Laser à fibre – fonctionnalité et champs d’application

• Définition : Lasers à semi-conducteurs guidant la lumière dans des fibres optiques en verre, généralement dopées avec des éléments de terres rares. 

• Points forts : Précision exceptionnelle, haute efficacité, polyvalence et robustesse. 

• Applications : Gravure/marquage complexe 

• Avantages : Conception compacte, efficacité énergétique, longue durée de vie, faible entretien, processus sans contact 

• Limites : Pas idéal pour les matériaux organiques comme le bois ou les matériaux transparents (verre),  ou certains plastiques. 

Dans le domaine de la fabrication et de la conception, la technologie laser dans son ensemble a révolutionné le traitement des matériaux. Parmi tous les lasers, les lasers à fibre se distinguent par leur précision, leur efficacité et leur flexibilité de marquage dans les applications. Ce guide explique les lasers à fibre, leurs avantages, leurs applications courantes et les considérations de sécurité importantes à prendre en compte lors du choix d’un nouveau laser. 

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Un laser à fibre est un laser à l’état solide dans lequel la lumière laser et la lumière de pompage sont guidées dans des fibres optiques en verre. Le milieu actif de laser est la zone interne de la fibre de verre entre les sections de la fibre de verre, souvent dopé avec un élément terrestre rare comme l’ytterbium. 

Plus précisément, les diodes laser fournissent de l’énergie et de la lumière (par exemple, à 915 nm, 977 nm ou 1064 nm) à la fibre de verre dopée via des fibres optiques. Ces fibres optiques sont connectées par épissage, un processus de soudage du verre qui élimine les faisceaux laser ouverts pour la lumière de la pompe ou du laser. Les lasers à fibre sont donc exceptionnellement résistants à la contamination et aux vibrations. 

La plupart des lasers à fibre pour le marquage et la gravure sont des lasers à fibre pulsés, utilisant souvent une conception MOPA (Master Oscillator Power Amplifier). Cette amplification à passage unique dans une fibre enroulée permet d’obtenir une large gamme d’amplificateurs et un gain élevé dans un volume compact. 

Les lasers à fibre pulsés ont généralement une puissance de crête de 10 kW-20 kW et une puissance de sortie moyenne de 10 W-100 W, ce qui les rend adaptés à diverses tâches de précision. Leur qualité de faisceau élevée et leur excellente focalisation permettent de nombreuses applications : 

• Gravure et marquage complexes : Les lasers à fibre excellent dans la réalisation de marquages permanents et très contrastés sur les métaux, certains plastiques et les céramiques. La gravure et le marquage de motifs détaillés en haute résolution sont facilement réalisables, ce qui les rend parfaits pour la gravure de dessins, de textes, de logos ou de numéros de série. En outre, les gravures en profondeur ne posent aucun problème aux lasers à fibre en raison de leur densité de puissance particulière. Les applications des lasers à fibre produits par Trotec vont donc de la bijouterie à l’industrie automobile.    
• Autres applications des lasers à fibre en général : En outre, certains lasers à fibre peuvent également être utilisés pour le soudage ou le nettoyage de surface et trouvent de plus en plus d’applications dans d’autres domaines. 

Lors du choix d’une machine laser, vous serez confronté à différentes technologies, et il peut être difficile de choisir celle qui convient à votre cas d’utilisation. La comparaison suivante vous donne un aperçu des différences entre les types de lasers. 

Laser à fibre vs. laser au CO2 : 

• Vitesse et matériaux : avec une longueur d’onde de 1,064 micromètre, les lasers à fibre produisent un diamètre focal extrêmement petit. Par conséquent, leur intensité est jusqu’à 100 fois supérieure à celle des lasers CO2 avec la même puissance moyenne émise. Les lasers à fibre conviennent donc parfaitement au marquage des métaux par recuit, à la gravure des métaux et au marquage à fort contraste des matières plastiques.  

•  En revanche, les lasers CO2, avec leur plus grande longueur d’onde, sont idéaux pour la découpe, la gravure et le marquage de matériaux non métalliques tels que le bois, l’acrylique, le cuir, le papier, les textiles et le verre. 

• Précision et qualité du faisceau : En comparaison, les lasers à fibre offrent généralement une plus grande précision et une qualité de faisceau laser plus fine, ce qui permet d’obtenir des bords de découpe plus lisses sur les métaux. 

• Entretien et durée de vie : Les lasers à fibre ont généralement une durée de vie plus longue et nécessitent peu d’entretien en raison du marquage et de la gravure sans contact et de l’absence de pièces de rechange.

Laser à fibre vs. Laser Nd:YAG : 

• Cas d’utilisation : Les lasers à fibre pulsés ont partiellement remplacé les lasers YAG traditionnels pour de nombreuses applications, en particulier le marquage et la gravure. Les lasers à fibre sont généralement mieux adaptés au travail industriel des métaux et à la production à grande vitesse. 

• Impulsion : Les lasers YAG peuvent avoir des puissances de crête d’impulsion plus élevées (30-100 kW), par rapport aux 10 kW-20 kW des lasers à fibre. 

• Utilité : Les lasers à fibre offrent des avantages significatifs en termes de compacité, de robustesse, de longévité et de rentabilité globale. 

Laser à fibre vs. laser à diode  

• Polyvalence des matériaux et des applications : Les lasers à fibre fonctionnent généralement à 1064 nm. Cette longueur d’onde est fortement absorbée par les métaux, ce qui rend les lasers à fibre idéaux pour le marquage des métaux et de certains plastiques. Les lasers à diode fonctionnent généralement à 450 nm (lumière bleue) ou parfois autour de 808-980 nm (infrarouge) selon le type de diode. Les diodes bleues (450 nm) sont bien absorbées par les matériaux organiques tels que le bois, le cuir et certains plastiques, et marquent également certains métaux. Ainsi, les lasers à fibre sont principalement utilisés à des fins spéciales pour le marquage des métaux et des plastiques, tandis que les lasers à diode offrent une plus grande polyvalence pour différents matériaux. 

• Gravure en profondeur des métaux : Les lasers à fibre conviennent à la gravure en profondeur des métaux, tandis que les lasers à diode ne peuvent pas atteindre la même profondeur dans le marquage des métaux. 

• Budget : Les machines laser à diode (comme le Speedy 100 cross ) permettent souvent d’obtenir une plus grande zone de marquage à un coût inférieur à celui de nombreuses machines laser à fibre galvo.  

L’énergie est fournie par des diodes laser, dont la lumière (souvent 915 nm ou 977 nm) est transmise à la fibre de verre dopée via des fibres optiques. Les fibres optiques sont interconnectées via l’épissage (soudure de verre), c’est-à-dire que souvent, il n’y a pas de voie de faisceau ouverte pour la lumière laser ou de la pompe (voir figure 1). En conséquence, le laser à fibre est relativement insensible à la contamination et aux vibrations. Les diodes de la pompe étant physiquement séparées l’une de l’autre et chacune ayant son propre puits de chaleur, la durée de vie des diodes de la pompe est élevée. Tant que la puissance de crête des impulsions laser est maintenue sous env. 10 – 20 kW, la durée de service totale peut s’élever à dix mille heures. Il existe des lasers à fibre à émission continue (« oc » = onde continue), ainsi que des lasers à fibre pulsée. Seuls les lasers à fibre pulsée seront mentionnés ci-après, car ils sont bien mieux adaptés aux applications de marquage et de gravure. Les durées de l’impulsion sont généralement autour de 100 nanosecondes. Des impulsions plus courtes de quelques nanosecondes sont possibles, mais seulement avec une puissance d’impulsion nettement inférieure.

Les lasers à fibre pulsée au design « MOPA » sont composés d’un « oscillateur maître » (également « laser d’ensemencement ») et d’un « amplificateur de puissance » à fibre couplée. Celui-ci est soit un laser à diode, soit un « laser à puce » avec une puissance moyenne de quelques milliwatts à un maximum d’env. 150 mW. Le laser émet des pulsations avec une forme de pouls définie. Le « laser à puce » abrite un laser sur une seule puce. Le milieu actif de laser, les réflecteurs et autres composants optiques sont souvent non seulement intégrés, mais également construits de manière monolithique. L’amplificateur est composé de fibre de verre dopée à l’ytterbium, approvisionnée en énergie avec des diodes de pompe couplées par fibre optique. Si une impulsion laser doit être générée, les diodes de la pompe chargent tout d’abord (inversion de population) l’amplificateur à fibre. Avant de décharger par émission spontanée, le laser d’ensemencement émet une impulsion amplifiée quelques centaines de fois à quelques milliers de fois lorsqu’elle passe à travers la fibre. L’amplification se produit lors d’un seul passage (« amplificateur à passage unique »). La fibre est souvent sous forme de bobine, ainsi, dans un petit volume, il est possible d’obtenir une vaste plage d’amplification et ainsi un gain élevé.

L’un des principaux avantages des lasers à fibre est leur impressionnante longévité. Les diodes de pompe séparées spatialement, chacune avec son propre dissipateur thermique, contribuent à une durée de vie élevée pour ces composants critiques. Les lasers à fibre ont généralement une durée de vie de 50 000 à 100 000 heures de fonctionnement avant une maintenance importante ou une détérioration significative. Cette durée de vie prolongée en fait un investissement intelligent à long terme. 

Les lasers à fibre offrent plusieurs avantages indéniables : 

• Marquage rapide et de haute qualité, en particulier sur les métaux et les plastiques 
• Haute précision également pour les marquages fins et détaillés 
• Conception compacte et sans entretien : La grande surface et le faible volume des fibres de verre permettent un refroidissement efficace, ce qui contribue à une conception compacte, robuste et pratiquement sans entretien. 
• Efficacité énergétique : Ils présentent un rendement électrique-optique élevé (plus de 20 %), ce qui permet de réduire les coûts énergétiques et la chaleur résiduelle pendant le fonctionnement. 
• Réduction des coûts globaux : Par rapport aux anciens lasers YAG, les lasers à fibre ont des coûts de durée de vie globale nettement inférieurs pour des applications similaires, ce qui en fait un choix plus économique à long terme. 
• Résistance à la contamination : Le guidage interne de la lumière de la pompe et du laser à l’intérieur des fibres optiques, réalisé grâce à des épissures de précision, élimine les trajectoires ouvertes du faisceau laser, ce qui les rend très résistantes à la poussière et à d’autres contaminants. 

Malgré leurs immenses capacités, les lasers à fibre ont des limites en ce qui concerne la compatibilité avec les matériaux : 

• Matériaux transparents : Les matériaux tels que le verre transparent représentent un défi pour les lasers à fibre. La longueur d’onde des lasers à fibre n’est pas facilement absorbée par les matériaux transparents, ce qui entraîne des résultats de gravure/découpe médiocres ou inexistants.  
• Bois : Les lasers à fibre ne sont pas idéaux pour la découpe ou la gravure en profondeur du bois. La structure organique et irrégulière du bois conduit souvent à des résultats inexistants ou incohérents. Dans ce cas, les lasers CO2 sont généralement le choix privilégié pour la découpe ou la gravure. 
• Certains plastiques : En général, un laser à fibre permet d’obtenir de bons résultats de marquage sur les plastiques. Dans ce cas, les pigments du plastique créent une coloration plus claire ou plus foncée en fonction de la pigmentation, les pigments foncés donnant une coloration plus claire et les plastiques plus clairs une coloration plus foncée. D’autre part, certains plastiques ne peuvent pas être marqués en raison de leur sensibilité à la chaleur, qui dépend beaucoup de la composition du plastique.   
• Matériaux présentant un risque de détérioration des fibres : La génération d’impulsions de très courte durée et de haute énergie peut créer des pics d’intensité extrêmement élevés dans la petite section transversale de la fibre de verre, ce qui risque d’endommager la fibre en formant des « centres de couleur ». 
• Autres matériaux inappropriés : Les matériaux contenant du chrome (VI), comme certains cuirs, les fibres de carbone, le PVC, le PVB, le PTFE (téflon) et l’oxyde de béryllium, ne doivent jamais être traités au laser en raison du dégagement de fumées toxiques.

Les lasers à fibre émettent un rayonnement intense qui peut être nocif. C’est pourquoi la sécurité est primordiale lors de l’utilisation de toute machine laser. Les principaux points de sécurité sont les suivants : 

• Protection des yeux et de la peau : L’exposition directe au faisceau laser peut provoquer des lésions oculaires graves et permanentes ou des brûlures cutanées. Néanmoins, les lasers Trotec ne nécessitent pas de protection supplémentaire, comme des lunettes de sécurité laser appropriées, puisque seuls les lasers de la classe 2 sont fournis.  
• Fumées et particules : La découpe au laser à fibre, en particulier des métaux, génère des fumées, des poussières et des particules. Il est donc essentiel de disposer de systèmes de ventilation et d’extraction appropriés pour prévenir les risques d’inhalation et maintenir un environnement de travail sûr. 
• Risque d’incendie : La chaleur intense peut enflammer les matériaux inflammables. Il est donc nécessaire de s’assurer que l’espace de travail est dégagé de tout combustible. 

Le respect de ces précautions et de protocoles de sécurité stricts est essentiel pour protéger les opérateurs et les personnes se trouvant à proximité. 

Compte tenu de leur efficacité élevée, de leur longue durée de vie et de leur précision exceptionnelle sur les métaux et les plastiques, les lasers à fibre constituent souvent un investissement bien adapté. Les avantages en termes de vitesse, de qualité et de polyvalence justifient souvent l’investissement dans un laser à fibre de haute qualité, en particulier pour les entreprises axées sur le traitement des métaux et les applications de haute précision. 

Si vos principaux besoins concernent la gravure ou le marquage de métaux avec une précision et une vitesse inégalées, ou si vous avez besoin d’un système robuste avec un minimum de maintenance et une longue durée de vie, un laser à fibre optique est tout à fait adapté à vos besoins. Cependant, il faut toujours tenir compte des exigences spécifiques du matériau et de l’application. En outre, nos experts sont toujours heureux de vous aider dans votre processus de décision ou de répondre à vos questions. 

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