FR3054152A1 - Appareil et procede de decoupe de materiau par faisceau laser allonge non diffractif - Google Patents

Appareil et procede de decoupe de materiau par faisceau laser allonge non diffractif Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un appareil et procédé de découpe de matériau diélectrique transparent ou semiconducteur. Selon l'invention, l'appareil comprend une source laser (1) générant un faisceau laser (100) d'impulsions de durée picoseconde ou femtoseconde, un dispositif optique générateur de faisceau de Bessel (74) configuré pour recevoir le faisceau laser et pour concentrer spatialement le faisceau laser en au moins une zone sur l'axe optique (70) du faisceau laser, ledit dispositif optique générateur de faisceau de Bessel (74) étant configuré pour transformer une distribution spatiale d'intensité Gaussienne du faisceau laser en une distribution spatiale d'intensité de Bessel du faisceau laser transversalement à l'axe optique dans la zone de focalisation et un système optique passif (90) comprenant un masque de phase et/ou d'amplitude configuré pour modifier la distribution spatiale de Bessel du faisceau laser transversalement et/ou longitudinalement par rapport à l'axe optique dans la zone.

Description

Titulaire(s) : AMPLITUDE SYSTEMES Société anonyme,CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE,UNIVERSITE DE BORDEAUX, ALPHANOV INSTITUT DOPTIQUE D'AQUITAINE.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : JACOBACCI CORALIS HARLE Société anonyme.
?4) APPAREIL ET PROCEDE DE DECOUPE DE MATERIAU PAR FAISCEAU LASER ALLONGE NON DIFFRACTIF.
FR 3 054 152 - A1 (5r) L'invention concerne un appareil et procédé de découpe de matériau diélectrique transparent ou semiconducteur. Selon l'invention, l'appareil comprend une source laser (1) générant un faisceau laser (100) d'impulsions de durée picoseconde ou femtoseconde, un dispositif optique générateur de faisceau de Bessel (74) configuré pour recevoir le faisceau laser et pour concentrer spatialement le faisceau laser en au moins une zone sur l'axe optique (70) du faisceau laser, ledit dispositif optique générateur de faisceau de Bessel (74) étant configuré pour transformer une distribution spatiale d'intensité Gaussienne du faisceau laser en une distribution spatiale d'intensité de Bessel du faisceau laser transversalement à l'axe optique dans la zone de focalisation et un système optique passif (90) comprenant un masque de phase et/ou d'amplitude configuré pour modifier la distribution spatiale de Bessel du faisceau laser transversalement et/ou longitudinalement par rapport à l'axe optique dans la zone.
Figure FR3054152A1_D0001
Figure FR3054152A1_D0002
Domaine technique auquel se rapporte l'invention
La présente invention concerne de manière générale le domaine des dispositifs et procédé de traitement des matériaux par laser.
Elle concerne plus particulièrement un appareil et une méthode de découpe de matériaux diélectriques transparents ou semiconducteurs, d’épaisseur comprise entre quelques dixièmes de millimètre et quelques millimètres.
Elle concerne en particulier un procédé de découpe de verre rapide, formant des bords de découpe lisses, sans écailles et sans perte de matériau.
Arriere-plan technologique
Les matériaux inorganiques diélectriques transparents tels que par exemple le verre, le quartz ou le saphir, ou semiconducteurs tels que le silicium sont de plus en plus utilisés dans les écrans plats de dispositifs électroniques, l’optique, l’optoélectronique ou encore l’industrie horlogère. L’usinage de ces matériaux et en particulier la découpe de précision, posent des difficultés techniques et industrielles spécifiques. La technique de découpe doit satisfaire des impératifs industriels de grande vitesse de coupe, tout en minimisant l’apparition de contraintes résiduelles dans le matériau et en garantissant une bonne qualité de coupe, c’est-à-dire un bord de découpe lisse, sans écailles (chipping en anglais) et sans amorçage de microfissure, de manière à pouvoir s’affranchir d’étapes de post-traitement tels que le polissage ou le meulage de précision.
On souhaite effectuer non seulement des découpes rectilignes mais aussi des découpes curvilinéaires, sur des longueurs et épaisseurs variables.
Il existe différentes techniques de découpe de matériaux transparents. Les techniques mécaniques reposent sur l’utilisation d’un d’outil revêtu de grains en diamant, par exemple une scie diamantée, ou encore la prédécoupe à l’aide d’une roulette diamantée ou en acier durci précédant une séparation des pièces obtenue par application d’une force mécanique. Une autre technique de découpe consiste à appliquer un jet d’eau sous pression de plusieurs milliers de bars, pour éroder le verre sur toute son épaisseur, l’eau pouvant être chargée de particules abrasives.
Plus récemment, différentes techniques de découpe par laser ont été développées.
La découpe laser par initiation de fracture consiste à produire une entaille en surface d’un matériau cassant par ablation laser de manière à initier une fracture par un processus thermique.
La découpe par fusion de verre, saphir ou céramique transparente est obtenue par un chauffage laser du matériau jusqu’à un état fondu puis par une éjection du matériau fondu au travers de la saignée au moyen d’un gaz sous pression (azote ou air). Un laser émettant dans l’infrarouge lointain, tel qu’un laser CO2 par exemple, produit une absorption et un chauffage depuis la surface, la chaleur diffusant par conduction de la surface vers le cœur du matériau. Au contraire, un laser émettant dans le proche infrarouge, par exemple un laser YAG, à disque ou à fibre, induit directement une absorption en volume. La découpe par fusion se fait en général à une température bien supérieure à la température de transition vitreuse Tg à laquelle le matériau n’a qu’une très faible viscosité. Cette haute température conduit à affecter thermiquement une large zone, ce qui favorise l’apparition de micro fissures et d’écailles le long de la trajectoire de découpe. Pour cette raison, des étapes de post-traitement par polissage ou par meulage sont en général nécessaires après une découpe par fusion.
Le procédé d’inscription et casse (scribe & break) consiste à produire un sillon par ablation laser en surface du matériau à découper, puis à appliquer une force mécanique pour séparer les deux parties. La rupture se fait le long de la trajectoire définie par le sillon. La profondeur du sillon est de l’ordre de 10 à 20 micromètres (pm). La vitesse de découpe est importante. Cependant, ce procédé génère de la poussière d’ablation et des déviations du plan de coupe peuvent apparaître au voisinage de la face arrière.
La découpe complète par ablation laser (full ablation cutting) au moyen d’impulsions courtes ou ultracourtes permet d’obtenir une séparation spontanée du verre sans aucune assistance mécanique. Dans le présent document, on entend par impulsions courtes des impulsions de durée comprise entre 1 nanoseconde (ns) et 1 microseconde (ps), respectivement, par impulsions ultracourtes des impulsions de durée comprise entre 10 femtosecondes (fs) et 1 nanoseconde (ns)
La technique de découpe complète par ablation laser est adaptable à différentes trajectoires et motifs de découpe : lignes droites ou courbes, suivant une figure géométrique fermée, faible rayon de courbure, chanfrein. Du fait de l’utilisation d’un matériau transparent, ce procédé peut être appliqué, en initiant l’ablation par focalisation sur la surface supérieure sur laquelle le faisceau laser est incident, comme c’est le cas pour des matériaux non transparents, mais aussi en initiant l’ablation par focalisation sur la surface inférieure en remontant vers la surface supérieure (technique « bottom-up >> en anglais). Cependant, la découpe complète par ablation laser est un procédé plus lent que les autres procédés mentionnés ci-dessus pour les matériaux épais du fait qu’il conduit à l’enlèvement d’une importante quantité de matière. De plus, les bords de la découpe produits par ablation laser sont généralement rugueux. Enfin, ce procédé génère une grande quantité de poussière et une large entaille dans le matériau. Des ébréchures (chipping) peuvent apparaître dans certaines conditions.
La découpe laser par propagation de fracture contrôlée repose sur l’utilisation d’un laser YAG ou CO2 pour générer une encoche sur le bord d’une plaque de verre puis l’application d’un faisceau laser de puissance tout en effectuant un mouvement relatif entre la plaque de verre et le faisceau laser. Le faisceau laser est absorbé en surface pour un laser CO2 ou en volume pour un laser YAG. Le fort gradient de température généré par le faisceau laser est augmenté par un refroidissement rapide après le faisceau laser. Ce fort gradient thermique induit une contrainte de tension transitoire qui provoque l’initiation d’une fracture à partir de l’encoche initiale. Ensuite, cette fracture se propage le long de la trajectoire du faisceau laser. Les parties découpées sont libérées sans assistance mécanique et présentent une excellente qualité de découpe pour des trajectoires rectilignes : bords droits, lisses et sans défauts. Malgré ces nombreux avantages, la propagation de fracture contrôlée présente des inconvénients tels que des incertitudes et imprécisions de découpe dus à des déviations du chemin de découpe et un nombre important de parties cassées. De plus, la découpe de petites pièces ou de trajectoires courbes ayant un petit rayon de courbure (<1 mm) est quasiment impossible. Enfin, la vitesse de découpe est limitée par la propagation de la fracture (quelques dizaines de mm/s).
Il existe donc un besoin de développer une technique de découpe de matériaux inorganiques diélectriques transparents notamment de plaques de verre, quartz ou saphir, ou de matériaux semiconducteurs, qui permette d’obtenir une découpe présentant des bords nets, lisses, suivant des trajectoires rectilignes ou courbes et avec une grande vitesse de découpe.
Objet de l’invention
Afin de remédier à l’inconvénient précité de l’état de la technique, la présente invention propose un appareil de découpe de matériau diélectrique transparent ou semiconducteur comprenant une source laser adaptée pour générer un faisceau laser se dirigeant suivant un axe optique, le faisceau laser comprenant des impulsions de durée picoseconde ou femtoseconde.
Plus particulièrement, on propose selon l’invention un appareil, comportant un dispositif optique générateur de faisceau de Bessel, le dispositif optique générateur de faisceau de Bessel étant configuré pour recevoir le faisceau laser et pour concentrer spatialement le faisceau laser en au moins une zone sur l’axe optique du faisceau laser, ledit dispositif optique générateur de faisceau de Bessel étant configuré pour transformer une distribution spatiale d’intensité Gaussienne du faisceau laser en une distribution spatiale d’intensité de Bessel du faisceau laser transversalement à l’axe optique dans ladite zone; et un système optique passif disposé entre la source laser et le dispositif optique générateur de faisceau de Bessel, le système optique passif comprenant un masque de phase et/ou d’amplitude configuré pour modifier la distribution spatiale d’intensité de Bessel du faisceau laser transversalement et/ou longitudinalement par rapport à l’axe optique dans ladite zone.
D’autres caractéristiques non limitatives et avantageuses de l’appareil de découpe conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
- le système optique passif comprend un masque d’amplitude ayant une distribution d’amplitude de symétrie axiale par rapport à l’axe optique du faisceau laser ;
- le système optique passif comprend un masque de phase ayant une distribution de phase de symétrie axiale par rapport à l’axe optique du faisceau laser ;
- le système optique passif comprend un masque de phase ayant une distribution de phase symétrique par rapport à un axe transverse à l’axe optique du faisceau laser ;
- le masque de phase comprend une lame de phase inclinable par rapport à un plan transverse à l’axe optique du faisceau laser ;
- le système optique passif est configuré pour concentrer spatialement le faisceau laser en une pluralité de zones réparties le long de l’axe optique du faisceau laser ;
- le système optique passif est configuré pour apodiser la distribution spatiale transverse d’intensité du faisceau laser dans ladite au moins une zone suivant au moins une direction transverse à l’axe optique ;
- le dispositif optique générateur de faisceau de Bessel comporte une lentille axicon ou un dispositif optique configuré pour former un faisceau laser de section annulaire, ou un modulateur spatial de phase et/ou d’amplitude ;
- l’appareil comprend en outre un dispositif optique de séparation spatiale du faisceau disposé entre le dispositif optique générateur de faisceau de Bessel et ladite au moins une zone, le dispositif optique de séparation spatiale étant configuré pour séparer latéralement ladite au moins une zone en une première zone de focalisation et une deuxième zone séparées d’un écart dx, l’écart dx étant adapté pour initier dans le matériau une micro-fracture rectiligne entre la première zone et la deuxième zone ;
- l’appareil comprend un dispositif opto-électronique configuré pour diviser temporellement une impulsion laser de durée femtoseconde en une rafale d’impulsions femtoseconde séparées les unes des autres par un intervalle de temps prédéterminé.
L’invention propose également un procédé de découpe de matériau diélectrique transparent ou semiconducteur comprenant les étapes suivantes :
- génération d’un faisceau laser se dirigeant suivant un axe optique, le faisceau laser comprenant des impulsions de durée picoseconde ou femtoseconde, le faisceau laser ayant une distribution spatiale d’intensité Gaussienne transversalement à l’axe optique ;
- modification spatiale de phase et/ou d’amplitude du faisceau laser ;
- transformation de la distribution spatiale d’intensité Gaussienne du faisceau laser en une distribution spatiale d’intensité de Bessel modifiée par la modification spatiale de l’étape précédente transversalement et/ou longitudinalement par rapport à l’axe optique,
- concentration spatiale d’énergie du faisceau laser ayant une distribution spatiale d’intensité de Bessel modifiée, dans au moins une zone sur l’axe optique du faisceau laser, et
- découpe du matériau disposé dans ladite zone.
Description detaillee d’un exemple de réalisation
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés :
- la figure 1 représente schématiquement un système de découpe laser selon un premier mode de réalisation ;
- la figure 2 représente schématiquement un détail du système de la figure 1 ;
- la figure 3 représente schématiquement la distribution spatiale d’intensité d’un faisceau de Bessel conventionnel généré sans masque de phase ou d’amplitude en fonction de la distance le long de l’axe (Z) sur la figure 3A et, respectivement, en fonction d’une distance radiale R à l’axe optique du faisceau laser sur la figure 3B ;
- la figure 4A représente schématiquement une vue en coupe d’un premier exemple de masque d’amplitude annulaire et la figure 4B représente la distribution spatiale d’amplitude de ce masque d’amplitude annulaire ;
- la figure 5 représente schématiquement la distribution spatiale d’intensité d’un faisceau de Bessel modifié par masque d’amplitude annulaire en fonction de la distance le long de l’axe (Z) et de la distance radiale R sur la figure 5A et, respectivement, en fonction de la distance le long de l’axe optique (Z) du faisceau sur la figure 5B ;
- la figure 6A représente schématiquement une vue en coupe d’un exemple de masque de phase circulaire et la figure 6B représente la distribution spatiale de phase de ce masque de phase circulaire ;
- la figure 7 représente la distribution spatiale d’intensité d’un faisceau de Bessel modifié par un premier exemple de masque de phase circulaire en fonction de la distance longitudinale (Z) et de la distance radiale sur la figure 7A et, respectivement, en fonction de la distance le long de l’axe optique (Z) du faisceau sur la figure 7B ;
- la figure 8 représente la distribution spatiale d’intensité d’un faisceau de Bessel modifié par un deuxième exemple de masque de phase circulaire en fonction de la distance longitudinale (Z) et de la distance radiale sur la figure 8A et, respectivement, en fonction de la distance le long de l’axe optique (Z) du faisceau sur la figure 8B ;
- la figure 9A représente schématiquement une vue en coupe d’un autre exemple de masque de phase à symétrie transverse et la figure 9B représente la distribution spatiale de phase de ce masque de phase à symétrie transverse ;
- la figure 10 représente la distribution spatiale d’intensité d’un faisceau de Bessel modifié par un masque de phase de symétrie transverse en fonction de de la distance longitudinale et de la distance radiale du faisceau sur la figure 10A et, respectivement, en fonction de la distance le long de l’axe optique (Z) du faisceau sur la figure 10B ;
- la figure 11 représente schématiquement la combinaison d’un axicon et d’une lame de phase pour modifier le déphasage en fonction de l’angle d’inclinaison de la lame de phase ;
- la figure 12 représente schématiquement un système de découpe laser selon un autre mode de réalisation avec division spatiale du faisceau laser ;
- la figure 13 représente schématiquement un autre mode de réalisation combinant un système optique et un masque de phase pour générer un double faisceau de Bessel ;
- la figure 14 illustre un exemple de masque de phase pour dédoubler spatialement un faisceau de Bessel ;
- la figure 15 illustre un autre exemple de masque de phase pour dédoubler spatialement un faisceau de Bessel ;
- la figure 16 représente schématiquement les étapes d’un procédé de découpe de matériau diélectrique inorganique transparent selon un mode de réalisation.
Dans la présente demande et sur les figures, les mêmes signes de référence désignent des éléments identiques ou similaires.
Dans le présent document, on utilise les termes de « concentration spatiale d’énergie >>. Dans le cas d’un faisceau Gaussien et de composants optiques conventionnels, la concentration spatiale d’énergie est généralement équivalente à la focalisation du faisceau.
Dispositif
Sur la figure 1, on a représenté un système de découpe laser selon un premier mode de réalisation. Le système de découpe laser comprend une source laser 1, un système optique comprenant des miroirs 10, 11, 12, 13, 14, une lame demi-onde 15, un cube polarisant 16, un système optique 17 agrandisseur de faisceau.
La source laser 1 génère un faisceau laser 100 constitué d’impulsions ultracourtes, c’est-à-dire d’impulsions dont la durée est comprise entre 10 femtosecondes et 1 nanoseconde. La longueur d’onde délivrée par le laser 1 pouvant être comprise entre 250 nm et 2,2 pm. La cadence du laser 1 définit la durée entre deux impulsions. La cadence de la source laser 1 est en général comprise entre 1 kHz et 10 MHz. Par conséquent, la durée entre deux impulsions émises successivement varie entre environ 1 milliseconde (ms) à 10 microsecondes (ps). La source laser génère un faisceau laser 100 de haute puissance comprise généralement entre 0,5 W et 500 W. La longueur d’onde du laser est par exemple de 1030 nm.
La lame demi-onde 15 et le cube polarisant 16 sont orientés de manière à ajuster la puissance du faisceau laser 100. Le système optique 17 agrandisseur de faisceau permet d’agrandir la taille du faisceau laser d’un grandissement compris entre 0,5x et 10x par exemple. Le diamètre initial du faisceau est par exemple de 2,5 mm et celui du faisceau laser après le système optique agrandisseur est par exemple de 7,5 mm.
Un échantillon 3 est disposé sur un porte-échantillon 30. De façon avantageuse, un dispositif de platine de déplacement 33 motorisée suivant un ou plusieurs axes (X, Y) de translation, permet de déplacer le porte-échantillon 30 par rapport au faisceau laser suivant une trajectoire prédéterminée. L’échantillon 3 est en matériau diélectrique transparent ou semiconducteur. L’échantillon 3 présente une épaisseur généralement uniforme, comprise entre quelques dixièmes de millimètre et quelques millimètres, et de préférence entre 100 microns et un millimètre.
Une tête de focalisation 25 comporte un système optique à lentilles 4 et une lentille 8, une autre source d’illumination 9 générant un faisceau d’éclairage épiscopique et une caméra 5 de visualisation, par exemple de type CCD. La tête de focalisation 25 est montée sur une platine 6 de translation motorisée suivant l’axe Z d’un repère orthonormé (X, Y, Z). Une lame semi-transparente 19 permet de diriger le faisceau d’éclairage épiscopique vers l’échantillon 3. Une autre lame semi-transparente 18 permet de collecter sur la caméra un faisceau image par rétro-diffusion du faisceau d’éclairage épiscopique sur l’échantillon 3.
Le système optique 4 peut être choisi parmi une lentille asphérique (de longueur focale 6, 8 ou 10mm) ou un objectif de microscope, par exemple de type NIR APO 10x/ON 0.14, 20x/ON 0.26 ou 50x/ON 0.40. Le système optique à lentilles 4 combiné à la lentille 8 permet d’appliquer le faisceau 100 sur l’échantillon 3. Le dispositif de platine de déplacement 33 en XY est utilisé pour le positionnement précis en 3 dimensions de l’échantillon par rapport au faisceau laser 100.
Le signal de marche/arrêt du laser est déclenché par le contrôleur du dispositif de platine de déplacement 33 en XY.
La transmission du système optique en puissance laser entre la sortie du laser et l’échantillon cible est d’environ 87% en dehors de la transmission d’un composant optique 90 à masque d’amplitude ou de phase décrit ci-dessous.
De manière plus spécifique, le système comprend un masque 90 de phase ou d’amplitude disposé sur le trajet optique du faisceau laser 100 utilisé en combinaison avec un système optique générateur de faisceau de Bessel 74.
Le système optique générateur de faisceau de Bessel 74 modifie la distribution spatiale d’énergie du faisceau laser de manière à transformer la distribution spatiale Gaussienne d’énergie du faisceau laser 100 en une distribution spatiale en faisceau de Bessel dans le matériau cible.
Dans un premier exemple de réalisation, illustré sur la figure 2, le système optique générateur de faisceau de Bessel comprend une lentille axicon 74 convergente pour générer un faisceau de Bessel primaire 190. L’axicon 74 a par exemple un angle d’apex de 178 degrés ou de 176 degrés. L’axicon 74 génère un faisceau de Bessel primaire dont on forme l’image dans le cœur ou le volume du matériau. Plus précisément, un système optique réducteur de faisceau comprend une première lentille 75 et une deuxième lentille 76 pour former un faisceau de Bessel secondaire 290. Les lentilles 75 et 76 sont disposées et arrangées de manière à produire une combinaison optique ayant un grandissement défini par les focales des lentilles 75 et 76. L’échantillon est positionné de manière à ce que le faisceau de Bessel secondaire 290 soit focalisé dans le matériau entre 50 microns et 150 microns sous la surface de l’échantillon 3 exposée au faisceau laser.
La longueur du faisceau de Bessel secondaire 290 est ajustée en fonction de l’épaisseur de verre, au moyen des lentilles 75 et 76. Par exemple, on utilise un faisceau laser incident 100 ayant un diamètre de 3.6 mm, une lentille 75 de 150mm de longueur focale et comme lentille 76 un objectif de microscope 20x/ON 0.40. Le système optique réducteur de faisceau présente alors un facteur de grandissement d’environ 1/15. La longueur /du faisceau de Bessel secondaire 290 est d’environ 0.65 mm dans l’air ou de 1.0 mm dans un verre de type sodalime. La longueur / du faisceau de Bessel secondaire diminue à environ 0,16mm dans l’air en utilisant comme lentille 76 un objectif de microscope 50x/ON 0.42.
La figure 3 représente schématiquement la distribution spatiale d’intensité d’un faisceau de Bessel primaire conventionnel généré sans masque de phase ou d’amplitude en fonction de l’axe optique (Z) du faisceau sur la figure 3A et, respectivement, en fonction d’une distance radiale à l’axe optique (Z) du faisceau sur la figure 3B.
On observe sur la figure 3A que le profil spatial d’intensité d’un faisceau de Bessel primaire a une répartition longitudinale qui présente un maximum d’intensité et qui décroit fortement de part et d’autre de ce maximum le long de l’axe optique. Le faisceau de Bessel conventionnel illustré sur la fig. 3A présente donc une distribution fortement inhomogène de l’énergie du faisceau le long de l’axe optique. On observe sur la figure 3B que le profil spatial d’intensité d’un faisceau de Bessel primaire a une répartition transverse qui présente une frange centrale intense et des anneaux concentriques qui conservent une partie non négligeable de l’énergie du faisceau.
La figure 4 représente un premier exemple de système optique passif 90 constitué ici d’un masque d’amplitude annulaire utilisé en combinaison avec un générateur de faisceau de Bessel primaire, pour former un faisceau de Bessel modifié. Le masque d’amplitude 90 est disposé en amont ou en aval d’un axicon 74. Le masque d’amplitude 90 comprend un substrat 81 et une couche mince 82. Le substrat 81 est par exemple une lame de verre, de type BK7 ou de silice, à faces planes et parallèles. La couche mince 82 est par exemple une couche mince métallique déposée ou gravée en forme annulaire. La couche mince 82 a une épaisseur e et une transmission qui peut aller jusqu’à 80 %. Le masque de phase annulaire 90 est disposé sur le trajet optique du faisceau laser 100 ayant une distribution transverse en intensité de forme Gaussienne. La couche métallique 82 introduit localement une baisse de transmission optique qui se traduit par une variation d’amplitude sur le faisceau laser 190 transmis.
Le dépôt métallique 82 peut être obtenu au moyen d’un métalliseur de type magnétron planaire à faible tension (low voltage planar magnetron). La durée de métallisation permet de contrôler précisément l’épaisseur de la couche métallique 82, par exemple de quelques dizaines de nanomètres d’or et ainsi la transmission optique de la partie métallisée. La géométrie annulaire du masque d’amplitude est obtenue en déposant un masque avant l’opération de métallisation. Ce masque de métallisation est par exemple constitué d’un film adhésif découpé au laser selon deux trajectoires circulaires correspondant respectivement au diamètre interne D1 et au diamètre externe D2 du masque annulaire souhaité. La partie du film adhésif comprise entre les diamètres D1 et D2 est retirée manuellement afin de délimiter la zone de dépôt métallique. L’autre partie du film adhésif est retirée manuellement après métallisation. Par exemple, pour un diamètre D de faisceau gaussien incident à 1/e2 de 3,6mm, on utilise un masque d’amplitude annulaire de diamètre interne D1 égal à 1,6mm et de diamètre externe D2 égal à 2,6mm.
On utilise le masque d’amplitude 90 combiné avec un axicon 74 ayant un angle d’apex de 178 degrés, une lentille 75 de focale 175mm et une lentille 76 de focale 10mm (ou un objectif 20x/ON 0.40). Le faisceau laser incident 100 gaussien a un diamètre D de 3,6mm sur le masque d’amplitude 90. La durée d’impulsion laser est de 900fs. Le faisceau laser 100 est centré sur le masque d’amplitude annulaire et de diamètre D supérieur au diamètre externe D2 du masque d’amplitude. De façon avantageuse, le système optique agrandisseur de faisceau 17 est configuré pour ajuster la taille du faisceau au point focal.
La figure 5A représente le profil spatial d’intensité en deux dimensions (fig. 5A) et respectivement en une dimension (fig. 5B) d’un faisceau de Bessel obtenu à partir d’un faisceau laser de profil d’intensité Gaussien modifié au moyen d’un masque d’amplitude annulaire passif placé en amont d’un axicon. Le masque d’amplitude a un rayon interne et externe correspondant respectivement à 37,5% et 63,5% du rayon du faisceau laser Gaussien incident mesuré à 1/e2. La transmission du masque est de 67% au niveau de la surface couverte par le masque d’amplitude et de 100% en dehors du périmètre du masque, c’est-à-dire au centre de l’anneau et sur les bords.
Sur la figure 5B, on observe que le masque d’amplitude permet d’atténuer la partie centrale du profil spatial d’intensité du faisceau de Bessel secondaire le long de l’axe optique du faisceau. La combinaison d’un axicon et d’un masque d’amplitude annulaire permet de rendre le profil spatial du faisceau plus homogène. Le masque d’amplitude annulaire permet ainsi une meilleure répartition de l’énergie à l’intérieur du matériau à découper. Ce dispositif à masque d’amplitude annulaire permet d’obtenir une meilleure qualité de découpe par exemple du verre trempé. Le champ de coupe obtenu avec un tel masque d’amplitude est de meilleure qualité que celui obtenu sans masque d’amplitude. Autrement dit, la combinaison d’un axicon et d’un masque d’amplitude annulaire permet d’améliorer la répartition longitudinale d’intensité sur la frange centrale du faisceau de Bessel secondaire, en atténuant la zone centrale où se situe le maximum d’intensité de manière à obtenir un dépôt d’énergie plus homogène le long de l’axe longitudinal et à optimiser la découpe en réduisant les contraintes mécaniques à l’intérieur du matériau.
La découpe obtenue est ainsi plus lisse, moins rugueuse et présente une diminution de l’endommagement et des micro-fractures à l’intérieur du matériau.
La figure 6 illustre un autre mode de réalisation. Dans ce mode de réalisation, on utilise la combinaison d’un dispositif optique générateur de faisceau de Bessel et d’un masque de phase circulaire. Le dispositif optique générateur de faisceau de Bessel peut être choisi parmi un système optique comprenant un axicon ou une combinaison d’un obturateur central pour former un faisceau annulaire et d’un système optique à lentille pour focaliser le faisceau annulaire. De manière alternative, on peut aussi utiliser un modulateur spatial de lumière (SLM) en phase et/ou en amplitude, pour générer le faisceau de Bessel.
Sur la figure 6A, le masque de phase comprend un substrat 81 et une couche mince 83 en forme de disque centré sur l’axe optique du faisceau laser. Le substrat 81 est une lame à faces planes et parallèle, en verre, par exemple de type BK7 ou silice, traité antireflet sur ses deux faces. La couche mince 83 a un diamètre D3, une épaisseur e et un indice de réfraction optique n. La couche mince 83 circulaire est par exemple obtenue par dépôt sous vide à travers un masque circulaire. La couche mince 83 est transparente à la longueur d’onde du laser. La couche mince 83 introduit localement une différence de phase ΔΦ proportionnelle à l’épaisseur e selon la formule suivante :
π
ΔΦ = —-— (η — 1) e λ
où λ représente la longueur d’onde du laser et n représente l’indice de réfraction de la couche mince 83.
La figure 6B représente la distribution spatiale de phase de ce masque de phase circulaire. La couche mince 83 introduit une différence de phase sur toute sa surface par rapport au substrat 81. Par exemple, la différence de phase introduite par le masque de phase au niveau de la couche mince 83 est de 0,25 radians.
A titre d’exemple non limitatif, on détaille ici la combinaison d’un masque de phase annulaire passif disposé sur le trajet optique d’un faisceau laser femtoseconde Gaussien en amont d’un axicon convergent.
Le faisceau laser 100 Gaussien a un diamètre D supérieur au diamètre D3 du masque annulaire. Le faisceau laser Gaussien est incident sur le masque de phase. Le faisceau laser a une zone centrale, de diamètre inférieur au diamètre D3 de la couche mince 83, et une zone annulaire périphérique, de diamètre compris entre le diamètre D3 de la couche mince 83 et le diamètre D du faisceau laser 100 à 1 le2. Par transmission à travers le masque de phase, la zone centrale du faisceau laser subit une différence de phase, ici de 0,25 radians, par rapport à la zone annulaire périphérique.
La figure 7 illustre un premier exemple d’application d’un masque de phase circulaire tel que représenté sur la figure 6 utilisé en combinaison avec un dispositif générateur de faisceau de Bessel. Dans ce premier exemple, le masque de phase a un diamètre D3 correspondant à 60% du diamètre D du faisceau laser Gaussien incident mesuré à 1 le2. La différence de phase est de 0,25 radians. Sur la figure 7A, on a représenté la distribution spatiale d’intensité du faisceau de Bessel modifié par le premier exemple de masque de phase circulaire en deux dimensions en fonction de la distance le long de l’axe optique (Z) du faisceau, en abscisses, et en fonction de la distance radiale R, en ordonnées. Sur la figure 7B on a représenté une courbe de d’intensité du faisceau de Bessel modifié par le premier exemple de masque de phase circulaire en fonction de la distance le long de l’axe optique (Z) du faisceau. Les profils d’intensité à 2D et 1D du faisceau de Bessel modifié ainsi obtenu à partir d’un faisceau laser de profil d’intensité Gaussien montrent dans ce premier exemple de masque de phase circulaire, une atténuation de la partie amont de la frange centrale du faisceau de Bessel. L’intensité maximum est ainsi réduite dans le matériau et décalée vers la surface sur laquelle le faisceau laser est incident.
La figure 8 illustre un deuxième exemple d’application d’un masque de phase circulaire. Dans ce deuxième exemple, le masque de phase a un diamètre D3 correspondant à 70% du diamètre D du faisceau laser Gaussien incident mesuré à 1 le2. La différence de phase est ici aussi de de 0,25 radians. Sur la figure 8A, on a représenté la distribution spatiale d’intensité du faisceau de Bessel modifié par le premier exemple de masque de phase circulaire en deux dimensions en fonction de la distance le long de l’axe optique (Z) du faisceau, en abscisses, et en fonction de la distance radiale R, en ordonnées. Sur la figure 8B on a représenté une courbe de d’intensité du faisceau de Bessel modifié par le deuxième exemple de masque de phase circulaire en fonction de la distance le long de l’axe optique (Z) du faisceau. Les profils d’intensité à 2D et 1D du faisceau de Bessel modifié ainsi obtenu à partir d’un faisceau laser de profil d’intensité Gaussien montrent, dans ce deuxième exemple, une atténuation de la partie aval de la frange centrale du faisceau de Bessel. L’intensité maximum est ainsi réduite dans le matériau et décalée vers la surface opposée à la surface sur laquelle le faisceau laser est incident.
Dans ces deux exemples, le faisceau de Bessel est généré par un axicon convergent à partir d’un faisceau laser gaussien et modifié par un masque de phase introduisant un même déphasage de 0.25 radians, mais sur un diamètre variable, de 60 % du diamètre du faisceau Gaussien dans le premier exemple, et, respectivement, de 70 % du diamètre du faisceau Gaussien dans le deuxième exemple. Par comparaison entre la figure 7B et la figure 8B, on observe qu’il est possible d’atténuer la partie amont ou la partie aval du profil spatial d’intensité en utilisant un masque de phase circulaire en fonction du rapport entre le diamètre du masque de phase circulaire et le diamètre du faisceau Gaussien.
La figure 9 illustre un autre exemple d’application d’un troisième masque de phase utilisé en combinaison avec un dispositif générateur de faisceau de Bessel.
On a représenté un exemple du troisième masque de phase en vue de côté sur la figure 9A, et, respectivement en vue de face sur la figure 9B. Le masque de phase comporte un substrat 81 transparent et une couche mince 84 d’épaisseur e. La couche mince 84 introduit un déphasage par rapport au substrat. Plus précisément, ce masque de phase est divisé en deux parties. Par exemple, le masque de phase comporte une première partie comprenant la couche mince 84 ayant une phase uniforme égale à 0 et une deuxième partie sans couche mince 84 ayant une phase uniforme égale à π. Le masque de phase est disposé transversalement à l’axe optique 70 du faisceau laser 100.
La figure 10A illustre la distribution en intensité du faisceau de Bessel modifié par le troisième masque de phase en fonction de l’axe optique Z, en abscisses, et, respectivement, en fonction de la distance radiale R par rapport à l’axe optique 70, en ordonnées. La figure 10B illustre la distribution en intensité du faisceau de Bessel modifié par le troisième masque de phase en fonction de la distance radiale R par rapport à l’axe optique 70 dans la zone de focalisation ou de concentration d’énergie. Dans les exemples illustrés sur les figures 10A et 10B, le masque de phase est disposé de manière à ce que la première partie comprenant la couche mince 84 intercepte le faisceau tangentiellement à un rayon correspondant à 60% du diamètre D du faisceau laser Gaussien incident mesuré à 1/e2. La différence de phase introduite entre la première partie et la deuxième partie du masque de phase est de π radians.
En comparant la figure 10B avec la figure 3B, on constate une apodisation d’une ou de plusieurs franges d’interférences secondaires 196, 197, au bénéfice de la frange centrale 199 dans la distribution transverse d’énergie. Dans cet exemple, l’apodisation est dissymétrique par rapport à l’axe optique. Toutefois, le masque de phase peut être adapté pour produire une apodisation symétrique par rapport à l’axe optique. Par ailleurs, le masque de phase peut être combiné avec un autre un masque d’amplitude et/ou un autre masque de phase pour affecter le moins possible la frange centrale. L’apodisation permet d’éviter la dispersion d’énergie en dehors de la frange centrale du faisceau de Bessel ainsi modifié. Le faisceau de Bessel ainsi modifié est plus concentré transversalement à l’axe optique.
Le masque de phase est un composant optique passif induisant un déphasage prédéterminé.
Sur la figure 11, on a représenté un système permettant d’ajuster continûment le déphasage d’une lame de phase. Le système de la figure 11 comprend une lentille axicon 74 convergente et une lame de phase 85. La lame de phase 85 est par exemple une lame de verre (BK7 ou silice) à faces planes et parallèles, de préférence traitée antireflet à la longueur d’onde du laser. La lame de phase 85 est disposée sur le trajet optique en amont de l’axicon 74 de manière à intercepter une partie du faisceau laser 100 Gaussien incident. La lame de phase 85 a une épaisseur e. La lame de phase 85 est inclinée d’un angle ALPHA par rapport un plan transverse à l’axe optique 70 du faisceau laser 100. L’épaisseur optique W de la lame de phase 85 varie en fonction de l’angle d’inclinaison ALPHA. La lame de phase 85 a une arête rectiligne qui est tangente à l’axe optique 70.
La lame de phase 85 introduit, sur la partie 185 du faisceau qu’elle intercepte, une différence de phase ΔΦ proportionnelle à l’épaisseur e de la lame 85, selon la formule :
π e
ΔΦ ---(η - 1)-λ 1 7 cosÇALPHA') où λ représente la longueur d’onde du laser et n représente l’indice de réfraction de la lame de phase. L’angle d’inclinaison ALPHA est ajusté de manière à ajuster le déphasage, par exemple pour obtenir un déphasage de π+ Ν*2π radians, avec N nombre entier.
La figure 12 représente un autre aspect particulier et avantageux de l’invention, utilisé en combinaison avec la modification de distribution spatiale longitudinale et/ou transverse d’un faisceau de Bessel.
Sur cette figure 12, les mêmes composants sont repérés par les mêmes signes de référence qu’utilisés précédemment.
De manière plus spécifique, le système de la figure 12 utilise un élément optique diffractif 91, actif ou passif, et un axicon 74. L’élément optique diffractif 91 permet de générer les mêmes fonctions que celles générées par l’élément 90 précédemment en dédoublant au moins un fois le faisceau de Bessel. L’élément élément optique diffractif 91, comprend donc un masque de phase différent permettant d’obtenir la séparation spatiale du faisceau laser 100. L’élément optique diffractif 91 est placé en amont de l’axicon 74. L’axicon 74 permet de générer un faisceau de Bessel. Le système de la figure 12 permet ainsi de générer au niveau de l’échantillon 30 deux faisceaux de Bessel 101, 102 séparés d’un écart dx et s’étendant parallèlement l’un à l’autre. Ce système permet d’appliquer simultanément le premier faisceau laser 101 dans une première zone d’interaction de l’échantillon, et le deuxième faisceau laser 102 dans une deuxième zone 32 d’interaction de l’échantillon. Le premier faisceau laser 101 est ici un faisceau laser ayant une distribution spatiale de Bessel modifiée longitudinalement et/ou transversalement par le composant optique 91 comprenant masque de phase et/ou d’amplitude. De même, le deuxième faisceau laser 102 est ici un faisceau laser ayant une distribution spatiale de Bessel modifiée longitudinalement et/ou transversalement par le composant optique 91 comprenant un masque de phase et/ou d’amplitude. Le faisceau de Bessel est ici généré par l’axicon 74. Toutefois, d’autres dispositifs tels qu’un faisceau annulaire focalisé par une lentille sphérique permettent de manière équivalente de générer un faisceau de Bessel.
On note dx l’écart entre la première zone 31 et la deuxième zone 32 d’interaction de l’échantillon. Ce système permet d’appliquer deux impulsions simultanées par rapport à une direction de déplacement relatif MX entre l’échantillon 3 et les faisceaux laser 101 et 102. La direction du déplacement MX appliqué entre l’émission d’impulsions successives est de préférence parallèle à l’écart dx entre le premier faisceau laser 101 et le deuxième faisceau laser 102. Le déplacement suivant la direction X et/ou Y permet ainsi de générer de proche en proche une trajectoire constituée d’une pluralité de zones d’interaction.
L’homme du métier calculera aisément la carte de phase à appliquer sur le composant d’optique diffractif actif ou passif 91 pour intégrer à la fois une fonction d’atténuation de la frange centrale du faisceau de Bessel suivant l’axe optique longitudinal et/ou une fonction d’apodisation de la distribution transverse d’intensité d’un faisceau de Bessel et/ou une division en deux faisceaux de Bessel. A cet effet, il convient d’utiliser un algorithme itératif de type Gerchberg et Saxton. Ce type algorithme permet de calculer par approximations successives la carte de phase adaptée à l’obtention d’un profil d’intensité de faisceau donné.
La figure 13 illustre un exemple de réalisation d’un dispositif de séparation spatiale. Ce dispositif utilise un élément optique diffractif 91, actif ou passif, et un axicon 74. L’élément optique diffractif 91 permet de générer directement au moins deux ou plusieurs spots. L’élément élément optique diffractif 91, comprend par exemple un masque de phase permettant d’obtenir la séparation spatiale du faisceau laser 100. L’élément optique diffractif 91 est placé en amont de l’axicon 74. L’axicon 74 permet de générer un faisceau de Bessel. Le système de la figure 16 permet ainsi de générer deux faisceaux de Bessel 101, 102 séparés d’un écart dx et s’étendant parallèlement l’un à l’autre.
Un exemple de masque de phase 91 est illustré sur la figure 14 en vue de face. Ce masque de phase 91 est divisé en deux parties. Par exemple le masque de phase comporte une moitié ayant une phase uniforme égale à 0 et une autre moitié ayant une phase uniforme égale à π. La ligne séparant les deux parties du masque de phase est disposée transversalement à l’axe optique 70 du faisceau laser 100. La figure 14B illustre la distribution en intensité des deux faisceaux 181, 182 obtenu avec un dispositif comme celui de la figure 16 et le masque de phase de la figure 14A, en fonction de l’axe optique longitudinal Z, en abscisses, et, respectivement, en fonction de la distance radiale R par rapport à l’axe optique 70, en ordonnées.
Un autre exemple d’élément optique diffractif 91 est illustré sur la figure 15 en vue de face. Cet élément optique diffractif 91 peut être réalisé au moyen d’un masque de phase passif ou d’un élément actif de type modulateur spatial de lumière (SLM). La figure 15B illustre la distribution en intensité des deux faisceaux 181, 182 obtenu avec un dispositif comme celui de la figure 16 et le masque de phase de la figure 15A, en fonction de l’axe optique longitudinal Z, en abscisses, et, respectivement, en fonction de la distance radiale R par rapport à l’axe optique 70, en ordonnées.
Les exemples détaillés en lien avec les figures 4 à 15 sont seulement quelques exemples de modifications de la distribution spatiale d’intensité d’un faisceau de Bessel suivant l’axe optique longitudinal et/ou transversalement à l’axe optique longitudinal.
L’homme du métier adaptera aisément différents aspects particuliers de masque de phase et/ou d’amplitude pour modifier la distribution spatiale longitudinale et/ou transverse d’un faisceau de Bessel en fonction de l’application.
La combinaison d’un dispositif optique générateur de faisceau de Bessel et d’un composant optique passif permet ainsi d’optimiser la distribution spatiale longitudinale et/ou transverse d’un faisceau de Bessel. Le composant optique passif présente de très faibles pertes par transmission. Par conséquent, le système complet présente une grande efficacité en termes d’énergie du faisceau laser : on récupère au moins 80% à 90% du faisceau laser dans la zone de focalisation ou zone de concentration d’énergie. De plus, l’élimination de l’ordre zéro de diffraction est en général plus facile avec un composant optique passif.
Le composant optique passif est généralement un composant optique spatialement uniforme sur toute sa surface (cas de la lame de phase) ou uniforme par partie (masque d’amplitude ou de phase, ayant des valeurs binaires en d’amplitude ou en phase). Un tel composant optique passif produit peu de pertes par diffraction.
Cette solution présente plusieurs avantages en termes de compacité, de robustesse, de tenue au flux laser jusqu’à une puissance de plusieurs watts à une centaine de watts, de dynamique d’amplitude ou de phase, de coût, de simplicité et de transmission optique. Cette solution présente l’avantage d’être robuste et stable dans le temps, ce qui rend possible des applications industrielles de fabrication en masse. En effet, le composant optique passif, de type masque de phase et/ou d’amplitude est parfaitement adapté à une mise en œuvre industrielle de découpe de matériaux diélectriques transparents ou semiconducteurs.
L’invention s’applique en particulier à la découpe de matériaux diélectriques transparents minéraux amorphes ou cristallins, par exemple du verre trempé chimiquement, du verre normal ou du saphir, ou semiconducteurs, par exemple le silicium ou le germanium. Par transparent, on entend transparent à la longueur d’onde du laser. Par minéral on entend non-organique et non métallique. Le matériau à découper peut être renforcé/trempé (avec précontraintes ou profil de contrainte variable sur l’épaisseur) ou normal (sans précontrainte). On mentionne de manière non exhaustive et nullement limitative les matériaux suivants :
verre sodocalcique trempé utilisé dans des applications de protection d’écran de téléphone mobile, tablette électronique (par exemple le verre Gorilla de Corning, Dragon Trail de Asahi Glass ou Xensation de Schot) ou les écrans plat d’affichage à haute résolution. Il existe plusieurs nuances de Gorilla en fonction de l’épaisseur de trempe chimique (DOL pour depth of layer de 30 à 50 pm), l’épaisseur du verre et sa résistance mécanique ou à la rayure ;
Verre borosilicate renforcé (Eagle de Corning), ou verre trempé aminci par érosion ;
Verre sodocalcique trempé pour l’électroménager (Fiat Glass de Schott, d’épaisseur supérieure à 1mm) ;
Verre sodocalcique pour application dans le bâtiment et l’architecture;
Verre borosilicate pour les verres optiques en l’ophtalmologie,
Silice fondue, quartz, verres fluorés pour les verres optiques UV, Verre de chalcogénure pour les verres optiques IR moyen,
Saphir utilisé comme substrat de LEDs, verre de protections de capteur CDD en smart-électronique, verres de protection de pièces de mouvement ou de boîtier en horlogerie ;
Verre feuilleté multicouche, comprenant un film plastique ou adhésif pris entre deux couches de verre.
Plus particulièrement l’invention trouve des applications en :
Découpe curvilinéaire de verre sodocalcique trempé utilisé comme verre de protection pour les appareils électroniques portables avec écran tactile ou non (téléphone mobile, téléphone intelligent, tablette électronique),- Découpe linéaire de verre sodocalcique trempé pour écrans plats d’affichage à haute résolution (TV, affichage, ordinateur) ;
Découpe curvilinéaire de verre trempé utilisé comme verre de protection dans les systèmes militaires d’affichage de terrain;
Découpe curvilinéaire de verre ou du saphir de protection de capteurs CCD utilisés en opto-électronique ou électronique, par exemple le verre de protection d’un objectif photo/vidéo de téléphone portable ;
Découpe curvilinéaire de composants optiques en verre borosilicate ou en silice fondue ;
Découpe de verre ultramince de 30 à 40 pm d’épaisseur ;
Découpe de tube de verre pour applications médicales ;
Singulation de saphir utilisé comme substrat pour les LED bleues en optoélectronique ;
Découpe de cristal YAG dopé ou non, ou de diamant, pour composant photonique.
Procédé
Sur la figure 16, on a représenté schématiquement les étapes d’un procédé de découpe de matériau diélectrique inorganique transparent ou semiconducteur selon un mode de réalisation.
A l’étape 51, on génère un faisceau laser se dirigeant suivant un axe optique, le faisceau laser comprenant des impulsions de durée femtoseconde ou picoseconde, le faisceau laser ayant une distribution spatiale d’intensité Gaussienne transversalement à l’axe optique.
A l’étape 52, on modifie la distribution spatiale de phase et/ou d’amplitude du faisceau laser.
A l’étape 53, on transforme la distribution spatiale d’intensité Gaussienne du faisceau laser en une distribution spatiale d’intensité de Bessel laser transversalement à l’axe optique, cette distribution spatiale d’intensité de Bessel étant modifiée par la modification de distribution spatiale de phase et/ou d’amplitude du faisceau laser induite à l’étape 52.
A l’étape 54, on focalise le faisceau laser ayant une distribution spatiale d’intensité de Bessel modifiée transversalement et/ou longitudinalement par rapport à l’axe optique dans une zone de focalisation.
A l’étape 55, on applique le faisceau laser de distribution spatiale de Bessel modifiée à la découpe d’un matériau diélectrique inorganique transparent ou semiconducteur disposé dans la zone de focalisation du faisceau laser ainsi modifié.
Selon des aspects particuliers qui peuvent être utilisés seuls ou en combinaison :
- le faisceau laser est divisé spatialement en un premier faisceau appliqué sur une première zone du matériau à découper et en un deuxième faisceau appliqué simultanément sur une deuxième zone du matériau à découper, l’écart dx entre la première zone et la deuxième zone étant compris dans une gamme étroite adaptée en fonction du matériau pour générer une micro-fracture rectiligne entre la première zone et la deuxième zone ;
- le faisceau laser comporte des impulsions femtosecondes à une fréquence de répétition frep, dans lequel au moins une impulsion femtoseconde est divisée temporellement en une rafale de sousimpulsions, l’énergie totale Ep des sous-impulsions, ou impulsions secondaires, d’une rafale d’impulsions étant égale à l’énergie d’une impulsion principale. La cadence des impulsions d’une rafale est par exemple de l’ordre de 40 MHz. Le nombre d’impulsions dans la rafale est de préférence compris entre 2 et 20.
Ces différents aspects permettent d’optimiser la distribution d’énergie spatialement et/ou temporellement pour obtenir une découpe lisse, nette, sans ébréchure et avec une vitesse de découpe rapide.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS
    1. Appareil de découpe de matériau diélectrique transparent ou semiconducteur comprenant :
    - une source laser (1) adaptée pour générer un faisceau laser (100) se dirigeant suivant un axe optique (70), le faisceau laser (100) comprenant des impulsions de durée picoseconde ou femtoseconde, caractérisé en ce que l’appareil comporte :
    - un dispositif optique générateur de faisceau de Bessel (74), le dispositif optique générateur de faisceau de Bessel (74) étant configuré pour recevoir le faisceau laser et pour concentrer spatialement le faisceau laser en au moins une zone sur l’axe optique (70) du faisceau laser, ledit dispositif optique générateur de faisceau de Bessel (74) étant configuré pour transformer une distribution spatiale d’intensité Gaussienne du faisceau laser en une distribution spatiale d’intensité de Bessel du faisceau laser transversalement à l’axe optique dans ladite zone; et
    - un système optique passif (90) disposé entre la source laser (1) et le dispositif optique générateur de faisceau de Bessel (74), le système optique passif (90) comprenant un masque de phase et/ou d’amplitude configuré pour modifier la distribution spatiale d’intensité de Bessel du faisceau laser transversalement et/ou longitudinalement par rapport à l’axe optique dans ladite zone.
  2. 2. Appareil selon la revendication 1 dans lequel le système optique passif (90) comprend un masque d’amplitude (81,82) ayant une distribution d’amplitude de symétrie axiale par rapport à l’axe optique (70) du faisceau laser.
  3. 3. Appareil selon la revendication 1 dans lequel le système optique passif comprend un masque de phase (81, 83) ayant une distribution de phase de symétrie axiale par rapport à l’axe optique (70) du faisceau laser.
  4. 4. Appareil selon la revendication 1 dans lequel le système optique passif comprend un masque de phase (81, 84, 85) ayant une distribution de phase symétrique par rapport à un axe transverse à l’axe optique (70) du faisceau laser.
  5. 5. Appareil selon l’une des revendications 3 ou 4 dans lequel le masque de phase comprend une lame de phase (85) inclinable par rapport à un plan transverse à l’axe optique (70) du faisceau laser.
  6. 6. Appareil selon l’une des revendications 1 à 5 dans lequel le système optique passif est configuré pour concentrer spatialement le faisceau laser en une pluralité de zones réparties le long de l’axe optique (70) du faisceau laser.
  7. 7. Appareil selon l’une des revendications 1 à 6 dans lequel le système optique passif est configuré pour apodiser la distribution spatiale transverse d’intensité du faisceau laser dans ladite au moins une zone suivant au moins une direction transverse à l’axe optique.
  8. 8. Appareil selon l’une des revendications 1 à 7 dans lequel le dispositif optique générateur de faisceau de Bessel (74) comporte une lentille axicon ou un dispositif optique configuré pour former un faisceau laser de section annulaire, ou un modulateur spatial de phase et/ou d’amplitude.
  9. 9. Appareil selon l’une des revendications 1 à 8 comprenant en outre un dispositif optique de séparation spatiale (21, 22) du faisceau disposé entre le dispositif optique générateur de faisceau de Bessel (74) et ladite au moins une zone, le dispositif optique de séparation spatiale (21, 22) étant configuré pour séparer latéralement ladite au moins une zone en une première zone de focalisation (31) et une deuxième zone (32) séparées d’un écart dx, l’écart dx étant adapté pour initier dans le matériau une micro-fracture rectiligne entre la première zone (31) et la deuxième zone (32).
  10. 10. Appareil selon l’une des revendications 1 à 9 comprenant un dispositif opto-électronique configuré pour diviser temporellement une impulsion laser de durée femtoseconde en une rafale d’impulsions femtoseconde séparées les unes des autres par un intervalle de temps prédéterminé.
  11. 11. Procédé de découpe de matériau diélectrique transparent ou semiconducteur comprenant les étapes suivantes :
    - génération (51) d’un faisceau laser (100) se dirigeant suivant un axe optique, le faisceau laser comprenant des impulsions de durée picoseconde ou femtoseconde, le faisceau laser ayant une distribution spatiale d’intensité Gaussienne transversalement à l’axe optique ;
    - modification spatiale (52) de phase et/ou d’amplitude du faisceau laser ;
    - transformation (53) de la distribution spatiale d’intensité Gaussienne du faisceau laser en une distribution spatiale d’intensité de Bessel modifiée par la modification spatiale (52) de l’étape précédente transversalement et/ou longitudinalement par rapport à l’axe optique,
    - concentration spatiale d’énergie (54) du faisceau laser ayant une distribution spatiale d’intensité de Bessel modifiée, dans au moins une zone sur l’axe optique du faisceau laser, et
    5 - découpe (55) du matériau disposé dans ladite zone.
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