Ainsi naît l'optique du futur – du verre au système

»Le fait que nous puissions représenter toutes ces étapes en interne est un grand avantage pour nos partenaires. Ils ne reçoivent pas seulement des étapes de processus individuelles, mais une solution complète et intégrée«, explique le Dr. Edgar Willenborg. © Fraunhofer ILT, Aachen

Une nouvelle génération de composants optiques est en cours de développement au Fraunhofer ILT – fabriquée plus rapidement, façonnée avec précision et parfaitement adaptée à l'application. © Fraunhofer ILT, Aachen

De la conception à la finition en passant par l'assemblage, de l'ébauche au contrôle final : la nouvelle chaîne de processus laser pour les optiques au Fraunhofer ILT à Aachen. © Fraunhofer ILT, Aachen

De la conception à la finition en passant par l'assemblage, du brouillon à l'inspection finale : la nouvelle chaîne de processus laser pour l'optique au Fraunhofer ILT à Aachen. © Fraunhofer ILT, Aachen, Allemagne

Que ce soit dans la technologie médicale, la technologie quantique ou la fabrication de semi-conducteurs – les systèmes optiques sont indispensables dans de nombreuses applications de haute technologie. Pour que les lentilles, miroirs ou autres composants répondent aux exigences les plus strictes, il faut des procédés de fabrication alliant précision, efficacité et flexibilité. Au sein de l'institut Fraunhofer pour la technologie laser ILT, des solutions sur mesure sont développées à cet effet, composées de quelques étapes individuelles très efficaces et extrêmement productives. Avec la fabrication optique basée sur le laser, il est possible de produire des pièces de forme précise et fonctionnelles avec une faible rugosité – du prototype à la série, de l'array de microlentilles à l'optique macro, de la sphère à l'optique en forme libre.

Au Fraunhofer ILT à Aix-la-Chapelle, les lasers ne sont pas simplement utilisés pour couper ou souder – ils prennent en charge la fabrication complète des composants optiques. Avec la gravure laser sélective (SLE), il est par exemple possible de traiter des pièces telles que des lentilles en une seule mise en place, sur la face avant, la face arrière et sur le bord.

Une autre méthode est l'ablation laser. Un faisceau laser précis enlève ciblé du matériau. Ainsi, à partir de simples blocs de verre sphériques ou d'autres matières premières économiques, des formes hautement complexes – comme des asphères ou des optiques en forme libre, utilisées par exemple dans des appareils photo ou des capteurs – peuvent être créées.

»Grâce à nos procédés laser, nous mettons directement en forme les optiques – sans détour, sans repositionnement, rapidement et à moindre coût«, explique le Dr Edgar Willenborg, qui a largement contribué à la mise en place du domaine de la fabrication optique au sein du Fraunhofer ILT. »Surtout lorsque ce n’est pas seulement des sphères simples qui sont requises, nous atteignons une efficacité maximale.«

Après la mise en forme, la finition suit : le laser polie les surfaces encore rugueuses suite à une étape de traitement précédente. Le laser chauffe la surface de manière si fine que les plus petites irrégularités fusionnent – en quelques secondes, sans contact mécanique.

Pour des exigences particulièrement élevées en termes de précision de forme, Willenborg et son équipe recherchent la technique appelée Laser Beam Figuring (LBF). Elle consiste à enlever et corriger de manière ciblée les plus petites déviations de forme, en couches de nanomètres – soit un millionième de millimètre – ce qui est crucial notamment pour les optiques haute performance.

En plus de la mise en forme et du polissage, le Fraunhofer ILT développe également des procédés pour l’assemblage de systèmes optiques. Cela inclut le collage ou la soudure précise de composants, afin qu’ils restent stables sous charge et fonctionnent de manière fiable sur le long terme.

»Que ce soit des asphères, des formes libres ou des lentilles classiques : nous montrons que le traitement laser ne fonctionne pas seulement, mais qu’il a aussi un sens économique«, explique Christian Vedder, chef du département de technique de surface et d’enlèvement de matière.

Domaines d’application variés – de la recherche à la fabrication en série

La fabrication optique basée sur le laser au Fraunhofer ILT n’est pas seulement technologiquement passionnante – elle montre aussi dans la pratique ce qui est possible. Les procédés développés peuvent être utilisés partout où une précision moyenne, une haute efficacité et une automatisation sont requises, par exemple dans la technologie médicale, où de minuscules lentilles pour endoscopes ou appareils de diagnostic sont nécessaires, ou dans la technologie quantique, où des structures complexes en verre sont créées pour guider et manipuler la lumière. Ces composants optiques jouent également un rôle important dans l’industrie des semi-conducteurs – par exemple dans la fabrication de structures très fines sur des microprocesseurs.

Un autre avantage : les technologies peuvent être adaptées de manière flexible – en fonction du matériau, de la forme ou du volume de production. Qu’il s’agisse d’une pièce unique pour un laboratoire de recherche ou d’une série plus importante pour des applications industrielles – en combinant différents procédés laser, un ensemble de modules peut être constitué, permettant d’adapter précisément la fabrication à l’usage prévu.

À cela s’ajoutent des processus de soutien tels que le marquage laser et la gravure de composants optiques ou la découpe du verre, par exemple lors de la fabrication sur wafer. Tous les étapes de la chaîne de valeur peuvent ainsi être représentées – de l’idée initiale au produit fini.

»Nos technologies sont particulièrement demandées lorsque les procédés conventionnels atteignent leurs limites – par exemple pour les optiques asphériques et les géométries complexes en verre«, explique Edgar Willenborg.

Recherche et collaboration – repenser ensemble la fabrication optique

Les exigences en matière de composants optiques augmentent constamment – en précision, complexité et volume. Parallèlement, la demande pour des solutions flexibles et économiques, pouvant s’adapter rapidement à de nouvelles applications, croît également.

Dans une équipe interdisciplinaire, plus de 15 chercheurs développent en permanence de nouvelles approches pour rendre la fabrication laser d’éléments optiques encore plus précise, rapide et polyvalente. Il ne s’agit pas seulement de recherche fondamentale, mais surtout de transfert vers la fabrication industrielle.

Une part essentielle de ce travail consiste en une coopération étroite avec des partenaires industriels. En collaboration avec des entreprises de divers secteurs, les chercheurs testent de nouveaux procédés et chaînes de processus, adaptés et rendus exploitables pour la production. Souvent, cela mène à des solutions sur mesure pour des tâches concrètes.

À l’avenir, il ne s’agira pas seulement d’affiner des procédés existants, mais aussi d’explorer de nouveaux matériaux et designs. La combinaison d’un design optique numérique adapté à la fabrication et de méthodes de fabrication laser ouvre des perspectives totalement nouvelles. Des composants qui seraient très difficiles ou coûteux à produire avec des méthodes classiques – par exemple, des optiques particulièrement compactes ou intégrées pour appareils portables ou pour l’espace – pourront ainsi voir le jour.

De plus, l’intégration dans des processus de fabrication automatisés et la connexion avec des techniques de mesure modernes seront encore développées. Cela permettra d’améliorer encore la qualité et l’efficacité – dans une optique de production durable et tournée vers l’avenir.

»La combinaison du design numérique et de la fabrication laser ouvrira encore beaucoup de possibilités à l’avenir – notamment pour des produits personnalisés«, affirme Edgar Willenborg. Les chercheurs d’Aix-la-Chapelle visent bientôt à atteindre les exigences les plus strictes en matière de précision avec la chaîne de processus pour la fabrication laser d’optique. Le laser sera l’outil idéal pour cela.