Blue Ibiza Laser de TLD Photonics

La technologie laser suisse – tout se joue au µ

31.05.2021
Juin 2021
  • Focus

Les impulsions laser ultracourtes aux propriétés sur mesure peuvent être utilisées pour développer de nouvelles méthodes de fabrication dans l’usinage des micromatériaux. En outre, elles sont incontournables dans les systèmes de mesure optiques dédiés à l’industrie 4.0. La spin-off TLD Photonics SA développe de tels lasers et systèmes.

La technologie laser occupe aujourd’hui une place prépondérante dans de nombreux domaines de la technique de fabrication, du médical, de la recherche fondamentale et de la transmission de données, sans compter de nombreuses autres applications. Néanmoins, les lasers et leurs applications continuent d’évoluer à un rythme effréné. La Suisse participe depuis longtemps au développement de systèmes et d’applications laser dans de nombreux domaines, et elle occupe même une position d’avant-garde dans certains d’entre eux.

La recherche industrielle : un moteur d’innovation

Ce succès est notamment dû à l’étroite collaboration entre l’industrie, les hautes écoles et les instituts de recherche dans le développement de technologies laser destinées à l’industrie. Par exemple, l’Institut ALPS de la Haute école spécialisée bernoise BFH et l’équipe laser de l’IPPE de la Haute école spécialisée du nord-ouest de la Suisse FHNW collaborent depuis de nombreuses années sur divers projets de développement, et échangent en permanence leurs connaissances.

Cette coopération a donné naissance à un projet Innosuisse afin d’étudier l’utilisation de la tomographie par cohérence optique (TCO) pour des applications industrielles, en particulier pour l’usinage des micromatériaux. C’est à la suite de ce projet que la spin-off TLD Photonics SA a vu le jour.

La TCO est une technique de mesure adaptée à l’acquisition en temps réel de données de processus, qui constituent la base de toutes les décisions d’optimisation intelligentes de l’Industrie 4.0. Les techniques de mesure optique particulièrement rapides et précises comme la TCO offrent un énorme potentiel dans le domaine du micro-usinage et de la fabrication additive. Toutefois, une augmentation significative des performances en termes de vitesse et de précision est nécessaire pour l’exploiter.

Des impulsions laser plus courtes que l’épaisseur d’un cheveu humain

Pour atteindre la vitesse de mesure nécessaire, un nouveau concept de laser titane:saphir à impulsions ultracourtes a été développé. Le cristal de titane:saphir, en tant que milieu amplificateur, permet de générer des impulsions laser extrêmement courtes, d’une durée d’environ 100 femtosecondes. Une femtoseconde correspond à un billiardième de seconde, et en 100 femtosecondes, la lumière parcourt 30 micromètres. Une impulsion de 100 femtosecondes est donc plus courte que le diamètre d’un cheveu humain. Les lasers femtosecondes peuvent être utilisés pour exciter la fluorescence. Ces techniques de microscopie spéciales sont utilisées, entre autres, pour l’imagerie des cellules – voir l’illustration 1.

Les lasers titane:saphir à impulsions ultracourtes actuels sont complexes à fabriquer et couteux à entretenir. TLD Photonics met à profit le perfectionnement des diodes laser dans la gamme spectrale bleue. Cela permet de simplifier considérablement l’architecture complexe et gourmande en ressources des lasers, tout en améliorant la stabilité et la fiabilité, et en augmentant l’efficacité du laser.

Un million de mesures de distance par seconde

Ce tout récent laser titane:saphir sert de source lumineuse pour un principe de mesure interférométrique. Ce principe est similaire à celui de la TCO, aujourd’hui principalement utilisée pour le diagnostic en ophtalmologie. Malgré son potentiel élevé, la TCO n’a jusqu’à présent été que peu exploitée dans la fabrication en raison du cout élevé des systèmes, de son intégration complexe et de sa vitesse de mesure limitée.

Contrairement à l’utilisation faite dans le domaine médical, le système TCO de TLD Photonics n’est pas destiné à enregistrer une coupe transversale du tissu ou du matériau, mais à mesurer la structure locale, c.-à-d. la topographie de la pièce avec une grande précision. Toutefois, il ne s’agit pas seulement de mesurer avec précision, mais aussi extrêmement rapidement.

À partir de l’étude de principe du projet Innosuisse susmentionné, un système est en cours de développement, qui enregistrera plus d’un million de points de mesure par seconde au lieu des quelques dizaines de milliers courants sur le marché, et ce à un prix compétitif.

Mais pourquoi un taux de mesure aussi élevé est-il nécessaire ? Dans la fabrication moderne en réseau, les mesures en temps réel constituent la base de la surveillance des processus. Seuls des millions de points de mesure par seconde peuvent garantir la surveillance du processus en ligne avec une précision suffisante sans en augmenter la durée. Ils permettent non seulement de réaliser un contrôle qualité en ligne, mais sont également nécessaires à la mise en œuvre de l’industrie 4.0 dans les installations de production. TLD Photonics s’est fixé pour objectif de faire percer la technologie TCO dans l’usinage des micromatériaux. Pour cela, elle a choisi d’associer une vitesse de mesure élevée à une résolution axiale et latérale de l’ordre du micromètre.

Le système ne mesure qu’un seul point de la pièce à la fois. Ce point de mesure est déplacé sur l’objet à l’aide d’un scanner galvanométrique pour mesurer la totalité de la pièce. Pour exploiter au maximum la performance du système de mesure, il est nécessaire de pouvoir positionner avec précision plusieurs millions de points de mesure par seconde. C’est à ce moment-là qu’intervient Synchro, le système développé par la BFH. C’est un système électronique breveté, fruit d’une collaboration à long terme entre les instituts I3S et ALPS. Il est utilisé pour contrôler les processus d’usinage avec des impulsions laser ultracourtes, à l’impulsion près. À cette fin, le système électronique sophistiqué synchronise le scanner galvanométrique avec l’émission d’impulsions du laser, tout en maintenant une stabilité de phase. Ainsi, Synchro atteint un positionnement reproductible de l’impulsion laser avec une précision inférieure au micron, et ce à une vitesse de balayage complète de plusieurs dizaines de mètres par seconde. À l’avenir, TLD Photonics sera capable de fabriquer et de distribuer ces composants électroniques de synchronisation sous licence.

Les hautes écoles suisses à l’origine de solutions high-tech

TLD Photonics SA se positionne ainsi comme un fournisseur de solutions high-tech dans le domaine du laser, avec des produits orientés vers l’utilisateur et destinés à l’industrie et aux instituts de recherche. La spin-off profite de la combinaison de la recherche industrielle fondamentale et des nombreuses années d’expérience de son personnel dans l’industrie. La coopération étroite et le savoir-faire complémentaire des deux hautes écoles favorisent l’ancrage dans un environnement hautement développé.

Stefan Remund
Doctorant à la BFH et cofondateur de TLD Photonics SA
Romain Carreto
Ingénieur de développement en optique et électronique chez TLD Photonics SA