Micro-texturation de surface par un laser femtoseconde

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Énergie, matière et rayonnement
Type : Exercice | Année : 2015 | Académie : France métropolitaine
Corpus Corpus 1
Micro-texturation de surface par un laser femtoseconde

France métropolitaine • Juin 2015

pchT_1506_07_03C

Sujet complet

3

France métropolitaine • Juin 2015

Exercice 3 spécifique • 5 points


 

La micro-texturation de surface est une technologie qui permet d’optimiser la lubrification des pièces métalliques en contact, par exemple dans les moteurs employés dans les sports mécaniques (formule 1, moto grand prix, etc.). Cette microtexturation est réalisée sur des matériaux appelés DLC (Diamond Like Carbon) déposés en fines couches sur les pièces à lubrifier. Grâce à l’utilisation d’un laser à impulsions ultrabrèves, on crée à la surface des pièces mécaniques un réseau de motifs (cavités, rainures, etc.) ayant des dimensions de quelques dizaines de micromètres qui se comportent comme des microréservoirs d’huile (après lubrification).

D’après MAG’MAT, n&deg  31, juillet-décembre 2009

 Document1 Les lasers pulsés

À la différence d’un laser conventionnel qui produit un rayonnement continu, les lasers pulsés émettent des flashs lumineux très brefs qu’on appelle des impulsions. La durée τ et la cadence (fréquence) f de ces impulsions sont réglables. Un laser pulsé est dit « femtoseconde » si la durée τ est de l’ordre d’une à quelques centaines de femtosecondes. Contrairement aux lasers continus qui produisent un rayonnement monochromatique, les lasers pulsés émettent un rayonnement polychromatique dans une bande de fréquence de largeur Δν centrée sur une fréquence ν0 (voir schéma). Les énergies des impulsions femtosecondes peuvent paraître faibles (de l’ordre du mJ à f= 1 kHz) mais leur brièveté fait que la puissance instantanée du laser durant une impulsion (puissance de crête) peut atteindre plusieurs gigawatts dans le domaine industriel.

 

Laser continu

Laser pulsé de période de répétition T

Évolution de la puissance au cours du temps

Spectre en fréquence

 
 Document2 Caractéristiques techniques d’un « laser femtoseconde » infrarouge
 

Fréquence centrale du rayonnement émis

ν0 = 375 THz

Largeur de la bande de fréquence d’émission

Δν  = 100 THz

Cadence (fréquence) des impulsions

f = 1,0 kHz

Durée d’une impulsion

τ  = 150 fs

Puissance de crête atteinte durant une impulsion

Pcrête = 1,0 GW

Diamètre de la section circulaire du faisceau

D = 98 μm

 
 Document3 Cavité de diamètre D et de profondeur p dans une couche de DLC

Lorsqu’on dirige un faisceau laser pulsé femtoseconde vers une surface recouverte de DLC, chaque impulsion laser apporte suffisamment d’énergie pour graver (creuser) une cavité cylindrique dans la couche de DLC. On admet que le diamètre de la cavité gravée correspond au diamètre D du faisceau laser utilisé.

On a tracé ci-dessous la courbe donnant le taux d’ablation du DLC par impulsion, c’est-à-dire la profondeur de la cavité gravée par une seule impulsion laser, en fonction de la fluence F du laser utilisé. La fluence est obtenue en divisant l’énergie d’une impulsion laser (en J) par la surface circulaire gravée (en cm2).


 

On admettra, comme le montrent les schémas ci-dessous, que la profondeur totale p de la cavité gravée est proportionnelle au nombre d’impulsions reçues et donc à la durée Δt de la gravure.


 

Données

  • Gamme de longueurs d’onde correspondant aux radiations visibles « rouges » : [620 nm - 780 nm].
  • Préfixes utilisés dans le système international d’unités :
 

Préfixe

tera

femto

Abréviation

T

f

Puissance de 10

1012

10&ndash 15

 
  • La valeur de la célérité de la lumière dans le vide (ou dans l’air) doit être connue par le candidat.
  • Constante de Planck : h= 6,63 &times 10&ndash 34 J &middot  s.

1. Domaine d’Émission du laser femtoseconde

1 Le laser femtoseconde présenté est dit « infrarouge ». Justifier. (0,5 point)

2 Ce laser apparaît rouge à l’observateur. Justifier. (0,75 point)

2. Caractéristiques d’une impulsion du laser femtoseconde

1 Montrer que l’énergie transportée par une seule impulsion du laser précédent est égale à 0,15 mJ. (0,5 point)

2 Évaluer le nombre de photons produits par le laser durant une seule impulsion. (0,75 point)

3. Gravure par le laser femtoseconde

On utilise le laser femtoseconde pour graver une cavité dans une couche de DLC.

Déterminer la fluence du laser étudié, puis la durée Δt nécessaire à la gravure d’une cavité circulaire cylindrique de 98 μm de diamètre et de 6 &micro m de profondeur. (2,5 points)

Le candidat est invité à prendre des initiatives et à présenter la démarche suivie même si elle n’a pas abouti. La démarche suivie est évaluée et nécessite donc d’être correctement présentée.

Les clés du sujet

Notions et compétences en jeu

Ondes et particules • Transfert d’énergie.

Conseils du correcteur

Partie 2

1 Calculez la longueur de l’émission centrale du laser. On vient de montrer qu’il s’agissait d’infrarouge, donc il faut rechercher une subtilité dans l’émission de ce rayonnement… Utilisez la largeur spectrale Δν donnée dans les caractéristiques techniques pour recalculer la longueur d’onde minimale du laser.

2 Utilisez la formule E=hν pour trouver l’énergie d’un photon puis utilisez le résultat de la question 1.

Partie 3

Calculez la surface du faisceau laser (πR2 pour un disque). Prenez la définition de la fluence donnée par l’énoncé. Utilisez le graphique pour trouver le taux d’ablation par impulsion. Il s’agit de la profondeur creusée par chaque impulsion du laser lors de la gravure. Calculez alors le nombre d’impulsions qu’il faut pour creuser 6 &micro m. Enfin calculez le temps qu’il faut pour émettre toutes ces impulsions d’après sa cadence de « tir ».