École Doctorale Mathématiques, Sciences de l'Information et de l'Ingénieur THÈSE

N° d’ordre : 5474
École Doctorale Mathématiques, Sciences de
l'Information et de l'Ingénieur
ULP – INSA – ENGEES
THÈSE
présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Louis Pasteur – Strasbourg I
Discipline : Sciences pour l’Ingénieur
spécialité : Optique et Laser
par
Estelle Clauss ép. Neiss
Mise en forme de faisceaux de lasers de puissance dans le
proche infrarouge par éléments diffractifs
Soutenue publiquement le 19 octobre 2007
Membres du jury
Directeur de thèse : M. Joël Fontaine, Professeur, INSA de Strasbourg
Rapporteur interne : M. Charles Hirlimann, Directeur de Recherche, Univ. Strasbourg I
Rapporteur externe : M. Laurent Bigué, Professeur, Univ. Haute Alsace
Rapporteur externe : M. Christophe Gorecki, Directeur de Recherche, Univ. Franche-Comté
Examinateur : M. Manuel Flury, Maître de Conférences, Univ. Saint-Etienne
Examinateur : M. Loïc Mager, Chargé de Recherche, Univ. Strasbourg I
Laboratoire des Systèmes photoniques EA 3426

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Remerciements
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés au sein du Laboratoire des Systèmes
Photoniques sous la direction de M. Joël Fontaine. Je souhaite le remercier d'avoir accepté de
diriger cette thèse et rendu possible l'aboutissement de ces travaux de recherche. Je le
remercie pour la confiance qu'il m'a témoignée tout au long de ce projet.
Mes remerciements vont également aux membres du jury, M. Charles Hirlimann, M. Laurent
Bigué et M. Christophe Gorecki, qui ont accepté d'évaluer cette thèse.
M. Manuel Flury et M. Loïc Mager ont suivi plus particulièrement ce travail au quotidien.
Leur aide considérable dans leurs domaines de compétences respectifs m'a permis de mener à
bien ce projet. Je souhaite les remercier pour leur investissement, leur disponibilité et leur
soutien.
Nombreuses sont les personnes qui ont aussi répondu positivement à mes sollicitations et ont
ainsi participé à l'avancement du projet. Mes remerciements s'adressent à M. Philippe Gérard
du LSP pour ses conseils et son aide sur les technologies de fabrication des composants
diffractifs, M. Paul Montgomery de l'InESS pour la caractérisation des surfaces des
composants diffractifs réalisés, M. Jean-Luc Rehspringer de l'IPCMS pour ses conseils avisés
en chimie des procédés sol-gel, mes différents interlocuteurs à l'IREPA LASER au sujet des
problématiques liées aux lasers de puissance pour le traitement des matériaux, M. Eric
Fogarassy de l'InESS pour ses conseils concernant les lasers à fibre et pour avoir suivi avec
intérêt les travaux menés durant cette thèse.
Enfin, je tiens à exprimer ici un remerciement plus personnel à mes proches, famille et amis,
qui ont manifesté leur enthousiasme au sujet de mes activités de recherche, bien souvent
incompréhensibles mais suscitant tout de même de la curiosité, et leur soutien indéfectible
durant ces trois années de thèse.

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Résumé
Ce mémoire présente une étude sur la mise en forme spatiale d’un faisceau laser de forte
puissance dans le proche infrarouge par un élément optique diffractif. Une application en
marquage laser de codes d’identification bidimensionnels est proposée dans le cadre de cette
problématique. La faisabilité d’une telle application est examinée sous différents angles.
D’une part les sources laser à fibre peuvent actuellement proposer des faisceaux dont la
qualité à forte puissance est compatible avec l’utilisation d’un élément optique diffractif
(facteur M² proche de l’unité dans le proche infrarouge). L’étude des conditions de marquage
laser d’un matériau a conduit à la définition des paramètres du faisceau incident (puissance,
durée d’exposition) requis pour l’application proposée. D’autre part, le comportement
thermomécanique de l’élément optique diffractif exposé à de fortes puissances a été examiné.
Les déformations par expansion thermique ont été estimées et comparées aux tolérances de
fabrication du composant. Dans le cas de l’application visée, ces déformations s’avèrent
négligeables. Enfin, une méthode originale de micro-usinage laser dans l’ultraviolet d’un
matériau hybride organique-inorganique obtenu par procédé sol-gel est proposée et étudiée
pour la fabrication de l’élément optique diffractif à relief de surface. La méthode se révèle
particulièrement adaptée à la structuration de ce substrat. La fabrication d’un relief multi-
niveau a été démontrée. Le bilan de l’étude aboutit à des conclusions positives quant à la
faisabilité de l’application, notamment à l’utilisation sans détérioration d’un composant
diffractif soumis à de fortes puissances laser.
Titre en anglais
High power near infrared laser beam shaping with diffractive optics
Abstract
This doctoral thesis presents a study on the spatial beam shaping of a high power near infrared
laser by means of a diffractive optical element. An application in laser marking of two-
dimensional identification codes is proposed within the frame of this subject. The feasibility
of such an application is examined under various angles. On the one hand, fibre laser sources
can at present propose laser beams with quality at high power compatible with the use of a
diffractive optical element (M² factor close to unity in the near infrared). The study of the
laser marking conditions of a material has led to the definition of the incident beam
parameters (power, duration of exposure) required for the proposed application. On the other
hand, the thermo-mechanical behaviour of the diffractive optical element exposed to high
powers has been examined. The deformations due to thermal expansion have been estimated
and compared with the manufacturing tolerances of the component. In the case of the
proposed application, it turns out that these deformations remain negligible. Finally, an
original manufacturing method by UV laser micro-machining of an organic-inorganic hybrid
material obtained by sol-gel process is proposed and studied for the fabrication of the surface
relief diffractive optical element. The method seems particularly adapted to the structuring of
this substrate. The manufacturing of a multi-level surface relief has been demonstrated. The
study ends in positive conclusions concerning the feasibility of the application, notably for the
use without deterioration of a diffractive optical component subjected to high laser powers.

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Mots-clés
laser de puissance dans le proche infrarouge, élément optique diffractif, marquage laser,
comportement thermomécanique, micro-usinage laser dans l’ultraviolet, matériau sol-gel
hybride
Keywords
high power near infrared laser, diffractive optical element, laser marking, thermo-mechanical
behaviour, UV laser micro-machining, hybrid sol-gel material
Intitulé et adresse de l’unité de recherche
Laboratoire des Systèmes Photoniques (EA 3426)
ULP/ENSPS – INSA de Strasbourg
Boulevard Sébastien Brant - BP 10413
67412 Illkirch Cedex France