IPG Photonics Corporation
La lumière laser peut être utilisée dans différents secteurs, depuis le divertissement, les efforts scientifiques et la chirurgie jusqu'à la fabrication industrielle avancée et lourde.

Lasers à fibre 101

Qu'est-ce qu'un laser ?

"Laser" est l'acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement). Plus simplement, un laser convertit l'énergie en lumière, qui est ensuite amplifiée par l'optique, avant d'être focalisée en un faisceau à haute énergie. La lumière laser diffère de la lumière normale en ce sens qu'elle peut être collimatée, ou rendue moins sujette à la dispersion, puis focalisée pour augmenter considérablement sa densité d'énergie. Il existe de nombreux types de lasers et les utilisations de la lumière laser vont du divertissement, des efforts scientifiques et de la chirurgie à la fabrication industrielle avancée et lourde.

Tous les lasers partagent un ensemble de composants de base. Les lasers commencent par un milieu à gain qui est utilisé pour amplifier la puissance de la lumière - les milieux à gain des lasers comprennent les gaz, les colorants, les diodes, les cristaux et les fibres optiques. Une source d'énergie, qu'il s'agisse d'un courant électrique ou d'une source de lumière, est ensuite utilisée pour pomper le milieu à gain. Une fois que l'énergie nécessaire est générée, des matériaux réfléchissants, appelés réflecteurs partiels et totaux, contrôlent la sortie du laser, qui est ensuite ajustée et focalisée en fonction de l'application concernée.

Paramètres du laser

 

Tableau des longueurs d'onde des lasers

 

Longueur d'onde du laser

Mesurée en nanomètres (nm) ou en microns (µm), la longueur d'onde d'un laser est la distance entre les crêtes successives de l'onde lumineuse. Les longueurs d'onde des lasers s'étendent généralement de l'ultraviolet profond à l'infrarouge moyen (IR) et sont visibles par l'œil humain dans la plage de ~400 à ~700 nm.  

La longueur d'onde est une considération essentielle pour de nombreuses applications, car les matériaux diffèrent souvent considérablement dans leur façon d'absorber l'énergie de la lumière. Les matériaux absorbent une partie de l'énergie d'un faisceau laser et réfléchissent le reste - l'équilibre entre les deux peut nécessiter l'utilisation d'une longueur d'onde laser différente. La longueur d'onde est également d'une importance cruciale pour les applications avancées et scientifiques, notamment la microscopie, le piégeage optique et les ultrasons.

Les longueurs d'onde proches de l'IR d'environ 1000 nm sont utilisées comme point de départ, en particulier pour le traitement des métaux. En effet, les lasers proches de l'IR offrent des puissances plus élevées, sont moins complexes et souvent plus rentables. La plupart des métaux absorbent efficacement la lumière dans le proche IR ou dans le visible. Même les métaux à forte réflectivité IR, tels que l'aluminium et le cuivre, sont principalement traités par des lasers proche IR qui surmontent la réflexion du matériau avec des densités de puissance plus élevées.

Divers polymères, céramiques, verres et autres non-métaux sont souvent traités par des lasers dont les longueurs d'onde vont de l'infrarouge moyen à l'ultraviolet profond. Les polymères clairs et le verre sont en fait transparents ou presque transparents à la lumière infrarouge proche, laissant passer la majorité de la lumière infrarouge proche sans être absorbée. Par conséquent, les matériaux qui absorbent facilement la lumière proche infrarouge peuvent être traités à travers une couche de polymère ou de verre.

 

Puissance du laser

Également appelée puissance moyenne, la puissance du laser est mesurée en watts (W). La puissance moyenne d'un laser représente la quantité d'énergie délivrée au matériau cible sur une période donnée. Les exigences en matière de puissance laser varient de plusieurs ordres de grandeur selon les applications. De nombreuses applications de détection, de traitement des données, de télécommunications, médicales ou scientifiques utilisent des puissances allant de quelques milliwatts à des dizaines de watts. Les applications autres que le traitement des métaux nécessitent généralement une puissance moyenne de quelques watts à quelques centaines de watts. Les applications de fabrication de métaux exigent des puissances allant de centaines de watts, dans le cas de certaines applications de microprocesseurs, à des dizaines de kilowatts ou plus, dans le cas d'applications de découpe et de soudage de métaux épais.

 

Tableau des puissances de crête pour différents modes de fonctionnement du laser.

 

Mode de fonctionnement du laser

Les lasers peuvent émettre un faisceau continu de lumière pour fournir un flux régulier de puissance moyenne - ce mode est appelé onde continue (CW) et constitue le mode de fonctionnement le plus courant des lasers. Les lasers peuvent également être utilisés en mode pulsé. Les lasers pulsés sont caractérisés par des impulsions par seconde (taux de répétition), l'énergie totale de l'impulsion laser (énergie de l'impulsion), la puissance la plus élevée atteinte par l'impulsion (puissance de crête) et la longueur de chaque impulsion (durée de l'impulsion).

Comme pour les lasers à ondes entretenues, la puissance du laser pulsé est représentée par la puissance moyenne. Les lasers pulsés, même lorsque leur puissance moyenne correspond à celle d'un laser à ondes entretenues, affectent différemment le matériau ciblé. Les lasers pulsés sont souvent utilisés pour traiter des pièces tout en minimisant l'impact thermique sur le matériau environnant ou lorsqu'une puissance de crête plus élevée est nécessaire. Les lasers à ondes quasi-continues (QCW) à impulsions longues utilisent des impulsions mesurées en millisecondes avec des puissances de crête élevées pour émuler le traitement par laser à ondes entretenues avec un apport de chaleur moindre et un laser de plus faible puissance. Les lasers nanoseconde et ultrarapides (picoseconde/femtoseconde) tirent parti d'impulsions extrêmement courtes pour des applications de microprocesseurs où un apport thermique excessif n'est pas acceptable ou lorsque des puissances de crête extrêmement élevées sont nécessaires.

D'une manière générale, les lasers à ondes entretenues offrent les puissances moyennes les plus élevées et, par conséquent, les vitesses de traitement les plus rapides. Il y a de nombreuses considérations à prendre en compte lors du choix entre un laser à ondes entretenues et un laser pulsé, mais l'équilibre entre le débit et la qualité des pièces est souvent le plus important. De nombreuses applications, telles que la découpe de tôles, bénéficient d'un laser CW de forte puissance pour augmenter considérablement les vitesses de découpe et n'ont pas besoin d'une qualité d'arête irréprochable. En revanche, lors de la découpe de piles de feuilles ultrafines, des lasers pulsés nanosecondes et ultrarapides sont généralement utilisés pour garantir une excellente qualité des bords et réduire ou éliminer les effets négatifs de la chaleur.

 

Exemple de profils de faisceau laser multimode et monomode.

À gauche : un profil de faisceau multimode avec une taille de spot plus importante. À droite : un profil de faisceau monomode avec une taille de spot plus petite.

 

Taille du spot laser et qualité du faisceau

Lorsqu'un faisceau laser entre en contact avec le matériau cible, il forme une zone de lumière laser appelée spot. La taille du spot, généralement mesurée en µm, est un facteur essentiel pour déterminer la manière dont un laser interagit avec sa cible. La taille du spot peut être contrôlée de différentes manières, notamment en utilisant différentes fibres de sortie et lentilles de focalisation, en modifiant la distance entre la sortie du faisceau et la cible, et en utilisant des longueurs d'onde plus longues ou plus courtes.

La réduction de la taille du spot permet d'utiliser plus efficacement la puissance du laser en concentrant l'énergie du faisceau dans une zone plus petite. Une densité d'énergie plus élevée permet d'augmenter les vitesses de traitement en réduisant le temps nécessaire au faisceau laser pour percer le matériau. Les petites tailles de spot sont également essentielles pour une variété d'applications de microprocesseurs et pour les pièces qui requièrent des caractéristiques fines. Pour de nombreuses applications telles que le soudage structurel, l'augmentation de la taille du spot est optimale pour traiter une zone plus large et réduire la course nécessaire du faisceau.

Beam quality, typically measured in M2 for single-mode lasers (typical spot size: 20 to 50 µm) and Beam Parameter Product (BPP) for multi-mode lasers (typical spot size: 100+ µm), is an important and complex laser parameter that, in practice, represents how much a laser beam can be focused. Lower M2 and BPP values correspond with higher beam qualities. A beam quality of M2 = 1 means that the beam experiences no divergence and is considered perfect. Although this is not quite achievable with actual devices, industrial fiber lasers can reliably achieve beam qualities of M2 =< 1.1. For applications that require strongly focused beams like cutting, drilling, and welding, higher beam qualities improve processing speeds and qualities. Some applications, like wide area laser heat treatment and cleaning, do not require particularly high beam qualities, instead benefitting from less focused laser energy.

Qu'est-ce qu'un laser à fibre ?

Les lasers à fibre guident la lumière à travers un câble de fibre optique en verre de silice, qui sert de support de gain, et sont pompés par un courant électrique. Cette méthode de diffusion, associée à une conversion efficace de l'électricité en lumière, fait des lasers à fibre une solution beaucoup plus pratique dans de nombreux cas que les lasers traditionnels tels que les lasers àCO2 ou les technologies alternatives telles que les lasers à disque. Dépourvue d'optique complexe, de besoins d'entretien fréquents ou de consommables, la technologie des lasers à fibre est nettement plus facile à intégrer et a eu un impact révolutionnaire sur la fabrication à base de laser, les applications médicales et les travaux scientifiques.

Tableau de comparaison des caractéristiques entre les lasers à fibre et les autres lasers.

Les propriétés uniques de la fibre optique en font un support de gain actif et un matériau de résonateur laser idéal. Flexible, facile à manipuler et capable de supporter une variété de longueurs, l'énorme rapport surface/volume de la fibre facilite l'évacuation de la chaleur et permet d'éviter l'effet de lentille thermique. Des fibres de différents types, compositions et diamètres de cœur peuvent être épissées pour construire des systèmes optiques complexes combinant les sources de pompage, l'amplification optique et la fibre d'acheminement du faisceau sans qu'il soit nécessaire de recourir à l'optique en espace libre et à ses risques inhérents de contamination, d'endommagement et de désalignement.

Technologie des lasers à fibre IPG

Notre plate-forme technologique unique permet aux lasers IPG d'avoir des puissances de sortie plus élevées et une qualité de faisceau supérieure à un coût inférieur à celui de toute autre technologie laser concurrente. Nos conceptions exclusives sont basées sur des techniques de pompage innovantes et des composants de haute performance perfectionnés par IPG au cours de décennies d'investissements et d'innovations intenses. Les pierres angulaires de la technologie des lasers à fibre de l'IPG sont notre technique de pompage latéral de la gaine et l'architecture de pompage par diode à émetteur unique distribuée

 

Technologie de pompage à diode

 

La technique de pompage latéral de la gaine et l'architecture de pompage par diode à émetteur unique distribuée sont les pierres angulaires de la technologie des lasers à fibre de l'IPG.

 

La meilleure technologie de pompe à diode de sa catégorie tire parti de notre vaste expérience de l'industrie des télécommunications et de nos investissements technologiques. Nos diodes à émetteur unique sont fabriquées à l'aide d'une technologie et de processus éprouvés dans le domaine des télécommunications, et chaque plaquette est qualifiée selon les normes rigoureuses de l'industrie des télécommunications, ce qui distingue IPG des autres produits de pompage industriel utilisant des barres de diodes à courte durée de vie et des technologies d'empilement de barres. Par conséquent, les diodes à émetteur unique d'IPG offrent une luminosité de pompage supérieure d'un ordre de grandeur et un rendement énergétique jusqu'à deux fois supérieur à celui des pompes à barrettes. Les pompes à émetteur unique peuvent utiliser un simple refroidissement à l'eau ou même à l'air forcé, contrairement aux bar-stacks qui nécessitent des refroidisseurs à micro-canaux coûteux, peu fiables et complexes utilisant de l'eau déionisée à haute pression.

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Technologie de pompage latéral

 

Schéma illustrant la technique de pompage latéral mise au point par les docteurs Valentin Gapontsev et Igor Samartsev.

 

Les lasers à fibre doivent coupler et collecter la lumière des diodes laser afin de créer une sortie laser collimatée. La sortie des diodes IPG à émetteur unique est collectée dans des fibres dont le diamètre du cœur ne dépasse pas 100 microns. Grâce à la technique de pompage latéral mise au point par les docteurs Valentin Gapontsev et Igor Samartsev, la lumière provenant de nombreuses diodes de pompage est efficacement couplée à la gaine d'une fibre à gain actif. La lumière de la pompe subit de multiples réflexions dans la gaine tout en croisant fréquemment le cœur monomode où la lumière est absorbée et réémise par des ions de terres rares. Ce mécanisme élégant convertit la lumière de la diode en lumière laser à fibre avec une efficacité exceptionnelle.

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D'une puissance allant du milliwatt à plus de cent kilowatts, de l'UV à l'IR moyen, et de l'onde continue aux impulsions femtosecondes, les lasers de l'IPG sont alimentés par une technologie de pointe pour optimiser les résultats dans une grande variété d'applications, y compris le traitement des matériaux, les opérations médicales et les efforts scientifiques.

Découvrez comment la plus large gamme de lasers à fibre et de capacités laser à fibre peut maximiser la productivité et rendre plus possible.

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