Principes de l'ablation et du nettoyage au laser

Principes de l'ablation et du nettoyage au laser

Introduction

L'ablation laser est un procédé par lequel un laser pulsé dépose une certaine quantité d'énergie sur une surface et en retire la matière par évaporation ou sublimation. Les lasers continus peuvent également être utilisés pour l'ablation laser, mais les lasers pulsés sont plus courants. Ce procédé permet d'éliminer une couche de peinture ou la contamination des surfaces de statues et de monuments historiques. Le nettoyage laser consiste donc à éliminer les contaminants des surfaces par ablation laser. La figure 1 ci-dessous illustre le procédé d'ablation laser par lequel les matériaux de la surface sont vaporisés.

Figure 1 : Ablation au laser

Types de lasers utilisés dans l'ablation laser

Il existe de nombreux types de lasers pulsés utilisés en ablation laser. Un milieu laser, gazeux, cristallin ou fibre, est toujours placé dans une cavité résonante comprenant généralement un miroir entièrement réfléchissant et un miroir partiellement réfléchissant. Les surfaces réfléchissantes peuvent être constituées de réseaux de diffraction, comme c'est le cas pour les lasers à fibre. Le milieu est pompé électriquement ou optiquement pour atteindre un état excité. L'émission spontanée des atomes provoque l'émission de photons similaires, dotés de propriétés identiques, qui émergent du miroir partiellement réfléchissant. Selon les pertes optiques du milieu, un refroidissement actif peut être nécessaire. Grâce à la commutation Q, une technique de production de puissance pulsée, il est possible d'obtenir un faisceau pulsé et de déposer une quantité importante d'énergie en peu de temps sur une surface. Les lasers pulsés à commutation Q sont souvent utilisés en ablation laser et, comme il en existe de nombreux types différents, il est nécessaire de les classer. Les quatre catégories de lasers utilisés pour le nettoyage laser sont les lasers gazeux tels que les lasers à excimère (UV) et CO2 (à la limite de l'infrarouge lointain), les lasers à solide tels que les lasers Nd:YAG (proche infrarouge) et Ti:Saphir (proche infrarouge) et les lasers à fibre dopés à l'ytterbium, à l'erbium ou au thulium (lanthanides). Le tableau 1 ci-dessous répertorie les paramètres importants de ces trois catégories de lasers pour le nettoyage laser.

Tableau 1 : Différents types de lasers utilisés dans l'ablation laser

Généralement, les lasers pulsés NIR, tels que les lasers Ti:Saphir, ont une faible puissance moyenne et sont utilisés pour le micro-usinage. Ils transmettent peu d'énergie thermique aux zones environnantes et permettent ainsi de réaliser des trous ou des découpes propres. Les lasers nanosecondes dans l'UV (excimères) peuvent exploiter leur courte longueur d'onde pour des techniques telles que la microlithographie (création de motifs sur un film mince), qui nécessitent une haute résolution et dissocient les molécules par voie photochimique, ce qui est particulièrement utile pour le traitement des oxydes radioactifs dans les centrales nucléaires. Les lasers nanosecondes dans le NIR, tels que les lasers Nd:YAG et les lasers à fibre, conviennent au nettoyage des monuments historiques et à l'élimination des couches d'oxyde et d'huile. La compatibilité avec les fibres optiques disponibles, offrant une bonne transmission dans le NIR, est un atout majeur pour ces lasers. Ils peuvent également être utilisés pour le décapage de peinture, mais en raison de la forte absorption des métaux dans le NIR, il convient de veiller à ne pas endommager le substrat. Les lasers CO₂, caractérisés par une largeur d'impulsion plus large, des puissances moyennes élevées et une grande longueur d'onde dans l'infrarouge moyen, sont utilisés dans l'industrie depuis de nombreuses années pour la découpe et le perçage. Leur faible absorption pour les métaux et leur forte absorption pour les polymères aux longueurs d'onde du laser CO₂ constituent un avantage majeur. Cependant, leur coût élevé et l'indisponibilité de fibres optiques performantes dans cette région constituent des inconvénients.

Comment choisir un laser pour un matériau particulier ?

Le tableau 1 présente les différentes variétés de lasers pulsés utilisables pour le nettoyage laser. Ces lasers couvrent des longueurs d'onde allant de l'UV à l'IR moyen et des largeurs d'impulsion allant de la femtoseconde (Ti:Saphir) à 100 ns (laser CO2). Certains de ces lasers ont une puissance moyenne très élevée et d'autres une puissance de crête importante (la puissance de crête est définie comme l'énergie d'impulsion divisée par la durée d'impulsion). La question se pose : quel laser choisir pour l'ablation d'un matériau particulier, une couche de peinture ou un revêtement ? La réponse réside dans les propriétés matérielles de l'objet, et les quelques paramètres que l'on peut citer sont le coefficient d'atténuation optique α, la diffusivité thermique DT, la masse volumique ρ et la chaleur de vaporisation Hv (définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour convertir la masse unitaire d'une substance en vapeur). Les paramètres laser sur lesquels on peut jouer sont le type de laser, la largeur d'impulsion τL, la fluence (F), définie comme la quantité d'énergie déposée par unité de surface, et la taille du faisceau rb. Examinons plus en détail ces propriétés matérielles et les paramètres laser. Lorsqu'un faisceau laser frappe une surface, il la pénètre sur une profondeur Lα, déterminée par le coefficient d'atténuation optique α, soit Lα = 1α. La profondeur de pénétration thermique LT, quant à elle, peut être identique ou plus importante selon la durée de l'impulsion. La figure 2 illustre les profondeurs de pénétration optique et thermique.

Figure 2 : Profondeur de pénétration optique et thermique

La LT dépend de la diffusivité thermique DT, qui dépend à son tour de la chaleur spécifique cp et de la densité du matériau ρ, où DT = kρcp (k étant la conductivité thermique du matériau). Pour des impulsions très courtes, telles que les femtosecondes, les profondeurs de pénétration thermique et optique sont égales, mais pour des impulsions plus longues, de l'ordre de la picoseconde ou de la nanoseconde, la profondeur de pénétration thermique augmente avec la durée de l'impulsion. Ceci est représenté par l'équation LT = DTτL, où τL est la largeur d'impulsion. Pour réaliser l'ablation, il faut déposer suffisamment d'énergie par unité de surface pour vaporiser le matériau. Cette énergie est appelée fluence seuil, Fth.

En cas d'impulsions courtes (< 10 picosecondes), le volume affecté est confiné à la profondeur de pénétration optique et la fluence seuil est donc indépendante de la largeur d'impulsion. Dans ce régime, la fluence seuil peut être calculée par l'équation Fth=ρHvα, qui montre clairement que la densité seuil augmente avec la densité et la chaleur de vaporisation, mais diminue avec l'augmentation du coefficient d'absorption.

Dans le cas des impulsions picosecondes et nanosecondes, ce n'est plus le cas, car la profondeur de pénétration thermique LT croît avec la durée de l'impulsion et est supérieure à la profondeur de pénétration optique. Par conséquent, la fluence seuil Fth pour les impulsions supérieures à 10 ps doit être calculée à partir d'une équation différente : Fth=ρHvLτ ; elle croît donc avec la densité, la chaleur de vaporisation et la durée de l'impulsion.

Il est possible de modéliser l'interaction du rayonnement avec la matière et de comprendre le comportement du processus d'ablation à partir des équations du modèle. Cependant, cela dépasse le cadre de cet article et il suffit de présenter les résultats pour chaque régime de durée d'impulsion. Pour les impulsions picosecondes, il y a une transition directe de l'état solide à l'état vapeur et les caractéristiques d'ablation sont nettes et précises. Pour les impulsions picosecondes, la physique de la phase liquide entre en jeu et de la matière se redépose après ablation à la surface. Enfin, pour les impulsions nanosecondes, la fusion et la vaporisation sont importantes. Cela produit des caractéristiques d'ablation peu précises, d'où un dépôt de matière souvent observé à leur périphérie. La figure 3 ci-dessous illustre la différence entre un trou percé par un laser fsec et un laser nsec.

Figure 3 : Caractéristiques d’ablation femtoseconde et nanoseconde.

L'image est tirée des actes de la 6e réunion de collaboration RD51, 2010, Bari, Italie.

Afin de répondre à la question initiale de savoir quel laser choisir pour quel matériau ou quelle application, trois lasers pulsés de différents types sont comparés : un laser Ti:Saphir (impulsions de 110 fs, fréquence de répétition de 1 kHz, puissance moyenne de 0,5 W), un laser Nd:YAG (impulsions de 10 ns, fréquence de répétition de 50 kHz, puissance moyenne de 100 W) et un laser CO2 (impulsions de 250 ns, fréquence de répétition de 150 kHz, puissance moyenne de 200 W) (les lasers à excimère ont été exclus car ils sont les plus chers). Voici quelques caractéristiques typiques de ces lasers. Le laser Ti:Saphir est probablement mieux adapté aux applications de micro-usinage et n'est pas idéal pour le décapage de peinture d'un avion. En effet, malgré sa puissance crête élevée, sa puissance moyenne est faible et il ne permet pas d'éliminer rapidement la peinture dure. Il est également coûteux car il nécessite un laser à argon pour le pomper. Le choix entre un laser proche infrarouge (laser Nd:YAG ou à fibre) et un laser infrarouge moyen (laser CO2) dépend de la dépendance du coefficient d'absorption des différents matériaux à la longueur d'onde. La figure 4 illustre cette dépendance.

Figure 4 : Dépendance de l'absorption des métaux et des non-métaux à différentes longueurs d'onde en fonction de la longueur d'onde. Référence : Surveillance des alliages de titane par laser excimer, mémoire de master de Yiming Ding, 2011.

Les plastiques, la céramique et le verre (y compris les matériaux organiques et les revêtements polymères tels que la peinture) présentent un coefficient d'absorption élevé dans l'infrarouge moyen, y compris la longueur d'onde de 10,6 μm du laser CO₂. Cependant, leur coefficient d'absorption est faible pour les métaux. Par conséquent, pour retirer une couche de peinture sur une coque métallique d'avion, le laser CO₂ est un bon choix, car il élimine la peinture et la réfléchit principalement par le métal, ce qui ne l'endommage pas. Cependant, l'absence de fibres optiques bon marché dans l'infrarouge moyen, la possibilité d'ajuster l'énergie de seuil des lasers à impulsions nanosecondes dans le proche infrarouge et le faible coût du laser rendent les lasers Nd:YAG et à fibre aussi intéressants pour le décapage de peinture dans différentes applications, comme celle des avions.

Pour comparer le nettoyage laser à d'autres méthodes, on peut citer le sablage, le nettoyage cryogénique, le jet d'eau, les méthodes abrasives et chimiques. Toutes ces méthodes peuvent endommager la surface, polluer fortement l'environnement, sont bruyantes et ne peuvent pas être automatisées. Le nettoyage laser, quant à lui, est généralement associé à un tube d'aspiration qui aspire la matière enlevée. Le nettoyage laser est donc plus respectueux de l'environnement, plus rapide, n'endommage pas la surface si les paramètres sont bien choisis, offre une plus grande polyvalence grâce à la sélectivité des paramètres laser et peut être automatisé.

Allied Scientific Pro a présenté le Système de nettoyage Laser Art-100 Ce système utilise le faisceau proche infrarouge et fournit une fibre optique jusqu'à 5 mètres pour un accès à distance. Il s'agit d'un système de nettoyage laser très efficace, pulsé jusqu'à 55 kHz, avec une puissance moyenne de 100 watts et une durée d'impulsion de 10 ns. La figure 5 ci-dessous illustre ce système.

Figure 5: Système de nettoyage par Allied Scientific Pro

Un système galvanométrique couplé à des optiques permettrait d'obtenir différentes formes de faisceau, adaptées à chaque application. Le faisceau proche infrarouge mesure généralement quelques centimètres de long et est linéaire.

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Références :  

1. Laser YAG vs laser CO2, base de connaissances laser Epilog.
2. TEA CO2 vs Nd:YAG, décapage de peinture ou nettoyage de moules par systèmes PAR.
3. Caractéristiques d'ablation des métaux Au, Ag et Cu à l'aide d'un laser Ti:Sapphire femtoseconde, Applied Physics A, volume 60, décembre 1999.
4. Effets de différents régimes d'impulsions laser (nanoseconde, picoseconde et femtoseconde) sur les matériaux d'ablation pour la production de nanoparticules en solution liquide, Abubakr Hassan Hamad, Laser à haute énergie et à impulsions courtes, DOI : 10.5772/63892.
5. Surveillance par laser excimer des alliages de titane, mémoire de master de Yiming Ding, 2011.