Lasers à fibre – Principes de fonctionnement, applications et plus

Principe de fonctionnement du laser à fibre

Les lasers existent depuis longtemps mais leur utilisation dans des applications commerciales est assez récente. Il a fallu un certain temps aux ingénieurs pour renforcer les capacités laser à un point où ils pouvaient rivaliser avec les méthodes de fabrication traditionnelles en termes de coût, de temps et de facilité d’utilisation.

La technologie laser à fibre, par exemple, a été développée pour la première fois dans les années 60. À l’époque, cette technologie était encore dans sa phase naissante. Ce n’est que dans les années 1990 qu’il est devenu apte à un usage commercial. Depuis lors, la technologie a parcouru un long chemin en termes d’applications et d’efficacité. Dans les années 60, il était possible de générer uniquement quelques dizaines de milliwatts, nous avons aujourd’hui des lasers à fibre qui peuvent générer plus de 1000 watts avec des propriétés finales fiables.

Dans cet article, nous expliquerons comment fonctionne un laser à fibre, où il est utilisé et pourquoi c’est souvent le choix optimal par rapport aux alternatives. Mais d’abord, comprenons ce que c’est.

Qu’est-ce qu’un laser à fibre ?

Les lasers à fibre sont un type de lasers à semi-conducteurs qui utilisent des fibres optiques comme milieu de gain actif. Dans ces lasers, une fibre en verre de silicate ou de phosphate absorbe la lumière brute des diodes laser de pompe et la transforme en un faisceau laser d’une longueur d’onde spécifique.

Pour cela, la fibre optique est dopée. Le dopage fait référence à la pratique consistant à mélanger un élément de terre rare dans la fibre. En utilisant différents éléments dopants, des faisceaux laser peuvent être créés avec une large gamme de longueurs d’onde.

Certains éléments dopants courants dans leur ordre croissant de longueurs d’onde émises sont le néodyme (780-1100nm), l’ytterbium (1000-1100nm), le praséodyme (1300nm), l’erbium (1460-1640nm), le thulium (1900-250nm), l’holmium (2025-2200nm ), et dysprosium (2600-3400nm).

En raison d’une telle gamme de longueurs d’onde produites, les lasers à fibre sont parfaits pour une variété d’applications telles que la découpe au laser, la texturation, le nettoyage, la gravure, le perçage, le marquage et le soudage. Cela permet également aux lasers à fibre de trouver une utilisation dans de nombreux secteurs différents tels que la médecine, la défense, les télécommunications, l’automobile, la spectroscopie, l’électricité, la fabrication et les transports.

Comment fonctionne un laser à fibre

Principe de fonctionnement du laser à fibre
Schéma de principe du laser à fibre

Un laser à fibre porte le nom de son milieu de gain actif qui est une fibre optique. Toute machine laser à fibre qui produit un laser haute puissance bien collimaté le fait en cinq étapes principales. Ceux-ci sont les suivants :

  • Création de lumière de pompe

  • Collecte et voyage dans la fibre optique

  • La lumière de la pompe traverse la fibre optique

  • Émission stimulée dans la cavité laser

  • Amplification de la lumière laser brute en un faisceau laser

Création de lumière de pompe

C’est là que l’énergie du faisceau laser entre dans le système. Dans les lasers à fibre, nous utilisons l’électricité comme source d’énergie. Les diodes appelées diodes laser de pompe convertissent l’énergie électrique en énergie lumineuse. Dans les diodes de haute qualité, la conversion est fiable et efficace et ne produit de l’énergie lumineuse qu’avec des longueurs d’onde spécifiques.

Incidemment, les diodes laser de mauvaise qualité ont été l’un des principaux obstacles qui ont entravé les progrès de la technologie laser pendant environ 3 décennies.

Dans la plupart des cas, cette lumière de pompe ou faisceau de pompe est produit en partie par plusieurs diodes laser et est ensuite couplé dans le câble à fibre optique. Par exemple, il existe des machines laser de 20 W qui combinent la lumière de pompage de 11 diodes laser dans le câble à fibre optique.

Collecte et voyage dans la fibre optique

Un coupleur combine la lumière de plusieurs diodes laser en une seule. Ce coupleur fait partie de la fibre optique. Il a plusieurs points d’entrée sur un côté, chacun se connectant à une fibre à partir d’une diode laser individuelle.

De l’autre côté, il y a un point de sortie unique qui se connecte à la fibre principale. Une fois que toute la lumière est collectée, elle se déplace vers le milieu laser ou le milieu de gain.

La lumière de la pompe traverse la fibre optique



Dans l’étape suivante, la lumière de la diode laser traverse la fibre optique vers le milieu laser. La fibre est composée de deux composants principaux : le cœur et la gaine. Le noyau est fait de verre de silice et fournit la voie pour la lumière. Ce noyau est recouvert d’un gainage. Lorsque la lumière atteint la gaine, la totalité de celle-ci est réfléchie vers le noyau.

Les lasers à fibre perdent invariablement de la puissance à cause de la chaleur, mais l’excellent rapport surface/volume facilite une dissipation efficace de la chaleur, ce qui entraîne très peu d’usure liée à la chaleur.

Lors d’un voyage ultérieur à travers la fibre optique, la lumière atteint finalement la partie dopée de la fibre. Cette partie est connue sous le nom de cavité laser.

Émission stimulée dans la cavité laser

Lorsque la lumière de la diode laser atteint la fibre dopée, elle frappe les atomes de l’élément terre rare et excite ses électrons à un niveau d’énergie plus élevé. A terme, cela conduit à une inversion de population nécessaire à la réalisation d’un laser standard.

L’inversion de population dans le laser fait référence à l’état d’un milieu de gain dans lequel un plus grand nombre d’électrons sont dans un état excité par rapport à ceux qui ne le sont pas. C’est ce qu’on appelle l’inversion de population car c’est l’opposé de l’état normal où seuls quelques atomes ont des électrons excités.

Lorsque certains de ces électrons tombent naturellement à des niveaux d’énergie inférieurs, ils n’émettent que des photons d’une longueur d’onde spécifique. Ces photons interagissent avec d’autres électrons excités, les stimulant pour émettre des photons similaires et se retirer à leurs niveaux d’énergie inférieurs initiaux. C’est le processus physique de « l’émission stimulée » qui fait partie de l’acronyme LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Les électrons qui retournent à leur état relaxé d’origine sont réexcités par la lumière entrante des diodes de pompe. Finalement, le processus atteint un équilibre entre les électrons excités et détendus, nous donnant un flux constant de lumière laser brute. Cette lumière doit être raffinée pour pouvoir être utilisée dans différentes applications.

Amplification de la lumière laser brute en un faisceau laser

Avant d’utiliser la lumière laser brute de la fibre dopée dans des applications, elle doit d’abord être renforcée. Dans les lasers à fibre, cela se fait en utilisant des réseaux de Bragg à fibre (FBG). Ces réseaux remplacent les miroirs diélectriques conventionnels en agissant comme des miroirs de réflectivité variable.

La lumière saute d’avant en arrière entre le réseau de Bragg. Une partie de la lumière laser traverse dans une direction tandis que la lumière restante est réfléchie dans la cavité laser. La partie qui traverse le réseau devient le faisceau laser. Ce faisceau est ensuite envoyé à travers un oscillateur (et parfois un combinateur) pour améliorer la cohérence, puis délivré en sortie.

Laser à fibre vs laser CO2

La principale différence entre ces deux processus est la source où le faisceau laser est créé. Comme expliqué précédemment, la source laser à fibre est un verre de silice mélangé à un élément de terre rare. D’autre part, la source laser CO2 est un mélange de gaz dont le CO2 est le composant principal.

Les lasers à fibre battent les lasers CO2 sur presque tous les fronts, à l’exception du coût d’investissement initial. Par exemple, les lasers CO2 ne peuvent pas couper de nombreux matériaux réfléchissants. Les lasers à fibre gèrent mieux un plus grand nombre de ces métaux réfléchissants tels que le cuivre, le laiton, l’aluminium et l’acier inoxydable. Un laser à fibre nécessite également moins d’énergie et offre une plus grande efficacité. Tout cela pour la moitié des coûts d’exploitation et cinq fois la vitesse de coupe d’un laser CO2 (lors de la coupe de métaux fins).

Bien que lors de la découpe de matériaux plus épais (au-dessus de 5 mm), les lasers CO2 soient généralement préférés, les progrès constants de la technologie laser à fibre élargissent les cas où cette technologie a l’avantage. Ainsi, actuellement, il est logique que votre fournisseur de services de découpe laser ait accès à ces deux types de machines pour s’adapter efficacement à différents projets.

Un laser à fibre offre également une meilleure qualité de faisceau, une plus grande fiabilité, une empreinte carbone réduite, un temps de démarrage plus rapide, une durée de vie plus longue et des capacités de traitement à distance. Il nécessite également moins d’entretien car il n’y a pas de miroirs ou de lentilles impliqués. L’alignement des miroirs sur les machines laser CO2 nécessite généralement une formation professionnelle ou spéciale de l’opérateur.

Il ne nécessite pas non plus de composé de marquage en céramique pour la gravure au laser comme le fait un laser CO2. Bien que les lasers à fibre nécessitent un investissement initial plus important que les lasers CO2, ils restent une solution plus rentable à long terme en raison du coût total de possession (TCO) inférieur.

Applications laser à fibre

En raison de la large gamme de puissances de sortie possibles, les lasers à fibre sont utilisés efficacement dans de nombreuses applications différentes. Certains d’entre eux sont :

Marquage au laser

Généralement, les lasers à fibre dopée à l’ytterbium avec une longueur d’onde d’émission de 1064 nm sont considérés comme parfaits pour les applications de marquage au laser. Ces lasers peuvent marquer le plastique et les métaux avec des marques permanentes à contraste élevé. Les équipementiers, ainsi que les fournisseurs, ont besoin de machines de marquage laser pour l’identification des pièces telles que les codes-barres, les logos ou d’autres textes.

Ces machines peuvent être manuelles ou automatisées et peuvent être personnalisées pour suivre des cycles de production courts. En plus du marquage, l’équipement laser à fibre peut être utilisé pour le recuit, la gravure et la gravure.

Nettoyage au laser

Les lasers à fibre peuvent nettoyer efficacement les surfaces métalliques de la peinture, de l’oxyde, de la rouille, etc. Ce processus est connu sous le nom de nettoyage au laser. Le processus peut être automatisé et personnalisé pour différents paramètres de la ligne de production.

La soudure au laser

Une autre application importante pour ces lasers est dans les services de soudage. Le soudage au laser à fibre est l’une des technologies à venir les plus prometteuses qui gagne rapidement des parts de marché en raison des divers avantages qu’offre le processus. Le soudage au laser offre des vitesses plus rapides, une plus grande précision, une déformation inférieure, une qualité et une efficacité supérieures par rapport aux méthodes traditionnelles.

Découpe au laser

La découpe au laser est l’un des domaines d’application du laser à fibre les plus étudiés. Il peut gérer des coupes complexes avec une qualité de bord impressionnante. Cela le rend optimal pour les pièces avec des tolérances étroites. Son adoption est de plus en plus répandue auprès des fabricants en raison de sa longue liste d’avantages. Voyons ce qu’ils sont dans la section suivante.

Avantages de la découpe laser à fibre

Comparé à d’autres types de laser, un laser à fibre présente plusieurs caractéristiques qui le rendent idéal pour une utilisation commerciale plus large. Nous avons divisé ces avantages en quatre catégories :

Avantages du processus

  • Plus grande stabilité

  • Haute efficacité

  • Superbe qualité de faisceau

  • Intégration facile

  • Processus sans contact

  • Des vitesses plus rapides (cependant, les lasers CO2 coupent plus rapidement en ligne droite)

  • Plus sûr car le faisceau est absorbé plus facilement, empêchant les dommages par réflexion

Avantages en termes de coûts

  • Plus rentable à long terme

  • Efficacité énergétique élevée (~75 %, le nombre pour les lasers CO2 est d’environ 20 %)

  • Gaspillage réduit

  • Consommation d’énergie réduite

  • Réduction de la redondance des opérateurs

  • Faible coût d’exploitation

Avantages de l’équipement

  • Évolutivité

  • Polyvalence à travers les industries

  • Plus compact avec un encombrement réduit

  • Longue durée de vie

  • Pas de réalignement périodique du miroir

  • Temps d’installation et d’arrêt réduits

  • Frais d’outillage éliminés

Avantages de la qualité des pièces

  • Moins de dommages causés par la chaleur aux détails

  • Diversité des matériaux

  • Meilleure qualité des bords

  • Moins de contraintes résiduelles

  • Contamination réduite des pièces