01Introduction
Différents types de systèmes de délivrance de faisceau ont actuellement été développés, qui guident essentiellement le faisceau de la source lumineuse vers la zone d'application. Dans la plupart des cas, la source de lumière utilisée est un type de laser. Par exemple, dans le traitement des matériaux au laser, il est nécessaire de guider la sortie d'un laser industriel vers la pièce à usiner afin qu'elle soit exposée au laser. Dans le traitement industriel, les systèmes de distribution de faisceaux sont généralement utilisés en conjonction avec la technologie robotique. Généralement, la tête de traitement laser du bras robotique est alimentée par un laser stationnaire. Une autre approche consiste à monter un laser suffisamment compact et robuste directement sur le bras robotique pour minimiser la longueur du trajet du faisceau requis et maximiser la mobilité. L’avantage des systèmes de délivrance de faisceaux est qu’ils permettent de placer la source laser dans une zone protégée et facile à entretenir plutôt qu’à proximité de la zone d’application. De plus, les systèmes de distribution mobiles permettent également de déplacer le faisceau laser sur une vaste zone sans déplacer le laser lourd lui-même. Cependant, pour les systèmes de diffusion à faisceau long, il peut également y avoir certains inconvénients, tels qu'une perte de puissance optique, des limitations dues à des effets non linéaires ou des problèmes d'élargissement des impulsions (pour les impulsions ultracourtes).
02Système de transmission de faisceaux spatiaux{{1}gratuit
Le faisceau de sortie en espace libre-d'un laser peut être guidé à l'aide de miroirs. Si des miroirs diélectriques de haute-qualité et haute-réflectivité sont utilisés, des niveaux de puissance optique extrêmement élevés peuvent être gérés. Même lorsque plusieurs miroirs sont nécessaires, leur taux de transmission (le pourcentage de la puissance de sortie par rapport à la puissance d'entrée) peut être très proche de 100 %. Les miroirs diélectriques ne sont efficaces que dans une plage de longueurs d'onde limitée. Par conséquent, un tel équipement est généralement fabriqué pour des types spécifiques de lasers, adapté aux lasers Nd:YAG et Yb:YAG aux longueurs d'onde de 1 064 nm et 1 030 nm, mais ne fonctionne pas aux longueurs d'onde de 1 500 nm ou 2 000 nm. Cependant, des miroirs sont disponibles sur le marché pour une large gamme de longueurs d'onde, de l'ultraviolet (par exemple, les lasers excimer), à la plage visible (par exemple, les lasers Yb:YAG doublés en fréquence) et à la plage infrarouge (par exemple, les lasers CO2). Le système de transmission de faisceau le plus simple a un trajet de faisceau fixe, impliquant par exemple seulement une ou deux déflexions de 90 degrés pour diriger le faisceau initialement horizontal vers le bas vers la pièce à usiner. L’ensemble du trajet du faisceau est enfermé dans un système de conduits hermétiques, au bout duquel se trouve la tête de traitement laser. Le trajet peut être modifié par le remplacement des éléments d'étanchéité, mais ne peut être modifié en cours de fonctionnement.
Une solution classique de transmission de faisceau en espace libre-est le bras de miroir articulé, où un chemin de lumière mobile est obtenu grâce à des miroirs intégrés dans le bras réfléchissant articulé. La conception du joint garantit qu'il ne bouge que lorsqu'un couple minimum est appliqué ; sinon, il reste en position. Le poids des composants peut être compensé par des contrepoids, des ressorts ou d'autres moyens, facilitant ainsi les réglages de position. Pour obtenir un mouvement fluide et une position stable du faisceau, évitant ainsi des problèmes tels que la dérive et les vibrations, les dispositifs optomécaniques utilisés doivent être très précis. À l'extrémité du système optique de transmission du faisceau, un dispositif optique est généralement connecté, tel qu'un casque, une tête de traitement laser fixe ou une tête de balayage. Habituellement, le faisceau est focalisé sur la zone d’application, tandis que dans d’autres cas, il éclaire une zone cible plus large.
03 Système de transmission de faisceaux à fibre optique La transmission par fibre optique est une méthode très flexible pour délivrer des faisceaux laser. En règle générale, les fibres utilisées pour la transmission laser sont encapsulées dans des câbles optiques de protection qui comprennent une gaine extérieure pour protéger les fibres fragiles et peuvent également intégrer des fonctionnalités supplémentaires, telles qu'un système de surveillance des câbles intégré qui peut détecter en temps réel les fuites laser dues à des dommages accidentels des fibres. La fibre de quartz, en tant que fibre de verre optique la plus courante, peut fournir de l'énergie lumineuse avec une très faible perte de transmission sur une plage de longueurs d'onde spécifique, avec des distances de transmission de plusieurs mètres, voire plus. Sa gamme de longueurs d'onde couvre la région du proche-infrarouge où fonctionnent la plupart des lasers industriels. Cependant, les limites de ce matériel sont également évidentes. Dans les applications à haute -puissance, les fibres de quartz ont des capacités de transmission limitées dans la gamme ultraviolette (comme les lasers excimer) et dans la gamme infrarouge lointaine-. Un exemple typique est que pour un laser CO₂ d'une longueur d'onde de 10 600 nm, il n'existe actuellement quasiment aucune fibre mature capable de transmettre efficacement son faisceau de haute-puissance, et les bras articulés sont une solution couramment utilisée dans ce domaine. Plus la puissance optique à transmettre est élevée, plus le diamètre du cœur de la fibre doit être grand. Il s'agit en partie de réduire la densité de puissance à l'intérieur du noyau afin d'éviter les dommages et en partie de correspondre au produit de paramètre de faisceau (BPP) plus grand généralement associé aux sources laser de haute -puissance. Pour coupler efficacement le laser à la fibre, la fibre a besoin d'une ouverture numérique (NA) suffisamment grande, déterminée par la différence d'indice de réfraction entre le cœur et la gaine. La combinaison d'un grand diamètre de coeur et d'une NA élevée conduit à un grand nombre de modes guidés, rendant la propagation du faisceau au sein de la fibre extrêmement complexe. Même si la perte optique globale est faible, la redistribution de l'énergie entre les différents modes entraîne souvent une diminution de la luminosité du faisceau, communément appelée qualité réduite du faisceau. Les sorties fibre sont généralement équipées d'éléments optiques supplémentaires, tels que des têtes de traitement ou des têtes de balayage. Essentiellement, cette tête détermine la position et la direction du faisceau, et le simple déplacement du câble à fibre optique a peu d'impact sur les caractéristiques du faisceau. Cependant, la courbure de la fibre provoque facilement un couplage de modes, qui modifie la répartition de puissance entre les modes de la fibre, affectant à la fois la divergence du faisceau par rapport à la fibre et le « centroïde » de la distribution d'intensité à la sortie de la fibre, conduisant potentiellement à une baisse correspondante de la qualité du faisceau de sortie.
