent à la production d'un bord symétrique. L'influence des dommages dans les lobes latéraux s'avère particulièrement problématique pour la séparation par clivage mécanique. D'autres ajustements du faisceau d'Airy peuvent être utilisés pour aligner les fissures causées par le processus de perforation au laser dans la direction de coupe prévue, c'est-à-dire orthogonalement au plan de courbure maximale. En outre, le faisceau d'Airy est un candidat prometteur pour la découpe de feuilles légères, qui permettra des processus de découpe de microperforations encore plus rapides en remplaçant la ligne focale par une surface focale. Dans ce travail, la première modification en volume de type feuille induite par un seul tir laser est démontrée.

Set in the wide and continuously growing field of glass processing with ultra short laser pulses, this work deals with the cutting and edge shaping of glass sheets. Laser beams with elongated focal geometries have previously been used to perforate even thick glass sheets with single laser shots and thus enabled fast and clean cutting processes. These line foci so far have been limited to straight geometries resulting in sharp edges, which for many applications require an extra processing step to obtain a c-cut edge. The c-shaped Airy beam on the other hand has been employed in ablative processes to create curved edges and trenches in thin sheets of silicon and diamond. This work describes the application of the Airy beam to the micro perforation cutting process in glass. For this, the linear propagation of the Airy beam focus is reviewed with respect to the achievable length, curvature and focal contrast that depend on the focusing conditions. With an effective numerical aperture of 0.13 volume modifications of up to more than 2 mm length are demonstrated in borosilicate glass, that follow very well the expected parabolic trajectory of the Airy beam with a bending radius of 12 mm. Applying the Airy modifications for micro perforation for the first time, glass sheets with rounded edges have been achieved after etching with a bending radius down to 727 µm in a 600 µm thick sheet. The most crucial limitation of the Airy beam with respect to the micro perforation process is the relatively low focal contrast that leads to absorption and material damage in the side lobes of the beam. This can be observed experimentally as an effective tilt of the Airy beam due to the preferential absorption in the upper part of the glass modification and is corroborated by non linear simulation results. Adjustments of the optical setup allow the compensation of this tilt and lead to the production of a symmetric edge. The influence of the damage in the side lobes proves particularly problematic for separation by mechanical cleaving. Further adjustments of the Airy beam can be used to align the cracks that are caused by the laser perforation process along the intended cutting direction, i.e. orthogonal to the plane of maximum curvature. Going further, the Airy beam is a promising candidate for light sheet cutting, which will enable even faster micro perforation cutting processes by replacing the focal line with a focal surface. In this work, the first sheet like in-volume modification induced by a single laser shot is demonstrated.