Main Types of Lasers How are Lasers Classified?

Si vous choisissez un laser pour une tâche spécifique, il est essentiel de comprendre les principaux types de lasers. Chaque type de laser est conçu avec une structure, une longueur d'onde, un mode de sortie et un principe de fonctionnement spécifiques. Ces différences rendent chaque laser adapté à certaines applications, mais pas à d'autres.

Ce guide explique les principales classifications laser, y compris la puissance de sortie, le mode de sortie, la longueur d'onde, le milieu de gain, la méthode de pompage et la technique de génération d'impulsions. En comprenant ces catégories, vous pouvez mieux évaluer quelle source laser convient à vos matériaux, applications et objectifs de traitement.

1. lasers classés par puissance de sortie

L'un des moyens les plus simples de classer les lasers est par puissance de sortie. La puissance de sortie affecte directement ce qu'un laser peut faire, du simple alignement et de la numérisation à la gravure, la découpe, le soudage et la production industrielle à grande échelle.

Ceci est étroitement lié aux besoins d'application. Certains lasers sont conçus pour le consommateur ou la mesure, tandis que d'autres sont construits pour des ateliers professionnels ou la fabrication à l'échelle industrielle. Si vous voulez comprendre comment la puissance affecte le traitement des matériaux, vous pouvez également lire ce guide surComment régler la puissance du laser.

Généralement, les lasers se répartissent en trois catégories principales de puissance.

1.1 Lasers de faible puissance

Les lasers de faible puissance fonctionnent dans la gamme milliwatt. Ils sont généralement utilisés dans des applications non industrielles telles que les pointeurs laser, les scanners de codes à barres, les outils d'alignement, les systèmes de mesure et la transmission de données optiques.

Ces lasers ne sont pas conçus pour l'enlèvement de matière, la découpe ou la gravure. Leur valeur principale réside dans la visibilité, l'alignement, la communication et la détection.

1.2 Lasers de moyenne puissance

Les lasers de moyenne puissance vont généralement de quelques dizaines à des centaines de watts. Ils sont courants dans les environnements commerciaux et industriels légers et conviennent à la gravure au laser, au marquage plastique, à la découpe de feuilles minces, aux procédures cosmétiques et à des applications similaires.

De nombreuses machines laser de bureau et d'atelier entrent dans cette catégorie, en particulier les découpeuses et les graveurs laser CO2 utilisés pour le bois, l'acrylique, le cuir, le papier, le caoutchouc et d'autres matériaux non métalliques.

1.3 Lasers de haute puissance

Les lasers de haute puissance commencent généralement à 1 kilowatt et plus. Ces systèmes sont conçus pour les processus industriels tels que la découpe de métaux épais, le soudage à grande vitesse, le durcissement de surface et le revêtement au laser.

En raison de leur rendement d'énergie élevé, ils exigent souvent le refroidissement avancé, conception de clôture, etSystèmes de sécurité laser. Ils sont principalement utilisés dans les lignes de fabrication et de fabrication à grande échelle.

Tableau 1: Comparaison des types de laser par puissance de sortie.

2. lasers classés par mode de sortie

Les lasers peuvent également être classés par la façon dont ils fournissent de l'énergie au fil du temps. Certains lasers émettent un faisceau constant, tandis que d'autres émettent de l'énergie sous forme d'impulsions. Le mode de sortie influence fortement le transfert de chaleur, la qualité du processus, la précision et l'impact thermique.

Les modes de sortie les plus courants sont l'onde continue, l'onde quasi-continue et le fonctionnement pulsé. Pour une explication plus approfondie, voir ce guideLasers CW, pulsés et QCW.

2.1 Lasers à ondes continues

Les lasers à ondes continues, souvent appelés lasers CW, émettent un faisceau de lumière constant et ininterrompu à un niveau de puissance stable. Ils sont idéaux pour les applications qui exigent la livraison uniforme d'énergie au fil du temps, telle que la coupe continue, la soudure, et la communication optique.

Parce que le faisceau est continu, lasers CW sont particulièrement utiles lorsque l'apport de chaleur stable est nécessaire. Cependant, s'ils ne sont pas contrôlés correctement, ils peuvent créer de plus grandes zones affectées par la chaleur que les lasers à impulsions courtes.

2.2 Lasers à ondes quasi continues

Les lasers à ondes quasi continues, ou lasers QCW, fonctionnent de manière pulsée, mais avec des durées d'impulsion suffisamment longues pour que le laser puisse approcher le comportement optique en régime permanent tout en réduisant la charge thermique.

Ce mode est utilisé dans certains systèmes laser à état solide et à pompe à diode. Il offre un équilibre pratique entre la puissance de crête et la gestion thermique, ce qui le rend utile pour certaines applications de soudage, de perçage et de traitement de précision.

2.3 Lasers pulsés

Les lasers pulsés émettent des éclats de lumière au lieu d'un flux continu. Ces impulsions peuvent atteindre une puissance crête extrêmement élevée, permettant une ablation précise, un micro-perçage et un marquage avec des zones affectées par la chaleur réduites.

Les lasers pulsés peuvent être encore divisés par la durée d'impulsion:

• Lasers nanoseconde: souvent générés par Q-switching et largement utilisés dans le marquage, l'ablation et le micro-usinage.
• Lasers pulsés de la microseconde à la milliseconde: utilisés lorsqu'une énergie d'impulsion plus élevée ou une interaction thermique différente est requise.
• Lasers ultra-rapide: lasers picoseconde et femtoseconde, généralement générés par verrouillage de mode, utilisés pour un traitement de haute précision avec un minimum de zones affectées par la chaleur.

Lire plus:Un examen de l'ablation laser et de la découpe de plaquettes Si-ScienceDirect.

3. lasers classés par longueur d'onde de fonctionnement

Les lasers émettent de la lumière à des longueurs d'onde spécifiques, généralement mesurées en nanomètres ou en micromètres. La longueur d'onde affecte la façon dont un laser interagit avec les matériaux car différents matériaux absorbent différentes longueurs d'onde avec des efficacités différentes.

La longueur d'onde détermine également la couleur visible du faisceau lorsque la longueur d'onde se situe dans le spectre visible. Pour un aperçu détaillé, voir ce guide surQuelle longueur d'onde laser est.

3.1 Lasers ultraviolets

Les lasers ultraviolets, souvent autour de 355 nm, sont invisibles à l'œil humain et fournissent des longueurs d'onde très courtes pour un traitement à faible impact thermique. Ils sont bien adaptés aux applications de traitement à froid, avec des zones affectées par la chaleur réduites et une haute précision sur des matériaux délicats tels que le verre, les semi-conducteurs, les plastiques et les composants électroniques.

Les applications courantes incluent le marquage électronique, le marquage des dispositifs médicaux, le micro-usinage et le marquage des plastiques fins. Si vous comparez les options de marquage, ce guide vousLasers à fibre vs lasers UVPeut aider à expliquer la différence.

3.2 Lasers visibles

Les lasers visibles fonctionnent à peu près dans la plage de 400 à 700 nm et comprennent les lasers bleu, vert et rouge. Parce qu'ils peuvent être vus à l'œil nu, ils sont utiles pour l'alignement, les systèmes de pointeurs et les tâches de gravure spécialisées, en particulier sur les matériaux qui réfléchissent mal l'infrarouge mais absorbent plus efficacement la lumière visible.

• Lasers bleus, environ 450 nm: adaptés à la gravure fine et au traitement des métaux réfléchissants sélectionnés.
• Lasers verts, autour de 532 nm: utilisés pour marquer certains plastiques ou métaux qui réfléchissent mal l'infrarouge.
• Lasers rouges, environ 632,8 nm: communs dans les pointeurs laser, les outils de mesure et les systèmes d'alignement.

3.3 Laser proche infrarouge et infrarouge

Les lasers à infrarouge proche et infrarouge s'étendent généralement d'environ 808 nm à 10,6 µm et représentent la plupart des systèmes laser industriels. Bien que ces longueurs d'onde soient généralement invisibles à l'œil humain, elles sont très efficaces pour la découpe, le marquage, le soudage et la gravure sur une large gamme de métaux et de matériaux non métalliques.

Les lasers à fibre et les lasers à l'état solide tels que Nd:YAG fonctionnent généralement dans le proche infrarouge autour de 1064 nm, où de nombreux métaux absorbent efficacement l'énergie. Cela les rend adaptés à la découpe, au marquage et au soudage des métaux.

En revanche, les lasers CO2 fonctionnent à 10,6 µm dans la plage infrarouge et sont fortement absorbés par les matériaux organiques et non métalliques tels que le bois, l'acrylique, le tissu, le papier, le cuir, le caoutchouc et le verre. Pour cette raison, ils sont largement utilisés pour la découpe et la gravure non métalliques.

Comparaison rapide: laser fibre vs laser CO2

Les lasers à fibre fonctionnent généralement autour de 1064 nm, ce qui les rend très efficaces pour la découpe, le marquage et le soudage des métaux. Ils offrent un rendement élevé, un faible entretien et une excellente qualité de faisceau, ce qui explique pourquoi ils sont largement utilisés dans les industries modernes de transformation des métaux.

Les lasers à CO2 fonctionnent à 10,6 µm et sont généralement mieux adaptés aux matériaux non métalliques tels que le bois, l'acrylique, le cuir, le tissu, le papier et le verre. Ils restent un choix populaire pour la gravure et la découpe de matériaux organiques dans la signalisation, l'emballage, l'artisanat et la fabrication non métallique.

3.4 Lasers accordables

Les lasers accordables peuvent ajuster leur longueur d'onde de sortie sur une plage spectrale continue ou discrète, ce qui les rend particulièrement utiles dans les applications scientifiques et de recherche. Au lieu d'être limités à une seule longueur d'onde, ces systèmes permettent aux utilisateurs de sélectionner la longueur d'onde la plus appropriée pour différents matériaux ou besoins de mesure.

Tableau 2: Comparaison des types de laser par longueur d'onde de fonctionnement.

4. Lasers classés par milieu de gain

L'un des moyens les plus fondamentaux de classer les lasers est par gain moyen. Le milieu de gain est le matériau responsable de l'amplification de la lumière par émission stimulée. Il détermine en grande partie la longueur d'onde d'un laser, la capacité de puissance, l'efficacité, et l'aptitude d'application.

Si vous voulez une introduction plus large, vous pouvez également lire ceciAperçu de la source laser.

4.1 Lasers à gaz

Les lasers à gaz utilisent des gaz tels que CO2, He-Ne et N2 comme milieu de gain. Ils offrent généralement une qualité de faisceau stable et peuvent fonctionner dans des plages visibles ou infrarouges à des niveaux de puissance faibles à moyens.

Les applications courantes incluent la découpe et la gravure non métalliques avec des lasers CO2, ainsi que l'alignement, la métrologie et la recherche avec des lasers He-Ne.

4.2 Lasers à l'état solide

Les lasers à l'état solide utilisent des cristaux ou du verre dopés, tels que Nd:YAG ou rubis. Ils sont connus pour leur puissance élevée, leur bonne efficacité et leur forte qualité de faisceau, ce qui les rend adaptés au marquage, au soudage, aux procédures médicales et aux traitements cosmétiques.

4.3 Lasers à fibre

Les lasers à fibre utilisent des fibres optiques dopées aux terres rares, telles que des fibres dopées à l'ytterbium, à l'erbium ou au thulium. Ils sont compacts, efficaces, et connus pour l'excellente qualité de poutre, qui les rend fortement efficaces pour la coupe en métal, le marquage, la soudure, et les télécommunications.

Pour les utilisateurs axés sur le marquage des métaux, ce guideLa meilleure machine de laser de fibrePeut également être utile.

4.4 Lasers à diodes

Les lasers à diodes utilisent des matériaux semi-conducteurs tels que GaAs ou GaN. Ils sont compacts, très efficaces et peuvent être réglés et modulés électroniquement, ce qui explique pourquoi ils sont largement utilisés dans les imprimantes laser, les scanners de codes à barres et les systèmes de communication par fibre optique.

Dans les applications de fabricant et de gravure, les lasers à diode sont souvent comparés aux lasers CO2. Vous pouvez en apprendre plus dans ce guide pourLasers CO2 vs lasers à diode.

4.5 Lasers à colorant

Les lasers à colorant utilisent des colorants organiques liquides comme milieu de gain. Leur principal avantage est la grande accordabilité de longueur d'onde combinée à des largeurs de raies étroites, ce qui les rend précieuses dans la recherche scientifique, la spectroscopie et les applications de fluorescence.

Tableau 3: Comment le milieu de gain classifie les lasers.

Chaque type de milieu de gain apporte des caractéristiques optiques uniques et des avantages opérationnels. Comprendre le matériau de base d'un système laser aide à déterminer son cas d'utilisation idéal.

En savoir plus:Médium laser actif-Wikipédia.

5. lasers classés par méthode de pompage

Pour produire de la lumière laser, le milieu de gain doit d'abord être pompé ou excité à un état d'énergie plus élevé. La méthode d'excitation, connue sous le nom de mécanisme de pompage laser, varie en fonction du type de laser et de son application prévue.

5.1 Pompage électrique

Dans le pompage électrique, l'énergie électrique est utilisée pour exciter des atomes ou des molécules dans le milieu de gain.

• Les lasers à gaz tels que CO2 et He-Ne peuvent être excités par radiofréquence, décharge DC ou décharge d'arc.
• Les lasers à semi-conducteurs sont pompés par injection directe de courant électrique à travers une jonction PN.

5.2 Pompage optique

Le pompage optique utilise des sources de lumière externes, généralement des lampes de poche ou d'autres lasers, pour exciter le milieu de gain.

• Les premiers lasers à l'état solide tels que les lasers à rubis et les lasers Nd:YAG étaient généralement pompés par des flashlamp.
• Certains lasers à colorant accordables sont également pompés optiquement.

5.3 Pompage de diodes

Dans les lasers à pompage par diode, les diodes laser agissent comme source de pompe pour un autre milieu de gain, tel que Nd:YAG ou fibre dopée à l'ytterbium. Ce procédé améliore l'efficacité, la compacité et la gestion thermique par rapport au pompage par lampe flash.

5.4 Pompage chimique

Dans les lasers chimiques, les réactions chimiques exothermiques fournissent l'énergie nécessaire pour exciter le milieu de gain. Un exemple est le laser chimique oxygène-iode, également connu sous le nom de COIL.

5.5 Pompage par faisceau d'électrons

Dans les systèmes spécialisés, des faisceaux d'électrons de haute énergie sont utilisés pour exciter le milieu de gain. Cette approche se trouve généralement dans les lasers à rayons X et les lasers à électrons libres utilisés pour la recherche.

En savoir plus:Pompage laser-Wikipedia.

6. Lasers classés par des techniques de génération d'impulsions

Au-delà des modes de sortie de base tels que CW et le fonctionnement pulsé, les lasers peuvent également être distingués par la façon dont les impulsions sont générées, façonnées ou contrôlées. Ces techniques incluent la commutation Q, les architectures MOPA, le verrouillage de mode et le réglage de la longueur d'onde.

6.1 Lasers à commutation Q

Q-commutation est réalisée en introduisant un atténuateur variable à l'intérieur du résonateur optique du laser. Cela permet au système de stocker l'énergie, puis de la libérer en une impulsion très courte et intense.

Les lasers à commutation Q produisent généralement des impulsions nanosecondes avec une puissance de crête élevée et sont largement utilisés dans le marquage des métaux, le bris de verre et le micro-forage. Leur principal avantage est la capacité à délivrer des impulsions intenses et courtes qui conviennent à l'ablation du matériau.

6.2 Lasers MOPA

MOPA est l'abréviation de Master Oscillator Power Amplifier. Les systèmes MOPA amplifient une impulsion de graine générée par un oscillateur maître à l'aide d'un amplificateur de puissance. Ils offrent des largeurs d'impulsion réglables, généralement de dizaines à des centaines de nanosecondes, avec une fréquence accordable.

Ces systèmes sont couramment utilisés pour le marquage à contraste élevé, la gravure plastique et l'ablation en couche mince. Leur principal avantage est un excellent contrôle de la forme et de la durée des impulsions.

6.3 Lasers à verrouillage de mode

Les lasers à verrouillage de mode fixent la relation de phase parmi les modes longitudinaux dans la cavité pour générer des impulsions ultra-brèves. Ils produisent généralement des impulsions de picoseconde à femtoseconde et sont utilisés dans le micro-usinage, l'imagerie médicale et la spectroscopie.

Leur principal avantage est la génération d'impulsions ultrarapides pour une précision extrêmement élevée.

6.4 Systèmes à impulsions accordables

Les systèmes accordables modifient les propriétés de la cavité pour modifier la longueur d'onde de sortie. Leurs caractéristiques d'impulsion varient selon la conception du système, mais elles sont particulièrement utiles en spectroscopie, tomographie par cohérence optique et télécommunications.

Leur principale force est le balayage en longueur d'onde et la flexibilité spectrale.

Tableau 4: Comment les lasers sont classés par la technique de génération d'impulsions.

7. Conclusion

La classification laser n'est pas basée sur une seule dimension. Il s'agit d'un système multicritère enraciné dans les principes physiques et la conception technique. Les lasers peuvent être classés par puissance de sortie, mode de sortie, longueur d'onde de fonctionnement, milieu de gain, méthode de pompage et technique de génération d'impulsions.

Cette structure multidimensionnelle reflète non seulement le fonctionnement des lasers, mais également leur optimisation pour des scénarios industriels, médicaux et scientifiques spécifiques. En ce sens, la classification laser sert de carte de navigation, aidant les ingénieurs, les chercheurs et les utilisateurs finaux à identifier la technologie laser la mieux adaptée à leurs objectifs.

Plus la tâche est complexe et interdisciplinaire, plus il devient important de comprendre comment les différents types de laser fonctionnent. Pour un traitement pratique des matériaux, le bon choix de laser doit toujours tenir compte du type de matériau, de la longueur d'onde, de la puissance, du mode de sortie, de l'objectif de l'application et des exigences de sécurité.