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Comprendre les puissances laser

authorIcon By Catherine Veilleux on November 07, 2023 topicIcon Laser industriel

Lors de l’utilisation de lasers, il est essentiel de comprendre le concept de puissance laser. La puissance laser est l’un des paramètres les plus importants à prendre en compte lors du choix d’un laser, car elle joue un rôle dans la détermination de l’efficacité des processus laser.

Par exemple, lors d’un traitement des matériaux par laser, la puissance du laser impacte directement la vitesse de processus tels que la soudure laser, le nettoyage laser, la texturation par laser, la découpe laser et le marquage laser. La puissance est exprimée de plusieurs façons, ce qui peut vite prêter à confusion.

Passons en revue tout ce que vous avez besoin de savoir sur la puissance laser.

Qu’est-ce que la puissance laser ?

Les National Institutes of Health (NIH) définissent la puissance laser comme « la vitesse à laquelle l’énergie est émise d’un laser. » Plus simplement, c’est la mesure de la vitesse à laquelle un laser libère de l’énergie.

La puissance laser est exprimée en watts (W), en kilowatts (kW) ou en milliwatts (mW). Chaque watt indique que le laser peut émettre 1 joule d’énergie par seconde. Cela signifie qu’un laser de 100 W peut émettre 100 joules d’énergie par seconde.

Il ne faut pas confondre la puissance laser et le flux énergique surfacique. Un laser de 50 W et 200 W peut concentrer de l’énergie de la même façon et accomplir les mêmes tâches. Étant donné que les lasers à puissance plus élevée peuvent émettre plus d’énergie par seconde, ils peuvent simplement accomplir la même tâche plus rapidement.

La définition de Xometry introduit l’idée que la puissance laser dépend de la façon dont l’énergie est dispersée dans une zone (concentration d’énergie) :

« La puissance laser est l’énergie émise par un faisceau laser par unité de temps et par unité de zone. »

Cette phrase est incorrecte. La puissance laser représente uniquement la quantité d’énergie pouvant être émise pendant une seconde. C’est tout.

Puissances laser continues et à impulsions

Les deux types principaux de laser utilisent leur puissance laser disponible différemment.

  • Les lasers continus libèrent un niveau d’énergie constant sur le long terme. Par exemple, un laser continu de 50 W libère constamment 50 joules d’énergie par seconde.
  • Les lasers à impulsions libèrent de l’énergie par impulsions, avec de brèves pauses entre chaque libération d’énergie pour accumuler de l’énergie avant l’émission de la prochaine impulsion. Cela permet aux lasers à impulsions d’atteindre une énergie maximale plus élevée.

Les lasers à impulsions sont souvent préférables aux lasers à onde entretenue, car ils peuvent générer l’énergie maximale élevée requise pour l’ablation de matériau, qui est nécessaire aux processus tels que le marquage laser, le nettoyage laser et la texturation par laser.

Paramètres laser pouvant contrôler l’utilisation de la puissance laser

Les paramètres laser peuvent être modifiés pour contrôler l’utilisation de la puissance laser. Passons maintenant en revue les paramètres de laser courant pour comprendre comment obtenir différents résultats.

Énergie d’impulsion

Chaque impulsion contient une quantité spécifique d’énergie. Chez Laserax, nos lasers sont généralement configurés pour libérer 1 millijoule (mJ) d’énergie par impulsion. Nous réduisons parfois l’énergie d’impulsion pour des applications nécessitant moins d’énergie. Par exemple, le recuit laser d’acier inoxydable requiert un lent chauffage de la surface, par conséquent une énergie maximale plus faible est nécessaire.

Durée d’impulsion

Chaque impulsion laser a une durée spécifique lui permettant de concentrer l’énergie dans un court laps de temps. Plus la durée d’impulsion est courte, et plus la puissance maximale est élevée. Cela s’appelle également la largeur d’impulsion.

Les lasers femtosecondes par exemple, tiennent leur nom de leur durée d’impulsion, comprise entre quelques femtosecondes et des centaines de femtosecondes. Chez Laserax, nos lasers sont configurés avec des durées d’impulsion comprises entre 20 nanosecondes et 500 nanosecondes.

Taux de répétition des impulsions

Le taux de répétition des impulsions est le nombre d’impulsions par seconde. Il est souvent exprimé en hertz (Hz) ou kilohertz (kHz), 100 kHz étant égal à 100 000 impulsions par seconde.

Tableau de conversion du taux de répétition des impulsions
Impulsions par seconde Hz kHz
100 000 100 000 100

Des lasers avec une puissance plus élevée peuvent permettre de libérer davantage d’impulsions par seconde. Par exemple, un laser de 100 W peut libérer 100 000 impulsions de 1 mJ par seconde, tandis qu’un laser de 500 W peut libérer 500 000 impulsions de 1 mJ par seconde.

Pour clarifier davantage, il est également possible pour un laser de 100 W de libérer 500 000 impulsions par seconde, mais l’énergie d’impulsion doit être réduite à 0,2 mJ. C’est parce que le taux de répétition contrôle la distribution de la puissance laser au fil du temps. Si vous multipliez l’énergie d’impulsion avec le taux de répétition des impulsions, vous obtenez la puissance laser.

Exemples de distribution d’énergie de puissance laser
Puissance laser Énergie d’impulsion Taux de répétition des impulsions
100 W 1 mJ 100 kHz
100 W 0,2 mJ 500 kHz
500 W 1 mJ 500 kHz

Pour répondre aux besoins d’un taux de répétition élevé (c’est-à-dire produire davantage d’impulsions par seconde), une tête de balayage laser haute qualité est nécessaire pour rediriger plus efficacement le faisceau laser.

Taille de point

Les faisceaux laser peuvent prendre différentes formes (rond, carré, rectangle, etc.) et l’énergie laser peut être distribuée uniformément dans la zone. La taille de point représente le diamètre du faisceau laser où l’énergie est la plus concentrée. Pour les faisceaux gaussiens, elle s’arrête lorsque l’intensité du faisceau laser descend à environ 13,5 % de sa valeur maximale.

Une taille de point plus petite signifie une énergie maximale plus élevée. Elle peut être réglée avec des composants optiques tels que les lentilles focales et les dilatateurs de faisceau.

Certains processus laser requièrent une taille de point plus petite. Par exemple, nous utilisons généralement une taille de point de 0,125 mm pour le marquage laser. Mais pour les processus qui nécessitent de pénétrer plus profond dans le matériau, nous utilisons une taille de point de 0,075 mm.

Profil de faisceau

Distribution d’énergie le long de la longueur des faisceaux gaussiens et à intensité uniforme

Image avec l’aimable autorisation de RP Photonics

Le profil de faisceau est la manière dont l’énergie de la lumière laser est distribuée le long du diamètre du faisceau laser. Il est mesuré à l’aide d’un profileur de faisceau, qui fournit une représentation graphique, comme illustré dans l’image précédente. Vous pouvez le mesurer à différents endroits le long du trajet du faisceau laser.

Si vous observez le profil gaussien dans l’image précédente, plus vous vous éloignez du centre du faisceau, plus le niveau d’énergie est bas. Si vous observez le profil à intensité uniforme, le niveau d’énergie est constant. Les profils gaussiens peuvent atteindre des puissances maximales plus élevées et des tailles de point plus petites, tandis que les profils à intensité uniforme exploitent mieux l’énergie totale et peuvent obtenir des résultats plus précis (comme des coupes plus nettes lors de la découpe laser).

Les faisceaux à intensité uniforme sont plus coûteux que les faisceaux gaussiens, car ils nécessitent une installation supplémentaire (des éléments optiques diffractifs qui modifient la forme du faisceau). Les faisceaux gaussiens ont une forme de faisceau « naturelle ».

Puissance moyenne, puissance maximale et flux énergique surfacique : quelle est la différence ?

Énumérons les concepts importants afin de comprendre les niveaux de puissance de faisceau obtenus avec les lasers. Comme vous pouvez le voir, un laser de 100 W peut générer des valeurs de puissance bien supérieures à 100 W.

Puissance moyenne

La puissance moyenne est identique à la puissance laser. Elle représente la puissance de sortie moyenne du laser en une seconde. Un laser de 100 W, qu’il soit continu ou à impulsions, possède une puissance moyenne de 100 W.

Puissance maximale

La puissance maximale est la puissance de sortie maximale obtenue par le laser au cours d’un intervalle de temps spécifique. Plus simplement, elle indique la quantité d’énergie contenue dans une impulsion par rapport à sa durée.

Lorsque des millijoules sont concentrés dans un délai court, ils atteignent des niveaux d’énergie plus élevés. L’effet est similaire à celui qui se produit lorsque l’on bloque presque complètement la buse d’un tuyau d’arrosage. Par conséquent, la pression de l’eau qui sort du petit trou est bien plus forte. Le même raisonnement s’applique à l’énergie du faisceau laser lorsqu’il est concentré sur une petite zone pendant une durée courte.

Calcul de la puissance maximale

Pour calculer la puissance maximale, il suffit de diviser l’énergie d’impulsion (en joules) par la durée d’impulsion (en secondes). Par exemple, une impulsion de 1 mJ avec une durée d’impulsion de 100 ns a une puissance maximale d’au moins 10 000 watts.

L’énergie d’impulsion (en joules) divisée par la durée d’impulsion (en secondes) donne la puissance maximale.

Flux énergique surfacique

Le flux énergique surfacique, également appelé irradiance, est un paramètre qui nous permet de comprendre la concentration d’énergie. Mesuré en W/cm2, il donne le taux de transfert d’énergie (exprimé en watts) par rapport à la taille de faisceau (exprimé en cm2).

Pour déterminer le flux énergique surfacique, vous pouvez diviser la puissance laser par la taille de faisceau. Par exemple, nos lasers de 100 W avec une taille de faisceau de 0,000 067 929 1 cm2 génèrent un flux énergique surfacique d’environ 1 470 000 W/cm2.

Exemples de puissances laser

Gravure laser à haute puissance

 

Ce système de laser à fibre optique de 500 W creuse profondément dans le matériau pour créer des marquages résistants au grenaillage. La puissance laser utilisée ici est élevée par rapport à la plupart des applications de marquage laser, car des niveaux d’énergie plus élevés sont nécessaires pour pénétrer efficacement le métal.

Recuit laser à faible puissance

 

Ce système de laser à fibre optique de faible puissance est configuré pour chauffer lentement la surface en acier inoxydable afin de créer une réaction chimique sous la surface, permettant une oxydation interne tout en gardant la couche de protection passivée intacte à la surface.

Développer les applications de marquage laser industriel

Une maîtrise de l’utilisation de la puissance laser est essentielle pour optimiser les processus laser. Si vous souhaitez en savoir plus sur le potentiel du marquage, du nettoyage, de la texturation ou de la soudure au laser pour une application industrielle, contactez un expert Laserax. Nous pouvons fournir des solutions laser complètes et développer des processus laser pour vous.

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Catherine Veilleux

Catherine holds a bachelor’s degree in Engineering Physics and a master's degree in Physics. She completed her master’s in partnership with Laserax to develop industrial solutions for the laser texturing of metallic surfaces. She is now the Applications Lab Supervisor at Laserax, where she oversees the team that tests and optimizes laser processes for clients.