L’ablation laser ultrarapide constitue une méthode de pointe pour la manipulation précise des matériaux à l’échelle microscopique. Néanmoins, son rendement énergétique a longtemps limité son adoption généralisée dans l’industrie. Une équipe de chercheurs a récemment mis au point une technique innovante susceptible de transformer les applications dans des domaines aussi variés que la microélectronique et la chirurgie dentaire. Leur approche, fondée sur l’utilisation de fréquences d’impulsions plus élevées, laisse entrevoir une amélioration significative du rendement énergétique tout en augmentant la quantité de matière retirée.
Un progrès majeur dans l’ablation laser ultrarapide
Des chercheurs ont obtenu une amélioration sans précédent de l’efficacité de l’ablation laser ultrarapide des matériaux grâce à une technique utilisant une fréquence d’impulsions plus élevée. Cette innovation permet d’utiliser moins d’énergie tout en retirant davantage de matière dans des applications telles que le micro-usinage et la fabrication de semi-conducteurs.
Selon les propos de Paul Repgen, scientifique affilié à l’Université Bilkent en Turquie et à l’Université de la Ruhr à Bochum en Allemagne, «l’ablation refroidie des matériaux combine la haute précision du traitement femtoseconde avec la grande efficacité du traitement nanoseconde». Il a ajouté : «Cette technique s’avère particulièrement intéressante pour des applications comme la chirurgie dentaire – notre laser atteint des efficacités similaires à celles des forets mécaniques, tout en restant sélectif dans le retrait de matière et en induisant moins de douleur, les vibrations étant presque éliminées.»
Une nouvelle approche pour surmonter les limitations actuelles
L’ablation laser ultrarapide offre un retrait précis de presque tous les matériaux en utilisant des impulsions extrêmement courtes pour vaporiser instantanément la matière, tout en minimisant les dommages thermiques sur la zone environnante. Toutefois, cette ablation ultrarapide à impulsion unique souffre généralement d’une faible efficacité du processus. L’absorption limitée de la lumière nécessite une puissance laser extrêmement élevée pour atteindre une profondeur significative.
Pour améliorer l’efficacité, les chercheurs ont augmenté le taux de répétition des impulsions d’un système laser à fibre dopée à l’ytterbium à plus de 50 GHz, tout en réduisant simultanément l’énergie des impulsions. Leur approche permet au processus de se dérouler dans le régime d’ablation refroidie ultrarapide, où chaque impulsion supplémentaire retire une petite quantité de matière et la profondeur d’ablation augmente linéairement avec le nombre d’impulsions.
Une méthodologie pour générer des impulsions à haute fréquence
Les chercheurs ont commencé avec des impulsions de départ ayant un taux de répétition de 100 MHz provenant d’un oscillateur à fibre standard. Ils ont ensuite utilisé une série de neuf interféromètres de Mach-Zehnder asymétriques à base de fibres pour retarder une copie des impulsions à chaque étape. Leur méthode a permis de créer un train continu d’impulsions à 50 GHz, à partir duquel un modulateur acousto-optique a sélectionné des groupes, ou rafales, d’impulsions qui ont ensuite été amplifiées et compressées. Au final, des impulsions d’une durée inférieure à 100 fs et d’une énergie de 20 nJ ont été rendues disponibles, soit plusieurs ordres de grandeur inférieurs à ce qui était considéré comme nécessaire pour le retrait de matière par laser.
En utilisant des impulsions de 100 fs et une durée de rafale de 80 ns avec une énergie de rafale de 84 μJ et une énergie d’impulsion individuelle de 20 nJ, les chercheurs ont réussi à ablater du silicium avec des efficacités record allant jusqu’à 5,2 ± 0,8 mm³/(W·min). Cette performance est 10 fois plus efficace que le traitement conventionnel à impulsion unique et six fois plus efficiente que les résultats précédemment rapportés utilisant un taux de répétition de 3,4 GHz.
Paul Repgen a souligné pour conclure : «En plus de la haute efficacité d’ablation, nous atteignons déjà des vitesses de retrait de matière qui dépassent la vitesse du son dans l’air. À l’avenir, nous voulons aller plus loin dans le régime supersonique et étudier s’il existe des limitations physiques à la vitesse de retrait de matière. Pour l’instant, nous prévoyons une limitation à la vitesse du son dans le matériau, et il serait passionnant d’atteindre cette limite.»
* Cette recherche sera présentée lors du congrès et de l’exposition Optica Laser qui se tiendront du 20 au 24 octobre 2024 à Osaka, au Japon.
Source : Optica
