Quelle est la différence ? Taille du faisceau et ouverture libre

Comprendre la conception des systèmes à faisceau laser : taille du faisceau et ouverture libre

Pour la mise en place d’un système, il est important de comprendre la conception des systèmes à faisceau laser qui utilisent la technologie de guidage du faisceau. Plus précisément, il est essentiel d’associer un ensemble de guidage du faisceau à un laser. Lors de la mise en place, l’alignement de l’ouverture utile de l’ensemble de guidage du faisceau avec la taille du faisceau du laser est crucial. Cela soulève souvent la question du rapport entre la taille du faisceau et l’ouverture utile. Analysons cette question dans cet article de blog et aidons-vous à effectuer les calculs appropriés.

Mise en place des systèmes à faisceau laser

Il existe de nombreuses idées reçues concernant la configuration d’un laser et d’un système de guidage de faisceau. L’idée reçue la plus courante est que la valeur de l’ouverture nette doit être égale à la taille maximale admissible du faisceau laser. Les composants optiques possèdent un paramètre appelé « ouverture effective », qui définit strictement les performances optiques à l’intérieur de cette ouverture. Les performances optiques en dehors de l’ouverture effective ne sont pas spécifiées. Un éclairage important au-delà de cette limite entraîne non seulement une perte de puissance, mais provoque également les effets suivants sur les composants optiques :

1. Déformation de l’optique due à un échauffement excessif
2. Variation de l’indice de réfraction en fonction de la température (optiques transmissives uniquement)
3. Délamination entre le revêtement et le substrat
4. Lumière parasite pouvant endommager d’autres composants du système

Taille du faisceau par rapport à l’ouverture effective : le profil gaussien

En règle générale, les lasers émettent des faisceaux de forme circulaire présentant un profil gaussien. Grâce aux technologies de mise en forme du faisceau, le profil gaussien peut être transformé en un profil uniforme (en chapeau haut-de-forme), le faisceau de sortie prenant alors une forme carrée, rectangulaire, etc. La taille du faisceau pour un profil uniforme est facile à déterminer (voir la figure ci-dessous). En revanche, la mesure du diamètre du faisceau à profil gaussien est plus subjective et dépend fortement de la méthodologie utilisée. Parmi les différents critères utilisés pour caractériser la taille d’un faisceau gaussien, on peut citer : D4σ, 10/90 ou 20/80 « knife-edge »,^1/e², FWHM et D86. Les valeurs^1/e² et FWHM (largeur à mi-hauteur) sont les plus couramment utilisées. Il est important de bien comprendre le profil et la taille du faisceau laser. En effet, un même faisceau laser aura une taille différente selon sa^{définition¹}.

Différentes tailles de faisceau

Que se passe-t-il lorsque la même ouverture libre est appliquée à différentes tailles de faisceau ? C’est assez simple, comme le montre la figure ci-dessous. Si le faisceau laser dépasse l’ouverture libre, la partie périphérique du faisceau sera écrêtée. Ce qui nous amène à la question suivante : quel diamètre de faisceau faut-il choisir pour une ouverture libre donnée ?

En approfondissant un peu les équations mathématiques et en prenant^comme exemple un faisceau gaussien typique dont la taille est définie par^1/e² , on peut garantir une perte de puissance inférieure à 1 % due à l’écrêtage du faisceau. Voir les formules ci-dessous :

Par conséquent, le diamètre du faisceau incident sur l’ouverture doit être :

 Et selon le même calcul, pour garantir une perte de puissance inférieure à 10 %, l’ouverture effective doit être au moins 1,07 fois plus grande que la taille^{du faisceau 1/e²}; pour une perte de puissance inférieure à 5 %, elle devrait être de 1,22 ; et pour une perte de puissance inférieure à 0,1 %, elle devrait être de 1,86.   Il est important de noter que, la taille du faisceau laser définie par^{1/e² étant}environ 1,7 fois le diamètre défini par la FWHM, les calculs relatifs à la taille appropriée du faisceau et aux rapports d’ouverture libre peuvent être effectués à partir des exemples ci-dessus.   Dans ce cas, nous définissons la taille du faisceau en termes de FWHM en prenant comme exemple un faisceau gaussien. Pour garantir une perte de puissance inférieure à 1 % due à l’écrêtage du faisceau, l’ouverture effective doit être :  

Importance de la taille du faisceau laser

Un autre point à clarifier concerne l’idée fausse courante selon laquelle la taille du faisceau laser d’entrée serait exactement identique à l’ouverture nette. En appliquant la même formule et en supposant que la taille du faisceau soit définie par^1/e², vous risquez de subir un écrêtage de 13,5 % de la puissance. Il est essentiel de noter que la puissance qui rebondit sur les miroirs ne provoquera pas seulement un échauffement, une délamination, la combustion des revêtements et la diffusion de la lumière, comme mentionné précédemment, mais qu’elle se déposera également sur les pièces internes à l’intérieur du boîtier de la tête de balayage ou sera absorbée par la bague de retenue de la lentille DFM (avec de la colle) et le support de lentille DFM. Dans les deux cas, cela causera des dommages importants aux systèmes actuels lors de l’intégration, ce qui est particulièrement important lorsque l’on travaille avec un laser de forte puissance. Enfin, les calculs ci-dessus supposent un alignement parfait. En cas d’erreurs d’alignement réelles, il convient de prévoir des marges de sécurité. .

Gardez à l’esprit les différences entre la taille du faisceau et l’ouverture libre

En conclusion, gardez toujours à l’esprit que la définition de la taille du faisceau d’entrée et celle de la taille de l’ouverture libre ne sont PAS identiques. Une confusion entre ces deux notions peut entraîner un écrêtage de puissance inattendu, ce qui aura des répercussions négatives sur votre système lors de l’intégration, pouvant aller jusqu’à un dysfonctionnement, voire une explosion du système. Lorsque les utilisateurs achètent chez nous une solution de guidage de faisceau laser, nous leur fournissons les informations relatives à l’ouverture libre, tandis que la définition de la taille du faisceau laser doit figurer dans la fiche technique du laser. De plus, la fiche technique du laser peut également indiquer des spécifications d’alignement, telles que la position de sortie du faisceau et l’erreur de pointage. Si ces informations ne sont pas fournies, assurez-vous de vérifier auprès du fabricant du laser afin de confirmer ces paramètres pour obtenir les meilleures performances possibles. Ayant testé et intégré avec succès différents systèmes dans de multiples applications, nous pouvons garantir que ces recommandations permettront de dissiper toute confusion et d’éviter des dommages futurs.

1. Certains lasers peuvent présenter un profil d’irradiance central qui se rapproche fortement d’un profil gaussien, mais comportent également des « lobes » d’irradiance supplémentaires sur les côtés. À haute puissance, ces lobes peuvent être importants et doivent être pris en compte.