Il existe une large gamme de systèmes laser à usage général pour diverses applications telles que le traitement des matériaux, la chirurgie au laser et la télédétection, mais de nombreux systèmes laser partagent des paramètres clés communs. L'établissement d'une terminologie commune pour ces paramètres évite les malentendus, et leur compréhension permet de spécifier correctement les systèmes et composants laser pour répondre aux exigences des applications.
Paramètres de base
Les paramètres de base suivants constituent les concepts les plus fondamentaux d’un système laser et sont essentiels à la compréhension des points les plus avancés.
1 : Longueur d'onde (unités typiques : nm à µm)
La longueur d'onde d'un laser décrit la fréquence spatiale de l'onde lumineuse émise. La longueur d'onde optimale pour un cas d'utilisation donné dépend fortement de l'application. Dans le traitement des matériaux, différents matériaux ont des propriétés d'absorption uniques, dépendantes de la longueur d'onde, qui entraînent différentes interactions avec le matériau. De même, en télédétection, l’absorption atmosphérique et les interférences peuvent affecter différemment certaines longueurs d’onde, et dans les applications laser médicales, divers complexes peuvent absorber certaines longueurs d’onde différemment. Les lasers à longueur d'onde plus courte et l'optique laser aident à créer des caractéristiques petites et précises avec un échauffement périphérique minimal car le point focal est plus petit. Cependant, ils sont généralement plus chers et plus facilement endommagés que les lasers à longueur d’onde plus longue.
2 : Puissance et énergie (unités typiques : W ou J)
La puissance d'un laser est mesurée en watts (W) et est utilisée pour décrire la puissance optique émise par un laser à onde continue (CW) ou la puissance moyenne d'un laser pulsé. Les lasers pulsés se caractérisent également par leur énergie d'impulsion, qui est proportionnelle à la puissance moyenne et inversement proportionnelle au taux de répétition du laser (Figure 2). L'énergie est mesurée en joules (J).
Les lasers de puissance et d’énergie plus élevées sont généralement plus chers et produisent plus de chaleur perdue. Maintenir la qualité des feux de route devient également plus difficile à mesure que la puissance et l’énergie augmentent.
3 : Durée d'impulsion (unités typiques : fs à ms)
La durée ou la largeur de l'impulsion laser est généralement définie comme la pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) de la puissance de la lumière laser en fonction du temps (Figure 3). Les lasers ultrarapides offrent de nombreux avantages dans une gamme d'applications, notamment le traitement de matériaux de précision et les lasers médicaux, et se caractérisent par de courtes durées d'impulsion d'environ picosecondes (10-12 secondes) à attosecondes (10-18 secondes).
4 : Taux de répétition (unités typiques : Hz à MHz)
Le taux de répétition ou fréquence de répétition des impulsions d'un laser pulsé décrit le nombre d'impulsions émises par seconde ou l'intervalle d'impulsion de temps inverse (Figure 3). Comme mentionné précédemment, le taux de répétition est inversement proportionnel à l'énergie de l'impulsion et directement proportionnel à la puissance moyenne. Bien que le taux de répétition dépende généralement du milieu de gain du laser, il peut varier dans de nombreux cas. Des taux de répétition plus élevés entraînent des temps de relaxation thermique plus courts au niveau de la surface optique du laser et au foyer final, conduisant à un chauffage plus rapide du matériau.
5 : Longueur de cohérence (unités typiques : millimètres en mètres)
Les lasers sont cohérents, ce qui signifie qu'il existe une relation fixe entre les valeurs de phase du champ électrique à différents moments ou emplacements. En effet, contrairement à la plupart des autres types de sources lumineuses, les lasers sont produits par émission excitée. La cohérence diminue tout au long du processus de transmission, et la longueur de cohérence du laser détermine la distance sur laquelle la cohérence temporelle du laser reste à une certaine qualité.
6 : Polarisation
La polarisation détermine la direction du champ électrique d'une onde lumineuse, qui est toujours perpendiculaire à la direction de propagation. Dans la plupart des cas, le laser sera polarisé linéairement, ce qui signifie que le champ électrique émis pointe toujours dans la même direction. La lumière non polarisée aura un champ électrique qui pointe dans de nombreuses directions différentes. La polarisation est généralement exprimée comme le rapport des distances focales de la lumière dans deux états polarisés orthogonalement, par exemple 100 : 1 ou 500 : 1.
Paramètres du faisceau
Les paramètres suivants caractérisent la forme et la qualité d'un faisceau laser.
7 : Diamètre du faisceau (unités typiques : mm en cm)
Le diamètre du faisceau d'un laser caractérise l'extension latérale du faisceau, ou la dimension physique perpendiculaire à la direction de propagation. Elle est généralement définie comme la largeur 1/e2, c'est-à-dire la largeur obtenue par l'intensité du faisceau à 1/e2 (≈13,5 %). Au point 1/e2, l’intensité du champ électrique chute à 1/e (≈37 %). Plus le diamètre du faisceau est grand, plus les optiques et l'ensemble du système doivent être grands afin d'éviter la troncature du faisceau, ce qui augmente le coût. Cependant, une diminution du diamètre du faisceau augmente la densité puissance/énergie, ce qui est également préjudiciable.
8 : Puissance ou densité d'énergie (unités typiques : W/cm2 à MW/cm2 ou µJ/cm2 à J/cm2)
Le diamètre du faisceau se rapporte à la densité de puissance/énergie du faisceau laser ou à la puissance/énergie optique par unité de surface. Plus le diamètre du faisceau est grand, plus la densité puissance/énergie du faisceau à puissance constante ou à énergie constante est faible. À la sortie finale du système (par exemple, lors de la découpe ou du soudage au laser), une densité puissance/énergie élevée est généralement requise, mais au sein du système, une faible concentration puissance/énergie est généralement bénéfique pour prévenir les dommages induits par le laser. Cela empêche également l’ionisation de l’air dans la région de densité de puissance/énergie élevée du faisceau. Pour ces raisons, entre autres, les expanseurs de faisceau laser sont souvent utilisés pour augmenter le diamètre et ainsi réduire la densité de puissance/énergie à l’intérieur du système laser. Cependant, il faut veiller à ne pas étendre le faisceau à un point tel qu'il serait masqué par l'ouverture du système, ce qui entraînerait un gaspillage d'énergie et des dommages potentiels.
9 : Profil de poutre
Le profil du faisceau d'un laser décrit l'intensité distribuée dans la section transversale du faisceau. Les profils de faisceaux courants incluent les faisceaux gaussiens et à sommet plat, qui suivent respectivement les fonctions gaussiennes et à sommet plat (Figure 4). Cependant, comme il y a toujours un certain nombre de points chauds ou de fluctuations à l’intérieur du laser, aucun laser ne peut produire un faisceau entièrement gaussien ou entièrement plat qui soit exactement conforme à sa fonction propre. La différence entre le profil de faisceau réel d'un laser et le profil de faisceau idéal est généralement décrite par une métrique contenant le facteur M2 du laser.
10 : Divergence (unité typique : mrad)
Bien que les faisceaux laser soient généralement considérés comme collimatés, ils contiennent toujours un certain degré de divergence, qui décrit dans quelle mesure le faisceau diverge à des distances croissantes de la taille du faisceau laser en raison de la diffraction. Dans les applications avec de longues distances de fonctionnement, telles que les systèmes LIDAR, où les objets peuvent se trouver à des centaines de mètres du système laser, la divergence devient un problème particulièrement important. La divergence du faisceau est généralement définie en termes de demi-angle du laser, et la divergence (θ) d'un faisceau gaussien est définie comme suit.
λ est la longueur d'onde du laser et w0 est la taille du faisceau du laser.
Paramètres finaux du système
Ces paramètres finaux décrivent les performances du système laser en sortie.
11 : Taille du point (unité typique : µm)
La taille du point d'un faisceau laser focalisé décrit le diamètre du faisceau au point focal du système de lentilles de focalisation. Dans de nombreuses applications, telles que le traitement des matériaux et la chirurgie médicale, l'objectif est de minimiser la taille des points. Cela maximise la densité de puissance et permet la création de caractéristiques exceptionnellement fines (Figure 5). Les lentilles asphériques sont souvent utilisées à la place des lentilles sphériques conventionnelles pour minimiser l'aberration sphérique et produire des tailles de point focal plus petites. Certains types de systèmes laser ne focalisent finalement pas le laser sur le point, auquel cas ce paramètre n'est pas applicable.
12 : Distance de travail (unité typique : µm en m)
La distance de travail d'un système laser est généralement définie comme la distance physique entre l'élément optique final (généralement une lentille de focalisation) et l'objet ou la surface sur laquelle le laser est focalisé. Certaines applications, telles que les lasers médicaux, cherchent souvent à minimiser la distance de travail, tandis que d'autres applications, telles que la télédétection, visent souvent à maximiser leur plage de distance de travail.
