Dans la fabrication avancée moderne, les lasers ne sont plus seulement des outils de coupe, ils sont des instruments physiques qui fonctionnent sur des échelles de temps spécifiques.Alors que les matériaux d'ingénierie évoluent du silicium et de l'acier au saphirDans le cas de l'usinage des métaux, des diamants, de la céramique, des semi-conducteurs à large bande et des alliages à haute température, la durée d'impulsion d'un laser devient le facteur dominant qui détermine la qualité de l'usinage.

Deux régimes d'impulsions dominent aujourd'hui le traitement industriel au laser:
les lasers à nanosecondes (ns) et les lasers à picosecondes (ps).
Leur différence n'est pas incrémentielle, elle représente un changement fondamental dans la façon dont la matière est éliminée.

1Laser nanoseconde: élimination de matières à prédominance thermique

Les lasers nanosecondes fonctionnent généralement avec des largeurs d'impulsions comprises entre 1 et 100 ns. À cette échelle de temps, l'interaction laser-matière suit une voie thermique classique:

Absorption de photons → excitation d'électrons → chauffage du réseau → fusion → vaporisation → résoldification

En d'autres termes, le matériau est enlevé par fusion et ébullition.

Ce mécanisme fonctionne bien pour la découpe et le soudage macroscopiques, mais il introduit de graves limitations dans le micro-usinage de précision, en particulier pour les matériaux fragiles ou ultra-durs.Le long temps d'interaction permet à la chaleur de se diffuser dans le réseau environnant, produisant:

• Une zone affectée par la chaleur (HAZ)

• Couches recouvertes de matériaux fondus

• Stress thermique et micro-fissures

Lors de l'usinage de saphir, de rubis, de diamants, de céramiques ou de SiC, les lasers à nanosecondes provoquent souvent des éclaboussures, des fissures, des parois de trous rugueux,Les défectuosités de l'appareil optique et la perte de contrôle dimensionnel sont inacceptables., des semi-conducteurs et des dispositifs micro-mécaniques.

2Les lasers de picosecondes entrent dans le régime d'ablation non thermique.

Les lasers de picosecondes fonctionnent à une largeur d'impulsion de 1 ¢ 50 ps ¢ trois ordres de grandeur plus courts que les systèmes de nanosecondes.Cette durée est plus courte que le temps caractéristique requis pour le transfert d'énergie des électrons excités vers le réseau cristallin.

En conséquence, le laser dépose son énergie avant de pouvoir former de la chaleur.

L'interaction devient:

Absorption de photons → ionisation ultra-rapide → formation de plasma → rupture de liaison → éjection directe de matière

Ce procédé est connu sous le nom d'ablation athermique (ou " froid ").

Cela conduit à des résultats radicalement différents:

Pour les matériaux ultra-durs et fragiles, les lasers de picosecondes fournissent un niveau de contrôle que les lasers de nanosecondes ne peuvent tout simplement pas atteindre.

3Pourquoi le micro-perçage révèle la différence réelle

Dans l'ingénierie moderne, un trou n'est plus seulement une ouverture, mais une structure fonctionnelle.

• Chaînes de gaz semi-conducteurs et TSV

• Appareils pour la fabrication de l'électricité

• Systèmes de support d'air et de support de fluide

• Appareils pour la fabrication de lampes et de lampes de poche

Ces trous ont souvent un diamètre de quelques microns seulement et doivent maintenir des tolérances strictes en termes de rondeur, de profondeur et d'intégrité des bords.

Comme les lasers à nanosecondes dépendent de la fusion, ils ont du mal à produire de telles structures en saphir, diamant, céramique ou SiC sans provoquer de fissures ou de distorsions.éliminer le matériau par ablation non thermique, permettant de créer de véritables micro-structures fonctionnelles à l'échelle des microns.

4Pourquoi l'usinage industriel de picosecondes est un problème de système

L'avantage des lasers de picosecondes ne vient pas du laser seul, il dépend de l'ensemble du mouvement, du contrôle et du système optique.

• Mouvement synchronisé sur plusieurs axes

• Précision de positionnement au niveau des microns

• Pistes d'outils programmables (code G ou CAD)

• Alignement et surveillance optiques en temps réel

Les plates-formes de micro-perçage de picosecondes modernes intègrent un contrôle de mouvement à quatre axes, des systèmes de vision CCD à grossissement élevé et un contrôle numérique du diamètre, de la profondeur et de la forme du trou.Ces caractéristiques permettent de traduire les avantages physiques des impulsions de picosecondes en, la capacité de production au niveau de la production.

5Conclusion: l'échelle de temps définit les limites de la fabrication

La différence entre les lasers à nanosecondes et à picosecondes n'est pas simplement la vitesse, mais si le matériau est enlevé par la chaleur ou par la physique ultra-rapide.

Au fur et à mesure que l'ingénierie se dirige vers l'optique en saphir, les outils en diamant, les composants en céramique et les substrats de semi-conducteurs à large bande passante, le traitement thermique atteint ses limites.Les lasers de picosecondes représentent la transition de l'usinage à base de chaleur à la structuration de matériaux de précision non thermique.

En ce sens, le traitement laser en picosecondes n'est pas seulement un meilleur outil, c'est un nouveau régime physique pour la fabrication elle-même.