Lasers à fibre – fonctionnalité et champs d’application

Le laser à fibre est un laser d’état solide, dans lequel la lumière et la pompe d’appoint sont guidées dans des fibres optiques (« fibres de verre »). Le milieu actif de laser est la zone interne entre les sections de la fibre de verre, qui est dopé avec un élément terrestre rare (souvent l’ytterbium).

L’énergie est fournie par des diodes laser, dont la lumière (souvent 915 nm ou 977 nm) est transmise à la fibre de verre dopée via des fibres optiques. Les fibres optiques sont interconnectées via l’épissage (soudure de verre), c’est-à-dire que souvent, il n’y a pas de voie de faisceau ouverte pour la lumière laser ou de la pompe (voir figure 1). En conséquence, le laser à fibre est relativement insensible à la contamination et aux vibrations. Les diodes de la pompe étant physiquement séparées l’une de l’autre et chacune ayant son propre puits de chaleur, la durée de vie des diodes de la pompe est élevée. Tant que la puissance de crête des impulsions laser est maintenue sous env. 10 – 20 kW, la durée de service totale peut s’élever à dix mille heures. Il existe des lasers à fibre à émission continue (« oc » = onde continue), ainsi que des lasers à fibre pulsée. Seuls les lasers à fibre pulsée seront mentionnés ci-après, car ils sont bien mieux adaptés aux applications de marquage et de gravure. Les durées de l'impulsion sont généralement autour de 100 nanosecondes. Des impulsions plus courtes de quelques nanosecondes sont possibles, mais seulement avec une puissance d’impulsion nettement inférieure.

Les lasers à fibre pulsée au design « MOPA » sont composés d’un « oscillateur maître » (également « laser d’ensemencement ») et d’un « amplificateur de puissance » à fibre couplée. Celui-ci est soit un laser à diode, soit un « laser à puce » avec une puissance moyenne de quelques milliwatts à un maximum d’env. 150 mW. Le laser émet des pulsations avec une forme de pouls définie. Le « laser à puce » abrite un laser sur une seule puce. Le milieu actif de laser, les réflecteurs et autres composants optiques sont souvent non seulement intégrés, mais également construits de manière monolithique. L’amplificateur est composé de fibre de verre dopée à l’ytterbium, approvisionnée en énergie avec des diodes de pompe couplées par fibre optique. Si une impulsion laser doit être générée, les diodes de la pompe chargent tout d’abord (inversion de population) l’amplificateur à fibre. Avant de décharger par émission spontanée, le laser d’ensemencement émet une impulsion amplifiée quelques centaines de fois à quelques milliers de fois lorsqu’elle passe à travers la fibre. L’amplification se produit lors d’un seul passage (« amplificateur à passage unique »). La fibre est souvent sous forme de bobine, ainsi, dans un petit volume, il est possible d’obtenir une vaste plage d’amplification et ainsi un gain élevé.

La puissance de crête des impulsions des lasers à fibre pour les applications de gravure et de marquage est typiquement de 10 kW – 20 kW. Et ce à une puissance de sortie moyenne de 10 W – 100 W. Grâce à l’excellente qualité du faisceau et à la bonne possibilité de focalisation associée, de petites structures peuvent être gravées ou des marquages et images à haute résolution peuvent être marqués.

La grande surface et le petit volume à la fois des fibres de verre utilisées permettent un refroidissement efficace et ainsi une structure très compacte et sans maintenance. L’efficacité relativement élevée (électrique – optique jusqu’à plus de 20 %) garantit de faibles frais énergétiques et peu de chaleur perdue. Le total des frais de service est nettement moins élevé que pour les lasers YAG qui ont été disponibles plus longtemps et permettent des applications similaires.

Comparés aux lasers YAG, les lasers à fibre ont des puissances de crête des impulsions plus faibles (10-20 kW pour lasers à fibre, 30 – 100 kW pour YAG) et des durées d’impulsion plus élevées. Cela peut être préjudiciable lors du marquage de certains plastiques et dans la gravure profonde de haute qualité des métaux.

La petite section transversale des fibres de verre utilisées limite la puissance de crête des lasers à fibre. Si des impulsions de courte durée et de l’énergie d’impulsion élevée sont générées, des intensités de crête importantes surviennent, ce qui peut entraîner la destruction de la fibre (formation de centres de couleur).

Les lasers à fibre pulsés ont au moins partiellement remplacé les lasers YAG préalablement établis au cours des 10 dernières années. La structure compacte, robuste et relativement simple à refroidir des lasers à fibre, associée à une longue durée de vie et de faibles frais de service totaux a permis cela. L’industrie des télécommunications a permis l’acquisition (adaptation) des processus de fabrication importants dans la construction des lasers à fibre, p. ex. l’épissage, c’est-à-dire la soudure des faces d’extrémité de deux fibres de verre, avec une grande pureté de la surface de contact et une faible atténuation.