OPTIQUE POUR APPLICATIONS LASER À FIBRES

OPTIQUE POUR APPLICATIONS LASER À FIBRES

Les lasers à fibre ont trouvé une niche de traitement et de recherche dans laquelle les lasers Nd: YAG sont trop coûteux ou présentent des propriétés de faisceau indésirables (par exemple, des valeurs M2 élevées). Les utilisateurs de lasers à fibre peuvent se préoccuper de l'interchangeabilité de leur offre actuelle de composants optiques ou de la spécification de nouvelles optiques. Cet article traite de ces sujets de préoccupation et met en évidence les caractéristiques qui doivent être spécifiées avec le plus grand soin.

Les lasers à fibre gagnent du terrain dans diverses applications telles que le perçage, le soudage, la découpe de feuille, le marquage au laser et le micro-usinage de précision. Les chercheurs les trouvent également très utiles en tant que sources en raison de leurs faibles empreintes et de leurs faibles valeurs de M2. Le succès des lasers à fibre repose sur leur combinaison unique de caractéristiques de faisceau indisponibles d’autres sources dans la même gamme de longueurs d’onde: fonctionnement optionnel en CW ou pulsé, contrôle de polarisation (aléatoire, linéaire ou circulaire), bande passante spectrale étroite et valeurs TEM00 M2 proches de 1 Avec une telle amélioration des lasers M2 par rapport aux lasers Nd: YAG, des densités de puissance nettement plus élevées peuvent être obtenues. Des faisceaux plus focalisés sont possibles, ce qui permet d'obtenir des images plus nettes pour le marquage et des coupes plus fines pour le micro-usinage. Les distances de travail de fabrication peuvent également être augmentées. Ainsi, le marché s'attend à faire face à une demande croissante de composants optiques dédiés conçus pour les applications laser à fibre.

1 Effets de la qualité du faisceau

Le processus de sélection des composants est fortement influencé par les densités de puissance élevées pouvant être atteintes avec les lasers à fibre. La cavité optique d'un laser à fibre est le noyau de la fibre qui peut être conçu pour minimiser le nombre de modes, permettant ainsi aux fabricants de produire commercialement des lasers avec M2 = 1,05. M2 est le rapport entre le produit de divergence de diamètre multimode du faisceau laser et le produit de divergence de diamètre de faisceau limité par diffraction (TEM00) idéale:

Où Θ0 est la divergence du faisceau en milliradians et w0 est la largeur de la ceinture du faisceau de sortie (si le faisceau est circulaire, alors w0 peut être remplacé par le diamètre du faisceau d0). Ou pour le diamètre de point focal réalisable d0:

La figure 1 illustre les paramètres utilisés dans l'équation (2). Les fabricants de lasers à fibre optique fournissent généralement une tête de transfert de faisceau avec une sortie collimatée d’un diamètre compris entre 5 et 20 mm (D0). Les calculs montrent qu’un diamètre théorique du point focal d0 de 10 µm est réalisable avec un objectif à distance focale de 19mm. Par conséquent, pour un laser à fibre optique de 50 W à 1075 nm, le faisceau focalisé offre une densité de puissance optique exceptionnelle.

Le tableau 1 indique d'autres combinaisons. Bien que l'optique de direction du faisceau puisse ne jamais voir un point parfaitement focalisé, il existe un facteur de sécurité que le concepteur voudra prendre en compte; ces densités de puissance élevées, limitées par la diffraction, peuvent toucher les éléments optiques lors de l'alignement.

Pour les lasers à fibres pulsées à basse énergie et les lasers à ondes entretenues de moyenne portée (de l'ordre de 1 à 5 W de puissance moyenne), le verre N-BK7 de Schott chott.de) est un matériau de substrat approprié et peu coûteux pour les optiques à réflexion et à transmission où l'énergie à la surface optique est <50 mw=""> Le N-BK7 est un verre optique à base de borosilicate présentant une haute homogénéité et une transmission élevée dans le visible et le proche infrarouge. Des revêtements antireflet (AR) peuvent être utilisés sur les fenêtres, les lentilles et les réflecteurs partiels pour augmenter la transmission globale à travers le composant. À ces énergies, des revêtements AR à bande étroite («V» -coat) ou multicouches à large bande peuvent être utilisés pour réduire la réflectivité par surface d'environ 4% à <0,25% sur="" une="" seule="" longueur="" d'onde="" ou=""><0,5% sur="" une="" bande="" passante="" de="" 250="" à="" 400="" nm="" pour="" les="" systèmes="" laser="" accordables="" (voir="" figure="">

Les couches en «V» à bande étroite sont des couches antireflet diélectriques multicouches (généralement à deux couches) qui permettent d'obtenir une réflectance minimale théorique sur une bande étroite de longueurs d'onde. La réflectance augmente rapidement de part et d'autre de ce minimum, ce qui lui donne une forme de «V» dans le graphique de réflectivité par rapport à la longueur d'onde. Les fabricants américains utilisent généralement la terminologie «V-coat» ou «laserline» pour différencier ce revêtement de leurs offres AR à large bande.

Une autre option matérielle à utiliser avec les lasers à fibre 1-5W est le verre N-SF11 de Schott, qui a un indice de réfraction n = 1,754 à 1060 nm, supérieur à celui du N-BK7 (1.507). Cela offre de la flexibilité si un objectif de courte focale est requis pour l'application. Étant donné que les coefficients de dilatation thermique du N-SF11 et du N-BK7 sont compris entre 8 × 10-6 / ° C, la silice fondue est le matériau de choix pour le substrat si la stabilité thermique est importante. La silice fondue a un coefficient de dilatation thermique de seulement 0,57 × 10-6 / ° C, un ordre de grandeur plus stable que les autres matériaux optiques. Les fabricants de laser à fibre recommandent la silice fondue pour les optiques transmissives pour une utilisation avec des puissances laser à fibre supérieure à 50W. Par exemple, Southampton Photonics, Inc. (pioptics.com) recommande vivement l’utilisation de la silice fondue pour les applications laser à fibre optique en raison de son seuil de dommage laser nettement plus élevé. Il a des propriétés de transmission similaires à celles du N-BK7 de 500 à 2 000 nm, mais il est plus stable thermiquement et a des limites de seuil de dommage plus élevées pour les systèmes à impulsions et à ondes entretenues. IPG Photonics (pgphotonics.com) recommande la silice fondue de qualité IR pour les lasers à fibre de puissance supérieure à 1 kW. Là encore, les revêtements AR peuvent être utilisés pour réduire les réflexions de surface, mais pour les énergies plus élevées, il est préférable d’utiliser uniquement des revêtements AR multicouches “V” -coat pouvant supporter jusqu’à 1 MW / cm2 ou plus.

2 lentilles

Dans certaines applications, telles que l'imagerie de pièges optiques, il est essentiel de maintenir la qualité de l'image tout au long du trajet du faisceau. Bien que les lentilles simples, en silice fondue ou en matériau N-BK7, conviennent aux applications de guidage de faisceau simples, les lentilles aplanatiques à doublet ou à triplet peuvent être plus appropriées pour minimiser les erreurs de front d'onde transmises. Ces objectifs sont conçus pour minimiser deux erreurs de front d’onde monochromatiques appelées Aberration sphérique et Coma. L'aberration sphérique est axialement symétrique et se produit lorsque des rayons collimatés traversant les zones extérieures de la lentille se focalisent à une distance différente de celle de la lentille par rapport aux rayons passant par la zone centrale. Coma est une distorsion de front d'onde non symétrique hors axe qui augmente linéairement avec l'angle du champ ou la distance par rapport à l'axe principal. En combinaison, ces aberrations déforment le front d'onde transmis à travers la lentille et entraînent une forme irrégulière et / ou un flou du point focal.

Les conceptions de lentilles de doublet et de triplet peuvent utiliser les matériaux de substrat énumérés précédemment ou d'autres matériaux, selon les critères de conception spécifiques. Ils sont optimisés pour une seule longueur d'onde et sont généralement espacés pour minimiser la distorsion du front d'onde induite par le ciment entre les surfaces en verre. Un espacement d'air entre les éléments permet également une conception plus flexible, car les surfaces adjacentes ne doivent pas nécessairement présenter des courbures identiques. Au lieu de cela, chacune des quatre à six surfaces peut être optimisée indépendamment afin de minimiser au mieux le coma et les aberrations sphériques à travers l’ensemble de la lentille. Les assemblages de lentilles cimentées doivent être évités afin de maximiser le seuil de dommage global et la durée de vie du composant.

3 Bande passante spectrale étroite

La gamme de longueurs d'onde d'un laser à fibre est déterminée par l'architecture de pompage du fabricant et par les dopants utilisés dans la cavité du laser à fibre active. Les plages de longueurs d’onde typiques sont: 780-800 nm pour le dopage à l’erbium,

1030-1120nm pour l'ytterbium, 1530-1600nm pour l'erbium-ytterbium et 1800-2100nm pour le thulium. La largeur de bande d'un laser à fibre est généralement définie par des réseaux de Bragg à fibre. Les fabricants de lasers à fibre optique spécifieront une plage dans laquelle l'utilisateur final peut sélectionner une longueur d'onde spécifique. La bande passante réelle de chaque laser est seulement 1-2 nm. Cela peut constituer un détail important lors du choix de composants tels que des plaques d'ondes d'ordre supérieur qui ne fonctionnent correctement que sur une bande passante étroite.

4 optique de polarisation

La largeur de bande et la densité d'énergie sont les caractéristiques de faisceau les plus importantes à connaître lors du choix entre divers polariseurs et plaques d'onde. Les polariseurs linéaires polymères ne sont pas destinés à être utilisés à des énergies supérieures à 1 W / cm2. Les polariseurs cubiques cimentés sont disponibles dans les conceptions à bande étroite et à large bande mais les seuils d’endommagement sont limités par l’époxy interne. Bien que quelques ciments optiques puissent supporter des densités de puissance laser de 500 W / cm2, les fabricants de lasers à fibre recommandent d'éviter les optiques cémentées pour les lasers à fibre supérieurs à 50W. Au-dessus de ce niveau, il est nécessaire de passer à un modèle de cube polarisant à espacement aérien ou à contact optique, capable de gérer plus de 1 MW / cm2 de lumière laser CW.

Pour une lame d'onde en quartz cristal d'ordre multiple d'à peu près 1 mm d'épaisseur, une variation de longueur d'onde de 2 nm peut faire la différence entre une lame d'onde excellente et une partie inacceptable. Une lame d'onde λ / 4 de 1 mm d'épaisseur conçue pour 1082 nm serait en réalité une lame d'onde de 0,23λ à 1084 nm, ou λ / 50 off. Alternativement, une lame d'onde composée d'ordre zéro composée conçue pour les deux mêmes longueurs d'onde modifierait le retard entre les deux ondes de <à 1000,="" ce="" qui="" se="" situe="" bien="" dans="" les="" limites="" de="" mesure=""> Les plaques d'onde d'ordre zéro fonctionnent très bien à ± 40-70 nm de la longueur d'onde de conception et conviennent bien aux systèmes laser accordables ainsi qu'à ceux avec des largeurs de bande de raie laser> 1 nm (voir la figure 3).

5 miroirs

Les composants standard - c.-à-d. Les conceptions de revêtement existantes - pour d'autres lignes laser peuvent ne pas correspondre assez bien aux nouvelles longueurs d'onde et puissances du laser à fibre pour des performances optimales. Pour les systèmes à très basse consommation d'énergie, les revêtements de miroir en métal protégés tels que l'or, l'aluminium et l'argent peuvent être des choix appropriés pour certaines applications où une réflectivité à 100% n'est pas requise. Ils sont facilement disponibles et peu coûteux. Cependant, même avec les couches protectrices, les revêtements métalliques sont mous et finiront par être rayés ou corrodés s'ils ne sont pas manipulés correctement. Alternativement, les miroirs diélectriques multicouches sont à revêtement dur, durables et hautement réfléchissants en incidence normale ou à 45 ° (voir figure 4). Ils ont des seuils de dommages supérieurs à 20 J / cm2 dans des systèmes pulsés de 10 à 20 ns et ne doivent donc pas se dégrader ni être endommagés lorsqu’ils sont utilisés dans des configurations de laser à fibres pulsées ou à fibres optiques. Bien qu’il ne soit pas particulièrement large bande, un miroir diélectrique standard conçu pour les systèmes Nd: YAG à 1 064 nm restera toujours réfléchissant à plus de 99% à 1075 nm ou 1080 nm.

6. Conclusion

CVI a lancé une nouvelle gamme de miroirs spécialement conçus pour être utilisés avec les systèmes laser à fibre. De plus, CVI a ajouté les longueurs d'onde les plus courantes des fibres laser aux gammes de produits existantes, notamment les revêtements AR pour les optiques transmissives, telles que les plaques d'onde, les lentilles et les fenêtres, ainsi que les revêtements réfléchissants pour les séparateurs de faisceau, les réflecteurs partiels, les coupleurs de sortie et les miroirs.

Les fabricants de lasers à fibre continuent de repousser les limites de leur technologie en augmentant la puissance disponible et la puissance pulsée disponibles sur le marché. L'excellente qualité du faisceau associée aux énergies plus élevées continuera à imposer des exigences croissantes aux composants optiques utilisés dans ces systèmes. Les principales spécifications de ces composants comprendront le matériau du substrat, le seuil d’endommagement et la qualité de la surface.