EP1871565A1 - Dispositif de micro-usinage par laser femtoseconde avec conformation dynamique de faisceau - Google Patents

Dispositif de micro-usinage par laser femtoseconde avec conformation dynamique de faisceau

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EP1871565A1
EP1871565A1 EP06743814A EP06743814A EP1871565A1 EP 1871565 A1 EP1871565 A1 EP 1871565A1 EP 06743814 A EP06743814 A EP 06743814A EP 06743814 A EP06743814 A EP 06743814A EP 1871565 A1 EP1871565 A1 EP 1871565A1
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EP
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component
laser
wavefront
active
spatial
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Withdrawn
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EP06743814A
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German (de)
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Inventor
Hervé SODER
Nicolas Huot
Eric Audouard
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
IMPULSION
Universite Jean Monnet Saint Etienne
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
IMPULSION
Universite Jean Monnet Saint Etienne
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Publication date
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    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
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    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
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    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
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    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0665—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by beam condensation on the workpiece, e.g. for focusing

Definitions

  • the invention relates to the technical sector of micro-machining of various materials, including femtosecond laser.
  • Harzic 2002 R. Harzic, N. Huot, Audouard E., Jonin C., Laporte P., S.
  • the object of the invention is to remedy these disadvantages in a simple, safe, effective and rational manner.
  • the problem that the invention proposes to solve is to be able to suppress the wavefront sensor which makes it possible to obtain a linear correction with a quasi-direct correspondence between address pixels and detected pixels and to use, according to invention, an optimization method for making the correction.
  • a femtosecond laser micro-machining device with dynamic beam conformation of the type comprising: a source of coherent light radiation of laser type emitting ultrashort pulses;
  • the dynamic conformation assembly of the beam comprises an optical system composed of an active part for modifying the wavefront of the beam.
  • the means capable of ensuring the spatial shaping of the beam is a simple detection system of the CDD camera type or photodetector.
  • the feedback loop implements an algorithm selected to adapt the phase functions performed by the first and second components, in order to optimize the result in the form of an assigned score. by criteria dependent on the selected simple detection system.
  • the action of a high-speed ultrashort pulse laser, with programmable shaping of the beam, without phase measurement is of real industrial interest.
  • the high rate decreases the rate of the process
  • the programmable formatting makes it possible to structure the shape of the beam and to vary it by computer.
  • the absence of phase measurement saves the use of a wavefront sensor or an interferometric device whose prices are prohibitive.
  • FIG. 1 is a purely schematic view of the main assemblies of the device according to the invention for implementing the laser method in the context of micromachining operations, in the case of direct transmission of the laser source;
  • Figure 2 is a view similar to Figure 1, in the case of a transmission by reflection of the laser source.
  • the femtosecond laser micro-machining device comprises in combination a coherent light source of laser type emitting ultrashort pulses (1), a dynamic beamforming assembly (2), (3), (4), (5), ) and (6) and a set of implementation and processing of the laser beam (7), (8), (9) and (10) (micromachining operation for example).
  • the laser source (1) operates in mode-locked pulse mode and delivers ultra-short pulses of less than 100 ps duration and repetition rates greater than or equal to 1 kHz.
  • the energies delivered for each pulse are generally greater than or equal to 1 nJ.
  • the laser source emits at a wavelength compatible with the dynamic beam conformation assembly.
  • a source may consist of an amplified femtosecond chain based on titanium doped Sapphire crystal emitting pulses of 4 ⁇ J for a duration of 200 fs at a variable rate of 10 to 250 kHz.
  • a diode pumped femtosecond source based on Ytterbium ion doping emitting pulses of 100 ⁇ J for a duration of 400 fs at a rate of 1 to 10 kHz can be used. It is also possible to use an amplified femtosecond source based on titanium doped sapphire crystal emitting pulses of about 1-1.5 mJ for a duration of 150 fs at a rate of 1-5 kHz.
  • the dynamic conformation assembly of the beam comprises an optical device composed of an active wavefront modification system (2) of the laser source (1) and a detection system without phase measurement (5) .
  • the wavefront modification system (2) and the phase-less detection system (5) are connected by a feedback loop (6).
  • the detection system (5) is not a wavefront sensor whatever it is or an interferometric device for phase measurement.
  • the active wavefront modification system (5) contains a first fixed or active component and a second active component.
  • the first component has a low spatial resolution in terms of wavefront sculpture.
  • this component When this component is fixed, it may be constituted by an afocal optical system composed of lenses and / or mirrors and which is capable of producing a curvature of the wavefront.
  • This first component when it is fixed, may also consist of a diffractive optical element performing a "pre-shaping" function modulated by the second component.
  • this first component When this first component is active, it may be constituted by a deformable mirror (for example of the type marketed by CILAS France) or by a deformable membrane (for example of the type marketed at OKO Technologies, Japan) or by a valve optically addressed optically and more generally by any means for performing a modulation of the spatial phase with a fairly high dynamic (typically greater than or equal to 2 ⁇ ) with a low spatial resolution, especially with pixels less than or equal to 100 microns.
  • a deformable mirror for example of the type marketed by CILAS France
  • a deformable membrane for example of the type marketed at OKO Technologies, Japan
  • the first component When the first component is active, it allows to realize the phase function necessary to obtain the desired formatting, without solving the details of this basic function. In this case, such details are made by the second active component.
  • This second component has a high spatial resolution with a pixel dimension less than or equal to 100 ⁇ m and a number of pixels of at least 100.
  • This second active component is based on a liquid crystal layer and can, for example, be constituted by a spatial light modulator set in phase modulator and addressed electrically or be constituted by an optical valve optically addressed and more generally by any means performing this function with sufficient spatial resolution.
  • This active component can operate by reflection or transmission having the function of refining the spatial shape of the wavefront.
  • the detection system (5) combining with the feedback loop (6) makes it possible to assign a note to the formatting performed.
  • the detection system is not a phase measuring device making it possible to compare the phase front produced with an expected phase front. It is a simple detection system of the CDD camera type or photodetector, after nonlinear crystal.
  • the system without a wavefront sensor may consist of any detection system whose function is to spatially shape the beam and to obtain a better result.
  • a score assigned according to the criteria depending on the selected means for example the image quality if it is with a CDD camera or frequency doubled intensity detected on a photodiode.
  • the rating assigned depends on the pixel rate of the address at a time. As a result, there is no direct correspondence as is the case with a wavefront sensor. It is therefore necessary to optimize the entire dressing matrix at the same time.
  • the note is integrated into the feedback loop (6).
  • the feedback loop implements an algorithm to adapt the phase functions performed by the first and second components to optimize the note delivered by the detection part.
  • the so-called “genetic” or “revolutionary” algorithms can be used.
  • the device After dynamic conformation of the beam, the device comprises an objective (Fourier lenses (3), (4), for example) which focuses the beam thus structured and produced in its focal point or in its vicinity, a spot having the desired spatial distribution . If the minimum dimension of this spot does not correspond to the desired dimensions, a lens and / or mirror imaging device (7) can be added downstream.
  • an objective Frier lenses (3), (4), for example
  • a sample (9) on which the laser process is performed is arranged.
  • the sample (9) is mechanically connected to a mobile assembly (10) controlled by computer.
  • this mobile assembly may be a set of motorized translations coupled or not to motorized rotation devices.
  • a set of scanner type (8) (galvanometric mirror system) can also be inserted on the optical path before forming the image spot so as to deflect the beam by computer control.

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Abstract

Le dispositif comprend : - une source (1) de rayonnement lumineux cohérent de type laser émettant des impulsions ultracourtes ; - un ensemble de conformation dynamique du faisceau (2), (3), (4), (5) et (6) ; - un ensemble de mise en œuvre et de traitement du rayon laser (7), (8), (9) et (10). L'ensemble de conformation dynamique du faisceau comprend un système optique composé d'une partie active de modification (2) du front d'onde de la source laser et d'un moyen de détection (5), à l'exclusion d'un mesureur de phase, apte à assurer la mise en forme spatiale du faisceau, lesdites parties étant reliées par une boucle de contre-réaction (6), la partie active de modification contentant un premier composant fixe ou actif et un deuxième composant actif.

Description

DISPOSITIF DE MICRO-USINAGE PAR LASER FEMTOSECONDE AVEC CONFORMATION DYNAMIQUE
DE FAISCEAU
L'invention se rattache au secteur technique des micro-usinages de matières diverses, notamment par laser femtoseconde.
On a déjà proposé de réaliser des opérations de micro-usinage en utilisant des sources laser produisant des impulsions ultracourtes. On peut citer, par exemple, l'enseignement du brevet US 6,285,002 et l'enseignement du brevet EP 1.011.911 qui concerne un usinage de métaux et alliages au laser à impulsions ultracourtes.
Il convient de se référer aux publications [Momma 1996] : C. Momma, B. N. Chichkov, S. Nolte, F. Von Alvensleben, A. Tunnermann,
H. Welling and B. Wellegehausen, Opt. Comm. 129, 134 (1996) et [Le
Harzic 2002] : R. Le Harzic, N. Huot, E. Audouard, C. Jonin, P. Laporte, S.
Valette, A. Fraczkievicz and R. Fortunier, Appl. Phys. Lett. 80, 3886
(2002), qui montrent que les procédés laser avec des impulsions ultracourtes trouvent une application particulièrement intéressante pour effectuer des micro-usinages à effet thermique collatéral extrêmement limité pour des matériaux suffisamment minces, notamment d'épaisseur inférieure au millimètre.
Par ailleurs, il ressort de la publication [Cordingley 1993]
J. Cordingley, Appl. Opt. 32, 2538 (1993) que les procédés laser utilisant des éléments optiques diffractants fixes, permettent une mise en forme du faisceau avant process. On connaît également des procédés laser ultra-brefs utilisant une correction dynamique de front d'onde avec rétroaction par mesure de phase [Sanner 2004] N. Sanner, N. Huot, E. Audouard, C. Larat, P. Laporte and J.P. Huignard. Les résultats techniques obtenus peuvent être considérés comme satisfaisants, en observant toutefois que l'utilisation d'un senseur de front d'onde (mesure de phase) est d'un coût de revient particulièrement élevé.
L'invention s'est fixée pour but de remédier à ces inconvénients d'une manière simple, sûre, efficace et rationnelle.
Le problème que se propose de résoudre l'invention est de pouvoir supprimer le senseur de front d'onde qui permet d'obtenir une correction linéaire avec une correspondance quasi-directe entre pixels d'adressage et pixels détectés et d'utiliser, selon l'invention, une méthode d'optimisation pour faire la correction.
Il a donc été conçu et mis au point un dispositif de micro-usinage par laser femtoseconde avec conformation dynamique de faisceau du type de ceux comprenant : - une source de rayonnement lumineux cohérent de type laser émettant des impulsions ultracourtes ;
- un ensemble de conformation dynamique du faisceau ;
- un ensemble de mise en œuvre et de traitement du rayon laser,
Selon l'invention, compte tenu du problème posé, pour assurer la compression dynamique du faisceau sans mesure de phase, l'ensemble de conformation dynamique du faisceau comprend un système optique composé d'une partie active de modification du front d'onde de la source laser et d'un moyen de détection, à l'exclusion d'un mesureur de phase, apte à assurer la mise en forme spatiale du faisceau, lesdites parties étant reliées par une boucle de contre-réaction, la partie active de modification contentant un premier composant fixe ou actif et un deuxième composant actif.
Compte tenu du problème posé de ne pas utiliser un senseur de front d'onde, le moyen apte à assurer la mise en forme spatiale du faisceau est un système simple de détection du type caméra CDD ou photodétecteur.
Pour résoudre le problème posé de réaliser la convergence informatique, la boucle de contre-réaction met en œuvre un algorithme sélectionné pour adapter les fonctions de phase réalisées par les premier et deuxième composants, afin d'optimiser le résultat sous forme d'une note attribuée par des critères dépendants du système simple de détection sélectionné.
Selon une caractéristique à la base de l'invention, l'action d'un laser à impulsions ultracourtes à haute cadence, avec mise en forme programmable du faisceau, sans mesure de phase, présente un réel intérêt industriel. Notamment, il apparaît que la haute cadence diminue le taux du process, tandis que la mise en forme programmable permet de structurer la forme du faisceau et de la faire varier par ordinateur. D'une manière particulièrement importante, l'absence de mesure de phase économise l'emploi d'un senseur de front d'onde ou d'un dispositif interférométrique dont les prix sont prohibitifs. L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide des figures des dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue à caractère purement schématique des principaux ensembles du dispositif selon l'invention pour la mise en œuvre du procédé laser dans le cadre des opérations de microusinage, dans le cas d'une transmission directe de la source laser ; la figure 2 est une vue semblable à la figure 1, dans le cas d'une transmission par réflexion de la source laser.
Le dispositif de micro-usinage par laser femtoseconde comprend en combinaison une source de rayonnement lumineux cohérent du type laser émettant des impulsions ultracourtes (1), un ensemble de conformation dynamique de faisceau (2), (3), (4), (5) et (6) et un ensemble de mise en œuvre et de traitement du rayon laser (7), (8), (9) et (10) (opération de micro-usinage par exemple).
La source laser (1) fonctionne en régime impulsionnel à blocage de modes et délivre des impulsions ultra-brèves de durée inférieure à 100 ps et à des cadences de répétition supérieures ou égales à 1 kHz. Les énergies délivrées pour chaque impulsion sont généralement supérieures ou égales à 1 nJ. La source laser émet à une longueur d'onde compatible avec l'ensemble de conformation dynamique de faisceau. A titre d'exemple indicatif nullement limitatif, une source peut être constituée d'une chaîne femtoseconde amplifiée basée sur le cristal de Saphir dopé Titane émettant des impulsions de 4 μJ pour une durée de 200 fs à une cadence variable de 10 à 250 kHz. Sans pour cela sortir du cadre de l'invention, d'autres solutions peuvent être envisagées. Par exemple, on peut utiliser une source femtoseconde pompée par diodes et basée sur le dopage à l'ion Ytterbium émettant des impulsions de 100 μJ pour une durée de 400 fs à une cadence de 1 à 10 kHz. Il est également possible d'utiliser une source femtoseconde amplifiée basée sur le cristal de Saphir dopé Titane émettant des impulsions d'environ 1-1,5 mJ pour une durée de 150 fs à une cadence de 1-5 kHz.
L'ensemble de conformation dynamique du faisceau, comprend un dispositif optique composé d'un système de modification active de front d'onde (2) de la source laser (1) et d'un système de détection sans mesure de phase (5). Le système de modification de front d'onde (2) et le système de détection sans mesure de phase (5) sont reliés par une boucle de contre- réaction (6).
D'une manière importante et selon une caractéristique à la base de l'invention et comme il sera indiqué dans la suite de la description, le système de détection (5) n'est pas un senseur de front d'onde quel qu'il soit ou un dispositif interférométrique de mesure de phase.
Le système de modification active du front d'onde (5) contient un premier composant fixe ou actif et un deuxième composant actif.
Le premier composant possède une faible résolution spatiale en termes de sculpture de front d'onde.
Lorsque ce composant est fixe, il peut être constitué par un système optique afocal composé de lentilles et/ou miroirs et qui est apte à réaliser une courbure du front d'onde. Ce premier composant, lorsqu'il est fixe, peut également être constitué par un élément optique diffractant réalisant une fonction de « pré-mise en forme » modulée par le deuxième composant.
Lorsque ce premier composant est actif, il peut être constitué par un miroir déformable (par exemple du type de ceux commercialisés chez CILAS France) ou par une membrane déformable (par exemple du type de celles commercialisées chez OKO Technologies, Japon) ou par une valve optique adressée optiquement et plus généralement par tout moyen permettant de réaliser une modulation de la phase spatiale avec une dynamique assez élevée (typiquement supérieure ou égale à 2π) avec une résolution spatiale basse, notamment avec des pixels de dimension inférieure ou égale à 100 μm.
Ces différents composants sont adressés électriquement ou optiquement et pilotés par ordinateur. Ils peuvent fonctionner par réflexion ou par transmission.
Lorsque le premier composant est actif, il permet de réaliser la fonction de phase nécessaire à l'obtention de la mise en forme souhaitée, sans pour autant résoudre les détails de cette fonction de base. Dans ce cas, de tels détails sont réalisés par le deuxième composant actif.
Ce deuxième composant possède une résolution spatiale élevée avec une dimension de pixels inférieure ou égale à 100 μm et un nombre de pixels au moins de 100. Ce deuxième composant actif est basé sur une couche de cristal liquide et peut, par exemple, être constitué par un modulateur spatial de lumière réglé en modulateur de phase et adressé électriquement ou bien être constitué par une valve optique adressée optiquement et plus généralement par tout moyen réalisant cette fonction avec une résolution spatiale suffisante. Ce composant actif peut fonctionner par réflexion ou par transmission en ayant pour fonction d'affiner la forme spatiale du front d'onde.
Selon une caractéristique importante de l'invention, le système de détection (5) se combinant avec la boucle de contre-réaction (6) permet d'attribuer une note à la mise en forme réalisée. D'une manière fondamentale, le système de détection n'est pas un dispositif de mesure de phase permettant de comparer le front de phase réalisé avec un front de phase attendu. Il s'agit d'un système simple de détection du type caméra CDD ou photodétecteur, après cristal non linéaire.
Plus généralement, selon l'invention, le système sans senseur de front d'onde, peut être constitué par tout système de détection ayant pour fonction de mettre en forme spatialement le faisceau et permettant d'obtenir un meilleur résultat. Par résultat, on entend une note attribuée suivant les critères dépendant des moyens choisis, par exemple la qualité d'image si c'est avec une caméra CDD ou l'intensité doublée en fréquence détectée sur une photodiode.
Avec cette solution technique, la note attribuée dépend du taux de pixels d'adressage à la fois. Il en résulte qu'il n'y a plus de correspondance directe comme c'est le cas avec un senseur de front d'onde. Il est donc nécessaire d'optimiser l'ensemble de la matrice de dressage en même temps. La note est intégrée dans la boucle de contre-réaction (6).
Compte tenu de ces caractéristiques, pour réaliser la convergence informatique, la boucle de contre-réaction met en œuvre un algorithme permettant d'adapter les fonctions de phase réalisées par les premier et deuxième composants afin d'optimiser la note délivrée par la partie de détection. Par exemple, on peut utiliser les algorithmes dits « génétiques » ou « révolutionnaires ».
Après conformation dynamique du faisceau, le dispositif comprend un objectif (lentilles de Fourier (3), (4), par exemple) qui focalise le faisceau ainsi structuré et produit en son point focal ou à son voisinage, une tache ayant la répartition spatiale souhaitée. Si la dimension minimale de cette tache ne correspond pas aux dimensions souhaitées, un dispositif d'imagerie à lentilles et/ou miroirs (7) peut être ajouté en aval.
Au niveau de la tache image est disposé un échantillon (9) sur lequel le process laser est réalisé. Par exemple, l'échantillon (9) est relié mécaniquement à un ensemble mobile (10) piloté par ordinateur. Par exemple, cet ensemble mobile peut être un ensemble de translations motorisées couplé ou non à des dispositifs de rotation motorisée.
Un ensemble du type scanner (8) (système à miroirs galvanométriques) peut également être inséré sur le chemin optique avant la formation de la tache image de façon à dévier le faisceau par un pilotage informatique.
Les avantages ressortent bien de la description, en particulier on souligne et on rappelle la diminution significative des coûts par la suppression du senseur de front d'onde utilisant un simple détecteur apte à fournir un signal de contre-réaction en liaison avec un algorithme sélectionné pour établir une procédure de convergence à essai erreur avec amélioration au cours de chaque essai erreur.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
-1- Dispositif de micro-usinage par laser femtoseconde avec conformation dynamique de faisceau comprenant : - une source (1) de rayonnement lumineux cohérent de type laser émettant des impulsions ultracourtes ;
- un ensemble de conformation dynamique du faisceau (2), (3), (4), (5) et (6) ;
- un ensemble de mise en œuvre et de traitement du rayon laser (7), (8), (9) et (10), caractérisé en ce que l'ensemble de conformation dynamique du faisceau comprend un système optique composé d'une partie active de modification (2) du front d'onde de la source laser et d'un moyen de détection (5), à l'exclusion d'un mesureur de phase, apte à assurer la mise en forme spatiale du faisceau, lesdites parties étant reliées par une boucle de contre-réaction (6), la partie active de modification contentant un premier composant fixe ou actif et un deuxième composant actif.
-2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen apte à assurer la mise en forme spatiale du faisceau est un système simple de détection du type caméra CDD ou photodétecteur.
-3- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la boucle de contre-réaction (6) met en œuvre un algorithme sélectionné pour adapter les fonctions de phase réalisées par les premier et deuxième composants, afin d'optimiser le résultat sous forme d'une note attribuée par des critères dépendants du système simple de détection sélectionné. -4- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier composant possède une faible résolution spatiale en termes de front d'onde.
-5- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lorsque le premier composant est fixe, il est constitué par un système optique afocal apte à être déréglé de manière à fabriquer une courbure du front d'onde.
-6- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lorsque le premier composant est fixe, il est constitué par un élément optique diffractant apte à réaliser une fonction prémise en forme modulée par le deuxième composant.
-7- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lorsque le premier composant est actif, il est constitué par un système apte à réaliser une modulation de la phase spatiale avec une dynamique élevée et une résolution spatiale basse.
-8- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième composant possède une résolution spatiale élevée.
-9- Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est basé sur une couche de cristal liquide et fonctionne par réflexion ou par transmission en étant apte à affiner la mise en forme spatiale du front d'onde.
EP06743814A 2005-04-20 2006-04-19 Dispositif de micro-usinage par laser femtoseconde avec conformation dynamique de faisceau Withdrawn EP1871565A1 (fr)

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