Notions de base des diodes laser couplées à des fibres
Les diodes laser couplées à des fibres sont un type de système laser. Dans une diode laser couplée à une fibre, la sortie de la diode laser est couplée à un câble de fibre optique. Ceci est réalisé en plaçant l'extrémité de la fibre très près de la diode laser ou en utilisant des lentilles pour focaliser la lumière laser dans la fibre.
Les diodes laser couplées à des fibres présentent certains avantages, notamment :
- La lumière sortant de la fibre optique présente un profil d'intensité circulaire et homogénéisé.
- Ils présentent une qualité de faisceau symétrique.
- Ils possèdent puissance laser élevée.
- Ils peuvent être facilement couplés à d’autres composants à fibre optique.
- Il est facile de remplacer les lasers à diodes couplés à des fibres défectueux. Le processus est transparent et ne nécessite aucun ajustement des alignements des appareils.
- Ils font coupes précises en nanosecondes.
Types de lasers à diodes couplés à des fibres
Différentes diodes laser couplées à des fibres se répartissent en deux catégories : les lasers monomodes et multimodes.
Diodes laser à fibre monomode
Les lasers à fibre monomode sont généralement transmis via un diamètre de cœur de fibre de <25 microns. Cette taille produit un faisceau laser concentré de haute intensité qui peut se concentrer sur un point aussi petit que 20 microns.
Ces caractéristiques rendent cette diode laser adaptée aux applications complexes marquage au laser, micro-usinage et applications de découpe de précision. De plus, dans des régimes d'impulsions nanosecondes, les diodes laser monomodes peuvent atteindre des niveaux de puissance importants, jusqu'à 500 milliwatts.
La diode laser monomode a des applications dans l'ensemencement laser à fibre, la détection de gaz, microscopie confocale à fluorescence, les télécommunications, la fabrication industrielle, et plus encore.
Les diodes laser à fibre monomode sont disponibles en deux variantes : les diodes laser Fabry-Pérot ou les diodes laser DFB (Distributed Feedback).
- Diodes laser Fabry-Pérot: Il s'agit d'un type de diode laser dotée d'une structure de miroir spéciale qui réfléchit la lumière entre les deux extrémités du laser. Initialement, il est réfracté après avoir pénétré dans le câble à fibre optique avant de passer par une réflexion interne totale. Il en résulte un faisceau lumineux puissant. Dans les applications monomodes, la diode laser Fabry-Pérot est utilisée à différentes longueurs d'onde, notamment 1310 1550 nm, 1625 XNUMX nm et XNUMX XNUMX nm. La lumière émise tombe dans une largeur spectrale de 5 nm à 8 nm.
- Diodes laser DFB (Distributed Feedback): La rétroaction distribuée est un autre type de diode laser avec un réseau de faible largeur de ligne qui comprend un réseau de diffraction. Ce réseau joue le rôle d'un réflecteur de Bragg dans la longueur d'onde laser.
Vous voudrez peut-être en savoir plus sur le différence entre les lasers FP et les lasers DFB.
Diodes laser multimodes couplées à des fibres
Construites sur des puces de diodes laser à émission latérale à large zone, les diodes laser multimodes couplées à des fibres sont fabriquées avec plaquettes semi-conductrices. Ils disposent d'un guide d'onde et d'une région émettrice plus larges, ce qui leur permet de générer des niveaux plus élevés de puissance laser ou de puissance de sortie.
Grâce à la diffraction à large faisceau, les diodes laser multimodes peuvent émettre de la lumière sur une surface plus large. Cependant, en raison de cette large zone d’émission, la qualité du faisceau des diodes laser multimodes est inférieure à celle des diodes monomodes.
La forme du faisceau laser dépend de la largeur de la crête de la puce laser. Notez que les largeurs de crête des diodes laser multimodes sont microns 100 ou plus. Il engage un plus grand volume de matériau et génère plus de puissance laser, réduisant ainsi le risque de dommages optiques.
Les diodes laser multimodes couplées à des fibres trouvent des applications dans les domaines industriel, médical et de l'éclairage.
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Applications des diodes laser couplées à des fibres
Les modules de diodes laser couplés à des fibres sont fréquemment utilisés dans diverses applications médicales, industrielles et d'instrumentation. Ci-dessous, nous nous concentrerons sur l’utilisation industrielle la plus courante.
1. Traitement des matériaux
L'énergie laser est capable de modifier la forme ou l'apparence d'un matériau. Cette possibilité de modifier un matériau peut aider les propriétaires d'entreprise modifier rapidement les conceptions, générer des produits sans réoutillage et améliorer la qualité des produits. Des métaux, tels que le fer, l'aluminium, l'acier inoxydable et le titane, aux non-métaux, comme les composites, les céramiques, les plastiques/polymères et les adhésifs, la diode laser réagit bien avec tous.
2. Coupe
Découpe laser est l'une des applications. Les lasers à diode couplés à des fibres peuvent réaliser des coupes précises tout en conservant une qualité de bord exceptionnelle. Sa stabilité et son efficacité supérieures, sa qualité de faisceau, son intégration facile, son processus sans contact et ses vitesses plus rapides en font un choix de premier ordre pour les pièces de précision qui exigent des tolérances serrées.
3. Soudage
Les diodes couplées par fibre conviennent pour soudure en trou de serrure dans divers processus industriels. Il y a deux raisons qui le rendent utile. Premièrement, la puissance de sortie des lasers à fibre est comprise entre 500 W et 10 kW. Deuxièmement, ils peuvent obtenir des tailles de points focalisés comprises entre 40 et 800 μm même si la distance de travail est énorme.
4. Gravure
Les lasers à fibre peuvent laisser des marques permanentes sur des surfaces comme certains plastiques et métaux. Pendant la procédure, la lumière laser utilise un faisceau lumineux focalisé et le transmet à la surface du matériau pour réaliser une marque. Cette technique permet de créer des marques permanentes avec précision.
Le rôle des diodes laser couplées à des fibres dans la découpe laser
La diode laser couplée à une fibre a une application importante dans la découpe laser, concentrons-nous là-dessus.
La technologie laser utilise un rayonnement stimulé pour produire un faisceau laser. Une diode laser libère ensuite de la lumière pour l'envoyer vers les câbles à fibres optiques pour amplification. Lorsque cette lumière laser entre en contact avec la surface du matériau sujet, elle pénètre dans celle-ci et se transforme en énergie thermique. Cette chaleur générée est responsable de la fonte de la surface.
De manière générale, la diode couplée à une fibre est utile dans la découpe laser en raison des quatre caractéristiques suivantes :
- Stabilité de puissance : FCLD a une puissance de sortie stable, ce qui est essentiel pour la découpe laser car il garantit des résultats cohérents.
- Faible bruit: De faibles niveaux de bruit protègent les opérateurs des troubles musculo-squelettiques et du stress lié au bruit.
- Stabilité de pointage du faisceau plus avancée : Cela implique que le faisceau laser effectuera des découpes laser précises.
- Localisation du laser à distance : Cela contribue à améliorer la sécurité et la stabilité des systèmes de découpe laser.
En découpe laser, assistance aérienne joue également un rôle clé dans l’amélioration de la vitesse de coupe ainsi que de la qualité de la coupe. Ainsi, comme les techniciens utilisent un flux d'air à grande vitesse parallèle au faisceau laser, l'air élimine le métal en fusion et garantit que la coupe est de haute qualité.
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Multi-longueur d'onde de couplage par fibre
Les sources à fibres optiques telles que les lasers à diodes couplées à des fibres peuvent émettre simultanément de la lumière à plusieurs longueurs d'onde. Pour être plus précis, la longueur d'onde du module de diode laser se situe directement dans la partie infrarouge du spectre, c'est-à-dire entre 780 nm et 2200 nm.
Bien que cette partie ne soit pas visible à l’œil nu, elle peut réagir avec différents types de matériaux. C’est la plage de longueurs d’onde plus courte qui permet à la lumière laser de les pénétrer facilement. Les matériaux comprennent des métaux, du caoutchouc et des plastiques, ce qui rend la fonction multi-longueurs d'onde très utile dans une grande variété d'applications de traitement de matériaux.
Certains modules laser multi-longueurs d'onde peuvent être adaptés à des longueurs d'onde allant de 1mW à 5mW. Cette modification de longueur d'onde se fait soit en ajustant la température, soit en étirant la cavité laser. Cela peut également être réalisé en ajustant le courant du laser à graines.
Quelques avantages de ces lasers à diodes multi-longueurs d'onde sont leur faible coût, leur taille compacte et leur faible perte d'insertion.
Choisir la bonne diode laser couplée à une fibre
Pour obtenir la bonne puissance de sortie, il est important de choisir le bon système laser à fibre. Dans le cas des lasers à diodes couplées à des fibres, vous trouverez ci-dessous quelques facteurs considérables.
1. Plage de longueurs d'onde
La longueur d’onde d’une diode laser détermine le type de matériau qu’elle est capable de découper ou de graver. Par exemple, Lasers CO2 possèdent une longueur d'onde de 9.6 et 10.6 micromètres (μm), parfaite pour couper et graver des surfaces non métalliques telles que le bois, l'acrylique et le papier. Lasers à fibre, en revanche, avec une longueur d'onde de 1.06 micromètres, peut couper ou graver des métaux tels que l'acier, l'aluminium et le cuivre.
2. Puissance de sortie
La puissance de sortie de la diode laser améliore la vitesse et la profondeur de coupe. Une diode laser de plus grande puissance peut non seulement couper le matériau plus rapidement, mais également plus profondément par rapport à une diode laser de moindre puissance. Mais les lasers à diode de puissance supérieure sont chers.
3. Qualité du faisceau
La qualité du faisceau laser affecte l'exactitude et la précision de la coupe. Une qualité de faisceau supérieure produit de meilleurs résultats. La qualité du faisceau est mesurée dans le Facteur M2. Lorsque le facteur M2 est faible, la qualité du faisceau est élevée.
4. Type de fibre
Il existe deux principaux types de fibres utilisées dans les diodes couplées à des fibres : la fibre monomode et la fibre multimode. La fibre monomode possède un diamètre de cœur de fibre plus petit et peut transmettre plus de puissance sur de plus longues distances. Alors que dans un laser à fibre multimode, le diamètre du cœur de la fibre est plus grand.
5. Méthode de refroidissement
On peut refroidir une diode laser couplée à une fibre en utilisant de l'air ou de l'eau. Le refroidissement par air est la méthode de refroidissement la plus courante. Le refroidissement par air augmente la surface de l'objet que vous souhaitez refroidir. Par exemple, si vous ajoutez des ailettes de refroidissement à la diode laser, cela augmentera le taux de transfert de chaleur.
Une autre façon utilisée pour refroidir les diodes laser à semi-conducteurs consiste à maintenir la barre laser sur un refroidisseur thermoélectrique (TEC). Le TEC utilise le Effet Peltier pour refroidir le laser.
En revanche, le refroidissement par eau est plus efficace ; cependant, cela coûte cher et est également compliqué.
Pour plus d'informations sur le refroidissement des diodes laser, lisez cet article.
6. Options de contrôle
Les lasers à diodes couplées à des fibres disposent de deux options pour contrôler l'appareil. L’un est un contrôleur interne et l’autre est un contrôleur externe. Quelques exemples de contrôleurs internes incluent un générateur d'impulsions intégré ou un générateur de fonction.
Une source de tension continue ou sinusoïdale est un exemple de contrôleur externe. C'est à l'utilisateur de choisir le type de contrôleur : interne ou externe.
Quelques façons de contrôler les diodes laser couplées à des fibres :
- Ajustez la quantité d'électricité circulant à travers les diodes laser
- Utilisez un générateur interne pour émettre des signaux permettant de modifier l'intensité du laser ou de créer de courts éclats de lumière laser.
- Démarrez un générateur de signal interne en utilisant un signal provenant d'un générateur externe.
- Ajustez la source de signal TTL à distance pour produire des impulsions continues qui durent microsecondes 100.
- Utilisez le générateur de fonctions interne pour créer le impulsions quasi-CW.
7. Emballage des diodes
Un emballage approprié aide à protéger la diode laser de l’humidité, de la poussière, des dégazages et des dommages mécaniques. L'évacuation de la chaleur est un moyen efficace de refroidir les petits emballages scellés ; cependant, pour les plus grands, le refroidissement actif utilisant un dispositif spécial appelé TEC (Thermoelectric Cooler) ou le refroidissement par eau fonctionne mieux.
La manipulation de l'emballage des diodes nécessite de comprendre les éléments suivants :
- Avant d'ouvrir le colis, conservez-le dans une pièce pendant au moins de 4 heures pour lui permettre d'atteindre l'équilibre thermique.
- Ne conservez pas de colles, de solvants, de plastiques et de pâtes conductrices de chaleur à proximité de la diode laser.
- Utiliser le courant régulé pilotes de diodes laser spécialement fabriqué pour les diodes laser uniquement.
8. Conseils supplémentaires pour choisir un laser à diode couplée à une fibre
Avant qu'un propriétaire d'entreprise décide d'acheter une diode laser couplée à une fibre, il lui est suggéré de :
- Considérez le type de matériau que vous devez couper ou graver.
- Tenez compte de l’épaisseur du matériau que vous devez couper.
- Tenez compte de la taille totale du câble à fibre optique utilisé pour obtenir l'efficacité du couplage.
- Considérez votre budget.
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FAQ
1 – Quelle est la différence entre les lasers à diodes couplés à des fibres et les lasers à diodes normales ?
Les lasers à diode couplés à des fibres sont des lasers qui utilisent une fibre optique pour transmettre la lumière laser à leur cible. Les lasers à diode normaux, quant à eux, sont composés de barres de diodes empilées verticalement.
2 – Si le faisceau de sortie des diodes laser multimodes est de 200 à 300 μm, pouvez-vous le caractériser comme un faisceau gaussien ?
Non, le faisceau résultant n'est pas un Faisceau gaussien. Cependant, si le profil d'intensité se rapproche de la distribution gaussienne, on peut appliquer les principes de propagation du faisceau gaussien.
3 – Quelle est la principale différence entre l’espace libre et le couplage par fibre ?
Dans l'espace libre, les lasers à diode utilisent l'air, le vide ou l'espace comme moyen de transmission de la lumière. Mais les lasers couplés à des fibres couplent la lumière qu’ils produisent. Ce couplage de fibre garantit que la lumière tombe dans la cible.
4 – Pouvez-vous appeler une diode laser à fibre ?
Oui, un laser à fibre est un laser à diode ; c'est un laser à solide pompé par diode(DPSSL). Ces diodes sont diodes semi-conductrices fonctionnant comme une source laser émettant de la lumière dans une fibre composée de verre phosphaté ou de silicate. Après avoir absorbé la lumière, il la convertit en lumière laser.
Conclusion
La diode laser couplée à une fibre est un semi-conducteur puissant. Comprendre comment cela fonctionne et aide dans différents secteurs est une excellente approche pour décider ce qui fonctionnera pour vous. Il s’agit d’une technologie prometteuse qui a le potentiel de révolutionner la façon dont différentes industries fonctionneront à l’avenir.
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