Qu’est-ce qu’un laser à fibre ?
Les lasers à fibre sont une technologie avancée qui utilise une fibre optique comme support laser.
Ils utilisent donc une fibre optique dopée avec des éléments de terres rares comme support laser et sont capables d’osciller à une longueur d’onde fondamentale de 1030-1070 nm. Les lasers à fibre sont disponibles en deux types d’oscillation : l’onde continue (CW, Continuous Waves) et l’onde pulsée. L’oscillation continue a un rendement élevé et est donc principalement utilisée dans les processus de soudage et de découpe, tandis que l’oscillation pulsée a un faible rendement et convient donc au marquage et à la microfabrication.
Les lasers à fibre se caractérisent par une plus grande efficacité, une plus grande compacité et une plus grande facilité d’entretien que les lasers conventionnels à l’état solide et à gaz. Ils présentent également l’avantage de transmettre l’énergie par l’intermédiaire d’une fibre optique, ce qui se traduit par une faible perte de lumière et une puissance de sortie élevée.
Utilisations des lasers à fibre
Les principales applications des lasers à fibre sont le soudage, la découpe, le marquage et la fusion. Les lasers à fibre permettent de traiter efficacement des matériaux très réfléchissants et difficiles à traiter, tels que l’aluminium, le cuivre et le laiton.
Les lasers à fibre ont une qualité de faisceau élevée et sont facilement focalisés par des lentilles, ce qui permet d’obtenir de petits diamètres de spot. Les lasers à fibre à oscillation pulsée conviennent également au marquage et peuvent être utilisés pour divers matériaux, notamment les métaux, les plastiques et les résines.
L’un des principaux attraits des lasers à fibre est qu’ils peuvent être utilisés pour une grande variété de méthodes de marquage, telles que l’impression sur pièces et l’impression de codes-barres. Plus précisément, plusieurs méthodes de marquage sont disponibles, notamment le perçage profond, le marquage noir, le marquage blanc et le décollement de la couche superficielle.
Principe des lasers à fibre
Les lasers sont constitués d’un résonateur, d’un support laser, d’une source d’excitation et d’un miroir de résonance, qui peuvent être classés en fonction du support laser. Il existe deux types de lasers : les lasers gazeux, qui utilisent un gaz comme support, et les lasers à l’état solide, qui utilisent des cristaux.
Les lasers à fibre utilisent une fibre optique comme support du laser. Le cœur de la fibre est une fibre à double enveloppe dopée avec des éléments de terre rare. La partie intérieure de la fibre est appelée première gaine et la partie extérieure deuxième gaine, et la lumière excitée par la diode laser (LD) est réfléchie à la limite entre ces deux gaines.
Lorsque la lumière d’excitation est réfléchie à plusieurs reprises, elle est absorbée par le cœur, où a lieu l’émission induite. Des miroirs de résonance sont placés aux deux extrémités de la fibre et une lumière suffisamment amplifiée est émise. La structure de l’oscillateur d’un laser à fibre diffère selon la méthode d’oscillation.
1. Onde continue (CW)
Dans les lasers à fibre à onde continue, la lumière provenant de la diode laser de pompe (diode-pumped laser) atteint le résonateur par l’intermédiaire d’un combineur de pompe. La caractéristique de ce type de laser est que des réseaux de Bragg en fibre (Fiber Bragg Grating) sont utilisés à la place des miroirs de résonance.
La lumière amplifiée est transmise par la fibre de sortie. Comme il n’y a pas de miroirs dans le résonateur, il n’est pas nécessaire de procéder à un réglage optique, ce qui réduit le temps et les coûts de maintenance.
2. Oscillation pulsée
Une structure de lasers à fibre à oscillation pulsée est le type MOPA (Master Oscillator Power Amplifier). Dans ce type, la lumière de départ LD est pulsée par un générateur d’impulsions et la lumière est amplifiée en deux étapes par un amplificateur à fibre optique.
Le type MOPA a la particularité de permettre le réglage de la largeur d’impulsion et de la fréquence de répétition, car elles sont contrôlées par le générateur d’impulsions.
Autres informations sur les lasers à fibre
1. Différences entre les lasers à fibre et les lasers à CO2
Les lasers à fibre ne nécessitent pas les mêmes coûts électriques pour la préparation et le refroidissement de la décharge que les lasers à CO2. Selon des estimations courantes, les lasers à CO2, par exemple, consomment plus de 20 KW d’électricité, même en mode veille. Avec un laser à fibre, cette consommation peut être réduite à moins de 5 KW et à environ 25% de moins.
Le gaz laser nécessaire pour les lasers à CO2 n’est pas nécessaire pour les lasers à fibre. De plus, le système optique d’un laser CO2 est complexe et les coûts de maintenance sont élevés après de nombreuses années d’utilisation. Le principe du laser à fibre, qui concentre la lumière sur une fibre, permet des temps de traitement laser plus courts grâce à son efficacité de conversion élevée.
Par rapport aux lasers à CO2, ils peuvent couper environ cinq fois plus vite. En revanche, les machines de traitement au laser à fibre restent onéreuses, nécessitant un coût d’investissement initial environ deux fois plus élevé. De plus, lors de la découpe de métaux épais, il est difficile d’obtenir une surface de coupe nette car la collecte de la lumière est trop bonne.
2. Soudage avec des lasers à fibre
Ces dernières années, les lasers à fibre ont suscité plus d’intérêt pour le soudage des métaux que les lasers à CO2 traditionnellement utilisés. La raison en est que l’efficacité lumineuse du laser est supérieure à celle des lasers à CO2, ce qui devrait permettre de réduire les coûts d’exploitation. Une autre raison est que la lumière peut être confinée et concentrée dans une fibre et que la puissance d’émission peut être augmentée, ce qui permet de souder des métaux dissemblables, des métaux épais, etc. en un temps relativement court.
Les lasers à fibre ont longtemps souffert des projections, c’est-à-dire des débris métalliques dispersés pendant le soudage, mais ce problème est désormais résolu grâce aux améliorations récentes de la technologie de traitement laser, qui ont conduit au développement d’une technologie permettant d’irradier des lasers de relativement faible puissance à proximité du faisceau focalisé.
3. Prix des lasers à fibre
Le prix des lasers à fibre se situe généralement dans la fourchette des milliers d’euros pour la source lumineuse elle-même. Toutefois, lorsqu’il s’agit d’équipements de traitement laser, il n’est pas rare que le prix atteigne plusieurs dizaines d’euros ou plus, en fonction notamment des spécifications.