Nous suivre Industrie Techno

abonné

Laser : la course à la puissance

La rédaction
Les lasers sont de plus en plus présents dans l'industrie, pour percer ou découper, pour guider optiquement les informations, ou même pour traiter des déchets nucléaires ou désorbiter les débris spatiaux.

Le laser a 55 ans ! Le premier a été réalisé en 1960 par Théodore Maiman. Un aboutissement après de longues années de travaux théoriques, depuis l'introduction en 1917 par Albert Einstein de la notion d'émission stimulée, puis la publication par Charles Townes et Arthur Schawlow, en 1958, d'un papier théorique sur le laser. Le laser à rubis de Maiman produisit une lumière pulsée à 694,3 nm, ce qui correspond à un rouge profond (Fig. 1). Bien que sa puissance soit faible comparée à celle des lasers de notre époque, ce faisceau laser avait une brillance d'un million de soleils et fournissait des impulsions de l'ordre de la milliseconde. Pour la première fois, une grande quantité de lumière se propageait de manière rectiligne et restait concentrée sur une faible section.

D'énormes progrès technologiques, notamment dans le domaine des matériaux, ont ensuite été réalisés qui ont permis de générer une onde toujours plus puissante en conservant tout de même une faible divergence.

1. TYPOLOGIE : Lasers continus et impulsionnels

Parmi les lasers de puissance, on compte ceux qui émettent de la lumière de manière continue et ceux qui génèrent des trains d'impulsions dont la puissance crête est très élevée par rapport à la puissance moyenne. Nous nous concentrerons ici sur ces lasers impulsionnels. Leur puissance crête est d'autant plus grande que l'énergie contenue dans l'impulsion est importante et la durée de l'impulsion est courte. L'impulsion laser étant très brillante, une grande quantité de photons peut être concentrée dans un volume restreint.

Depuis son invention, le laser a donné des intensités crêtes toujours plus élevées. Elles permettaient au départ d'étudier la matière à l'échelle de l'atome. Il est désormais possible d'envisager des interactions subatomiques. Le champ électrique est si intense qu'il permet d'accélérer les électrons, voire les protons (1 800 fois plus lourds) à des vitesses approchant celle de la lumière. À terme, les lasers deviendront peut-être assez puissants pour « casser le vide » ou étudier la matière noire. Si le délai entre chaque impulsion est faible, le faisceau lumineux gagne en puissance moyenne, ce qui ouvre la porte à de nombreuses applications à la fois sur le plan scientifique et industriel. Nous allons voir quelles sont les limites physiques et les solutions technologiques pour y remédier.

2. FONCTIONNEMENT : La génération du rayonnement laser

Un amplificateur laser permet d'amplifier un signal optique (Fig. 2). Pour cela, Il faut lui fournir de l'énergie optiquement ou électriquement de manière à placer les ions actifs dans un état excité. Le signal lumineux désexcite alors les ions par effet stimulé en produisant des photons en tout point identiques aux photons incidents.

Une cavité laser permet de générer un rayonnement laser. Cette source associe un amplificateur optique (Fig. 3) à une cavité optique constituée de miroirs dont un est partiellement réfléchissant, c'est-à-dire qu'une partie de la lumière sort de la cavité et l'autre partie est réinjectée vers l'intérieur de la cavité laser (Fig. 4).

Un régime pulsé permet d'atteindre des puissances bien plus importantes qu'un régime continu. Pour générer des impulsions, deux techniques peuvent être utilisées : le fonctionnement Q-switch ou le verrouillage de mode.

Le premier régime fonctionne à des cadences plus faibles que le second, les impulsions sont plus énergétiques mais leur durée est plus longue. Ce mode de fonctionnement consiste à contrôler les pertes de la cavité et à déclencher l'oscillation laser lorsque l'énergie stockée dans le milieu amplificateur est importante. Dans le verrouillage de modes, seules quelques longueurs d'onde sont sélectionnées par la cavité. Si ces modes sont en phase, l'enveloppe de l'onde devient courte, son intensité devient importante et celle-ci peut se propager, s'amplifier et générer une impulsion puissante.

3. PUISSANCE : Un défi en termes de matériaux

Tout d'abord, pour avoir des impulsions de fortes puissances crêtes, il faut des impulsions temporellement courtes, c'est-à-dire que leur spectre doit être large. Cependant les matériaux lasers ont une bande spectrale de gain limitée qui peut conduire à un rétrécissement spectral par le gain lors de l'amplification laser. Ensuite, l'augmentation de la puissance crête des lasers impulsionnels est limitée par l'endommagement des surfaces des matériaux utilisés. Les paramètres principaux à prendre en compte pour connaître les effets potentiels d'une irradiation laser sont la longueur d'onde, la durée de l'impulsion, son énergie et la taille du faisceau afin notamment de limiter l'intensité crête des impulsions.

Enfin, la génération de faisceaux de puissance de moyenne importance conduit à la production de chaleur dans le milieu amplificateur. Cette chaleur peut rompre le matériau. Elle est aussi responsable d'aberrations optiques qui dégradent la qualité du faisceau.

Afin d'éviter un effet de rétrécissement spectral par le gain, il faut utiliser des matériaux lasers pour lesquels la bande de gain est large par rapport aux composantes spectrales de l'impulsion. Les milieux très utilisés aujourd'hui dans le domaine des lasers de puissance sont le titane-saphir (Ti : Sa) et les verres. Limiter l'intensité crête des impulsions est donc primordial pour éviter un endommagement irréversible du matériau laser.[…]

Pour lire la totalité de cet article, ABONNEZ-VOUS

Déjà abonné ?

Mot de passe perdu

Pas encore abonné ?

vous lisez un article d'Industries & Technologies N°0974

Découvrir les articles de ce numéro Consultez les archives 2015 d'Industries & Technologies

Nous vous recommandons

Nettoyer proprement les pièces mécaniques

Nettoyer proprement les pièces mécaniques

Les procédés de nettoyage des pièces mécaniques connaissent de fortes évolutions. Les perfectionnements liés à l'amélioration des intrants classiques[…]

La projection dynamique par gaz froid, ou « cold spray »

La projection dynamique par gaz froid, ou « cold spray »

De la particule de poudre à la pièce industrielle

De la particule de poudre à la pièce industrielle

POUR ALLER PLUS LOIN

POUR ALLER PLUS LOIN

Plus d'articles