Modelage de faisceau pour une puissance élevée et des durées d’impulsions courtes

Le modelage de faisceaux laser à profil gaussien en faisceaux à intensité uniforme ou en faisceaux de Bessel est essentiel pour de nombreuses applications laser précises. Alors qu’on utilise couramment les optiques réfractives pour le modelage des faisceaux, les convertisseurs de faisceaux et les axicons réflectifs éliminent les pertes de transmission et peuvent supporter des lasers de plus grande puissance. Ils éliminent également la dispersion chromatique, ce qui les rend idéaux pour les systèmes ultrarapides. Les convertisseurs de faisceau réflectifs sont idéaux pour le micro-usinage de matériaux et d'autres applications laser de haute précision. Les progrès des lasers ultrarapides et d'autres technologies laser ont conduit à un nombre croissant de systèmes utilisant des convertisseurs de faisceau pour améliorer l'efficacité et la précision.

Axicons réflectifs

Les axicons transmissifs sont des optiques coniques qui transforment la lumière collimatée incidente en un profil de faisceau en forme d'anneau dans le champ lointain et se rapprochent d'un faisceau de Bessel sur une région donnée dans le champ proche. Dans la région du faisceau de Bessel, le faisceau ne se diffracte pas et ne se dilate pas lorsqu'il se propage, comme le montre la figure 2. En fait, la largeur du faisceau de Bessel peut être inférieure à la limite de diffraction.

Les axicons réflectifs hors axe génèrent des faisceaux de Bessel de haute qualité qui offrent plusieurs avantages par rapport aux axicons transmissifs. Les axicons réflectifs créent des faisceaux de Bessel plus proches de l'idéal que les modèles à transmission et sont plus résistants aux lasers de grande puissance. L'absence de propagation à travers un milieu optique élimine également la dispersion chromatique, ce qui maintient la durée d'impulsion dans les applications laser ultrarapides. La figure 1 montre un schéma typique pour générer un faisceau de Bessel avec un axicon réflectif.

Figure 1 : Cet axicon réflectif hors axe se rapproche étroitement d'un faisceau de Bessel sur une région donnée et continue ensuite à se propager dans une distribution en forme d'anneau.

La concentration intense de lumière dans les faisceaux de Bessel générés par les axicons réflectifs est idéale pour l’usinage de matériaux au laser, comme le perçage de nanocanaux dans le verre et d'autres matériaux transparents.¹ L'efficacité de la découpe du verre peut être maximisée en perçant d'abord des nanocanaux, puis en appliquant une force pour fracturer le verre le long des trous. Les dimensions des trous peuvent être finement contrôlées avec une grande reproductibilité. Pour plus d’informations sur les axicons, consultez notre note d’application An In-Depth Look at Axicons.

Figure 2 : La répartition de l'intensité d'un faisceau de Bessel formé par un axicon réflectif (en haut) et d'un nanocanal percé dans le verre à l'aide d'un faisceau de Bessel (en bas), avec l'aimable autorisation de Cailabs.².

La conversion multi-plan de la lumière - Le secret du modelage des faisceaux par réflexion

La conversion multi-plan de la lumière (MPLC) est un procédé de modelage de faisceau à faible perte qui fait appel à des plaques de phase et à la propagation en espace libre.³ La MPLC est idéale pour les systèmes à faisceaux multiples, car les faisceaux peuvent être modelés simultanément. La MPLC peut être réalisée dans des configurations de transmission et de réflexion, et les systèmes MPLC par réflexion évitent la dispersion et l'absorption résultant de la propagation par l'optique réfractive. Cette technique a été développée par Cailabs, une entreprise française « Deep Tech » basée à Rennes.

Les convertisseurs de faisceau par réflexion utilisant la MPLC sont souvent configurés comme des cavités à passages multiples, dans lesquelles les faisceaux laser incidents sont réfléchis plusieurs fois entre une plaque de phase réflective et un miroir pour produire le profil de faisceau de sortie souhaité. Ces systèmes bénéficient d'une grande sélectivité de mode et d'une faible perte d'insertion. Regardez la vidéo ci-dessous pour plus d'informations sur la MPLC.

Sommaire de la MPLC, avec l'aimable autorisation de Cailabs

La génération de faisceaux à intensité uniforme à l'aide de la MPLC peut accroître la précision et améliorer l'efficacité des applications laser telles que le micro-usinage de matériaux. Les faisceaux à intensité uniforme améliorent la qualité du traitement en réduisant les effets thermiques le long des côtés des éléments, ce qui permet d'obtenir des bords plats. La forme transversale du faisceau peut également être adaptée à une forme carrée, ce qui réduit le chevauchement des côtés et les pertes de matériau (figure 3).⁴ Les systèmes MPLC peuvent accepter de nombreux modes laser différents et peuvent être adaptés pour rejeter les modes indésirables, ce qui les rend moins sensibles aux faisceaux d'entrée imparfaits et à la variation du faisceau dans le temps. Parmi les autres avantages du modelage du faisceau par réflexion, on peut citer la compatibilité avec les scanners galvo, des rendements de fabrication plus élevés, des temps d’usinage plus courts et l'absence de dispersion chromatique en régime femtoseconde. La mise en forme du faisceau par réflexion au moyen de la MPLC améliore également la précision du soudage laser, du marquage, de la texturation de surface et de la fabrication d'additifs.

Figure 3 : Ces éléments carrés ont été microperforés avec un convertisseur de faisceau laser réflectif CANUNDA-PULSE avec un laser ultrarapide d'amplitude, et leur forme minimise le chevauchement des côtés et le gaspillage de matériaux. Avec l'aimable autorisation de Cailabs.

FAQ

  Pourquoi la dispersion chromatique est-elle importante pour les systèmes laser ultrarapides ?

Le spectre des longueurs d'onde des impulsions laser augmente lorsque la durée de l'impulsion diminue, de sorte que les courtes durées d'impulsion des lasers ultrarapides se traduisent par des largeurs de bande importantes. Cette large bande passante est alors considérablement affectée par la dispersion chromatique, car les impulsions ultrarapides traversent des milieux optiques, tels que des objectifs de microscope, des modulateurs acousto-optiques, des fenêtres, des lentilles et des filtres. Pour plus d'informations, cliquez ici.

  Quelle est le pic d'énergie que les Canunda-Axicon réflectifs peuvent supporter ?

Les Canunda-Axicon sont bien adaptés pour fonctionner avec des lasers haute énergie jusqu'à 1mJ, même en régime femtoseconde, grâce à leur traitement à faible perte et à leur conception réflective.

  La conversion multi-plan de la lumière (MPLC) est-elle utilisée pour des applications autres que l’usinage des matériaux ?

Oui, la MPLC, développée par Cailabs, est également utile pour la communication par fibre optique. Elle peut augmenter la largeur de bande dans les systèmes à fibres multimodes sans augmenter considérablement la complexité et le coût du système. Elle peut également être utilisée pour les communications optiques, telles que les communications sol-satellite, en filtrant les turbulences atmosphériques et en combinant les lasers tout en gardant une faible divergence.

  A quelle durée d'impulsion un laser est-il considéré comme « ultrarapide » ?

Les impulsions laser ayant une durée de picosecondes, de femtosecondes et d'attosecondes (<100ps) sont généralement considérées comme étant « ultrarapides ».