Paramètres clés d’un système laser

Il existe une large gamme de systèmes laser communs destinés à des applications diverses et variées telles que le traitement des matériaux, la chirurgie laser et la télédétection, mais beaucoup d’entre eux partagent des paramètres clés identiques. L’établissement d’une terminologie commune pour ces paramètres évite les malentendus, et leur compréhension permet de spécifier correctement les systèmes et composants laser pour répondre à vos besoins d’application.

Figure 1 : Schéma d’un système commun de traitement des matériaux par laser dans lequel chacun des 10 paramètres clés d’un système laser est indiqué par son numéro correspondant

Paramètres fondamentaux

Les paramètres fondamentaux qui suivent constituent les concepts les plus élémentaires des systèmes laser et sont essentiels à la compréhension de sujets plus avancés.

1 : La longueur d’onde (unités typiques : du nm au µm)

La longueur d’onde d’un laser décrit la fréquence spatiale de l’onde lumineuse émise. La longueur d’onde optimale pour un cas d’utilisation donné dépend fortement de l’application. Différents matériaux auront des propriétés d’absorption uniques dépendantes de la longueur d’onde lors du traitement des matériaux, ce qui entraînera différentes interactions avec le matériau. De la même façon, l’absorption et l’interférence atmosphériques affecteront certaines longueurs d’onde différemment dans le domaine de la télédétection, et différents teints absorberont certaines longueurs d’onde différemment dans les applications laser médicales. Les lasers et optiques laser à plus courte longueur d’onde sont avantageux pour créer de petits objets précis, et ce grâce à une chaleur périphérique minimale en raison de la petite taille du spot focalisé. Cependant, ils sont généralement plus coûteux et plus susceptibles d’être endommagés que les lasers à longueur d’onde plus élevée.

2 : La puissance et l’énergie (unités typiques : le W ou le J)

La puissance d’un laser est mesurée en watts (W) et sert à décrire soit la sortie de puissance optique d’un laser à onde continue (ou CW pour « continuous wave »), soit la puissance moyenne d’un laser pulsé. Les lasers pulsés se distinguent également par leur énergie d’impulsion, directement proportionnelle à la puissance moyenne et inversement proportionnelle au taux de répétition du laser (Figure 2). L’énergie se mesure en joules (J).

$$ \text{Énergie d’impulsion} = \frac{\text{Puissance moyenne}}{\text{Taux de répétition}} $$

Figure 2 : Représentation visuelle de la relation entre l’énergie d’impulsion, le taux de répétition et la puissance moyenne des lasers pulsés

Les lasers de puissance et d’énergie supérieures sont généralement plus chers et génèrent plus de chaleur perdue. Plus la puissance et l’énergie augmentent, plus il est difficile de conserver un faisceau de haute qualité. Vous trouverez plus d’informations sur les lasers pulsés et CW dans notre note d’application Comprendre et Spécificier le LIDT des Composants Laser.

3 : La durée d’impulsion (unités typiques : de la fs à la ms)

La durée d’impulsion laser, ou largeur d’impulsion, est généralement définie comme étant la largeur à mi-hauteur (ou FWHM pour full width at half-maximum) de la puissance optique du laser en fonction du temps (Figure 3). Les lasers ultrarapides, qui présentent de nombreux avantages pour tout un ensemble d’applications comme le traitement de matériaux précis ou les lasers médicaux, sont caractérisés par des durées d’impulsion très courtes, de l’ordre de la picoseconde (10^-12 s) à l’attoseconde (10^-18 s). Vous trouverez plus d’informations à ce sujet dans nos notes d’application Dispersion ultrarapide et Miroirs hautement dispersifs.

Figure 3 : Les impulsions d’un laser pulsé sont séparées dans le temps par l’inverse du taux de répétition

4 : Le taux de répétition (unités typiques : de l’Hz au MHz)

Le taux de répétition d’un laser pulsé, ou fréquence de répétition d’impulsion, décrit le nombre d’impulsions émises chaque seconde, ou l’inverse de l’espacement temporel d’impulsion (Figure 3). Comme mentionné plus haut, le taux de répétition est inversement proportionnel à l’énergie d’impulsion et directement proportionnel à la puissance moyenne. Bien que le taux de répétition dépende souvent du milieu de gain du laser, il peut varier dans de nombreux cas. Des taux de répétition plus élevés entraînent une diminution du temps de relaxation thermique à la surface de l’optique du laser et au spot focalisé final, ce qui entraîne un réchauffement plus rapide du matériau.

5 : La longueur de cohérence (unités typiques : du mm au m)

La lumière laser est cohérente, ce qui signifie qu’il existe une relation fixe entre les valeurs de phase du champ électrique à différents points dans le temps ou dans l’espace. Ceci est dû au fait que la lumière laser est produite par émission stimulée, contrairement à la plupart des autres types de sources de lumière. La cohérence se dégrade au cours de la propagation et la longueur de cohérence d’un laser définit une distance sur laquelle sa cohérence temporelle est maintenue à une certaine qualité.

6 : La polarisation

La polarisation définit l’orientation du champ électrique des ondes lumineuses, qui est toujours perpendiculaire à la direction de la propagation. La plupart du temps, la lumière laser sera polarisée linéairement, ce qui signifie que les champs électriques émis pointent toujours dans la même direction. La lumière non polarisée aurait des champs électriques pointant dans de nombreuses directions différentes. Le degré de polarisation est souvent exprimé comme un rapport de la puissance optique de deux états de polarisation orthogonaux, tels que 100:1 ou 500:1. Pour en savoir plus sur la polarisation, consultez notre note d’application Introduction à la polarisation.

Paramètres d’un faisceau

Les paramètres qui suivent caractérisent la forme et la qualité des faisceaux laser.

7 : Le diamètre du faisceau (unités typiques : du mm au cm)

Le diamètre d’un faisceau laser définit son extension transversale, c’est-à-dire sa taille physique perpendiculairement à la direction de propagation. Il est souvent défini à la largeur 1/e², qui est délimitée par les points où l’intensité du faisceau atteint 1/e² (≈ 13.5%) de sa valeur maximale. Au point 1/e² l’intensité du champ électrique tombe à 1/e (≈ 37%) de la valeur maximale. Plus le diamètre du faisceau est important, plus l’optique et l’ensemble du système doivent être grands pour éviter de couper le faisceau, ce qui augmente les coûts. Cependant, la diminution du diamètre du faisceau augmente la densité de puissance/énergie, ce qui peut également être négatif (voir le paramètre suivant).

8 : La densité de puissance ou d’énergie (unités typiques : W/cm² au MW/cm², ou du µJ/cm² au J/cm²)

BLe diamètre du faisceau est lié à la densité de puissance/énergie, ou à la puissance/énergie optique par unité de surface, d’un faisceau laser. Plus le diamètre du faisceau est important, plus la densité de puissance/énergie d’un faisceau de puissance ou d’énergie constante est faible. Des densités de puissance/énergie élevées sont souvent idéales au niveau de la sortie finale d’un système (comme par exemple en découpe ou soudage laser), mais des densités de puissance/énergie faibles sont souvent avantageuses au sein d’un système pour éviter tout dommage causé par le laser. Cela permet également d’éviter que les régions à forte densité de puissance/énergie du faisceau n’ionisent l’air. C’est entre autres pour ces raisons que des expanseurs de faisceau sont souvent utilisés pour augmenter le diamètre et donc réduire la densité de puissance/énergie au sein d’un système laser, comme expliqué dans notre note d’application Expanseurs de faisceau laser. Cependant, il faut veiller à ne pas étendre un faisceau jusqu’à ce qu’il soit coupé par les ouvertures du système, ce qui entraînerait une perte d’énergie et un risque d’endommagement.

9 : Le profil du faisceau

Le profil d’un faisceau laser décrit l’intensité de distribution à une section transversale du faisceau. Les profils de faisceaux communs comprennent les faisceaux gaussiens et les faisceaux à sommet plat, dont les profils de faisceaux suivent les fonctions gaussiennes et à sommet plat, respectivement (Figure 4). Cependant, aucun laser ne peut produire un faisceau parfaitement gaussien ou à sommet parfaitement plat dont le profil correspond parfaitement à sa fonction caractéristique, car il y a toujours un certain nombre de points chauds ou de fluctuations à l’intérieur d’un laser. La différence entre le profil réel du faisceau d’un laser et celui d’un faisceau idéal est souvent décrite par le biais de mesures, dont le facteur M² d’un laser. Vous trouverez de plus amples informations sur les profils de faisceau et la caractérisation de la qualité d’un faisceau dans nos notes d’application Propagation d’un faisceau gaussien et Beam Shape, Qualité de faisceau et rapport de Strehl..

Figure 4 : Une comparaison des profils des faisceaux gaussien et à sommet plat avec la même puissance ou intensité moyenne montre que le faisceau gaussien aura un pic d’intensité 2X supérieur à celui du faisceau à sommet plat

10 : La divergence (unité typique : le mrad)

Bien que l’on suppose souvent que les faisceaux laser sont collimatés, ils présentent toujours une certaine divergence, qui décrit l’étendue du faisceau sur une distance croissante à partir du waist du faisceau laser, en raison de la diffraction. La divergence devient un problème particulièrement important dans les applications avec une longue distance de travail, comme les systèmes LIDAR où un objet peut se trouver à des centaines de mètres du système laser. La divergence du faisceau est typiquement définie par le demi-angle du laser, et la divergence (θ) d’un faisceau gaussien est définie par l’équation :

$$ \theta = \frac{\lambda}{\pi w_0} $$

où λ correspond à la longueur d’onde du laser et w₀ au waist du faisceau laser. Vous trouverez de plus amples informations sur la divergence dans notre note d’application Propagation d’un faisceau gaussien. La divergence peut être diminuée afin d’augmenter le diamètre du faisceau, comme indiqué dans notre note d’application Expanseurs de faisceau laser.

Paramètres finaux du système

Ces paramètres finaux décrivent les performances au niveau de la sortie des systèmes laser.

11 : La taille du spot (unité typique : le µm)

La taille du spot d’un faisceau laser focalisé caractérise le diamètre de ce faisceau au point focal d’un système de lentille de focalisation. Dans beaucoup d’applications telles que le traitement des matériaux et la chirurgie médicale, l’objectif est de minimiser la taille du spot. Ceci maximise la densité de puissance et permet la création de fonctionnalités particulièrement précises (Figure 5). Des lentilles asphériques sont souvent utilisées à la place des lentilles sphériques conventionnelles afin de réduire les aberrations sphériques et de produire des spots focaux plus petits. Certains types de systèmes laser ne se limitent pas à focaliser le laser sur un point, auquel cas ce paramètre n’est pas applicable.

Figure 5 : Les expériences de micro-usinage laser menées à l’Institut italien de technologie ont montré que l’efficacité d’ablation d’un système de perçage laser nanoseconde a été multipliée par dix en diminuant la taille du spot de 220 μm à 9 μm à fluence constante¹

12 : La distance de travail (unités typiques : du µm au m)

La distance de travail d’un système laser est communément définie comme étant la distance physique entre l’élément optique final (généralement, une lentille de focalisation) et l’objet ou la surface sur laquelle est focalisé le laser. Certaines applications, telles que les lasers médicaux, cherchent souvent à minimiser la distance de travail, tandis que d’autres applications, comme la télédétection, visent souvent à maximiser leur portée.

Références:

Brandi, Fernando, et al. “Very Large Spot Size Effect in Nanosecond Laser Drilling Efficiency of Silicon.” Optics Express, vol. 18, no. 22, 2010, pp. 23488–23494., doi:10.1364/oe.18.023488.

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