Sami Laroui - 9 octobre 2020

Pourquoi passer à une technologie réflective pour générer des faisceaux de Bessel ?

La découpe de verre, notamment pour les écrans de smartphone, requiert une précision importante. L'usinage par laser ultrabref avec un faisceau de Bessel permet d'améliorer la qualité des procédés, leur rendement et la complexité des découpes possibles telles que le multi-matériau. Mais comment générer un faisceau de Bessel ? Et pourquoi est-il intéressant d’utiliser une technologie réflective pour cela ? 

Un faisceau de Bessel est un faisceau construit par les interférences d’un faisceau laser, de façon à ce que les interférences constructives génèrent un faisceau allongé, étroit et intense, entouré de franges circulaires de moindre intensité.

 

Principe de génération d’un faisceau de Bessel en utilisant un axicon réfractif (gauche), profil d’intensité (milieu) et faisceau central entouré de franges circulaires (droite)Principe de génération d’un faisceau de Bessel en utilisant un axicon réfractif (gauche), profil d’intensité (milieu) et faisceau central entouré de franges circulaires (droite)

 

En sus des applications dans l’imagerie, la biologie et la microscopie, les faisceaux de Bessel ont une utilité particulière pour l’usinage de matériaux transparents avec des faisceaux laser ultrabrefs.

Leur grande profondeur de champ (supérieure à un faisceau Gaussien) et les faibles diamètres qu’il est possible d’obtenir leur permet d’atteindre une précision d’usinage hors norme, pour usiner par exemple des écrans de smartphone ou des substrats pour l’électronique.

Différentes technologies optiques permettent de générer des faisceaux de Bessel. Les plus courantes sont les modulateurs spatiaux de lumière (SLM) et les axicons :

 

Les SLM

Spatial Light Modulators LC2012 - crédit photo HoloeyeSpatial Light Modulators LC2012 - crédit photo Holoeye

 

Les SLM sont des composants pouvant modifier l’amplitude, la phase ou la polarisation d’un faisceau laser de façon dynamique à l’aide de cristaux liquides. Pilotés électroniquement, ils permettent d’obtenir une grande variété de mise en forme de faisceaux et sont donc très utiles, notamment pour la recherche.

Ils sont cependant en général très onéreux, sensibles aux perturbations des faisceaux laser d’entrée, et la qualité de la mise en forme est limitée par le nombre de pixels qui le constituent. Ils ne sont par ailleurs pas capables de tenir à de hautes puissances et de hautes énergies, ce qui est incompatible avec une utilisation industrielle.

 

Les axicons

Plano-Convex Axicon (Conical lens) - crédit photo Laserand

Plano-Convex Axicon (Conical lens) - crédit photo Laserand

Les axicons sont conventionnellement des lentilles coniques transparentes. Disponibles à des prix raisonnables, ces composants sont très répandus et sont la méthode la plus courante pour générer des faisceaux de Bessel, tenant même à haute puissance.

Cependant, la fabrication des axicons transparents ne permet pas de leur donner une géométrie parfaite : la pointe des axicons présente toujours une courbure, ce qui va inévitablement causer des défauts d’interférences et des oscillations d’énergie dans la direction de propagation des faisceaux de Bessel générés. A leur tour, ces défauts vont induire des imprécisions et un usinage non-uniforme.

De plus, la nature transparente de ces axicons soumettent les impulsions ultrabrèves (notamment femtosecondes) à des phénomènes tels que la dispersion temporale et les aberrations chromatiques, qui dégradent le faisceau. Les optiques transparentes ne sont ainsi pas adaptées aux lasers femtosecondes pour l’usinage.

 

CANUNDA-AXICON

Cailabs_CANUNDA-AXICON_detoure_BD-1-1CANUNDA-AXICON de Cailabs
 

A Cailabs, sont développés les CANUNDA-AXICON, une gamme d’axicons entièrement réflectifs. Les axicons réflectifs fonctionnent de façon similaire aux axicons transparents, mais sont fabriqués de façon à compenser une illumination hors-axe. La précision de fabrication atteinte pour fabriquer ces axicons est plus importante que pour les axicons transparents conventionnels, ce qui permet d’obtenir des faisceaux de Bessel de qualité exceptionnelle et plus homogènes, parfaits pour un usinage de précision.

De plus, la nature réflective de ces composants leur confère la capacité de tenir à de hautes énergies et de hautes puissances, ainsi que d’éviter les phénomènes de dispersion temporelles et d’aberrations chromatiques. Ils sont ainsi parfaitement adaptés à une utilisation avec des lasers femtosecondes.

C’est cette robustesse qui concède à CANUNDA-AXICON la capacité d’être utilisé en conjonction avec un scanner galvanométrique, ce qui est une avancée considérable pour une utilisation industrielle des faisceaux de Bessel pour une découpe rapide de matériaux transparents.

Le tableau ci-dessous résume et compare toutes ces technologies.

CANUNDA_concurrence axicon_blog_tableau comparatif_FR_202010

En savoir plus sur CANUNDA-AXICON

 

Par Sami Laroui

Ingénieur diplômé en sciences des matériaux et titulaire d’un Master en innovation et entreprenariat, Sami Laroui a rejoint Cailabs en 2018. Il contribue, en tant qu’ingénieur avant-vente, au développement et à la commercialisation de solutions optiques innovantes optimisant la qualité et le rendement des procédés d’usinage laser.