Un condensé de puissance lumineuse

Allumez votre lampe de poche une seule seconde et dirigez-la vers le ciel : son faisceau a déjà atteint la lune. À quelle vitesse faudrait-il allumer puis éteindre la lampe pour que son faisceau soit plus court que l'épaisseur d'un cheveu humain ? Une chose est sûre, le pouce n'y arriverait pas. Des faisceaux ultra-brefs ou des impulsions de cet ordre de grandeur sont émis par des lasers femtoseconde qui divisent la lumière laser concentrée en trains d'ondes comprimés de forte énergie. Ils permettent de traiter tous les types de matériaux, de la cornée de l’oeil humain à la céramique extrêmement dure, et ce au micromètre près. Le fabricant français de mécanique de précision ISP System produit les actionneurs qui servent à aligner les prismes, les miroirs et les fi ltres de ces lasers de haute puissance avec exactitude pour que les impulsions lumineuses arrivent au bon endroit avec l'intensité souhaitée. La fi abilité de l'entraînement est garantie par les moteurs pas à pas de FAULHABER.

Rayonnement stimulé

L'explication du principe de fonctionnement du laser est contenue dans son nom, l'acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement). Autrement dit, la lumière est amplifiée et concentrée dans le laser par un apport d'énergie et des astuces optiques. C'est ainsi qu'est généré ce faisceau, petit mais puissant, capable de lire des CD et des codes à barres, de traiter des ulcères cancéreux ou de souder du métal. Les astuces optiques nécessitent, entre autres, des prismes, des filtres et des miroirs pour fractionner le faisceau, le concentrer sur des longueurs d'ondes définies et l'amplifier en le faisant aller et venir de nombreuses fois entre deux miroirs. Tandis que le faisceau constant d'un pointeur laser, par exemple, est relativement faible, la manipulation des fréquences et le retardement du trajet lumineux permettent de comprimer fortement l'énergie en petits paquets dans les lasers à impulsions.

Difficile de faire plus petit

Dans la recherche, on utilise déjà des lasers à impulsions de l'ordre de l'attoseconde (0,000 000 000 000 000 001 seconde = 10-18 sec). Leurs impulsions ultra-brèves permettent même d’observer les phénomènes dynamiques extrêmement rapides qui ont lieu au coeur des atomes. Pour un emploi industriel ou médical, ces impulsions ne doivent pas durer plus qu'une infime fraction de seconde. Une femtoseconde (10-15 sec) correspond à un billiardième de seconde. Pendant cette fraction de seconde, la lumière parcourt 0,3 micromètres, soit une distance environ deux cents fois inférieure à l'épaisseur d'un cheveu humain. Les lasers femtoseconde sont actuellement à la pointe de la technologie et sont employés dans de nombreux secteurs. Ils sont notamment mis à contribution dans la microscopie multiphotonique, la microchirurgie, le traitement des structures les plus fines impliquées, par exemple, dans la technique médicale, l'analyse chimique ou le micro-marquage infalsifiable.
Le laser femtoseconde peut générer jusqu'à cent millions d'impulsions laser par seconde. À l'emplacement visé par ces impulsions, la matière n'a pas le temps de fondre, elle passe directement à l'état gazeux et peut être ainsi tout simplement aspirée. Cela permet d'enlever les couches les plus fines sur quelques millionièmes de millimètre (nanomètres) avec une grande précision sans produire de bavures de résidus fondus ni pratiquement chauffer le matériau avoisinant. Les propriétés du matériau, son homogénéité, sa capacité d'absorption, sa température d'évaporation ou sa dureté, ne jouent quasiment aucun rôle ; avec le laser, on peut faire feu sur presque tout.

Variantes d'entraînement

Ce traitement « à froid » ne produit aucun résidu et n'altère pas la qualité de l'objet. Pour obtenir les résultats souhaités, il suffit de choisir correctement la durée d'impulsion, l'énergie d'impulsion, la fréquence d'horloge et la focalisation. C'est ici que les actionneurs d'ISP System entrent en jeu. En effet, c'est eux qui, à l'intérieur du laser, mettent en mouvement les prismes, filtres et miroirs qui confèrent à l'impulsion lumineuse la qualité définie avec précision. Trois types d'entraînements peuvent être mis en oeuvre : électromagnétiques, piézoélectriques ou mécaniques. « Si les deux premiers types d'entraînements peuvent faire valoir leurs atouts particuliers dans certains domaines d'exploitation, notamment dans la recherche, les actionneurs à entraînement mécanique présentent toutefois divers avantages nettement plus intéressants dans le contexte industriel », explique Sébastien Theis d'ISP System, qui souligne cependant : « pourvu que les dispositifs soient d'une qualité adéquate et les moteurs utilisés de premier choix. En effet, ces derniers doivent travailler avec une très grande précision sans que leur commande ne soit trop complexe. »

Le laser est employé pour des tests de CEM dans un laboratoire d'expérimentation

Supériorité mécanique

C'est sur ce point que les entraînements piézoélectriques et électromagnétiques présentent un inconvénient majeur : ils ne peuvent atteindre une grande précision qu'avec une régulation en boucle fermée. Pour cela, un dispositif de mesure (capteur) est nécessaire pour détecter le mouvement et transmettre les valeurs à la commande qui à son tour ajuste le mouvement. La régulation en boucle fermée implique une complexité relativement importante et requiert des composants électroniques supplémentaires. Par conséquent, cette solution est non seulement plus chère, mais aussi largement plus complexe et massive.
Les moteurs pas à pas permettent, quant à eux, une exploitation fiable, même en boucle ouverte, et se passent de capteurs, ce qui les rend déjà plus compacts. « Le fait que le moteur compte les pas luimême permet de déduire sa position avec exactitude. Nous nous en remettons à la qualité des moteurs FAULHABER et savons qu'aucun pas ne se perdra s'ils ne rencontrent aucun obstacle en route. Et même si c'était le cas, il suffirait simplement de faire revenir l'entraînement à sa position zéro pour obtenir un calibrage fiable », explique Sébastien Theis.

Imperturbable, même sans courant

AUn autre avantage du moteur pas à pas est qu'il maintient sa position de manière fiable, même sans courant. Ceci est particulièrement important pour une utilisation dans le boîtier fermé du laser étantelectronics, donné que chaque impulsion laser est accompagnée d'une décharge électromagnétique. Une régulation en boucle fermée avec actionneur, capteur et commande ne peut fonctionner, quant à elle, que sous tension. Dans un tel dispositif, la décharge peut provoquer des perturbations susceptibles, notamment, de faire sortir un miroir inclinable de sa position spécifiée. Ceci peut nuire à la précision du laser et s'avérer fatal si ce dernier est employé pour corriger la cornée d'un oeil myope, par exemple. Avec le moteur pas à pas qui reste immobile sans courant, ce genre d'incident est heureusement exclu.
Outre les caractéristiques propres à leur conception et leur haute qualité, l'équipe d'ISP System a eu d'autres raisons de choisir les moteurs de FAULHABER : « Nous n'avons trouvé aucun autre fabricant dont les produits pouvaient être adaptés aussi facilement et rapidement à nos besoins. Nous pouvons faire notre choix parmi un éventail incomparable de moteurs et d'entraînements. Par ailleurs,FAULHABER est en mesure de développer des moteurs répondant à nos exigences spécifiques. Ses délais de livraison courts nous permettent de réagir rapidement aux souhaits de nos clients. Sans oublier que nos interlocuteurs sont toujours extrêmement compétents, connaissent notre technologie et contribuent à son développement », ajoute Sébastien Theis.

Les lasers femtoseconde sont actuellement à la pointe de la technologie et sont employés.
Jusqu'á cent millions d'impulsions laser par seconde