Etude et réalisation d'une chaine laser femtoseconde haute cadence de haute puissance moyenne : applications au micro-usinage
Institution:
Paris 11Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Since the early 90's, much progress has been done in the field of ultrashort laser sources, mostly based on Ti:sapphire crystals. The shortest pulse duration and the highest energy were the main goals of these developments. In the same time, few work has been done on high-repetition rate sources (more than ten kilohertz). The first part of this work is dedicated to the study of a 15 kHz femtoseconde laser source with high average power. The pump laser is a 100-W Hybrid copper vapour laser. Thermal effects inside the crystals are carefully studied as well as the design of a regenerative cavity and multi-pass amplifiers taking into account these thermal problems. The second part deals with a particular application of these high-repetition rate sources: micro-machining. Experimental results are shown, mostly on metals. To have a comprehensive approach of the specificity of laser-matter in the femtosecond regime, a two-temperature model is developped. It leads to a simulation of the thermal diffusion length, bath axially and radially. The results shows a striking difference between nanosecond and femtosecond regime.
Abstract FR:
Depuis le début des années 90, de grands progrès ont été réalisés dans les sources laser à impulsions courtes, essentiellement basées sur le cristal de saphir dopé au titane. Les efforts ont principalement porté sur la diminution de la durée et l'augmentation de l'énergie. Parallèlement, les sources à haut taux de répétition (de l'ordre de la dizaine de kilohertz), ont fait l'objet de peu d'études. Une première partie de ce travail est consacrée à l'étude et à la réalisation d'une source à 15 kHz de haute puissance moyenne. Le laser de pompe utilisé est ici un laser à vapeur de cuivre hybride (CuHBr), d'une puissance de 100 W. Le manuscript présente une étude détaillée des problèmes thermiques dans les cristaux à ces cadences et de prise en compte de ces derniers dans le dimensionnement d'une cavité régénérative et des amplificateurs multi-passages. Dans une deuxième partie, on s'intéresse à une application particulière de ces sources haute cadence: le micro-usinage. Des résultas expérimentaux sont présentés, essentiellement dans les métaux. Pour tenter de comprendre la spécificité des mécanismes d'interaction laser-matière en régime femtoseconde dans ces derniers, un modèle à deux températures est développé qui permet de simuler la longueur de diffusion thermique (radiale et axiale) sur les bords de l'usinage. Les résultats de cette simulation font apparaître une différence notable de la longueur de diffusion thermique entre le régime nanoseconde et le régime femtoseconde.