Étude et compréhension des procédés de surfaçage en vue d

Journées polissage optique
Laboratoire d'Astrophysique de Marseille
16 – 17 juin 2011
Étude et compréhension des
procédés de surfaçage en vue
d'améliorer les composants optiques
pour lasers de puissance
Cédric Maunier
CEA-Cesta
Département lasers de puissance
Laboratoire des procédés optiques
CEA/Cesta
Étude et compréhension des procédés de surfaçage
16-17/06/2011
1
Sommaire
• Contexte
• Fabrication des grands composants optiques
> des surfaces de haute qualité optique
> une problématique particulière : l'endommagement laser
> bien comprendre le surfaçage pour améliorer la fabrication
• Étude du procédé de surfaçage
> bonne connaissance des produits abrasifs
> influence des paramètres machine
• Caractérisation des états de surface générés
> taux d'enlèvement matière
> rugosité
> fractures sous-surfaciques
• Applications et perspectives
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Etude et compréhension des procédés de surfaçage
16-17/06/2011
2
Contexte
• Lasers de puissance pour la fusion par confinement inertiel
> LMJ : jusqu'à 240 faisceaux, ~ 40 optiques par faisceau
> de grands composants de surface  40 x 40 cm2
> grande qualité optique requise pour préserver le front d'onde et la tache focale
M1 polariseur
CP
FST
FSC
ampli de
cavité
MT 1
ampli de
transport
40 cm
15 kJ
à 1
KDP PEPC
1mJ - 1J
Source
à 1
profil spatial du
faisceau à 1ω
R 1
KDP doubleur
MT 2,3 ...
hublot
DKDP tripleur
hublot de chambre après
plusieurs mois sur la LIL
R 3
LAE
7,5 kJ
à 3
LdP
• Les fortes fluences peuvent limiter le fonctionnement :
> fluences élevées sur de grandes surfaces : 10 à 20 J.cm-2, quelques ns
> amplification à 1053 nm (1ω), interaction laser – cible à 351 nm (3ω)
> problème principal : endommagement de la surface des optiques "3ω"
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Etude et compréhension des procédés de surfaçage
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3
Fabrication des grands composants optiques (1/3)
• Objectif double lors de la fabrication des composants optiques :
> bonne qualité optique pour ne pas dégrader le front d'onde transmis
> bonne résistance au flux laser
• Quatre étapes pour obtenir des surfaces de haute qualité optique :
> conformité de la forme (planéité, forme locale)
> faible rugosité (diffusion de l'énergie et surintensités laser)
ébauchage
doucissage
forme générale
abrasifs  > 100 µm liés
à une meule (diamant)
planéité,  rugosité
abrasifs  10-50 µm en
suspension dans de l'eau
(diamant, Al2O3, SiC, B4C, …)
polissage
finition
 planéité,  rugosité
abrasifs  ~ 1 µm en
suspension dans de l'eau
(CeO2, ZrO2, …)
  rugosité
abrasifs  1 nm-1 µm
pré-suspendus
(REO2, SiO2, …)
+ éventuellement retouche locale
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Etude et compréhension des procédés de surfaçage
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4
Fabrication des grands composants optiques (2/3)
• Problème spécifique aux laser de puissance : la tenue au flux laser
> fortes densités d'énergie + longueur d'onde
dans le domaine de l'UV
> on observe l’apparition aléatoire de dommages
à la surface des composants
> les fractures sous-surfaciques (SSD) générées lors du surfaçage sont
fortement suspectées d'être à l'origine de l'endommagement surfacique [1, 2].
surface
couche de polissage
zone avec microfractures (SSD)
fractures
sous-surfaciques
après ébauchage
~200 µm
silice massive
silice non fracturée
l'étape de surfaçage N+1 doit
enlever au moins l'épaisseur
fracturée par l'étape N
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générer peu de fractures, aussi
peu profondes que possible
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5
Fabrication des grands composants optiques (3/3)
• Améliorer les composants  bien comprendre le procédé de surfaçage
> de nombreux essais à mener
> impossible dans un contexte industriel (immobilisation machine, coûts, …)
• Le laboratoire s’est doté d’une polisseuse simple face polyvalente
Logitech PM5
plateau
Vrotation
pression
précision
échantillons
maintien
Ø 300mm
5-70 rpm
40-150 g.cm-2
± 2 µm
Ø 10-83 mm
dépression
Cette machine permet d’étudier les 3 dernières étapes de la gamme : doucissage, polissage, finition
Nos travaux sont principalement orientés sur l’aspect tenue au flux laser
réduire la densité et la profondeur des SSD tout en conservant la qualité optique
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Etude et compréhension des procédés de surfaçage
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6
Étude et compréhension du procédé de surfaçage
• Etude :
> influence des paramètres procédé sur la qualité de la surface
> couvrir le plus grand périmètre possible
paramètres machine
concentration en abrasif
vitesse de rotation
pression
…
produit abrasif
nature
granulométrie
morphologie
impuretés
…
1 combinaison = 1 état de surface
support de surfaçage
nature
forme
pré-charge
…
• Compréhension :
> utiliser les résultats pour bâtir un modèle de surfaçage + formation SSD
> confronter les résultats et les modèles à la littérature
les exemple donnés dans la suite sont issus de travaux sur le doucissage [3]
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Bien connaître les produits abrasifs (1/2)
• Granulométrie des produits :
> généralement, seul un diamètre "moyen" est donné par le fournisseur (d50)
> intéressant de connaître la distribution en taille  modélisation du surfaçage
d50 effectif du produit
10
Al2O3 "9 µm"
9
le d50 effectif peut
être 50% supérieur
1
CeO2 - A
0,9
CeO2 - B
7
6
5
4
3
2
CeO2 - C
0,8
1
CeO2 - D
distribution normalisée
8
nombre de particules (UA)
distribution en taille de
4 alumines vendues
pour un d50 = 9 µm
0,7
0
0,6
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
diamètre (µm)
0,5
0,4
0,3
autre exemple :
0,2
0,1
0
0,01
0,1
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1
diam ètre (µm )
10
100
distribution en taille
de 4 oxydes de
cérium différents
Etude et compréhension des procédés de surfaçage
certains contiennent 2
populations de particules !
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8
Bien connaître les produits abrasifs (2/2)
• Morphologie :
> forme et rapport d'aspect des particules abrasives  modélisation du surfaçage
> comparaison de la forme d'un même abrasif de différents fournisseurs
> comparaison de la forme d'abrasifs de même taille et de natures différents
B4C
SiC
9 µm
9 µm
Al2O3
9 µm
• Les supports de surfaçage :
> différents supports possibles pour un produit donné
> a priori, c'est un paramètre qui n'intervient qu'au second ordre
doucissage
polissage
les SSD sont un peu plus
profondes avec un plateau
fonte rainuré qu'avec un
plateau fonte plan
plateau en fonte
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plateau polyuréthane
Etude et compréhension des procédés de surfaçage
disques en feutre
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9
Mesurer autant de paramètres du procédé que possible
• Paramètres d’entrée du procédé :
> vitesse de rotation du plateau donnée par la machine
> charge appliquée sur l'échantillon via le jig
> concentration en abrasif dans le slurry
• Instrumentation du jig pour accéder à des mesures en dynamique :
> capteur de force  pression appliquée sur l'échantillon en temps réel
> vitesse de rotation du jig  vitesse linéaire en tout point de l'échantillon
> capteur de distance  épaisseur de la couche de slurry
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10
Caractérisation des états de surface produits
• Plusieurs caractéristiques à observer après surfaçage
> le taux d'enlèvement matière (MRR)
> la rugosité de la surface
> les défauts d'aspect et les SSD générés lors du surfaçage
• Les outils doivent être adaptés à l'étape de surfaçage étudiée
polissage
doucissage
MRR : micromètre
MRR : micromètre
rugosité : palpeur mécanique
défauts d'aspect : microscope confocal
rugosité : interférométrie
défauts d'aspect : microscope
défauts d'aspect : microscope confocal
défauts d'aspect : fond noir
finition
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Le taux d'enlèvement matière (MRR)
• Caractéristique première du procédé
• Simple mais importante dans le cadre d'un procédé industriel (temps
machine)
8
9
7
8
Al2O3 17 µm - fournisseur B
7
6
-1
MRR (µm.min )
-1
MRR (µm.min )
Al2O3 30 µm - fournisseur C
5
4
3
6
5
4
3
2
2
1
1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
0,8
1
1,2
vitesse de rotation (rpm)
1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,4
charge appliquée (kg)
10
le MRR augmente
linéairement avec tous les
paramètres du procédé
Al2O3 - fournisseur D
-1
MRR (µm.min )
8
6
en accord avec la loi de
Preston [4] : MRR = k P Δv
4
2
le comportement est identique
pour tous les abrasif
0
9
12
15
18
21
24
27
30
diamètre des grains abrasifs (µm)
CEA-Cesta
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12
La rugosité des surfaces (1/3)
• Doucissage : la rugosité donne accès à la profondeur des SSD
> il existe une relation empirique entre rugosité Rt et profondeur des SSD [5]
 profondeur des SSD = k Rt
> k est déterminé par acidage à partir de quelques échantillons [6]
 profondeur des SSD = 3,3 ± 0,5 Rt
50
35
Al2O3 30 µm - fournisseur C
profondeur SSD (µm)
profondeur SSD (µm)
45
40
35
30
25
SSD = 2d
Al2O3 - fournisseur D
30
25
20
SSD = 0,74d
1,04
SSD = 0,3d
0,68
15
10
5
20
0,85
0
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
charge appliquée (kg)
évolution contraire à celle décrite par le
modèle de génération de SSD de Miller
(analogie avec l'indentation statique) [7]
CEA-Cesta
2,4
9
12
15
18
21
24
27
30
diamètre des grains abrasifs (µm)
la profondeur des SSD est en accord avec
la loi proposée par Lambropoulos [8]
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La rugosité des surfaces (2/3)
• Doucissage : la rugosité donne accès à la profondeur des SSD
> un comportement singulier en fonction du diamètre des grains abrasifs
10
Al2O3 9µm - fournisseur B
0,8
Al2O3 - fournisseur A
6
4
2
p = - 0,1
0
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
concentration (% vol)
30
Al2O3 17µm - fournisseur B
profondeur SSD (µm)
25
20
15
pende de profondeur SSD = f
(concentration en abrasifs)
profondeur SSD (µm)
8
0,6
Al2O3 - fournisseur D
Al2O3 - fournisseur C
0,4
Al2O3 - fournisseur B
SiC - fournisseur B
0,2
B4C - fournisseur B
0
-0,2
-0,4
-0,6
-0,8
0
5
10
15
20
25
30
35
10
diamètre des grains abrasifs (µm)
p = - 0,27
5
0
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24 20 26
28
concentration (% vol)
40
profondeur SSD (µm)
Al2O3 29µm - fournisseur B
30
20
il existe un diamètre de grains abrasifs
pour lequel la profondeur des SSD est
indépendante de la concentration
le comportement est identique
pour tous les abrasifs
10
p = 0,74
0
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
concentration (% vol)
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14
La rugosité des surfaces (3/3)
• Polissage et finition : évaluation de la texture de surface
> étape finale  recherche de la conformité avec la spécification
> rugosité RMS
> densité spectrale de puissance (fréquences caractéristiques)
polissage à l'oxyde de cérium
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L'observation des défauts d'aspect (1/2)
• Polissage et finition : mise en évidence des défauts d'aspect
> une prise de vue sur fond noir avec éclairage par un anneau de LEDs met en
évidence tous les défauts de surface  densité de défauts
> un acidage léger va "ouvrir" les rayures et fractures et faciliter leur observation
pour un même oxyde de cérium, seule la pression appliquée diffère
P = 100 g.cm-²
P = 70 g.cm-²
P = 40 g.cm-²
comparaison de plusieurs oxydes de cérium, tous paramètres identiques
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16
L'observation des défauts d'aspect (2/2)
• Polissage et finition : dimensions des défauts d'aspect
> observation au microscope des défauts observés sur fond noir
x 50
x 50
 établir une "zoologie" des
défauts d'aspect
 corréler leur dimension aux
paramètres de surfaçage [9]
 relation largeur des rayures –
profondeur des SSD [7] ?
polissage à l'oxyde de cérium
> observation au microscope confocal  profondeur et défauts sous-surfaciques
l'acidage peut ici aussi faciliter l'observation des défauts d'aspect
50 µm
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Application : amélioration du procédé de doucissage
• Paramètres machine : la profondeur des SSD est minimisée quand
> la vitesse de rotation augmente
> la charge appliquée au composant augmente
> la concentration en abrasif diminue (Ø > 25µm) ou augmente (Ø < 25 µm)
• Produits de doucissage :
> les abrasifs de plus petit diamètre conduisent aux SSD les moins profondes
> dans chaque catégorie de diamètres étudiées (9, 15 et 30 µm), les alumines
génèrent des SSD moins profondes (mais leur MMR est moins important…)
25.2
Al2O3
25
20.9
20
21.5
20.9
19.5
Al2O3
18.6
17.7
16.2
profondeur SSD (µm)
Al2O3
15.0
14.4
15
12.4
11.5
10.3
10
7.8
11.9
9.8
8.6
7.8
6.2
5.4
5
3
-B
15
Al
µm
2O
3
15 - A
Al
µm
2O
3
-C
15
Al
µm
2O
3
-D
17
µm
Si
C
17 - B
µm
B4
C
-B
17
Al
µm
2O
3
-B
30
Al
2O
µm
3
30 - A
Al
µm
2O
3
-C
30
Al
µm
2O
3
-D
29
µm
Si
C
29 - B
µm
B4
C
-B
29
µm
-B
µm
-B
-D
9
µm
Al
2O
9
Si
C
B4
C
Si
C
9
µm
-B
-D
3
9
µm
-C
µm
3
9
Al
2O
-A
µm
Al
2O
3
9
µm
3
9
Al
2O
Al
2O
Al
2O
3
3
µm
-A
0
Ces travaux ont permis de :
proposer un nouveau produit de
doucissage pour la fabrication de
composants LMJ
fournir des données pour la
modélisation par éléments discrets
(cf présentation de D. André)
nature et diamètre des abrasifs
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Limites et perspectives
• Limites actuelles :
> énormément de données croisées à analyser…
> extrêmement difficile d'observer les SSD en polissage et finition :
 peu profondes
 peu nombreuses
> pas de mesure de l'épaisseur de la couche de slurry en polissage ou finition
> seules des tendances peuvent être transférées vers une gamme industrielle
 à adapter en fonction du domaine de fonctionnement des machines pour
la fabrication des grands composants
• Perspectives :
> mise en service du jig instrumenté
> travaux en cours de finalisation sur le polissage
> même étude à venir sur l'étape de finition
élaboration d'une gamme améliorée complète
CEA-Cesta
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Références
[1]
N. Bloembergen, Appl. Opt. v.12, p.661 (1973)
[2]
H. Bercegol et al, proc. of SPIE 6720 (2007)
[3]
J. Néauport et al, Appl. Opt. v.49 n°30 (2010)
[4]
F. Preston, J. Soc. Glass Technol. v.11, p.214 (1927)
[5]
F. Aleinikov, Sov. Phys. Tech. Phys. v.2, p.2529 (1957)
[6]
J. Néauport et al, Optics Express v.17, p.20448 (2009)
[7]
P. Miller et al, proc. of SPIE 5991, p.599101 (2005)
[8]
J. Lambropoulos, OFT 2000 technical digest, p. 17 (2000)
[9]
T. Suratwala et al, J. of Non Cryst. Sol. v.354, p.2023 (2008)
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