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Journées de la Photonique et de l'Optique Modernes Lannion - 15/03/06 1

LASEO

5 rue de Louis De Broglie, 22300 Lannion

Tel : 02 96 48 92 14 / www.laseo-tech.com

LASEO

Utilisation de sources lasers fibréespour le micro usinage laser

Patrick Even


LASEO

Sommaire

• Les lasers industriels

• La terminologie

• Les principaux paramètres d’un faisceau laser

• Le transport du faisceau

• L’interaction laser – matière

• Laser fibré et à fibre

• Les applications

• Comparaison de différents lasers

• Références

• Conclusion


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Le laser industriel : quelques chiffres

- Lasers industriels (1.47 Milliards de $) (principalement CO2 etYAG pompé par lampes)

- Diode laser de puissance : 110 M€

- Laser à fibre : 100 M€

Amérique du nord 46 % Europe

33 %

Asie 21 %

Allemagne70 %

Répartition mondiale

Répartitioneuropéenne

Autres 30 %


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Autres9%

Perçage3%

Gravure12%

Micro usinage14% Soudage

14%

Marquage24%

Découpe24%

Le laser industriel : applications


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Le laser industriel : évolution

1970 2006

• CO2 @10,6 µm

• YAG-Nd (pompé par lampe) @ 1,06 µm

• YAG-Nd (pompé par diode) @1,06 µm• Diode laser @ 0,8-,9 µm

• Laser à eximère @ 0,15-0,4 µm

• Laser à fibre @ 1 µm• Laser à disque @ 1µm

• Laser fentoseconde


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Les lasers industriels : principe

Source de pompage

Milieu actif du laser

Miroir réfléchissantà 100% Miroir de sortie

Rayon laser de sortie

Groupe de refroidissement

Introduction d’énergie

Évacuation d’énergie


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Les lasers industriels : comparatif

Milieu ActifLongeur

d'onde en µmRefroidissement Mode

Energie ou puissance maximale

Qualité de faiseau

Coût

20 kW + -45 kW 0 - 2,5 kW + -

1,06 5 kW + 0

2 kW en pulsé + 0

Excitation par lampe flash

eau Pulsé 0 +

pompage par diode

eau CW / Pulsé 0 ++

0,1570,1930,2480,3080,351

Diode 0,9 air / eau CW 2 kW - +Laser à fibre 1,09 air CW / Pulsé 4 kW + +Fibre double-gaine dopée

CW /pulsé

Nd-YAG

Eximere

CW

Pulsé 2 J + +

Empilage d'élement SC

Barreau parallélèpipédique

Barreau cylindrique eau

150 J

Technologie

Flux axial rapideFlux transverse

SLABair, eau huileCO2 10,6

Flux transverse circulation de gaz


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La terminologie : mode CW ou pulsé

Puissance émise en Watts

Temps


TempsT

tp

t

Pc

Pm

Qi

Régime continu Régime pulsé

Pm

Pm : puissance moyenne (W)Pc : puissance crête (W)Qi : Énergie d’impulsion (J)t : durée d’impulsion (s)tp : période du signal (s)T : durée du train d’impulsion (s)F : fréquence de répétition des impulsions

Qi=Pc x t

Pm=Qi x F

Pm=Pc x t x F

Ne pas confondre pulsé et modulé


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La terminologie : modulation


Temps


TempsT

Pc

Régime continu modulé Régime pulsé modulé

TonTon

T off

T off

Rapport cyclique : Ton / (Ton+Toff)


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Les principaux paramètres d’un faisceau laser :

• La longueur d’onde

• La divergence du faisceau

• Le mode transverse

• Facteur de qualité

• La focalisation


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La longueur d’onde:

La longueur d’onde est importante car l’absorption varie selon les matériaux (phénomène thermique)

Pour les lasers UV ou fentoseconde l’interaction est du type photo-ablation


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La divergence du faisceau :

θ/2

θ/2

d

La divergence pour les lasers industriels est typique de 1 à 3 mrad

d.

.4

πλ

θ =


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La mode transverse : monomode

Le mode transverse correspond à la répartition de l’intensité dans une section transversale du faisceau

Un faisceau laser de qualité optique parfaite aura une répartition dite TEM00.

Cette répartition, souvent appelée Gaussienne est le mode idéal pour la découpe.

TEM00M² = 1


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La mode transverse : multimode

Fibre 200 µm

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 50 100 150 200 250 300 350

déplacement (µm)

Intensité (u.a)

fibre sans brouillage

fibre avec brouillage


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Facteur de qualité M² :

L’utilisation de ce facteur permet de comparer les faisceaux de machine industriel, et surtout de calculer un diamètre de tache focale, fonction des caractéristiques du faisceau.

La détermination du coefficient M² est donné par la relation :

λπ

θ.4

.. 02 D

M =

Θ: angle de divergence du faisceau (champ lointain)

D0 : diamètre du faisceau naturel au « waist »

λ : longueur d’onde


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Beam Parameter Product « BPP » :

Le BPP est défini par le produit du rayon du faisceau au waist par la divergence en champ lointain.

L’unité la plus courant est millimètre . milliradian (mm.mrad).

Pour un laser à 1064 nm, le BPP minimum est de 0,339 mm.mrad

λπ

.2BPPM =


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La focalisation :

D

f

z

Dtf

.D

f..4Dtf

πλ

=

−=D

f.2.1.

2.Z 2ρ

πλ

Z : profondeur de champDtf : diamètre théorique de la tache focaleD : diamètre du faisceau avant focalisation

f : distance du point focaleΛ : longueur d’ondeΡ: facteur de tolérance


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La focalisation :

En utilisant le facteur M², il devient possible d’approcher le diamètre réel du point de focalisation.

.D

f..4.2

πλ

Md =

Bonne qualité de faisceau = petite tache focale, grande densité de puissance


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La focalisation – fibre optique :

cdΦ=Φ .

f

f

c

Фd : diamètre du point de focalisationf : distance focal de la lentille de focalisationФc : diamètre du cœur de la fibrefc : distance focale de la lentille de collimation

Fibre optique

Lentille de collimationLentille de focalisation

Tache focale


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Le transport et mise en forme du faisceau :

Laser Puissance transport Mise en formeCO2 <1,5 kW optique libre lentilleCO2 > 1,5 kW optique libre miroirYAG NA optique libre / fibre lentilleDiode NA optique libre / fibre lentille

Laser à fibre NA fibre lentille


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Interaction laser – matière (1) :

La plupart des applications (hors laser eximère et fentoseconde) sont basées sur le principe de l’interaction laser-matière de type thermique.Cette interaction peut faire intervenir trois processus :

•L’absorption : le faisceau laser est partiellement absorbé par le matériau dans son état initial (température, état de surface), et par le matériau décomposé et vaporisé.

• le transfert de chaleur : l’apport calorifique fourni par le faisceau est distribué dans le matériau suivant les lois de la conduction de la chaleur.

•L’évacuation de la matière : elle a lieu pour le matériau fondu et vaporisé et est provoqué par l’apport de gaz d’assistance et par les ondes de choc dues au plasma d’intéraction.


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Échauffement Fusion Vaporisation et Création du capillaire

Profil de températureÀ la surface de la pièce

Température de fusion

Température de vaporisation

faisceauZone échauffée

Bain de fusion capillaire


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Le laser eximère, grâce à une longueur d’onde beaucoup plus faible agit par un phénomène de photo ablation, principalement utilisé pour le micro-usinage des polymère.

La photo ablation se décompose en trois étapes:

• L’absorption, l’énergie incidente est absorbée très localement par les couches superficielles du matériau.

• La cassure des liaisons chimiques (moléculaires)

• La désorption des produits, les fragments de matériaux ainsi arrachés sont éjectés.


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Laser fibré et à fibre (1) :

Les lasers YAG fibrés

Module de pompage

Module de pompage

Module de pompage

Système optique d’injectiondans la fibre

pièce

Fibre optiqueMiroir de renvoi

puits thermique

obturateur

miroir avantmiroir arrière

Faisceau laser

tête de focalisation


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Les diodes fibrés

Barrette de diode

Laser Laseo


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Laser à diode (mono-émetteur) Surface active

Fibre

Laser à diode (mono-émetteur) Surface active

Fibre

Barrette de diodesBarrette de diodes


Les diodes fibrés


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Les diodes fibrés

Plan parallèle aux diodes

Plan perpendiculaire aux diodes

Lentille cylindrique

Lentille de focalisation

microlentilles

Micro-optique


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Les lasers à fibres

Miroir de sortie

Miroir hautement

réfléchissant

Att

20 dB

Sortie

Fibre double gaine

Photodiode face avant

Pompe multimode

Coupleur

Laser Keopsys


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Les lasers fentoseconde

Certains types de laser fentoseconde utilise comme milieu amplificateur et / ou dispersif des fibres optique.

Cependant, la sortie est en optique libre.

Laser Amplitude Système


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Les applications :

Les applications industrielles les plus courantes :

• Le perçage• La découpe• Le marquage, la gravure• Le soudage

Les applications spécifiques ou de laboratoires :

• L’usinage sans outil de coupe• L’usinage assisté par laser• Le nettoyage et la préparation de surface• Le micro usinage


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Les applications - les paramètres importants (1):

Faisceau :

• Puissance ou intensité• Longueur d’onde• Mode CW ou pulsé (puissance crête, durée d’impulsion, fréquence)• Diamètre du faisceau (qualité de faisceau)

L’optique de focalisation :

• Focale• Matière• Diamètre de la tache focale• Profondeur de champ

Matériau :

• Réflectivité• État de surface• Diffusivité thermique• Masse volumique• Température de fusion• Température de vaporisation• Vitesse de déplacementGaz d’assistance (soudure) :

• Nature• Pression• Débit

Le transport du faisceau :

• Fibre (robotisation 3D)• Optique libre


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Les applications - les paramètres importants (2):


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Exemple d’application (1): marquage

masque

miroir

lentillelentille

Miroir galvanométrique

Marquage par transfert d’image Marquage par déplacement du faisceau

Lasers les plus utilisés : CO2, YAG et de plus en plus laser à fibre pulsé


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Exemple d’application (2): marquage


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Exemple d’application (3): soudure

Pièces à assembler

Bain de fusion amont

Bain de fusion aval

Capillaire rempli de vapeur métalliques

Faisceau laser

Sens de soudage

Zone affectéethermiquement

Métal fonduresolidifié

La réalisation d’une soudure repose sur le phénomène de fusion localisée de la matière au point d’impact du faisceau, comme lors d’une opération de découpe, à l’exception du bain de fusion qui n’est plus chassé mais entretenu.


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Exemple d’application (4): soudure+robot

Idéal pour un laser fibré ou à fibre


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Exemple d’application (4): traitement de surface

Faisceau laser impulsionnel

Gaz de protection de L’optique

lentille

Substrat transparent

Couche à évacuerParticules projetées

Création d’un plasma et d’une onde de choc

L'homogénéité du faisceau :

L'homogénéité de nettoyage est directement liée à la répartition de l'énergie lumineuse dans le faisceau. Un faisceau laser est généralement en forme de cloche dite "Gaussienne" avec beaucoup plus de densité d'énergie au centre que sur les bords. L'utilisation d'une fibre optique permet d'obtenir un faisceau de profil plat, dont toute l'énergie sera utilisée de façon optimale et homogène.


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Exemple d’application (5): nettoyage


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Exemple d’application (6): usinage assisté par ordinateur

Matière à usiner(céramique,métal,…)

Faisceau laser

outil de découpe

Intégration facilité par une propagation dans une fibre (CN)


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Exemple d’application (7): micro usinage par laser fentoseconde

Impulsions brèves : Absence d’effets thermiques

Haute intensité : Usinage sur tout type de matériau

Laser nanoseconde Laser femtoseconde


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Structures complexes sur métaux, céramiques,…

Usinage athermique

Marquage interne



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Point focal

Substrat

Laser

Substrat

Laser

Seuil d'ablation

I

Seuil d'ablationI

1 mm 1 mm



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Exemple d’application (10): prototypage rapide - stéréolithographie

1 Polymérisation de résine "Stéréolithographie" 2 Dépôt de fil en fusion - FMD3 Lamination - LOM 4 Stratoconception5 Frittage de poudre6 Impression 3D7 Injection de cire8 Impression 3D métallique9 Enlèvement de matière

Exemple de réalisation


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Exemple d’application (11): soudage de plastique

parfaitement aux lasers à diode

Plastique transparent

Plastique absorbant

Laser IR

Zone de chauffe


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Avantage des diodes laser :

• Pas de contact, rapide, flexible, sans vibration• Toutes forme de contour ou surface• Facilement automatisable• Process rapide et stable• Peu de stress mécanique et thermique• Contrôle de zone de plastique fondu


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Soudure d’une grande zone

Soudure de contour

Soudure multipoint


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Comparaison lasers CO2 et lasers à fibre

• Un laser à fibre de longueur d’onde de 1,1 µm, par rapport à un laser CO2 de longueur d’onde de 10,6µm, permet d’atteindre une tache focale de 15-20 µm comparé à 150-200 µm pour un laser CO2.

• Le transport du faisceau par fibre optique est impossible pour un laser CO2.

• Le rendement électrique/optique d’un laser à fibre est d’environ 25%, comparé à 5% pour un laser CO2 .


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Comparaison lasers YAG et lasers à fibre

Environ 70 % d’efficacité de conversion pour un laser à fibre, et environ 20% pour un laser YAG DSPP :

• thermiquement plus facile à refroidir• coût de revient moindre

La sortie fibrée est standard pour un laser à fibre

Le laser à fibre ne présente pas les désavantages suivants :

• Effet de lentille thermique dans le milieu amplificateur, le profil de champ reste inchangé sur une grande plage de puissance.• Pas de contamination possible intra-cavité• Pas de désalignement possible.


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Comparaison lasers YAG et lasers à fibre


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Comparaison diodes fibrées et lasers à fibre autour de 1µm

Diode fibrée CW Laser à fibre CWQualité de faisceau ++

Rendement optique/ électrique +

Coût +

Longueur d’onde +

Intégration, refroidissement = =

Diode fibrée QCW Laser à fibre pulséQualité de faisceau ++

Rendement optique/ électrique ++

Energie +

Puissance crête ++

fréquence + (basse) + (haute)

rapport cyclique +

Coût +

Longueur d’onde +

Intégration, refroidissement = =


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Références :

• IREPA

• IUT du Limousin (4ième journée technique)

• Amplitude système

• JDS

• Limo

• Keopsys

• Laserline

• Quantronix

• Apave


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Conclusion :

Intérêt du laser à fibre ou fibré :

• Qualité de faisceau (laser à fibre)

• Transport du faisceau

• Sécurité

• Intégration

• Coût de revient

• Source multipoint

• Robotisation 3D

• Très bonne efficacité

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