Lasers CO2 – fonctionnalité et champs d’application

Le fonctionnement de la source laser est tributaire de ce que l’on appelle l’excitement. Pour les lasers CO₂ pulsés, celui-ci est obtenu en irradiant les ondes électromagnétiques avec une fréquence dans la plage des dizaines de mégahertz dans un mélange de gaz CO₂, N2 (azote) et He (hélium) à l’aide d’antennes. Les lasers CO₂ à émission continue peuvent être excités par haut voltage jusqu’à près de 20 000 volts et la décharge luminescente en résultant. 

L’excitation assure finalement que les molécules de CO₂ parviennent à un niveau d’énergie plus élevé. L’énergie plus élevée est stockée dans un résonateur sous forme de rotation ou vibration des molécules de CO₂. Si un photon de longueur d’onde approprié (semi-infrarouge) heurte une molécule CO₂ excitée, une « émission stimulée » se produit, c’est-à-dire que l’énergie stockée dans la rotation ou la vibration est émise sous forme de photon. Le photon incident a ainsi produit un « photon jumeau »et réduit l’énergie de la molécule de CO₂ avec l’énergie du photon jumeau (en conséquence directe de la conservation d’énergie). S’il y a suffisamment de molécules CO₂ excitées, le nombre de photons générés par émission stimulée augmente de manière exponentielle (« effet d’avalanche »).

Le faisceau laser généré est dirigé par des miroirs en direction de la pièce à traiter. Le faisceau laser est focalisé dans une tête de coupe placée directement au-dessus de la pièce. Le laser frappe la tête de découpe avec un diamètre d’env. 20 mm. Il y est focalisé à l’aide d’une lentille convergente, p. ex. à un diamètre de 0,1 mm dans le plan focal. <br/> Dans la tête de découpe ou près du point où le faisceau laser frappe la pièce, du gaz est souvent fourni également. Oxygène pour découpe au chalumeau, c’est-à-dire que l’oxydation de la pièce par l’ajout d’oxygène aide le processus de découpe. Gaz inerte (souvent azote ou argon), mais doit minimiser les processus d’oxydation autant que possible.

Dans le point focal, c’est-à-dire précisément là où le faisceau laser est focalisé sur la pièce, des températures supérieures à la température de vaporisation du matériau respectif surviennent lors de chaque (!) processus de gravure ou de découpe. La vaporisation entraîne alors une gravure ou le trait de découpe. 

Actuellement, il y a plusieurs designs de laser CO_2, qui se recoupent en termes de construction. Les types les plus courants comprennent les lasers à flux longitudinal et transversal, les lasers isolés, le laser guide à ondes et le laser TEA.

Lasers à flux longitudinal et transversal

Le design est plutôt simple et souvent utilisé avec les lasers à haute puissance de sortie. Dans les lasers à flux longitudinal et transversal, un gaz laser est perpétuellement aspiré à travers un tube de décharge à l’aide d’une pompe à vide. Avec un courant de décharge direct, une part du dioxyde de carbone contenu dans le mélange de gaz est divisée en monoxyde de carbone et oxygène. À travers plusieurs pompes dans le système de tube, le mélange de gaz est perpétuellement en circulation, ce qui permet une suppression de perte de la chaleur plus efficace.

Laser isolé

Dans ce design, le mélange de gaz n’est pas remplacé par une pompe, mais de l’hydrogène, de la vapeur d’eau et de l’oxygène sont ajoutés au mélange de gaz. Ces ajouts de mélange assurent que le monoxyde de carbone obtenu réagisse via une électrode faite de platine au dioxyde de carbone. Le CO2 est ainsi régénéré catalytiquement.

Laser guide à ondes

Le laser guide à ondes, également connu sous le nom de laser en plaque, utilise deux électrodes comme guides à ondes et dispose d’un résonateur cubique. Puisque la section transversale a un rapport d’aspect élevé (p. ex. hauteur à profondeur 10:1), le résonateur dispose d’une zone de surface relativement large en comparaison au volume. Cela permet une élimination efficace de la perte de chaleur.

Laser TEA

Le « laser à pression atmosphérique excitée transversalement », TEA (« transversely excited atmospheric pressure laser ») en bref, est toujours utilisé lorsque des pressions de gaz élevées jusqu’à un bar sont nécessaires avec des durées d'impulsion jusqu’à 100 ns. Dans ce design, la tension de décharge est appliquée en courtes impulsions de moins d’une microseconde à travers le flux de gaz. Cela évite la formation d’arc.

Les lasers CO₂ sont utilisés dans la plage de puissance de 10 à 400 watts pour la découpe, la perforation ou la gravure de matériaux organiques et fins, tels que le bois, les textiles ou le plastique. Il est possible d’obtenir une qualité très élevée lors de la découpe de PMMA (« acrylique », « plexiglas »). Lorsque le traitement est réalisé correctement, les bords de découpe sont aussi transparents que les autres surfaces de la pièce.

Les lasers CO₂ à puissance augmentée entre 1 et 6 kilowatts sont des lasers industriels typiques utilisés pour souder, durcir ou refondre des métaux. Dans la production moderne, les lasers CO₂ sont de plus en plus utilisés pour la découpe laser sans oxyde. Les machines de découpe laser sont notamment utilisées pour les petits lots de traitement de feuille de métal. Cependant, pour les plus grandes quantités, le poinçonnage est toujours l’option la plus économique. 

Le laser CO₂ est utilisé dans une multitude d’industries différentes. L’industrie automobile figure au premier rang, avec l’utilisation des lasers pour perforer le point de rupture dans le tableau de bord pour les airbags. Les garnitures de toits ou panneaux latéraux sont également fabriqués à l’aide de lasers CO₂. <br/> Même dans l’industrie des vêtements, les lasers CO₂ sont utilisés de différentes manières. Des tissus découpés à la texturation de jeans, le laser est une alternative respectueuse de l'environnement aux traitements chimiques et abrasifs. 

La découpe de plastiques renforcés à la fibre, tels que le GRP et le CRP, est un marché pérenne pour les lasers CO₂. Il s’agit ici de l’industrie automobile, de l’aviation ou de l’industrie à énergie éolienne, où des plastiques renforcés à la fibre sont utilisés pour répondre aux importants problèmes actuels, tels que la durabilité, l’efficacité énergétique ou la protection du climat.