femtoseconde

Une femtoseconde est 10 puissance moins 15 secondes, soit 0,000000000000001 seconde. Le préfixe femto- suit la convention de dénomination du SI : kilo, méga, giga, téra, péta, femto, atto. À cette échelle de temps, la lumière parcourt environ 300 nanomètres dans le vide, soit approximativement la longueur d'onde du rayonnement ultraviolet. Pour la mesure industrielle et le traitement des matériaux, une durée de femtoseconde signifie que l'impulsion a frappé et est partie avant que la diffusion thermique ne se propage de manière significative dans le matériau environnant.

Les impulsions femtosecondes sont générées par des lasers à modes bloqués, le plus souvent des lasers à fibre et des lasers à état solide (souvent dopés à l'ytterbium ou à l'erbium). Un laser à modes bloqués force plusieurs modes longitudinaux à osciller en phase, produisant un train d'impulsions extrêmement courtes plutôt qu'une sortie continue. Les taux de répétition varient du kilohertz au mégahertz selon la conception de la cavité et l'application. La puissance de crête pendant une impulsion femtoseconde peut atteindre des gigawatts malgré une puissance moyenne relativement modeste, car l'énergie est compressée dans une fenêtre extraordinairement brève.

Applications industrielles

Les lasers femtosecondes dominent le micromachinage de précision des métaux, des céramiques, des verres et des polymères. L'intensité extrême concentre l'énergie dans un volume minuscule, ablattant le matériau proprement sans dommage thermique pour la zone environnante. Les trous percés dans les aubes de turbine, les surfaces d'implants chirurgicaux marquées de micropatterns et les géométries complexes découpées dans le silicium reposent tous sur ce mécanisme d'ablation non thermique. L'absence de zone affectée thermiquement significative signifie une formation minimale de bavures, pas de fusion et pas d'initiation de microfissures dans les matériaux fragiles.

En métrologie et inspection, les impulsions femtosecondes permettent la tomographie par cohérence optique (OCT) et les mesures de temps de vol avec une résolution micrométrique. La courte durée d'impulsion détermine la résolution en profondeur réalisable dans le découpage optique. Les systèmes de métrologie exploitent également l'interaction non linéaire ultrarapide : deux photons femtosecondes ou plus peuvent être absorbés simultanément, permettant la mesure directe de caractéristiques de surface qui disperseraient une seule impulsion plus longue.

L'émission spontanée amplifiée (ASE) femtoseconde et la génération de supercontinuum étendent davantage la technologie. Lorsqu'une impulsion fs se propage à travers des milieux non linéaires, son spectre s'élargit considérablement, créant une sortie de type lumière blanche couvrant les bandes visible et proche infrarouge. Ce supercontinuum permet la spectroscopie pompe-sonde à large bande et l'imagerie multi-longueurs d'onde dans les diagnostics de fabrication. Cependant, les systèmes femtosecondes exigent un alignement optique minutieux, un entretien régulier du résonateur laser et une prise de conscience que l'exposition cumulative aux rayons ultraviolets des impulsions à fréquence convertie présente des risques pour la sécurité au travail.