Revêtements Optiques pour les Lasers à Haute Puissance
Revêtements optiques pour les lasers à haute puissance
Auteur: Dr.-Ing. Hansjörg Rohde, Responsable produit, LASER COMPONENTS Germany
Publié: LP.PRO 06/2025
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Avec la tendance à l'augmentation de la puissance des lasers dans le traitement des matériaux, les exigences imposées aux composants optiques augmentent également. Les composants optiques doivent avoir une réflectivité et un seuil de dommage laser (LIDT) elevés avec une dérive thermique minimale.
Les revêtements optiques jouent un rôle clé dans l'obtention de ces résultats : ils ont une forte influence sur la performance, la stabilité et l'efficacité de l'ensemble du processus laser.
Optique polyvalente
pour le traitement des matériaux par laser
Les optiques guident le faisceau laser de la source à la pièce à usiner. Les exigences suivantes sont décisives : maintenir la qualité du faisceau, minimiser les pertes de puissance et assurer une grande stabilité thermique. Les processus de fabrication modernes intègrent en outre des optiques de diagnostic de haute précision pour la surveillance en ligne du processus, qui analysent les interactions entre le faisceau laser et le matériau.
Dans une tête d'usinage laser typique (fig. 1) se trouvent différentes optiques aux exigences spécifiques :
- La lentille collimatrice (asphérique) concentre le faisceau laser divergent et le guide vers la lentille d'usinage avec le moins de pertes possible. Elle doit offrir une qualité de front d'onde élevée ( ≤ λ/10), une transmission élevée, une faible absorption propre et une stabilité thermique avec une dérive focale minimale.
- Le séparateur de faisceau garantit un rapport de division défini et une grande fidélité du front d'onde, souvent indépendamment de la polarisation. Il est utilisé pour surveiller en permanence le faisceau laser. Le revêtement est adapté aux longueurs d'onde du laser et du diagnostic.
- Les miroirs dichroïques séparent spectralement les longueurs d'onde d'usinage et de diagnostic avec une transmission élevée pour la longueur d'onde de traitement et une réflexion définie pour la zone de diagnostic.
- La lentille d'usinage focalise le faisceau laser sur la pièce à usiner, avec les exigences les plus élevées en matière de précision optique et de stabilité thermique. Les optiques de coupe se distinguent en outre par une absorption particulièrement faible afin de minimiser les effets thermiques de la lentille et la dérive du foyer.
- La fenêtre de protection protège les optiques internes de l'encrassement. Un revêtement anti-reflet approprié minimise l'absorption et empêche les déformations d'origine thermique.
Comme les systèmes optiques avec des couches diélectriques deviennent de plus en plus complexes, les revêtements optiques interférentiels (ROI) prennent de plus en plus d'importance pour ces optiques.
Les ROI se composent de revêtements transparents alternés à indice de réfraction élevé et faible et sont déposés avec précision à l'échelle du nanomètre ou du micromètre. Grâce à une interférence constructive et destructive, la transmission et la réflexion peuvent être contrôlées avec précision pour certaines longueurs d'onde. Les propriétés optiques dépendent directement de la séquence de couches, des constantes du matériau et de la précision de l'épaisseur de la couche.
Dans les systèmes laser de haute puissance, les ROI réalisent des revêtements antireflet (AR), des miroirs hautement réfléchissants (HR), des filtres passe-bande et des séparateurs de faisceau dichroïques. Ils assurent un guidage du faisceau à faibles pertes, une grande résistance thermique et permettent une surveillance du processus sélective sur le plan spectral, par exemple par tomographie à cohérence optique (OCT).
Fabrication de revêtements optiques
Comparaison des différentes technologies
Le choix du substrat a déjà une grande influence sur la performance ultérieure de l'optique. Les matériaux à faible absorption propre minimisent les effets de lentille thermique. Pour fabriquer des revêtements optiques interférentiels, LASER COMPONENTS utilise trois procédés bien établis : le dépôt assisté par plasma d'ions (PIAD), la pulvérisation cathodique par faisceau d'ions (IBS) et l'évaporation par faisceau d'électrons (E-Beam/PVD).
Le choix du procédé dépend des exigences en matière d'absorption, de densité de couche, de stabilité environnementale et de rentabilité de chaque application. Le tableau 1 présente les avantages et les inconvénients des procédés.
Comparison of coating technologies
Vaporisation par faisceau d'électrons (Electron Beam Physical Vapor Deposition, E-Beam/PVD)
- Principe: Évaporation du matériau par un faisceau d'électrons sous vide
- Avantage: Rentable, haut débit
- Inconvénient: Rugosité plus élevée, réduction de la densité des couches, stabilité thermique limitée, pertes optiques plus élevées
- Application: Optiques standards, Revêtements de base
Dépôt assisté par plasma d'ions (Plasma-Assisted Ion Deposition, PIAD)
- Principe: Couches ultra-denses et résistantes à l'humidité, résistant aux influences environnementales, faible dérive
- Avantage: Ultra-dense, moisture-resistant layers, robust against environmental influences, low drift
- Inconvénient: Surfaces avec une rugosité élevée et des défauts possibles, absorption plus élevée, débit moyen à élevé
- Application: Fenêtres de protection, Revêtements AR
Pulvérisation par faisceau d'ions (Ion Beam Sputtering, IBS)
- Principe: Le matériau est détaché de la cible par bombardement ionique et déposé sur le substrat
- Avantage: Contrôle précis des couches, faible rugositém, très faible absorption, stabilité maximale
- Inconvénient: Coûts élevés, débit lent à moyen, tension de couche élevée
- Application: Filtres de précision, mirroirs de diagnostic, optiques haute performance
Paramètres du processus
pour l'amélioration des caractéristiques optiques
Le contrôle spécifique des paramètres du procédé, tels que le débit de gaz, la vitesse de revêtement et le biais, influence considérablement l'absorption, la structure du revêtement et la résilience des revêtements produits.
Un exemple concret est la régulation du flux d'oxygène pendant la séparation des revêtements à base d'hafnium à l'aide du PIAD : une réduction de la teneur en oxygène pendant le processus de revêtement entraîne une absorption nettement plus faible (Fig. 2). Les fenêtres de protection ainsi revêtues pour les processus de coupe à haute performance ou la fabrication additive réduisent considérablement les effets de lentille thermique pendant le processus.
Ce résultat n'est qu'une première étape vers l'optimisation de l'ensemble du revêtement et souligne le potentiel des ajustements systématiques des paramètres du processus.
Les propriétés optiques peuvent également être améliorées par des procédés ultérieurs. Le recuit systématique des revêtements augmente considérablement la transmission et le seuil d'endommagement du laser : un revêtement AR conçu à 2940 nm présente une augmentation de la transmission de 96% à plus de 99% après plusieurs heures (quatre heures) de recuit à 700°C, ce qui signifie 3% de perte en moins (Fig. 3).
Conception de couches personnalisées
pour les optiques de diagnostic
Une séparation spectrale précise des longueurs d'onde de traitement et de diagnostic est essentielle pour les systèmes modernes d'assurance qualité dans le traitement industriel des matériaux par laser. Les miroirs de diagnostic ont deux tâches principales : Ils assurent une transmission ou une réflexion à faible perte de la longueur d'onde de traitement et permettent en même temps la détection sélective des informations de diagnostic. Leur développement exige une très grande précision dans la conception des revêtements, car les plages de réflexion et de transmission doivent être adaptées avec précision au processus spécifique et aux signaux de diagnostic.
Les figures 4a et 4b montrent un exemple de système de couche personnalisé. Le miroirs illustré réfléchit le laser de traitement à 1 µm avec une efficacité de plus de 99 %, tout en transmettant plus de 80 % du rayonnement infrarouge et des longueurs d'onde visibles pour la surveillance du processus. Cette solution est idéale pour la pyrométrie, l'observation par caméra visuelle et les systèmes OCT.
En affinant la conception du revêtement, la transmission et la réflexion peuvent être adaptées de manière optimale aux domaines d'application souhaités : une réflexion élevée minimise les pertes d'énergie dans le faisceau de traitement, tandis qu'une transmission élevée dans la zone de diagnostic permet une mesure précise de la température et un contrôle visuel du processus.
Les nanolaminés quantiques
Tendance d´avenir
Le développement de revêtements optiques pour le traitement de matériaux à haute performance avec des lasers est un domaine dynamique. En combinant des technologies de revêtement avancées, des paramètres de processus optimisés et des conceptions de revêtement innovantes, il est possible de produire des optiques qui répondent aux demandes croissantes de l'industrie.
Les nanolaminés quantiques (QNL), qui sont actuellement en cours de développement chez LASER COMPONENTS, offrent une approche prometteuse pour augmenter encore les performances. Les QNL sont constitués d'une couche de matériaux alternés très fins, hautement réfractifs et faiblement réfractifs, chaque couche ayant une épaisseur inférieure à trois nanomètres. En raison de cette épaisseur extrêmement faible par rapport à la longueur d'onde de la lumière, l'ensemble des couches se comporte optiquement comme une seule couche.
Les QNL permettent une modulation contrôlée des propriétés optiques et mécaniques. Les premières études montrent que le seuil d'endommagement du laser et la sélectivité spectrale peuvent être améliorés de manière significative avec ces systèmes, ce qui pourrait représenter une avancée décisive pour les optiques laser compactes ou multifonctionnelles en particulier.
Aperçu du produit
Beyond Borders
Composants supplémentaires pour l'expansion d'un système laser : Vous trouverez dans cette section des extenseurs de faisceau, d´calage de axes-z, et des tubes de faisceau.
Les composants de distribution de faisceau laser dirigent ou délivrent le rayon laser à l'objet.
Cube séparateur de faisceau indépendant de la polarisation
Composants pour les diagnostics des faisceaux laser en temps réel.
Plusieurs corrections peuvent être effectuées à l’aide d’un seul élément diffractif.
Les DOE sont avantageux lorsqu’un élément doit produire plusieurs faisceaux.
Pour longueur d’onde typique dans l’IR lointain (2.94 µm)
Pour les longueurs d’onde classiques dans le proche IR et le IR lointain.
Changement sélectif du profil.
Expanseur de faisceau muni d’optiques en ZnSe à magnification fixe, variable ou à zoom.
Expanseurs de faisceaux munis de niveaux de magnification fixes ou ajustables.
Les panneaux Brewster sont utilisés pour séparer la lumière polarisée S et la lumière polarisée P.
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