Densité de puissance laser versus densité d'énergie laser
Edmund Optics Inc.

Densité de puissance laser versus densité d'énergie laser

Les densités de puissance et d'énergie sont deux concepts importants à comprendre lorsqu'on parle d'optique laser. Ces deux termes sont souvent utilisés de manière interchangeable mais ont des significations différentes. Le Tableau 1 définit la densité de puissance, la densité d'énergie et d'autres termes connexes en rapport avec l'optique laser.

Mesure Définition Unités
Puissance Énergie de la lumière par unité de temps, telle que l'énergie délivrée par un faisceau laser. W ou J/s
Énergie Énergie potentielle stockée dans le rayonnement électromagnétique, trouvée en intégrant la puissance par rapport au temps. J
Densité de puissance Puissance par unité de surface, également appelée irradiance. W/cm2
Densité d’énergie Énergie par unité de surface, également appelée fluence. J/cm2
Densité de puissance linéaire Distribution linéaire de la puissance d'un faisceau à intensité uniforme décrivant le seuil de dommage laser (LIDT) des lasers à ondes continues (CW) par la puissance totale divisée par 1/e2 du diamètre du faisceau. La densité de puissance linéaire ne s'applique qu'aux faisceaux à intensité uniforme et doit être ajustée pour les faisceaux gaussiens. W/cm2
Pic d'irradiance L'irradiance maximale, ou densité de puissance optique, atteinte pendant la durée d'une impulsion laser.5 W/cm2
Énergie d’impulsion L'énergie optique maximale atteinte pendant la durée d'une impulsion laser. J
Densité de puissance volumétrique La puissance sur un volume tridimensionnel, qui prend en compte la profondeur de pénétration du laser dans un échantillon dans des applications comme l’usinage de matériaux. W/cm3
Densité d’énergie volumétrique L'énergie sur un volume tridimensionnel, qui prend en compte la profondeur de pénétration du laser dans un échantillon dans des applications comme l’usinage de matériaux. J/cm3
Tableau 1 : Définitions des mesures courantes utilisées pour décrire les faisceaux laser et autres rayonnements électromagnétiques.

Dans la plupart des disciplines scientifiques, y compris la chimie et l'ingénierie électrique, la « densité de puissance » et la « densité d'énergie » décrivent généralement un volume tridimensionnel. Cependant, dans les sciences optiques, ces termes sont généralement utilisés pour décrire une zone bidimensionnelle, à moins qu'elle ne soit décrite comme « volumétrique ». La densité de puissance, la densité d'énergie, la fluence et l'irradiance sont souvent utilisées de manière interchangeable dans le secteur de l'optique, ce qui peut être totalement inexact, surtout s'il n'est pas clair si la mesure est une valeur bidimensionnelle ou tridimensionnelle. Ceci est particulièrement important pour les applications de découpe et de soudage au laser, car la profondeur de pénétration du laser doit être prise en compte, et non seulement le faisceau laser sur la surface. Les valeurs volumétriques s'appliquent généralement mieux à ces situations. Il s'agit d'une distinction importante qui doit être comprise pour éviter tout malentendu.

La plupart des faisceaux laser ont un profil de faisceau gaussien, de sorte que l'irradiance et la fluence sont toutes deux maximales sur l'axe optique du laser et diminuent à mesure que la déviation par rapport à l'axe augmente.6 D'autres lasers ont des profils de faisceau à intensité uniforme qui, contrairement aux faisceaux gaussiens, présentent un profil d'irradiance constant sur la section transversale du faisceau laser et une chute rapide de l'intensité. Par conséquent, les lasers à intensité uniforme ne présentent pas de pic d'irradiance. La puissance de crête d'un faisceau gaussien est le double de celle d'un faisceau à intensité uniforme ayant la même puissance moyenne (Figure 1).

Graphique gaussien et à intensité uniforme
Figure 1 : Comparaison d'un profil de faisceau gaussien avec un faisceau à intensité uniforme ayant la même puissance moyenne, montrant que le faisceau gaussien a une puissance de crête supérieure à celle du faisceau à intensité uniforme d'un facteur deux.

Les points chauds, ou fluctuations locales de l'irradiance, dans un faisceau laser peuvent souvent fausser sa distribution gaussienne. Les points chauds n'affecteront pas le pic d'irradiance, à moins que la puissance du point chaud ne dépasse celle de l'axe optique, mais les points chauds fausseront toutes les mesures de la densité de puissance et de l’énergie. Les densités de puissance et d'énergie sont toutes deux des quantités volumétriques, de sorte que la découpe réalisée par le laser peut ne pas être aussi précise et être décentrée. Dans les applications de micro-usinage, les utilisateurs ne seront pas en mesure de discerner le problème en mesurant simplement l'irradiance ou la fluence. Au lieu de cela, le profil du faisceau devra être soigneusement contrôlé. Comme le montre la Figure 2, une distribution gaussienne ressemble à une courbe en cloche où le pic d'irradiance se trouve au centre et où l'irradiance diminue de manière égale des deux côtés. L'introduction d'un point chaud faussera cette distribution.

Graphiques des faisceaux
Figure 2 : Représentation des points chauds qui faussent les distributions d'intensité sur les faisceaux gaussiens et à intensité uniforme.

Les lasers à ondes continues (CW) nécessitent une terminologie correcte pour décrire précisément leurs performances. Par définition, ils n'ont pas d'impulsions, et il n'est donc pas possible d'appliquer le pic d'irradiance. La densité linéaire est le terme approprié à utiliser pour les lasers CW avec une intensité de faisceau uniforme et est généralement utilisée pour déterminer le LIDT en divisant la puissance moyenne par le diamètre du faisceau. Pour les lasers quasi-CW, des lasers à impulsions ultrarapides avec une fréquence de répétition supérieure à 50 KHz, le pic d'irradiance peut être nettement supérieur à celle d'un laser à impulsions normal avec une puissance moyenne équivalente. Cela est dû au fait que la puissance moyenne équivalente est condensée dans une durée d'impulsion incroyablement courte. Le pic d'irradiance des lasers quasi-CW est beaucoup plus élevé que celle des lasers CW, même s'ils ont la même fluence.

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Graphiques des faisceaux

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Références

  1. Paschotta, D. (2020, March 14). Power Density. Consulté le 29 juin 2020 sur le site https://www.rp-photonics.com/power_density.html
  2. Power density. (s.d.). Consulté le 29 juin 2020 sur le site https://energyeducation.ca/encyclopedia/Power_density
  3. Xiang, Z., Yin, M., Dong, G., Mei, X. et Yin, G. (2018, mars). Modeling of the thermal physical process and study on the reliability of linear energy density for selective laser melting. Results in Physics, 9, 939-946. doi:10.1016/j.rinp.2018.03.047
  4. Paschotta, D. (2020, March 14). Irradiance. Consulté le 29 juin 2020 sur le site https://www.rp-photonics.com/irradiance.html
  5. Becker, J. (2018, April). Peak Irradiance & Energy Density. Phoseon Technology.
  6. Paschotta, D. (2020, May 03). Fluence. Consulté le 29 juin 2020 sur le site https://www.rp-photonics.com/fluence.html

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