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(Fr) Le principe de fonctionnement des lasers

by | Jul 22, 2019 | Découpe Laser Co2

I ) Principe

Le laser produit une lumière presque monochromatique, c’est à dire que le rayonnement électromagnétique est pratiquement d’une seule longueur d’onde.

a ) Rappel sur ce qu’est la lumière, les ondes électromagnétiques :

Si vous ne savez pas que la lumière est une onde électromagnétique et que les couleurs sont des constructions de notre cerveau, je vous conseille de regarder la vidéo de la chaine youtube “sciences étonnantes” qui traite de ce sujet.
Egalement la vidéo de la chaine Youtube  Outside the Box https://www.youtube.com/watch?v=kzNJ4UjXdOA&t=18s

Le rayon laser en plus d’etre monochrome est cohérent
C’est à dire que toutes les ondes du rayonnment sont en phase.

Le faiseaux laser en plus d’etre monochrome et cohérent est également concentré, ce  qui permet de dégager une importante énergie au point de concentration.

 

b1 ) L’émission spontanée est celle que vous connaissez tous , c’est ce qui se passe avec une lampe d’éclairage, des électrons descendent d’un niveau d’énergie en créant des photons.

b2 ) L’émission stimulée

Le principe de l’émission stimulée (ou émission induite) est décrit dès 1916 par Albert Einstein.
Les applications industrielles du Laser démarrent en 1965 ( la première application consiste à percer un trou de 4,7mm de diamètre avec 2mm de profondeur dans du diamant, temps de découpe de 15min au lieu de 24h auparavant )

Un électron excité est “bousculé” par un photon , il va alors libérer un deuxième photon, puis redescendre dans l’état d’énergie inférieur , les deux photons seront exactement identiques , on parle donc “d’état identique

 

Le but ensuite va être d’amplifier l’émission stimulée.

Résumé en vidéo expliqué par la chaine youtube Kézako

Pour obtenir un effet d’amplification des photons, le miroir de sortie d’un laser est semi-réfléchissant, une partie des photons va être réinjectés dans le matériaux actif.

Et on obtient un processus comparable un peu à l’effet Larsen, qui se produit lorsqu’un amplificateur audio voit sa sortie (le haut-parleur) envoyer du son sur l’entrée (le micro).
Le moindre bruit capté par le micro est amplifié, émis par le haut-parleur, capté par le micro, ré-amplifié jusqu’à la saturation du système. Dans un laser, cette énergie maximale est limitée par la puissance de la source de pompage, et par le nombre d’atomes qui peuvent être simultanément excités.
Le principe de pompage a été découvert par le savant Français Alfred Kastler qui a reçu pour sa découverte le prix Nobel de physique en 1966.

Résumé en vidéo par la chaine Youtube Thomas Schwenke
ou la chaine Youtube Expériment Boy

II ) Les types de Laser

A ) Classification par milieu actif

Le milieux actif du laser peut être :
solide ( laser YAG, rubis, a semi-conducteur )
liquide ( colorants organiques dilués dans des solvants à base d’alcool )
gazeux ( laser hélium néon, laser CO2 )  pour les laser gazeux la source de pompage est électrique.

C’est le milieux actif qui détermine la longueur d’onde, donc la couleur si on est dans le spectre visible.

Il y a énormément de type de laser, nous aborderont par la suite que les lasers les plus connus utilisés dans vos appareils et la plupart des machines de découpe et gravure.

B ) Classification par type d’émission

Le rayonnement laser peut être émis sous forme d’impulsion ou de façon continue.

Dans le cas d’émission par impulsion, la durée des impulsions varie de quelques femtosecondes (10-15s)à quelques dizaines de millisecondes.

On dit qu’un laser émet de façon continue si la durée d’émission dépasse 0,25 seconde, ce qui correspond au temps du réflexe de
fermeture de la paupière (réflexe palpébral).

Une diode laser s’alimente un peu comme une LED.
Elle est donc évidemment polarisée et le courant qui circule dans la diode doit donc être maitrisé avec plus de précision qu’une simple diode électroluminescente.
Une brève pointe de courant ou une décharge électrique suffisent à endommager irrémédiablement une diode laser.

Source du dessin : http://www.journaldulaser.com/diode-laser-principe-fonctionnement/

C’est l’utilisation d’une lentille qui déterminera l’apparence et l’aspect de votre faisceau laser.
Une diode laser sans lentille émet un faisceau sur une large ouverture (20 à 60° d’angle).

Attention :
même sans lentille, une diode laser est dangereuse pour les yeux car l’image qui se forme sur la rétine est très concentrée.

Il y a beaucoup de diodes Laser de technologie différentes avec des longueurs d’onde différentes, nous allons voir ci-dessous seulement 2 types pouvant être utilisés dans les machines CNC et découpeuses laser

Diode laser de positionnement et réglage de 650nm

Ces diodes de très faible puissance et bon marché, peuvent s’alimenter en 5V
Dans une découpeuse Laser CO2 on peut trouver ce type de diode laser pour régler la position des miroirs.

Les puissances sont suffisantes pour graver, par contre pour découper on est limité à du balsa de très faible épaisseur.
On ne trouve pas sur le marché de diode laser supérieure à 17W.
Les systèmes de diode laser entre 10 et 15W coutent entre 250 et 300 Euro sur les sites Chinois
Un tube laser C02 de 40W plus alimentation permettant la découpe coute environ 150 Euro sur les sites Chinois
Ces diodes Laser sont donc adaptés pour la gravure.
Mais pour la découpe il est préférable de passer au Laser  C02 pour des raisons d’efficacités et aussi des raisons économiques.

 

1 ) Présentation

Le laser au dioxyde de carbone (laser au CO2) est un des plus anciens lasers à gaz développé par Kumar Patel dans les laboratoires Bell en 1964, il est encore très utilisé aujourd’hui notamment dans la découpe industrielle et le médical.

Les lasers C02 en mode continu ont une grande puissance et sont aisément disponibles.
Ils sont également très efficaces ; le rapport entre la puissance de pompage (puissance d’excitation) et la puissance de sortie atteint 20 %.  ( source wikipédia )

2 ) Mélange gazeux

Le milieu de ce type de laser n’est pas seulement du dioxyde de carbone mais il est aussi composé d’azote et d’hélium.
Chacun de ces composants jouant un rôle important dans le fonctionnement du laser.
Paradoxalement le C02 n’est pas majoritaire dans le mélange gazeux.
10 à 20% pour le C02
10 à 20% pour le diazote N2
Le reste pour l”hélium He c’est à dire 60 à 80%
La composition peut varier selon la puissance des tubes, une composition typique sera par exemple
77% He (Helium) 13.5% N2 (Diazote) et 9.5% CO2 (Dioxide de carbone)

Nous allons nous intéresser aux Lasers avec Tubes C02 scellés ( sealed tube ) c’est a dire que le gaz reste dans un tube étanche, il ne circule pas. Cela correspond a des tubes de puissance allant de 40W à 180W environ.

Pour des lasers industriels de beaucoup plus fortes puissances comme les lasers à flux traverse ou à flux axial rapide, le mélange gazeux circule dans le tube grace à des pompes et la composition du mélange peut varier selon le travail devant etre effectuer.
Ces système lasers peuvent aller jusqu’a des puissances de 1.5kw 2kw et peuvent etre utilisé pour la decoupe mais aussi le soudage.

3 ) Longueur d’onde

La longueur d’onde du Laser CO2 est de 10600 nm ou 10,6 micro mètre
Donc une longueur d’onde en infrarouge éloignée, le plastique polycarbonate bloque les infrarouges, il sera donc nécessaire de s’équiper en lunettes polycarbonate prévu pour les laser C02 lors des phases de réglage et maintenance de la machine.

Les lasers fibre font partie des lasers à solide. Ils produisent le faisceau laser au moyen de ce que l’on appelle un laser seed et l’amplifient dans des fibres de verre montées spécialement auxquelles de l’énergie est amenée via des diodes de pompage. Avec une longueur d’onde de 1,064 micromètres, les lasers à fibre produisent un diamètre de focale particulièrement petit, ce qui fait que leur intensité est jusqu’à 100 fois plus élevée que les lasers au CO₂ de même puissance moyenne délivrée.

Le laser fibre convient idéalement pour le marquage des métaux par recuit, pour les gravures sur métal et les marquages riches en contrastes des plastiques.
On peut également faire de la découpe avec des Lasers fibre
Les lasers à fibre sont en principe sans entretien et se distinguent par leur longue durée de vie d’au moins 25 000 heures de laser.

Plus d’information : https://www.bystronicusa.com/en/news/technical-articles/130204_CO2-vs-Fiber-Laser.php