Avantages du dépôt par faisceau ionique (IBS) pour l'optique laser dans le traitement des matériaux
Dans le domaine du traitement des matériaux au laser en particulier, les fabricants d'optiques sont confrontés à des exigences qui sollicitent fortement leurs systèmes et leurs équipes de production. Le procédé IBS offre des paramètres importants qui permettent d'atteindre des valeurs impossibles à obtenir avec les méthodes de revêtement classiques.
Optiques Laser Fiables
pour les types de lasers les plus divers
Les lasers conquérissent de plus en plus de domaines de la vie quotidienne, et les exigences techniques ne cessent d'augmenter. Il y a quelques années encore, les experts auraient qualifié de science-fiction les énergies laser de l'ordre du mégajoule et le traitement industriel des matériaux à l'échelle de la femtoseconde. Aujourd'hui, les fabricants d'optiques doivent être prêts à fournir une qualité fiable pour de telles applications en grandes quantités.
De plus, les exigences techniques varient souvent considérablement en fonction du domaine d'application. Par exemple, les systèmes scientifiques pétawatts et les lasers industriels à impulsions ultra-courtes exigent des seuils de dommages induits par le laser (LIDT) particulièrement élevés, parfois sur des substrats d'un diamètre de 20 centimètres ou plus.
Pour les lasers à onde continue, tels que ceux utilisés pour la découpe et le soudage, le défi consiste à obtenir l'absorption la plus faible possible afin d'éviter que le système ne chauffe et que la qualité n'en pâtisse.
Même les gammes de longueurs d'onde émises par les sources laser sont de plus en plus variées. Elles couvrent pratiquement tout le spectre. Dans la production de microprocesseurs, par exemple, on utilise une lumière UV à ondes particulièrement courtes, qui impose des exigences totalement différentes à l'optique par rapport aux longueurs d'onde dans le domaine visible et infrarouge. Un autre facteur qui complique la tâche des fabricants d'optiques est que les exigences des clients augmentent constamment au même rythme. Alors par le passé, il existait une certaine marge de tolérance, les systèmes actuels sont tellement sophistiqués que leurs fabricants accordent une grande importance au respect exact de toutes les spécifications.
L'industrie évolue donc presque inévitablement à la pointe de ce qui est techniquement possible. Les procédés de revêtement existants sont constamment optimisés afin d'exploiter pleinement leurs avantages. Ce qui est actuellement possible sera illustré ici à l'aide de l'exemple de la technologie de pulvérisation par faisceau d'ions (IBS).
Pulvérisation par faisceau d'ions
Pour une excellente uniformité des couches
La procédure de pulvérisation par faisceau d'ions est fondamentalement différente des autres procédés courants. Dans le dépôt par faisceau électronique ou par assistance ionique (IAD), les matériaux de revêtement sont vaporisés, se condensent sur le substrat et forment une couche.
Dans un système IBS, le matériau de revêtement est préparé sur une plaque métallique, appelée cible. Un gaz réactif tel que l'oxygène ou l'azote est d'abord admis au-dessus de la cible afin d'obtenir les composés oxydés nécessaires aux couches diélectriques transparentes.
Pour libérer le matériau de revêtement, un faisceau d'ions à haute énergie est appliqué à la cible dans l'atmosphère de gaz réactif. Les ions frappent la surface de la cible avec une énergie de 1 keV, transfèrent leur impulsion aux molécules présentes et déclenchent une cascade de chocs (voir fig. 1).
En production, un autre avantage important du procédé IBS entre en jeu : tous les paramètres essentiels du procédé, tels que la géométrie de diffusion (angle de diffusion), l'énergie ionique, l'angle d'incidence et le rapport ions/masse, peuvent être contrôlés indépendamment.
Cela signifie que la stœchiométrie et l'épaisseur des couches diélectriques peuvent être adaptées avec précision aux besoins de chaque application individuelle.2 Les effets détaillés de ce procédé seront examinés ci-dessous à l'aide de quelques exemples.
Solutions pour le traitement des matériaux au laser
Prévention des pics de réflexion grâce à des « revêtements spéciaux »
Contexte : Dans le domaine du traitement des matériaux au laser, les exigences en matière d'optique ont évolué. Aujourd'hui, dans les applications de soudage, de découpe et de perçage, on utilise principalement des lasers à fibre puissants, ce qui rend inutile l'utilisation d'autres optiques pour le guidage du faisceau.
Toutefois, des optiques spéciales sont utilisées dans les systèmes de surveillance des processus opérationnels. Des caméras dans le spectre visible ou proche infrarouge sont utilisées pour détecter rapidement les défauts tels que les projections de soudure ou les fissures capillaires. Les optiques dichroïques empêchent la lumière intense du laser de surexposer les processus surveillés. Les systèmes de couches doivent être conçus de manière à ce que la longueur d'onde du laser soit réfléchie tandis que le filtre laisse passer les longueurs d'onde de surveillance vers le détecteur.
Défi : l'utilisation de revêtements avec des empilements λ/4 conventionnels pour ce type d'optique pose des problèmes de pics de réflexion. Ceux-ci apparaissent à toutes les fractions de la longueur d'onde souhaitée.
Par exemple, avec un laser Nd:YAG (1064 nm), les longueurs d'onde 532 nm (λ/2), 354,6 nm (λ/3), 266 nm (λ/4), etc. seraient réfléchies (voir Fig. 2).
Solution : Les pics de réflexion peuvent être évités en incluant des « couches d'interférence » supplémentaires qui empêchent cet effet dans la conception de la couche (voir Fig. 3).
Comme ces couches doivent être très fines, le procédé IBS est le mieux adapté pour les créer.
L'effet inverse peut également être obtenu de cette manière : il devient alors important d'obtenir de très bonnes valeurs de transmission et de maintenir les pertes à la longueur d'onde de traitement à un niveau faible.
Des miroirs laser hautement réfléchissants avec des couches extra-épaisses
La pulvérisation par faisceau d'ions offre également des avantages concrets lorsque des couches particulièrement épaisses de plusieurs µm sont nécessaires. C'est le cas, par exemple, lorsqu'il faut réfléchir autant de longueurs d'onde que possible. Cela nécessite de grandes quantités de matériau de revêtement.
Défi : Les creusets dans lesquels les métaux sont évaporés dans les procédés e-beam et IAD ont une capacité très limitée. Pour obtenir l'épaisseur de revêtement souhaitée, il faudrait interrompre le processus de revêtement pour recharger le matériau. Cela est bien sûr source d'erreurs.
Solution : Avec l'IBS, en revanche, la cible peut être d'une épaisseur quelconque et le revêtement peut être appliqué sur une longue période.
Revêtements durables à haute puissance laser
Défi : Dans le domaine du traitement des matériaux au laser, les optiques doivent résister à une puissance de sortie laser continue de plusieurs kW. Les surfaces rugueuses provoquent une diffusion incontrôlée qui peut chauffer et endommager les éléments mécaniques environnants. Si l'absorption est trop élevée, les optiques elles-mêmes chauffent et sont détruites. Dans le même temps, des réflexions supérieures à 99,9 % sont nécessaires pour protéger les détecteurs des systèmes de surveillance.
Solution : Le procédé IBS offre plusieurs avantages :
Par example, une épaisseur de revêtement importante permet d'obtenir des surfaces particulièrement lisses qui empêchent la dispersion de la lumière.
Mais surtout, ce procédé de pulvérisation présente l'avantage de disposer de nombreux « réglages » permettant de contrôler avec précision le processus de revêtement. Selon la formule décrite ci-dessus, le faisceau d'ions peut être ajusté de manière à ce que l'épaisseur du revêtement corresponde exactement à la valeur souhaitée. Cela permet de gagner des points de pourcentage importants en termes de réflexion.
En dosant correctement les gaz réactifs, les fabricants peuvent réduire la valeur d'absorption des optiques. Il est important de contrôler précisément la quantité de gaz afin de produire exactement la bonne quantité d'oxydes et de nitrures. Une quantité de gaz trop élevée ralentirait le processus de pulvérisation.
Exploiter l'expérience du partenaire
In the End It Is the Experience that Counts
Ces exemples montrent clairement que le procédé IBS offre des solutions supplémentaires. Néanmoins, les méthodes de revêtement conventionnelles ont toujours leur place dans le monde. Comme toujours, il est important d'évaluer toutes les options au cas par cas.
Il n'existe pas de système optique offrant des valeurs optimales pour toutes les exigences.
Par exemple, une réflectivité supérieure à 99,95 % se paie par des pertes au niveau du seuil de dommage. Comme mentionné ci-dessus, des valeurs de réflectivité élevées ne peuvent être obtenues qu'avec de nombreuses couches denses. Cependant, à chaque couche supplémentaire, les petites irrégularités s'accumulent, ce qui peut entraîner une baisse du LIDT. Les forces agissant dans les couches IBS densément compactées provoquent également une déformation du substrat. La planéité de l'optique en pâtit donc également.
Des couches de compensation peuvent empêcher ces effets, mais elles affectent également les propriétés optiques. En outre, il existe des facteurs à prendre en compte en dehors du domaine de la physique : tout cela doit être abordable.
Conclusion. Compte tenu de toutes ces considérations, c'est l'expérience du fabricant qui détermine en fin de compte la solution proposée au client. L'équipe de production travaille en étroite collaboration avec l'équipe de développement et le service commercial. Les ingénieurs produits traduisent les exigences du client en spécifications pour la production. Il est donc toujours utile de couvrir autant d'options que possible grâce à une installation de production complète qui offre aux experts en revêtement la possibilité de sélectionner la technologie appropriée.
Aperçu du produit
Optique laser
Les panneaux Brewster sont utilisés pour séparer la lumière polarisée S et la lumière polarisée P.
Les lames d’ondes sont utilisées afin de faire pivoter la polarisation.
Mirroirs à décalage de phase sur substrats en silicium ou en cuivre pour générer une polarisation circulaire
Polarisateurs en couche mince et polarisateurs à large bande destinés à séparer des polarisations.
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