Des métaux colorés par impulsions laser

Au British Museum à Londres, on peut admirer la coupe de Lycurgue (du nom du personnage qu’elle représente). Confectionnée au quatrième siècle av. J.C par des verriers romains, cette coupe paraît verte éclairée de face et rouge éclairée par derrière.
Ce “dichroïsme ” est dû à la présence dans le verre de faibles proportions de nanoparticules d’or et d’argent qui donnent lieu à des phénomènes  plasmoniques de surface.

Lorsqu’une particule métallique est soumise à un champ électromagnétique dont la longueur d’onde λ est beaucoup plus grande que la taille des particules, tous les électrons libres du métal subissent le même champ et oscillent collectivement et en phase. Cette oscillation est appelée plasmon. Des nanoparticules métalliques  exposées à un rayonnement lumineux présentent des propriétés de diffusion dues aux plasmons excités. Ces propriétés dépendent  de la forme des particules, de leur taille, de leur nature et du milieu avec lequel elles sont en contact.

 

Fig. 1. Vues de la coupe de Lycurgue
A) Eclairée de face.
B) Eclairée par derrière.
Crédit Wikipedia Commons. British Museum. Johnbod.

 

La production de couleurs sur des métaux en utilisant des effets plasmoniques sur des nanostructures est d’un grand intérêt en raison de la durée exceptionnelle des couleurs (témoin la coupe de Lycurgue) et de la possibilité d’éviter encres, peintures ou pigments.

Des chercheurs de l’University of Ottawa et du National Research Counsil of Canada, Ottawa, Ontario, Canada ont mis au point une technique de colorisation des métaux par création à leur surface de nanostructures contrôlées. en utilisant des impulsions laser, ils ont obtenu une palette complète de teintes sur de l’argent, de l’or, du cuivre et de l’aluminium.

 

La technique de colorisation des métaux

Les scientifiques canadiens envoient sur des métaux des rafales d’impulsions laser d’une durée de 10 picosecondes  (1ps = 10-12 s ) séparées par des intervalles de temps égaux. Le laser émet dans le proche infrarouge  à une longueur d’onde de 1,064 µm. Le déplacement du faisceau laser est effectué par des miroirs asservis commandés par ordinateur. Ils permettent de faire suivre au faisceau laser toute image que l’on veut colorier.

En mode mono impulsion, le laser émet une impulsion tous les temps Tb. En mode rafale, il émet une série d’impulsions identiques séparées par des temps tib égaux. Cette salve est réémise tous les temps Tb.                                              A  chaque intervalle de temps tib correspondra un déplacement Ls  du faisceau laser sur la cible proportionnel à la vitesse de balayage du système de déplacement du faisceau.

Reproduit de Laser-induced plasmonic colours on metals,   Jean-Michel Guay, Antonino Cala` Lesina, Guillaume Côté, Martin Charron, Daniel Poitras, Lora Ramunno, Pierre Berini & Arnaud Weck

NATURE COMMUNICATIONS | 8:16095 | DOI: 10.1038/ncomms16095, Sup. Inf.

Ces impulsions créent des nanoparticules à la surface des métaux. En contrôlant les rafales d’impulsions laser, on arrive à colorer précisément des surfaces métalliques non polies ou encore munies de reliefs d’épaisseur de l’ordre du centimètre. La couleur est indépendante de l’angle d’observation. La figure 2 donne une idée des colorations obtenues.

Fig.2. Coloration au laser de grandes surfaces avec des reliefs variés
a) Photographie d’une pièce d’argent colorée au laser représentant un aigle.
b) Photographie d’une pièce d’argent dépolie gravée d’un papillon avant coloration laser.
c) Photographie de la pièce de b) après coloration laser. Les reliefs de cette pièce ont une épaisseur de 5 mm.
d) Image microscopique de régions de c)ayant des variations de hauteur des reliefs atteignant 2mm et une rugosité d’environ 1 à 2 µm.
e) Photographie d’une médaille d’argent (d’un diamètre de 21 cm, d’une épaisseur de 2,5 cm et d’un poids de 5 kilogrammes) colorée au laser.
f) Vue rapprochée de e). On y distingue des reliefs d’environ 5 mm de profondeur des yeux noirs et blancs.
g) Coloration laser d’une autre médaille de 5 kg avec des variations d’épaisseur du relief d’environ 1 cm.
h) Agrandissement de g) près du nez et des sourcils, parties les plus hautes de la médaille.
i) Couleurs lasers crées à la surface d’une pièce d’or. Ces couleurs sont indépendantes de l’angle d’observation.
Reproduit de Laser-induced plasmonic colours on metals
Jean-Michel Guay, Antonino Cala` Lesina, Guillaume Côté, Martin Charron, Daniel Poitras, Lora Ramunno, Pierre Berini & Arnaud Weck
NATURE COMMUNICATIONS | 8:16095 | DOI: 10.1038/ncomms16095

 

Cette colorisation a été obtenue en utilisant un logiciel d’alignement de l’image.

 

La démonstration de la nouvelle technique a été faite principalement sur l’argent mais elle fonctionne aussi bien sur l’or comme en témoigne la palette de couleurs de la fig. 2 i).

Pour le cuivre et l’aluminium, on obtient aussi des palettes de couleurs représentées sur la Fig.3. ci-dessous.

Fig.3. Palettes de couleurs obtenues sur :
a) Cuivre.
b) Aluminium.
Les différentes couleurs ont été obtenues par variation de l’espacement Ls.
Reproduit de Laser-induced plasmonic colours on metals
Jean-Michel Guay, Antonino Cala Lesina, Guillaume Côté, Martin Charron, Daniel Poitras, Lora Ramunno, Pierre Berini & Arnaud Weck
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La gamme de couleurs sur l’argent

L’exposition d’argent pur à des impulsions laser de paramètres différents permet d’obtenir une gamme très complète de couleurs. Les scientifiques, en faisant varier de nombreux paramètres, ont montré que la couleur d’un élément donné ne dépendait finalement que de l’énergie totale par unité de surface qu’il a reçue que l’on appelle la fluence totale accumulée. Ceci reste vrai pour d’autres métaux

Sur la Fig.3. ci-dessous, on peut voir des palettes de couleurs obtenues sur de l’argent.

Fig. 4. Palettes de couleur obtenues sur Ag
Carrés colorés de 25 mm2 de surface avec a) des impulsions simples,
b), c) des rafales d’impulsions
a) On obtient les différentes couleurs en changeant par sauts de 0,5 µm l’espacement Ls indiqué au-dessus de chaque carré. La fluence (énergie par unité de surface) du laser est de 1,29 Joule/cm2. La vitesse d’inscription du faisceau est de 100 mm/s
b) Palette de couleurs obtenue avec des rafales contenant 5 impulsions laser par variation de la vitesse d’inscription à partir de 40 mm/s par incréments de 5 mm/s comme il est indiqué au-dessus de chaque carré. La fluence du laser est de 5,61 J/cm2, Ls est fixe et vaut 7µm.
c) Palette de couleurs obtenue en faisant varier l’angle d’attaque du laser pour 5 valeurs de Ls indiquées sur chaque ligne.
Colonne A : 2 passes à 270°, colonne B : 1 passe à 270° + 1 passe à 234°, colonne C : 1  passe à 270° + 1 passe à 191°, colonne D : 1 passe à 270° + 1 passe à 162° et colonne E : 1 passe à 270° + 1 passe à 126°. La vitesse d’inscription est de 150 mm/s.
Toutes ces variations ne reviennent qu’à moduler la fluence totale accumulée reçue par chaque carré,  celle-ci détermine sa couleur.
Reproduit de Laser-induced plasmonic colours on metals
Jean-Michel Guay, Antonino Cala Lesina, Guillaume Côté, Martin Charron, Daniel Poitras, Lora Ramunno, Pierre Berini & Arnaud Weck
NATURE COMMUNICATIONS | 8:16095 | DOI: 10.1038/ncomms16095

Un grand nombre de paramètres du laser peuvent être utilisés pour obtenir une  teinte donnée, tant que la fluence totale accumulée reçue reste fixée. On remarque que les couleurs obtenues par rafale sont de meilleure qualité que celles obtenues par  impulsions simples. On établit une correspondance entre la teinte et la fluence totale accumulée, ceci constitue une courbe maîtresse utile pour créer des programmes de colorisation.

 

 

 

 

Ce procédé ouvre à la colorisation par laser des métaux une voie vers des applications industrielles comme la coloration d’éléments architecturaux, la décoration de bijoux et d’accessoires de mode et l’étiquetage anti contrefaçon.

 

 

 

 

Pour en savoir plus :
Laser-induced plasmonic colours on metals

Jean-Michel Guay, Antonino Cala` Lesina, Guillaume Côté, Martin Charron, Daniel Poitras, Lora Ramunno, Pierre Berini1 & Arnaud Weck

NATURE COMMUNICATIONS | 8:16095 | DOI: 10.1038/ncomms16095

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