1. Qu'est-ce qu'un laser à fibre ? Un laser à fibre est un laser qui utilise des fibres de verre dopées avec des éléments de terres rares comme support de gain. Il peut être développé sur la base des amplificateurs à fibre : sous l'action de la lumière de pompage, une densité de puissance élevée est facilement formée dans la fibre, provoquant l'"inversion de population" de [...]
Un laser à fibre est un laser qui utilise des fibres de verre dopées avec des éléments de terres rares comme support de gain.
Il peut être développé sur la base des amplificateurs à fibre : sous l'action de la lumière de pompage, une densité de puissance élevée est facilement formée dans la fibre, provoquant l'"inversion de population" des niveaux d'énergie du laser dans le matériau de liaison.
Lorsqu'une boucle de rétroaction positive appropriée (formant une cavité résonnante) est ajoutée, une sortie d'oscillation laser peut être formée.
En fonction des types de matériaux fibreux, les lasers à fibre peuvent être divisés en plusieurs catégories :
(1) Lasers à fibre cristalline.
Le matériau de travail est la fibre à cristal laser, y compris les lasers à fibre monocristalline à rubis et les lasers à fibre monocristalline Nd3+ : YAG, entre autres.
(2) Lasers à fibres optiques non linéaires.
Les principaux types sont les lasers à fibre à diffusion Raman stimulée et les lasers à fibre à diffusion Brillouin stimulée.
(3) Lasers à fibres dopées aux terres rares.
Le matériau de base de la fibre est le verre, et des ions de terres rares sont dopés dans la fibre pour l'activer, créant ainsi un laser à fibre.
(4) Lasers à fibre plastique.
Les colorants laser sont dopés dans le cœur ou la gaine des fibres plastiques pour créer des lasers à fibre.
Représentatifs de la technologie laser de troisième génération, les lasers à fibre présentent les avantages suivants :
L'avènement des fibres à double gaine constitue sans aucun doute une avancée majeure dans le domaine des fibres, car il permet de fabriquer des lasers à fibre de grande puissance et des amplificateurs optiques de grande puissance.
Depuis que E. Snitzer a décrit pour la première fois les lasers à fibre pompés par la gaine en 1988, la technologie de pompage par la gaine a été largement appliquée aux lasers à fibre et aux amplificateurs à fibre, devenant ainsi la méthode préférée pour produire des lasers à fibre de haute puissance.
La technologie de pompage du revêtement se compose de quatre couches :
①noyau de fibre ;
②inner cladding ;
③outer cladding ;
④couche protectrice.
La lumière de la pompe est couplée à la gaine intérieure (qui adopte généralement une structure irrégulière, notamment elliptique, carrée, en forme de fleur de prunier, en forme de D, hexagonale, etc.), la lumière est réfléchie dans les deux sens entre les gaines intérieure et extérieure (généralement conçues pour être circulaires) et est absorbée par le cœur de la fibre monomode après de multiples croisements.
Cette structure ne nécessite pas que la lumière de pompage soit un laser monomode et peut pomper toute la longueur de la fibre, de sorte qu'un réseau de diodes laser multimode à haute puissance peut être choisi comme source de pompage, en couplant indirectement plus de 70% de l'énergie de pompage dans le cœur de la fibre, ce qui améliore grandement l'efficacité du pompage.
Les caractéristiques de la technologie de pompage du revêtement déterminent les performances exceptionnelles suivantes de ce produit type de laser:
(1) Puissance élevée
Un groupe de modules de diodes de pompage multimodes peut émettre 100 watts de puissance optique, et la mise en parallèle de plusieurs diodes de pompage multimodes permet de concevoir des lasers à fibre de sortie de grande puissance.
(2) Pas besoin de refroidisseurs thermoélectriques
Cette diode multimode de grande puissance et de grande surface peut fonctionner à des températures élevées et ne nécessite qu'un simple refroidissement à l'air, ce qui est peu coûteux.
(3) Large gamme de longueurs d'onde de pompage
La fibre active de la gaine dopée avec des éléments de terres rares erbium/ytterbium dans les lasers à fibre de haute puissance a une plage d'absorption des ondes lumineuses large et plate (930-970nm), de sorte que les diodes de pompage ne nécessitent aucun type de dispositif de stabilisation de la longueur d'onde.
(4) Haute efficacité
La lumière de la pompe traverse plusieurs fois le cœur de la fibre monomode et son utilisation est donc élevée.
(5) Haute fiabilité
Les diodes de pompage multimodes sont beaucoup plus stables que les diodes de pompage monomodes. Leur zone géométriquement large se traduit par une faible densité de puissance optique et une faible densité de courant à travers la zone active, ce qui confère aux diodes de pompage une durée de vie fiable de plus d'un million d'heures.
Actuellement, les technologies permettant de réaliser des lasers à fibre pompés par la gaine peuvent être divisées en trois catégories principales : le pompage linéaire à cavité simple, le pompage linéaire à cavité double et les lasers à fibre à double gaine à cavité annulaire pour toutes les fibres. Différents types de lasers à fibre à double enveloppe peuvent être développés à partir de ces trois types de base.
Un document de l'OFC-2002 a adopté une structure pour réaliser un nouveau type de laser à fibre pompé par la gaine avec une puissance de sortie de 3,8 W, un seuil de 1,7 W et une efficacité de pente allant jusqu'à 85%.
En termes de technologie des produits, l'entreprise américaine IPG s'est imposée en développant un laser à fibre dopé à l'erbium double couche de 700W et en annonçant le lancement d'un laser à fibre de 2000W.
Le laser à fibre pulsée, avec son excellente qualité de faisceau, sa fiabilité, sa plus longue durée d'absence de maintenance, son efficacité globale de conversion électro-optique la plus élevée, sa fréquence de répétition des impulsions, sa plus petite taille, son utilisation la plus simple et la plus flexible sans refroidissement par eau, et son coût d'exploitation le plus bas, en fait le seul choix pour le marquage laser à grande vitesse et de haute précision.
Un système de marquage par laser à fibre peut se composer d'un ou de deux lasers à fibre de 25 W, d'une ou de deux têtes de balayage pour guider la lumière vers la pièce et d'un ordinateur industriel pour contrôler les têtes de balayage. Cette conception est plus de quatre fois plus efficace que l'utilisation d'un laser de 50 W divisé en deux têtes de balayage.
Le traitement des matériaux à l'aide de lasers à fibre est un processus de traitement thermique basé sur l'absorption de l'énergie laser par certaines parties du matériau. La lumière laser d'une longueur d'onde d'environ 1um est facilement absorbée par les métaux, les plastiques et les matériaux céramiques.
Le façonnage ou le cintrage par laser à fibre est une technologie utilisée pour modifier la courbure de plaques métalliques ou de céramiques dures.
Le chauffage concentré et l'auto-découpe rapide entraînent une déformation plastique dans la zone chauffée par le laser, ce qui modifie de façon permanente la courbure de la pièce cible.
Grâce à l'augmentation continue de leur puissance, les lasers à fibre sont utilisés à grande échelle dans la découpe industrielle. Par exemple, l'utilisation d'un laser à fibre continu à découpe rapide pour la micro-découpe de tubes artériels en acier inoxydable.
En raison de la qualité élevée de leur faisceau, les lasers à fibre peuvent atteindre un très petit diamètre de focalisation et, par conséquent, de petites dimensions. largeur du trait de sciequi établit de nouvelles normes dans l'industrie des dispositifs médicaux.
En outre, les lasers à fibre occupent une position irremplaçable dans le domaine de la communication optique, car leur longueur d'onde couvre deux fenêtres de communication principales à 1,3μm et 1,5μm.
Le développement réussi des lasers à fibre double enveloppe de haute puissance a conduit à une expansion rapide de la demande du marché dans le domaine de la recherche et du développement. traitement au laser.
Le champ d'application spécifique et les performances requises des lasers à fibre dans le domaine du traitement laser sont les suivants :
En outre, avec le développement de la technologie d'écriture et de pompage des réseaux de Bragg dans l'ultraviolet, les lasers à fibre à conversion de longueur d'onde produisant dans l'UV, le bleu, le vert, le rouge et le proche infrarouge sont largement utilisés dans le stockage de données, l'affichage couleur et le diagnostic médical par fluorescence en tant que sources lumineuses pratiques à l'état solide.
Les lasers à fibre à sortie de longueur d'onde dans l'infrarouge lointain, en raison de leur structure compacte et flexible, de leur énergie et de leur longueur d'onde accordables, sont également utilisés dans des domaines tels que la médecine laser et la bio-ingénierie.
Les premières recherches sur les lasers se sont principalement concentrées sur la production d'impulsions courtes et sur l'élargissement de la gamme de longueurs d'onde accordables.
Aujourd'hui, le développement et les progrès rapides des technologies de multiplexage par répartition dense en longueur d'onde (DWDM) et de multiplexage optique temporel accélèrent et stimulent les progrès de la technologie des lasers à fibre à longueurs d'onde multiples et des lasers à fibre à supercontinuum.
Parallèlement, l'émergence des lasers à fibre à longueurs d'onde multiples et des lasers à fibre à supercontinuum offre une solution idéale pour la mise en œuvre d'une transmission DWDM ou OTDM Tb/s à faible coût.
Du point de vue de leur mise en œuvre technologique, l'utilisation de l'émission spontanée amplifiée par EDFA, femtoseconde et les diodes superluminescentes ont tous été signalés.
Représentatifs de la technologie laser de troisième génération, les lasers à fibre possèdent une supériorité technique inégalée par rapport aux autres lasers.
Toutefois, à court terme, nous pensons que les lasers à fibre se concentreront principalement sur les applications haut de gamme. Avec la popularisation des lasers à fibre, la réduction des coûts et l'augmentation de la capacité de production, ils pourraient éventuellement remplacer une grande partie des lasers CO2 de haute puissance et la grande majorité des lasers YAG dans le monde.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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