#06 Que signifie réellement l’ablation laser ?

Le terme « ablation » apparaît fréquemment dans les descriptions du nettoyage et du décapage laser. Il est toutefois important de comprendre qu’il ne désigne pas un phénomène physique unique. L’ablation laser désigne l’ensemble des phénomènes physiques qui peuvent conduire à l’élimination d’une couche de matériau sous l’effet du rayonnement laser. Selon le matériau et les paramètres utilisés, plusieurs mécanismes peuvent intervenir.

De manière simplifiée, le processus peut être représenté ainsi :

Absorption de l’énergie → élévation de la température → transformations physiques ou chimiques → formation et expansion de produits d’ablation → éjection de matière

Dans certaines conditions d’irradiation, peuvent également intervenir une ionisation, la formation d’un plasma et des effets mécaniques associés à l’expansion rapide des produits d’ablation.

Le plasma n’apparaît pas dans toutes les conditions de traitement et n’est pas une condition nécessaire à l’ablation.

Absorption de l’énergie laser

Lorsqu’un faisceau laser atteint une surface, une partie de son énergie peut être absorbée par le matériau.

La quantité d’énergie absorbée dépend notamment :

• de la longueur d’onde ;
• des propriétés optiques du matériau ;
• de la puissance et de l’énergie délivrée ;
• de la durée d’impulsion ;
• de la fluence ;
• de la géométrie du faisceau.

Dans le cas du nettoyage laser, la couche exposée peut être une peinture, un oxyde, un produit de corrosion, un contaminant ou un autre dépôt. C’est dans la zone où l’énergie est absorbée que commencent les phénomènes physiques conduisant à la modification ou à l’élimination de la matière.

Transformation de la couche superficielle

L’énergie absorbée peut provoquer une élévation rapide de la température dans la zone irradiée.

Selon les propriétés du matériau et les paramètres du laser, différents phénomènes peuvent alors intervenir :

• fusion ;
• vaporisation ;
• sublimation ;
• décomposition thermique ;
• transformation ou fragmentation de la matière.

Ces transformations peuvent produire des espèces solides, liquides ou gazeuses qui sont ensuite expulsées de la surface. Le mécanisme dominant dépend du matériau traité et des conditions d’irradiation. Il n’existe donc pas un seul mécanisme d’ablation valable pour toutes les applications de nettoyage laser.

Formation et expansion des produits d’ablation

Lorsque le matériau est fortement chauffé ou transformé, des produits d’ablation peuvent se former sous forme de vapeur, de gaz, de particules ou de gouttelettes, selon le matériau et les conditions de traitement.

L’expansion très rapide de ces produits peut générer localement des variations importantes de pression.

Ces effets peuvent contribuer au détachement et à l’éjection de la matière déjà fragilisée ou transformée. C’est notamment l’une des raisons pour lesquelles l’élimination d’une couche superficielle ne doit pas être considérée comme un simple phénomène de chauffage.

Plasma : quand apparaît-il ?

À des densités d’énergie suffisamment élevées, une partie de la matière peut être ionisée et former un plasma. Le plasma est donc un état ionisé de la matière qui peut apparaître dans certaines conditions d’irradiation laser. Son comportement peut influencer l’interaction entre le faisceau et la surface.

Dans certaines conditions, le plasma peut notamment :

• absorber ou diffuser une partie du rayonnement laser ;
• modifier la dynamique de l’interaction ;
• générer une forte expansion de matière ionisée ;
• contribuer aux effets mécaniques dans la zone d’interaction.

On parle notamment de plasma shielding lorsque le plasma formé au-dessus de la surface limite en partie l’arrivée du rayonnement laser sur le matériau lors des impulsions suivantes. Mais il est important de le rappeler : la présence d’un plasma n’est pas nécessaire pour qu’une ablation laser se produise.

Onde de choc et effets mécaniques

L’expansion extrêmement rapide de la vapeur, des gaz et, lorsque celui-ci est présent, du plasma, peut générer une perturbation mécanique dans le milieu environnant. Dans certaines conditions, cette expansion peut produire une onde de choc locale. Cette onde, associée aux autres phénomènes qui se produisent lors de l’interaction laser-matière, peut contribuer au détachement de produits d’ablation ou de résidus provenant de la couche superficielle fragilisée. L’importance de cet effet dépend fortement des paramètres du laser et des propriétés du matériau.

L’ablation laser n’est donc pas un phénomène unique.

Il est tentant de représenter le nettoyage laser par une chaîne très simple :

laser → chaleur → matière retirée

La réalité physique est plus complexe.

L’interaction peut faire intervenir, selon les conditions :

absorption → excitation et échauffement → transformations physiques ou chimiques → formation de produits d’ablation → expansion → éjection

Et, lorsque les conditions le permettent :

ionisation → plasma → effets mécaniques et éventuellement onde de choc

Tous ces phénomènes ne sont pas nécessairement présents avec la même intensité dans chaque application.

Pourquoi est-ce important pour le nettoyage laser ?

Parce que l’objectif n’est généralement pas simplement de fournir le plus d’énergie possible. Il faut fournir la bonne quantité d’énergie, de la bonne manière, au bon endroit et pendant la durée appropriée.

Les paramètres du faisceau jouent donc un rôle essentiel :

• puissance ;
• énergie par impulsion ;
• durée d’impulsion ;
• fréquence ;
• fluence ;
• taille du spot ;
• longueur d’onde ;
• vitesse de balayage ;
• recouvrement des impulsions.

Les propriétés de la couche à éliminer et celles du matériau de base sont tout aussi importantes.

Conclusion :

Le laser ne retire pas directement la matière par une action mécanique.

Il fournit l’énergie nécessaire pour déclencher une série de phénomènes physiques et, selon les conditions, chimiques, qui conduisent à la modification puis à l’élimination de la matière.

C’est l’ensemble de ces phénomènes que l’on désigne par ablation laser.

L’ablation n’est donc pas un phénomène unique, mais un ensemble de mécanismes dont la contribution dépend des paramètres du faisceau laser et des propriétés du matériau traité.

En pratique, comprendre l’ablation permet de mieux comprendre pourquoi un même laser peut produire des résultats très différents selon le matériau, le revêtement et les paramètres de réglage.