Lasers à fibre : 7 avantages et différences

Avant d'acheter unLaser à fibre, il est nécessaire de comprendre en quoi il diffère des autres lasers. Nous savons qu'un laser fonctionnel nécessite trois composants : une source de pompe pour l'alimentation en énergie, un milieu de gain et un résonateur optique. Pour les lasers à fibre, bien que le choix de la source de pompage ne soit rien d'autre que celui des diodes laser et d'autres lasers à fibre, la conception du milieu de gain et du résonateur optique est essentiellement différente.
 

Cette structure unique apporte sept avantages majeurs :

1. Moyen de gain à haut rendement
Contrairement à d'autres lasers, les lasers à fibre réalisent une amplification de la lumière dans des fibres optiques dopées avec des ions de terres rares tels que l'ytterbium (Yb3+), le néodyme (Nd3+), le thulium (Tm3+), praséodyme (Pr3+) ou erbium (Er3+). Ces ions actifs au laser peuvent absorber la majeure partie de la lumière de pompage, puis émettre des photons de fréquences spécifiques par émission stimulée. La structure intrinsèquement flexible de la fibre optique permet des distances de gain plus longues par rapport aux autres types de lasers. Cela fournit un gain optique élevé.

2. Boucle de rétroaction intelligente via le réseau de Bragg en fibre
Au lieu d'utiliser des miroirs diélectriques traditionnels, le retour optique dans les lasers à fibre est généralement assuré par des réseaux de Bragg à fibres, qui sont une série de fibres de verre avec différents indices de réfraction fusionnées de manière périodique. Ces structures périodiques peuvent réfléchir des faisceaux laser de longueurs d'onde spécifiques et devenir ainsi la cavité optique du laser à fibre. Par conséquent, pour les lasers à fibre, la cavité optique se trouve en réalité à l’intérieur du milieu de gain.

3. Cavité optique robuste
Il existe un malentendu courant à éviter lorsqu’on parle de lasers à fibre, à savoir que les lasers à fibre ne sont pas les mêmes que les lasers à fibre optique. Par exemple, dans les lasers à diodes couplées à des fibres, la fibre optique est utilisée uniquement à des fins de transmission du faisceau et les principes physiques de l'émission stimulée ne sont pas impliqués. Ainsi, même si les fibres optiques se couplent aux systèmes laser, elles ne possèdent toujours pas toutes les excellentes qualités des lasers à fibre. La cavité optique intégrée unique utilise une fibre optique enroulée comme support de gain, créant ainsi une cavité optique solide et stable.

4. Structure compacte
L’un des principaux avantages des lasers à fibre réside dans leur compacité. Par rapport à des produits similaires, les lasers à fibre ont un encombrement beaucoup plus réduit pour des puissances de sortie équivalentes. En effet, la fibre optique est pliable et peut être enroulée dans un espace compact. De plus, la flexibilité de la fibre optique permet également de personnaliser davantage le chemin optique, offrant ainsi une plus grande liberté de conception pour diverses situations spécifiques.

5. Puissance de sortie élevée
Le milieu de gain des lasers à fibre étant très fin et flexible, la fibre peut mesurer plusieurs kilomètres de long, ce qui permet d'obtenir des gains de lumière de pompage très élevés. De plus, la chaleur générée par les lasers à fibre peut être dissipée efficacement en raison du grand rapport surface/volume de la fibre. En conséquence, les lasers à fibre peuvent fonctionner en continu à des niveaux de kilowatts sans nécessiter de systèmes de refroidissement complexes.

6. Excellente qualité de faisceau
En règle générale, la qualité du faisceau laser fait référence à la précision de sa focalisation, quantifiée par le coefficient M2, qui est idéalement égal à 1 pour la qualité de faisceau la plus élevée. Parmi les lasers à fibre, la fibre monomode présente généralement les meilleures performances de faisceau et est donc largement utilisée. Par exemple, dans le domaine de la découpe et du soudage laser, la qualité élevée du faisceau permet de longues distances entre la pièce à usiner et l'objet focalisé. Cette configuration protège les optiques des débris et de la fumée. Surtout, la réduction du diamètre du faisceau permet non seulement de fabriquer des structures plus fines, mais également d’utiliser des composants optiques plus petits et moins chers.

7. Haute fiabilité
Les lasers à fibre sont très fiables et nécessitent peu de maintenance. Et comme le chemin optique est enfermé dans une gaine de protection, le faisceau laser est moins sensible aux interférences externes. Par conséquent, les lasers à fibre ont généralement une excellente stabilité dans des conditions de fonctionnement à haute température et vibration.

Quelle est la différence entre les lasers à fibre et les autres lasers ?
Bien que les avantages des lasers à fibre soient nombreux, il est important de comprendre comment ils se comparent à la concurrence. Comme nous le verrons ci-dessous, la supériorité d'un laser à fibre dépend du contexte d'application et, dans certains cas, un laser à fibre concurrent peut être mieux adapté au laser à fibre.

Lasers à fibre vs lasers à blocs
Un laser en vrac est un laser à semi-conducteurs qui utilise un cristal ou un verre en vrac dopé comme milieu de gain. Les lasers Nd:YAG et les lasers titane-saphir en sont deux bons exemples. De manière générale, les lasers à fibre ont de meilleures spécifications que les lasers en vrac, comme le montre la figure ci-dessous :

Toutefois, cela ne signifie pas que les lasers volumétriques ne sont pas utiles pour le traitement des matériaux. Par exemple, dans la région de longueur d'onde de 700-1000 nm, aucun laser à fibre ne peut remplacer un laser Ti : saphir accordable. De plus, les lasers volumétriques peuvent atteindre des puissances de crête plus élevées et sont donc mieux adaptés au traitement des matériaux. De plus, les systèmes laser à fibre peuvent nécessiter des composants spéciaux et une utilisation complexe, et leur coût plus élevé peut être préjudiciable à l’économie.

Lasers à fibre vs lasers CO2
Bien que les deux lasers soient parfaits pour découper des matériaux, leur objectif fonctionnel est en réalité différent. D’une part, les lasers CO2 sont d’excellents outils pour découper des matériaux non métalliques comme le plastique. Leur efficacité relativement élevée et leur bonne qualité de faisceau en font le type de laser le plus utilisé dans l’industrie.

Machine de découpe laser CO2

D’autre part, les lasers à fibre ont fait des progrès significatifs dans la découpe de plaques métalliques (principalement en acier inoxydable) ces dernières années, principalement en raison de leur vitesse de découpe rapide. À puissance équivalente, leur vitesse de découpe est généralement {{0}} fois supérieure à celle des lasers à dioxyde de carbone. fois. De manière générale, les lasers à fibre valent la peine d'être envisagés pour la production en volume lors de la découpe de métaux de 0,25 pouces d'épaisseur ou moins, mais lorsque les métaux ont une épaisseur supérieure à 0,375 pouce, les lasers CO2 offrent toujours des avantages en termes de vitesse et une excellente qualité de coupe. Il est donc peu probable que les lasers à fibre remplacent complètement les lasers CO2 en matière de découpe de matériaux.

Lasers à fibre et lasers à diode directe
Les lasers à diode ont longtemps été critiqués pour leur faible puissance de sortie et leur mauvaise qualité de faisceau. Néanmoins, les progrès récents de la technologie des lasers à diode directe montrent son potentiel en tant qu’acteur majeur dans le traitement des matériaux. Les lasers à diode directe peuvent couper 10 %-20 % plus rapidement que les lasers à fibre. De plus, les lasers à diode directe peuvent couper des métaux plus épais et obtenir une rugosité de surface plus faible. Mieux encore, ils conviennent également au traitement de matériaux hautement réfléchissants comme le cuivre. En revanche, les lasers à fibre ont une efficacité limitée à cet égard. Cependant, les lasers à fibre présentent encore d’énormes avantages en termes de qualité de faisceau et de maturité technologique. Cela en fait un excellent choix pour le traitement macroscopique des matériaux.

Les lasers à fibre ont clairement révolutionné l'industrie du laser. Les lasers à fibre offrent un certain nombre d'avantages clés par rapport aux autres types de laser, ouvrant la voie à une productivité accrue. Le choix d'un support de gain efficace et d'une cavité laser intégrée offre des performances de sortie puissantes et stables. Son encombrement compact est un argument de vente clé pour les applications OEM/intégrées. Cependant, leur supériorité dépend fortement de la configuration de l'application, compte tenu de leur longueur d'onde de sortie et de leur accordabilité limitée.

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