​Des microlasers

Lasers « puce », les micros

Les lasers « puces » (traduction du terme anglais microchip laser) sont des microlasers solides les plus simples et les plus compacts possible, avec une dimension typique de 0,5 mm³. Ils sont fabriqués en utilisant des procédés collectifs permettant de réaliser simultanément et sans aucun réglage plusieurs milliers de pièces. Ainsi, leur coût de fabrication peut être très faible. De plus, ils sont extrêmement fiables, robustes et simples à utiliser, sans aucune nécessité de réglage ou de maintenance. Le laser « puce » est pompé par une simple diode laser et se comporte comme un transformateur de lumière laser. Il permet d’obtenir un faisceau laser naturellement circulaire et peu divergent, monofréquence et de forte puissance de crête impulsionnelle, le rendant très utile pour de nombreuses applications comme :

• la télémétrie laser (mesure de distance et de vitesse sans contact) ;

• le micromarquage et la microdécoupe sur tous types de matériaux ;

• les oscillateurs avant les amplificateurs des lasers de très forte puissance ;

• la fabrication de lasers visibles (verts) compacts ;

• la détection de gaz polluants.

Plaque de lasers puces. © Artechnique/CEA

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Salle de commande du robot de découpe laser de la plate-forme Héra. © S.Le Couster/CEA

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Système de décapage des surfaces par laser, utile dans les domaines nucléaire et hors-nucléaire : micro-marquage, micro-usinage, décapage…
© P.Stroppa/CEA

Des lasers pour le soudage et la découpe

Ces lasers de forte puissance moyenne ont de multiples applications pour le travail des matériaux : trempe, soudure, perçage, ponçage, découpe, etc.
Le principe de soudage laser repose sur la fusion d’un point du matériau sur lequel le faisceau va se concentrer grâce au système optique. Après focalisation, son éclairement peut atteindre plus de 1 MW/cm². Les densités d’énergie étant très importantes, il suffit de quelques microsecondes pour obtenir la fusion et la vaporisation du matériau à souder. Les lasers permettent la découpe de plaques d’acier inox jusqu’à 20 cm d’épaisseur.

Lasers CO₂

Pour les lasers CO₂, l’excitation moléculaire doit se faire avec de forts courants. L’émission résultante est très puissante. Cependant, ils nécessitent l’utilisation de sous-ensembles actifs volumineux (tubes à gaz, excitateurs…) et donc lourds. Cela est d’autant plus vrai que la puissance de sortie demandée est élevée (pour une application telle que l’usinage). Outre les travaux de soudage, ils sont utilisés pour décaper et découper des objets dans des environnements difficiles d’accès, sur des chantiers de démantèlement par exemple.

Lasers YAG dopés au néodyme

Le faisceau d’un laser YAG peut être transporté par fibre optique (fibre de silice d’1 mm de diamètre ou moins) sur des longueurs de plusieurs mètres, ou dizaines de mètres, et pour des puissances moyennes allant jusqu’à 2 kW. Il peut aussi être transporté grâce à des miroirs ou des lentilles.

Guidage avec une fibre laser sur un fantôme en silicone et modélisation 3D de prostate, dans le cadre de recherches sur le diagnostic et traitement de cancer par laser. © P.Latron/Inserm-U703

Lasers à fibre

Apparus plus tardivement et actuellement en très forte croissance, les lasers à fibre apportent de nouveaux avantages en termes de fiabilité, compacité, facilité d’utilisation et consommation électrique. Ils offrent un rendement énergétique 10 fois supérieur aux lasers classiques, CO₂ ou YAG, et la puissance qu’ils délivrent, leurs qualités spectrales et spatiales en font d’excellents candidats pour les applications dans les secteurs industriels, médicaux, des communications et scientifiques.

Des lasers pour le traitement de surface

Les lasers industriels impulsionnels peuvent aussi être utilisés pour modifier les propriétés de surface d’un matériau, par exemple pour en améliorer la résistance à la corrosion ou au frottement, sans pour autant en altérer les propriétés mécaniques massives. Ils se rencontrent en particulier dans l’industrie automobile, et leur domaine d’utilisation tend à s’étendre.
Ces lasers, grâce à leur durée d’impulsion comprise entre 10 et 200 nanosecondes, ont l’avantage de réaliser du micro-usinage de très grande précision pour une large gamme de matériaux, avec peu d’échauffement. Comparé à des méthodes classiques telles que la photolithographie, ils permettent de réduire le nombre d’étapes de fabrication, et leur facilité à modifier la géométrie des dispositifs à graver en font des atouts incontournables pour les laboratoires de microélectronique. Une autre application consiste à réaliser le décapage de surfaces par balayage d’un faisceau laser intense qui conduit à une ablation superficielle.

Ce procédé peut être utilisé pour le nettoyage de monuments, ou à plus petite échelle pour le décapage de pièces mécaniques de précision. Un dispositif original, nommé Aspilaser, est utilisé pour décaper automatiquement des murs, sans émettre ni poussière, ni odeur. Les surfaces sont abrasées sur une épaisseur de 0,1 mm seulement, limitant ainsi le volume des déchets. Jusqu’à présent considéré comme le domaine de prédilection des lasers Nd-YAG en impulsions, le marché du microusinage de précision s’ouvre dorénavant aux lasers à fibres impulsionnels.

Des applications innovantes

L’analyse LIBS (Laser induced breakdown spectroscopy)

Cette analyse spectroscopique sur plasma induit par un laser permet de caractériser la composition chimique de la surface des matériaux (solides, liquides, gaz ou aérosols). Cette technique consiste à envoyer un faisceau laser sur le matériau pour créer un plasma, analyser sa signature spectrale et déterminer en temps réel la nature et la concentration des éléments présents. Les microsondes développées au CEA sont capables de réaliser une cartographie au micron près. Le champ d’applications est très large : du vieillissement des matériaux à l’exploration martienne. Le CEA a en effet adapté cette technologie pour la mission Mars science laboratory de la Nasa, en participant à la conception et au dimensionnement de l’instrument ChemCam, qui analyse depuis août 2012 le sol martien, dans un rayon de 7 mètres autour du robot Curiosity.

La technique Lidar (Light detection and ranging)

Cette technique s’appuie sur le principe des radars (dont l’acronyme « radio detection and ranging » signifie détection et positionnement par ondes radio). Elle permet de contrôler à distance la pollution de l’atmosphère par des particules. L’émission d’un faisceau laser vers la zone à étudier, puis l’analyse de sa rétrodiffusion déterminent la densité, la localisation, la nature et la géométrie des particules. La longueur d’onde utilisée (355 nm) est adaptée pour repérer les particules inférieures au micromètre, qui composent 99 % des aérosols de pollution. Cette technique a servi à l’étude de l’impact de la circulation automobile et à la surveillance de l’atmosphère dans des endroits confinés comme des gares ou le métro.

Impulsions femtosecondes pour la détection

Détecter à distance des explosifs ou autres produits dangereux, analyser rapidement des substances illicites ; c’est chose possible grâce aux lasers femtosecondes. Tout matériau, tout être humain, possède une signature térahertz qui lui est propre. D’où l’idée d’utiliser cette gamme pour identifier des substances explosives, ou distinguer de la cocaïne d’autres poudres… Pour générer de telles sources, dont la fréquence est comprise entre 1 et 100 THz, il faut combiner deux impulsions lasers de fréquences différentes. Pour l’instant étudiées en laboratoire, ces sources laser devront devenir plus compactes et plus intenses pour une utilisation grand-public. Une seconde technique s’apparente à la Libs (présentée ci-dessus). Grâce à des impulsions de moins de 100 femtosecondes et d’une puissance supérieure au térawatt, les mesures sont possibles à des distances de plusieurs centaines de mètres.

Des lasers pour la santé

En chirurgie, les lasers utilisés sont assez puissants. Ils peuvent brûler une partie endommagée à l’intérieur du corps de façon non-traumatique, être utilisés comme un bistouri, soigner des caries dentaires et des décollements de rétine. Les caractéristiques exceptionnelles d’ablation du laser UV émettant à 193 nm sont utilisées en chirurgie de la cornée, afin de traiter les myopies : par exemple, pour corriger d’une dioptrie, 1 μm (10^-6 m) de la surface de la cornée est retirée. En médecine, les lasers sont utilisés en imagerie, radiothérapie et protonthérapie. La protonthérapie consiste à détruire une tumeur cancéreuse avec un faisceau de protons, de façon précise ; seule une zone très localisée est traitée, sans endommager les tissus alentour. Le projet Saphir, auquel participe le CEA, étudie la possibilité de générer par accélération laser des faisceaux de protons d’énergie suffisante pour le traitement de certaines pathologies.