La découpe de verre par faisceaux de bessel

Les procédés d’usinage du verre offrant de hauts rendements, une grande précision et de faibles coûts trouvent un intérêt croissant dans l’industrie,notamment pour la fabrication de LEDs, d’écrans d’affichage ou encore de verres de montres⁽¹⁾. Les lasers à impulsions ultra-brèves représentent une avancée importante en tant qu’outil d’usinage du verre, car ils permettent, contrairement à un usinage mécanique ou avec un laser plus conventionnel, d’usiner des matériaux transparents et fragiles en évitant au maximum les effets thermiques généralement responsables d’altérations des propriétés mécaniques et optiques ⁽²⁾.

Cependant leurs faibles rendements, du fait de leurs puissances moyennes limitées, soulèvent la nécessité de tirer au mieux partie des interactions des impulsions lasers ultra-brèves avec le verre usiné pour augmenter les vitesses d’usinage. La mise en forme des faisceaux lasers sous forme de faisceaux de Bessel s’avère être une solution possédant de nombreux avantages pour l’usinage du verre.

Les faisceaux de Bessel

Il existe plusieurs procédés d’usinage du verre par laser ultra-brefs, mais aujourd’hui la technique présentant le plus haut rendement de découpe est celle du « stealth dicing »⁽³⁾. Elle consiste à percer des lignes de canaux à l’intérieur du matériau suivant la forme de découpe souhaitée, puis d’appliquer une force mécanique extérieure pour induire une faille contrôlée qui va se propager le long de cette forme (Fig. 1)⁽³⁾. La rapidité de cette méthode, qui permet des vitesses d’usinage de plusieurs mètres par seconde, provient des hautes cadences de perçage qu’il est possible d’obtenir avec certains types de laser ultra-brefs (plusieurs centaines de milliers de trous par secondes).

La précision et la régularité du perçage de ces canaux sont alors des paramètres essentiels pour obtenir une découpe nette, précise, et dégageant le moins de débris possible. Il y a donc une grande nécessité de pouvoir contrôler précisément la façon dont le faisceau laser se propage en profondeur dans le matériau. Les différentes méthodes de perçage classiques utilisées actuellement, comme l’ablation simple ou la filamentation, présentent un faible rendement, une précision limitée ou même des résultats trop imprévisibles pour être appliquée efficacement et avec fiabilité à échelle industrielle⁽³⁾. Depuis 2017, l’utilisation de technologies de mise en forme de faisceau laser pour la génération de faisceaux de Bessel s’est illustrée comme technique de choix pour répondre à cette nécessité, permettant d’obtenir une haute maîtrise de perçage de canaux.

Les faisceaux de Bessel sont une forme de faisceaux laser construits par interférences sur une longue distance, permettant une concentration intense de l’énergie pouvant se prolonger sans diffraction à l’intérieur de matériaux transparents (Fig.2). Des faisceaux de Bessel générés avec un laser ultra-bref permettent ainsi une ablation en profondeur du matériau exposé, ce qui est particulièrement adapté pour le perçage de nano-canaux de hauts rapports de forme (Fig.2). Il est ainsi possible de percer dans des couches de verre de plusieurs mm d’épaisseur des canaux de très faibles diamètres (moins de 2 micromètres) et présentant une grande homogénéité de forme⁽³⁾. L’avantage d’utiliser les faisceaux de Bessel pour le perçage de nano-canaux est que la forme du faisceau laser définit les dimensions du perçage. En maîtrisant la mise en forme de faisceaux de Bessel, il est donc possible d’avoir un contrôle accru sur le perçage. Il s’agit donc d’une méthode plus simple, mieux maîtrisée et de meilleure reproductibilité que les méthodes jusque-ici utilisées. Elle se distingue donc comme étant la technique qui permet le meilleur contrôle de perçage, pour atteindre les qualités et précisions d’usinage nécessaire à un usinage de précision du verre à échelle industrielle.

La génération de faisceaux de Bessel

Plusieurs technologies de mise en forme de faisceau laser permettent d’obtenir des faisceaux de Bessel. Par exemple les lentilles coniques (axicons) et les modulateurs spatiaux de lumière (SLM) sont communément utilisés pour en générer, mais souffrent de plusieurs limitations : Les SLM produisent des faisceaux de bonne qualité (et sont reprogrammables), mais ont un faible rendement énergétique et ne supportent pas les hautes puissances. Les lentilles coniques peuvent quant à elles subir de hautes puissances, mais génèrent des faisceaux de moins bonne qualité du fait de défauts liés à la leur fabrication.

Dernièrement, l’entreprise française Cailabs, fabricant de systèmes de mise en forme de faisceaux laser, a rapporté la génération de faisceaux de Bessel de haute qualité en utilisant des axicons réflectifs⁽⁴⁾. Ces axicons, fabriqués avec un haut degré de précision, permettent d’obtenir des faisceaux de Bessel de meilleure qualité avec un excellent rendement énergétique (supérieur à 99%) leur permettant de fonctionner avec des faisceaux lasers de haute puissance. Il s’agit ainsi de la solution la plus adaptée à une utilisation des faisceaux de Bessel à échelle industrielle, conjuguant haut rendement et précision inégalée.

A l’avenir

Un usinage du verre de qualité et à grande productivité est un enjeu important. Si l’utilisation des faisceaux de Bessel permet une grande avancée en termes de qualité et précision de fabrication, la combinaison d’une technologie de mise en forme de faisceaux de Bessel avec une technologie de division de faisceaux permettrait de multiplier le nombre de trous percés à chaque impulsion laser, et donc d’augmenter la vitesse d’usinage. La technologie Cailabs de Multi Plane Light Conversion (MPLC), qui rend possible la génération et la mise en forme simultanée de multiples faisceaux en parallèle, permettrait ainsi à terme d’atteindre des vitesses d’usinage inégalées, de l’ordre de plusieurs dizaines de mètres par seconde. A échelle industrielle, de telles vitesses d’usinage augmenteraient drastiquement la production, tout en conservant une qualité optimale et pour un coût d’exploitation moindre.

(1) Annual Laser Market Review & Forecast: Where have all the lasers gone? by Gail Overton, Allen Nogee, David Belforte, and Conard Holton. Lire l’article  

(2) Ahead of the Curve – Lasers Enable Superior Glass Cutting for Demanding Applications by Roland Mayerhofer, Coherent.  Lire l’article 

(3) The Laser User – Spring 2017 . Accéder à la revue 

(4) Pauline Boucher et al., Generation of high conical angle Bessel-Gauss beams with reflective axicons (2017)

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.