Qu'est-ce que l'ablation au laser ?

L'ablation StarLaser gagne en popularité dans le secteur manufacturier actuel. Les avantages et la simplicité d'utilisation de cette technologie surpassent de loin toutes les autres alternatives. C'est pourquoi les professionnels et les fabricants qui n'ont pas encore adopté cette technologie s'interrogent souvent sur le fonctionnement et les paramètres de l'ablation laser.

Cet article détaille en détail l'ablation laser et les différents aspects associés à ce concept. Grâce aux informations présentées, vous découvrirez tous les avantages de l'ablation laser pour votre secteur industriel.

Qu'est-ce que l'ablation laser (sablage laser) ?

L'ablation laser est un procédé industriel qui utilise l'énergie d'un faisceau laser pour retirer de la matière d'un objet solide ou liquide. Ce procédé est également appelé sablage laser. Un faisceau laser est un rayon lumineux amplifié de haute énergie. Au contact du matériau indésirable, l'énergie du laser est transférée aux particules. Celles-ci s'évaporent rapidement de l'objet grâce à l'énergie des lasers. L'ablation est généralement réalisée par des lasers pulsés plutôt que par des lasers continus. Elle peut utiliser n'importe quelle méthode de génération de source laser, comme le laser à fibre, les nanotubes de carbone, le laser à excimère, etc.

Une brève histoire de l'ablation au laser

Les recherches sur le concept d'ablation laser ont débuté rapidement après l'invention du laser en 1962. Les premières applications de l'ablation laser concernaient principalement le secteur médical. Par exemple, en 1963, McGuff a expérimenté l'ablation laser en chirurgie cardiovasculaire. C'est plus tard, en 1995, que Guo et al. ont utilisé un procédé d'ablation laser pour un métal catalytique mélangé à une pâte de graphite solidifiée.

Comment fonctionne l’ablation au laser ?

L'ablation laser combine deux procédés : la vaporisation et l'expulsion de matière fondue. Voici une description détaillée des différentes étapes de l'ablation laser :

• Le processus commence par la génération d'impulsions laser de haute intensité. Lorsque la lumière émise frappe la surface du matériau, l'énergie des photons est absorbée par les particules. Celles-ci sont ensuite chauffées, ce qui provoque une vaporisation instantanée.
• La conversion instantanée de particules solides en gaz crée un panache de plasma. Bien que la vaporisation semble instantanée, il s'agit en réalité d'un processus en plusieurs étapes. Des impulsions laser initiales font fondre les particules solides en liquide, créant ainsi un bain de fusion. Des impulsions ultérieures transforment ce bain en vapeur en excitant les électrons des particules.
• La vaporisation des particules crée une pression élevée en direction du substrat. Cette pression repousse le bain de fusion formé sur le substrat. On parle alors de pression de recul.
• Il est possible de collecter les particules vaporisées et de les étudier pour des analyses chimiques élémentaires et isotopiques. Ceci constitue la base de nombreux procédés scientifiques tels que la spectrométrie de masse à plasma inductif avec ablation laser (LA-ICP-MS).
• Les propriétés des particules du matériau et du laser déterminent la profondeur et la vitesse d'ablation. Par exemple, une longueur d'onde laser plus courte, une fréquence d'impulsions plus élevée, une durée d'exposition plus longue et une densité énergétique plus élevée entraîneront une ablation plus rapide et plus profonde. Du côté du matériau, la vitesse d'ablation est influencée par des propriétés telles que la conductivité thermique et l'épaisseur de la couche de matériau.

Différents paramètres de l'ablation laser

De nombreux paramètres techniques du laser sont importants à comprendre pour apprendre l'ablation laser. Ces paramètres définissent les propriétés du laser et du procédé.

Longueur d'onde laser

La longueur d'onde du laser est mesurée en nanomètres et représentée par le symbole λ. Elle détermine l'impact énergétique et l'efficacité du transfert d'énergie. La longueur d'onde du laser est l'inverse de la fréquence lumineuse. Un laser de longueur d'onde plus courte transportera une énergie plus élevée. Les différents types de lasers ont des longueurs d'onde différentes.

Fluence Laser

La fluence laser est définie comme l'énergie du laser par unité de surface. Elle indique le degré de concentration du faisceau laser. La fluence laser peut également être considérée comme la densité énergétique du faisceau laser. Une fluence plus élevée signifie qu'un faisceau laser peut éliminer une plus grande profondeur de matière par impulsion.

Durée d'impulsion

La durée d'impulsion correspond à la durée pendant laquelle une impulsion laser reste en contact avec le matériau. On l'appelle parfois longueur d'impulsion. Si une impulsion longue peut véhiculer davantage d'énergie, une impulsion plus courte est préférable pour l'ablation laser. Cela permet de préserver l'intégrité du substrat tout en maintenant une intensité suffisante pour vaporiser les couches de matériau requises.

Qualité du faisceau

La qualité du faisceau laser est liée à sa capacité à se focaliser. Cette valeur est mesurée par M². Elle peut également être considérée comme le degré de divergence d'un faisceau laser. Idéalement, les lasers offrent une qualité de faisceau optimale lorsque M² = 1. Les lasers dont la qualité de faisceau est médiocre sont également moins efficaces en raison d'une perte de puissance laser plus importante due à la divergence du point.

Diamètre du faisceau

Le diamètre du faisceau correspond à la largeur du faisceau laser. Il s'agit de la taille du spot du faisceau d'ablation laser. Le diamètre du faisceau augmente la dispersion des lasers, ce qui entraîne une faible fluence. Au-delà d'un certain point, l'ablation laser est impossible. L'augmentation du diamètre du faisceau augmente également les chances de réaliser un soudage laser plutôt qu'une ablation laser. La diminution du diamètre du faisceau augmente la fluence, augmentant ainsi le taux d'ablation laser.

Distance focale

La distance focale est la distance entre la sortie du système laser et le point de focalisation où la lumière laser rencontre le matériau. La distance focale varie en changeant les optiques utilisées dans les méthodes d'ablation laser. Une autre option pour faire varier la distance focale est l'utilisation de têtes 3D.

Nombre d'impulsions

Le nombre d'impulsions correspond à la quantité de lumière laser pulsée délivrée au matériau. Un nombre élevé d'impulsions augmente la profondeur de l'ablation laser.

Puissance laser

La puissance laser correspond à la quantité d'énergie émise par le laser par unité de temps. Elle est exprimée en watts (W). Il est important de comprendre qu'il s'agit de la puissance moyenne délivrée par le laser. Par conséquent, un dépôt laser pulsé de 100 W ne produit pas des impulsions de 100 W. Il peut produire des impulsions allant jusqu'à 10 000 W, dont la moyenne est ensuite calculée par l'intervalle entre les impulsions sans émission lumineuse. En revanche, dans le cas d'un laser à onde continue, la puissance laser correspond à la puissance maximale délivrée par les impulsions. Une puissance laser élevée entraîne une fluence plus élevée.

Vitesse de numérisation

La vitesse de balayage est la vitesse à laquelle la technologie laser est capable de balayer la surface du matériau. Le balayage s'effectue en déplaçant la lumière laser à travers des miroirs présents à l'intérieur du système laser. La vitesse de balayage affecte le temps d'exposition du matériau à la lumière laser, ce qui affecte à son tour la vitesse et la qualité de l'ablation laser.

Taux de répétition des impulsions

Le taux de répétition des impulsions est défini comme le nombre d'impulsions par seconde. On l'appelle aussi fréquence d'impulsion. La puissance laser d'un système étant fixe, augmenter la fréquence d'impulsion augmente le nombre d'impulsions par seconde. Cela diminue l'énergie laser absorbée par chaque impulsion, puisque l'énergie totale des impulsions est constante à chaque seconde.

Espacement des impulsions

L'espacement des impulsions correspond à la distance entre deux points laser successifs lors d'un balayage. Un espacement très court des impulsions augmente la profondeur de l'ablation laser. Cela peut également entraîner une pénétration dans la surface sous-jacente, entraînant une gravure laser. Un espacement trop important des impulsions peut entraîner une perte de matériau entre les balayages.

Nombre de passes

Le nombre de passages indique le nombre de fois qu'un laser balaie le même point. La plupart des matériaux peuvent être facilement ablatés en un seul passage laser. Cependant, la haute énergie du laser peut provoquer un échauffement thermique et endommager le matériau sous-jacent. Par conséquent, dans de nombreux cas, plusieurs passages d'ablation laser sont effectués en réduisant l'énergie de chaque impulsion.

Quelles sont les différentes méthodes d’ablation au laser ?

Il existe de nombreuses méthodes d'ablation laser. Les différents types de méthodes sont :

Ablation au laser excimère

L'ablation au laser excimère utilise la lumière ultraviolette (UV) pour rompre les liaisons chimiques. Également appelée ablation au laser exciplex, elle est très courante dans le micro-usinage des matériaux organiques et la chirurgie médicale sensible. La chirurgie oculaire au laser, souvent appelée LASIK, utilise cette technique.

Dépôt par laser pulsé (PLD)

Le dépôt par laser pulsé est une méthode de dépôt physique en phase vapeur permettant de déposer un matériau spécifique sur un substrat. Le dépôt par laser pulsé utilise l'ablation laser pour retirer la matière d'un objet sous forme de panache de plasma. Ce panache se dépose ensuite sur la plaquette de substrat sous forme de fine couche. L'ensemble du processus se déroule dans une chambre à vide pour diriger le flux du panache de plasma. Le dépôt par laser pulsé se déroule en cinq étapes :

• Laser absorbé par la zone ciblée
• Création d'un panache de plasma
• Mouvement du plasma vers la plaquette de substrat
• Dépôt des couches ablatées sur la surface
• Croissance du film ablaté

Transfert vers l'avant induit par laser (LIFT)

Le transfert direct induit par laser (LIFT) est une technique d'impression qui utilise le concept d'ablation laser. En général, un laser effectue l'ablation d'un bloc d'encre solide (appelé bloc donneur). Cette encre est ensuite déposée sur un substrat récepteur. Récemment, l'utilisation d'encre liquide avec ablation laser est également courante. L'avantage du LIFT est qu'il n'est pas limité en termes de granulométrie et de viscosité de l'encre utilisée.

Spectroscopie de claquage induit par laser (LIBS)

La spectroscopie de claquage induit par laser est une méthode d'analyse chimique scientifique qui utilise l'ablation laser par impulsions nanosecondes. La réduction de la durée d'impulsion à quelques nanosecondes augmente considérablement la quantité d'énergie stockée à chaque impulsion. Le matériau cible peut être solide, liquide ou même gazeux. Lors de l'ablation laser nanoseconde, le microplasma formé émet une lumière intense. Cette lumière est captée et étudiée pour une analyse chimique plus approfondie. Chaque matériau présente des caractéristiques d'émission différentes. Par conséquent, l'étude de la lumière émise peut contribuer à une analyse chimique approfondie du type de matériau et de ses propriétés.

Ablation laser ultrarapide

L'ablation laser ultrarapide utilise des impulsions laser picosecondes ou femtosecondes. Lorsque la durée de l'impulsion est de quelques femtosecondes seulement, le temps d'ablation est inférieur à celui de la transition électron-ion. Par conséquent, les caractéristiques de l'ablation laser ultrarapide diffèrent de celles d'autres solutions telles que l'ablation laser nanoseconde. Le principal changement réside dans la limitation de la zone d'irradiation de l'énergie laser, ce qui évite d'endommager le matériau sous-jacent.

Évaporation laser pulsée assistée par matrice (MAPLE)

L'évaporation laser pulsée assistée par matrice est une technologie dérivée du dépôt laser pulsé utilisée pour le dépôt de biomatériaux et de polymères. Le procédé MAPLE n'est pas utilisé pour l'ablation solide conventionnelle. Il utilise plutôt l'énergie laser pour ablater une solution congelée composée d'une matrice de solvant volatil et d'un composé pharmacologique. Le procédé d'ablation laser vaporise l'agent pharmacologique et le dépose en couches minces sur un substrat de wafer.

Spectroscopie de masse à plasma à couplage inductif (LA-ICP-MS) par ablation laser

La spectroscopie de masse à plasma inductif avec ablation laser (LA-ICP-MS) est une méthode d'analyse scientifique permettant d'étudier des échantillons solides par ablation laser. Elle utilise le mécanisme d'ablation laser conventionnel pour générer de fines particules d'échantillons solides. Ces particules sont ensuite collectées et soumises à un processus d'ionisation secondaire dans un dispositif de spectroscopie de masse à plasma inductif. Les ions ainsi obtenus sont collectés dans un spectromètre de masse pour analyse chimique élémentaire et isotopique.

Microsonde d'ablation laser (LAM)

La microsonde d'ablation laser (LAM) est une technique d'analyse scientifique généralement utilisée pour échantillonner la surface des minéraux. Elle offre une configuration simple et peu coûteuse pour l'analyse de divers matériaux. Le faisceau laser est guidé à travers un phototube de microscope pétrographique afin de le focaliser sur une section spécifique. Le matériau à ablater est conservé sur une lame porte-échantillon.

Quelles sont les applications de l’ablation laser ?

L'ablation laser est utilisée dans de nombreux domaines d'application industriels. Parmi ses applications industrielles, on peut citer :

Applications médicales

• L'ablation laser est couramment utilisée dans de nombreux domaines médicaux. L'utilisation la plus courante est la chirurgie oculaire, comme le LASIK. Ces procédés font également appel à la technologie de nettoyage laser.
• L'énergie laser est utilisée par les dermatologues pour éliminer l'encre des tatouages permanents. De nombreux autres traitements cutanés font également appel à l'ablation laser.
• L’ablation au laser s’avère être une méthode peu invasive pour le traitement des lésions et des tumeurs.

Nettoyage au laser

• Nettoyage au laser L'ablation laser est l'une des applications les plus courantes. Elle permet d'éliminer les couches de taches d'huile, de rouille, de revêtements et autres matériaux indésirables de la surface des pièces.
• Le nettoyage au laser peut éliminer les revêtements de peinture indésirables d’une pièce sans utiliser de produits chimiques.
• Il peut également éliminer la saleté, la poussière et d’autres revêtements contaminants d’un objet pour préparer les surfaces à la peinture.

Gravure Laser

• La gravure au laser peut créer des marques permanentes sur la surface de n’importe quel objet sans l’endommager.
• Il est courant de marquer des numéros d’identification sur des pièces, telles que des codes QR, des codes matriciels et des caractères.

Fabrication additive

• La fabrication additive utilise généralement l'ablation laser comme technologie de dépôt. Le procédé qui en résulte est appelé fabrication additive laser.
• Plusieurs techniques de fabrication additive utilisent la technologie laser : le frittage sélectif par laser (SLS), la stéréolithographie (SLA) et la fusion sélective par laser (SLM).

Géologie

• Les techniques de traitement au laser, en particulier la microsonde d’ablation laser, sont utilisées pour l’étude des minéraux et de leurs propriétés.

Texturation laser

• Le procédé de texturation laser est utilisé pour modifier les finitions de surface.
• Les textures de surface préparées sont essentielles pour les procédures de fabrication secondaires telles que l'application d'adhésifs ou de peinture.

Archéologie et patrimoine culturel

• L’ablation au laser est utilisée pour la restauration d’objets anciens.
• L’énergie de la source laser peut éliminer des matériaux tels que la saleté et les minéraux solidifiés de la surface des artefacts sans aucun risque d’endommager les couches sous-jacentes.

Électronique et semi-conducteurs

• L'ablation laser est courante dans la conception de circuits intégrés complexes pour éliminer la matière de manière très précise.
• Il est utile pour réaliser des motifs PCB fins et percer des micro-vias.
• Il est essentiel pour le dépôt de couches minces dans le secteur des semi-conducteurs.

Joaillerie et Horlogerie

• La technique d'ablation laser est utilisée pour le marquage et la gravure de bijoux et de montres.
• Le nettoyage au laser peut éliminer l’huile et la saleté indésirables de la surface du bijou sans endommager la surface de l’échantillon sous-jacent.

Avantages et inconvénients de l'ablation au laser

L'ablation laser présente de nombreux avantages, mais aussi quelques limites. Passons-les en revue un par un.

Quels sont les avantages de l’ablation laser ?

Les avantages de l'ablation laser sont les suivants :

• Il ne nécessite aucun solvant chimique.
• Il existe un échauffement thermique minimal et des zones affectées par la chaleur.
• Il peut être contrôlé avec précision et réduit à un endroit précis.
• Il s’agit d’une méthode polyvalente qui fonctionne sur une gamme de surfaces de matériaux.
• La vitesse d’ablation laser est très rapide.
• Il peut permettre une élimination sélective de la matière en ajustant les paramètres du laser.
• Il n’y a aucun dommage au matériau sous-jacent et environnant.

Quels sont les inconvénients de l’ablation au laser ?

Les inconvénients de l'ablation au laser sont les suivants :

• L’équipement d’ablation laser peut être coûteux pour certaines applications.
• L'ablation au laser nécessite un protocole de sécurité strict en raison de divers risques de danger.
• Ne pas régler les paramètres du laser avec précision peut endommager la surface.

Quels matériaux peuvent subir une ablation au laser ?

L'ablation laser est très polyvalente en termes de surfaces de matériaux supportés. Parmi les matériaux pouvant subir l'ablation laser, on trouve :

Métaux

• Aluminium
• Cuivre
• Acier
• Titane
• Bronze
• Nickel

Céramique

• Alumine
• Nitrure de Silicium
• Magnésie
• Carbure de silicium
• Poterie
• Faïence

Polymères

• Polytétrafluoroéthylène (PTFE)
• Polyéthylène téréphtalate (PET)
• Polyméthacrylate de méthyle (PMMA)
• Polyimide (PI)

Composites

• Fibre de carbone
• Panneau central en mousse
• Corian
• Brique
• Fibre de verre

Quelles machines utilisent l’ablation laser ?

L'ablation laser est utilisée par de nombreux systèmes de machines différents, tels que :

• Systèmes d'ablation laser : Le système d'ablation laser est une machine exclusivement dédiée au processus d'ablation. Il ne nécessite aucune modification et son objectif principal est d'éliminer des couches de matière.
• Postes de travail de micro-usinage laser : les postes de travail de micro-usinage utilisent l'énergie laser pour des processus tels que le nettoyage au laser, la découpe au laser, le perçage et la restructuration des matériaux à un niveau micro.
• Machines de dépôt laser : Ces machines utilisent l'ablation comme procédé principal d'élimination de la matière. Les particules éliminées sont ensuite déposées par des mécanismes secondaires.
• Nettoyage laser : Les machines de nettoyage laser utilisent l'ablation laser pour éliminer les contaminants tels que la saleté, les huiles, la graisse, la peinture et les oxydes. Elles combinent un système d'ablation laser et un système d'aspiration pour éliminer les particules éliminées.
• Machines de gravure laser : les machines de gravure laser utilisent l'ablation pour le processus de marquage laser.
• Instruments de spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif et ablation laser (LA-ICP-MS) : les instruments LA-ICP-MS associent un système d'ablation laser à un équipement de spectrométrie de masse. Ils sont utilisés pour l'analyse des matériaux en géologie et en criminalistique.
• Système de nanofabrication par ablation laser : Les systèmes de nanofabrication par ablation laser utilisent l'ablation laser pour fabriquer des nanostructures sur des objets. Il s'agit d'une technologie essentielle en nanosciences, utilisée pour des procédés tels que la synthèse de nanoparticules.
• Systèmes chirurgicaux d'ablation laser : Les systèmes chirurgicaux utilisant des lasers pulsés pour l'ablation sont courants en médecine. Ils sont utilisés pour l'ablation et le traitement des tissus dans de nombreuses disciplines médicales.

L’ablation au laser est-elle sûre ?

L'ablation laser est suffisamment puissante pour vaporiser des matériaux très durs. Par conséquent, des procédures de sécurité appropriées doivent être respectées lors de l'utilisation ou de la manipulation des machines d'ablation laser. Le principal risque lié aux impulsions laser concerne les yeux. Même les lasers réfléchis peuvent causer des lésions oculaires considérables. Il est essentiel de porter des lunettes de protection appropriées lors de l'utilisation de ces machines. De plus, le port de gants de sécurité est parfois requis.

Un autre point important à prendre en compte en matière de sécurité est le dégagement de fumées toxiques. De nombreux matériaux émettent des fumées toxiques qui constituent un danger pour la sécurité. Il est crucial de disposer d'un système de ventilation et d'extraction adéquat, afin d'éliminer et de traiter ces fumées correctement.

Existe-t-il des préoccupations environnementales associées à l’ablation au laser ?

L'ablation laser est une technique respectueuse de l'environnement qui présente de nombreux avantages par rapport aux procédés alternatifs. Par exemple, elle ne nécessite aucun produit chimique toxique, ce qui réduit la production de déchets dangereux. Cependant, il convient d'être prudent lors de l'utilisation de l'ablation laser sur une surface d'échantillon susceptible de dégager des fumées toxiques. Dans ce cas, un système d'évacuation approprié est nécessaire afin d'éviter tout rejet de fumées dangereuses dans l'environnement.

Quelles sont les différences entre l’ablation laser et les autres techniques de traitement au laser ?

La principale différence entre l'ablation laser et toute autre technique de traitement laser réside dans la vaporisation des couches de matériau. Les autres techniques de traitement laser visent généralement à faire fondre la couche de matériau en plasma, sans la chauffer davantage pour la transformer en vapeur. L'ablation est possible avec une intensité laser plus élevée et un faisceau lumineux plus focalisé.

Quelle est la différence entre l’ablation laser et la gravure laser ?

La principale différence entre l'ablation laser et la gravure laser réside dans le fait que l'ablation laser permet d'éliminer les couches superficielles d'une surface. La gravure laser, quant à elle, pénètre une surface jusqu'à une certaine profondeur pour y laisser des marques permanentes.

Quelle est la différence entre l’ablation laser et la vaporisation laser ?

La principale différence entre l'ablation laser et la vaporisation laser réside dans le fait que, dans ce dernier cas, la couche de matériau à la surface fond puis commence à se vaporiser en un temps très court. Dans le cas de la vaporisation laser, la surface du matériau saute l'étape de fusion et se vaporise directement. L'ablation laser est utilisée pour éliminer les couches superficielles, tandis que la vaporisation laser est un type de découpe laser permettant de creuser des trous profonds dans un matériau.

Notes de fin

L'ablation laser est l'une des technologies les plus innovantes, connaissant une croissance rapide ces dernières années. Ce procédé est appliqué à des sciences émergentes telles que la nanotechnologie, la spectrométrie et la chirurgie complexe. Les applications de l'ablation laser à des domaines comme le nettoyage laser ont ouvert la voie à des applications industrielles innovantes, nécessitant des coûts minimes et l'absence de matières premières chimiques.

Questions fréquemment posées

Voici les réponses à certaines questions courantes concernant l’ablation au laser :

L’ablation laser est-elle un type de découpe laser ?

Non, l'ablation laser n'est pas une forme de découpe laser. La découpe laser vise à retirer de la matière pour diviser une pièce en plusieurs parties plus petites. En revanche, l'ablation laser est utilisée pour vaporiser de fines couches superficielles d'un objet.

Existe-t-il des préoccupations environnementales associées à l’ablation au laser ?

L'ablation laser est une technique respectueuse de l'environnement qui présente de nombreux avantages par rapport aux procédés alternatifs. Par exemple, elle ne nécessite aucun produit chimique toxique, ce qui réduit la production de déchets dangereux. Cependant, il convient d'être prudent lors de l'utilisation de l'ablation laser sur une surface d'échantillon susceptible de dégager des fumées toxiques. Dans ce cas, un système d'évacuation approprié est nécessaire pour éviter le rejet de fumées dangereuses dans l'environnement. ​

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