Guide rapide sur la mesure de divergence de faisceau laser
vendredi, 08 décembre 2023
Les faisceaux collimés à une seule longueur d’onde des lasers sont très recherchés. Leur faible divergence, leur longueur d’onde unique et la vaste gamme de puissances disponibles font de ces lasers un outil de choix pour le traitement de matériaux, en industrie comme en recherche.
La divergence du faisceau est un paramètre important, autant pour les fabricants de lasers que pour les utilisateurs qui doivent connaître la taille de leur point laser. Que ce soit pour des soudures au laser, de la découpe de plaquettes semi-conductrices ou des interventions chirurgicales oculaires, il est impératif de connaître la divergence de son faisceau laser pour un montage optimal qui concentre l’énergie précisément au bon endroit.
Nous présentons ici des concepts importants de la mesure de divergence de faisceau laser. Les maîtriser vous aidera à ne pas perdre temps et énergie là où ce n’est pas nécessaire.
PREMIÈREMENT, QU’EST-CE QUE LA DIVERGENCE D’UN FAISCEAU LASER?
Dans le cas d’un faisceau circulaire, la divergence représente l’augmentation du diamètre du faisceau par rapport à la distance parcourue par celui-ci. La divergence est mesurée en milliradians (mrad) ou en degrés (°). En bref, elle indique à quel point le faisceau s’élargit le long de sa propagation entre la source et la cible.
Pour que la diffraction soit totalement inexistante, il faudrait que la cavité de résonance soit infiniment longue et étroite. Les émissions stimulées de photons dans la cavité créeraient alors un faisceau laser qui resterait collimé à l’infini. Ce n’est évidemment pas possible en pratique. De plus, un nombre grandissant d’applications industrielles utilisent des lasers à fibre optique présentant une grande divergence à la sortie de la fibre. C’est le cas de plusieurs systèmes de soudure, de découpe et de placage au laser. Savoir comment travailler malgré la divergence est donc une nécessité.
La divergence est une mesure angulaire de l’augmentation de la taille du faisceau en champ lointain, par rapport à l’axe optique. Le champ lointain se trouve à une distance bien supérieure à une distance de Rayleigh du point focal du faisceau.
La distance de Rayleigh ZR est la distance entre le point focal et l’endroit où la section transversale du faisceau est doublée, le long de l’axe de propagation.
Figure 1 : Le demi-angle de divergence en x et y est donné par θ = Div/2.
La Divergence de faisceaux laser gaussiens
Les faisceaux circulaires sont généralement conçus de façon à présenter un profil de densité d’énergie (ou irradiance) gaussien. Ce fameux profil se dessine en forme de cloche où la majorité de l’énergie du faisceau est concentrée en son centre, près de l’axe de propagation.
Figure 2 : Section transversale d’un faisceau gaussien théorique
Une caméra de profilométrie Beamage-4M procure des mesures conformes aux normes ISO, comme le rayon donné par la distance entre le point d’énergie maximale Emax de la distribution (au centre du faisceau) et le point où la densité d’énergie est égale à Emax / e2.
Figure 3 : Exemple d’ajustement gaussien en x et y fait avec le logiciel PC‑Beamage de Gentec‑EO pour un laser réel. Les dimensions X et Y sont dérivées de cet ajustement de courbe.
Jetez-y un coup d’œil! Vous pouvez télécharger gratuitement le logiciel PC-Beamage et l’essayer à l’aide des faisceaux de simulation disponibles.
LA FORMULE DE LA DIVERGENCE D’UN FAISCEAU LASER
Dans le cas d’un faisceau gaussien circulaire, la valeur de divergence minimum atteignable est donnée par la formule simple suivante :
où λ est la longueur d’onde de votre faisceau et ω0 est sa largeur de faisceau au col (l’endroit où le faisceau est le plus étroit).
On dit qu’un faisceau laser gaussien est à diffraction limitée lorsque sa divergence réelle s’approche de θ0. C’est l’objectif à atteindre lorsqu’on vise une précision optimale!
Voici comment mesurer facilement la divergence de faisceau laser.
SANS BOUGER?
On pourrait penser qu’il est nécessaire de déplacer la caméra le long de l’axe optique pour mesurer la divergence. Ce n’est pourtant pas le cas!
Pour la mesure du facteur M2 d’un faisceau (aussi connu sous le nom de facteur de qualité du faisceau), on doit mesurer la divergence
Par contre, en ce qui concerne la divergence, il n’est pas nécessaire de prendre plus d’une mesure de diamètre de faisceau le long de l’axe optique pour parvenir à la calculer.
SANS BOUGER!
Pour mesurer la divergence sans se déplacer, il faut positionner une lentille convergente sans aberrations entre votre caméra et le laser. Il est important de placer la lentille dans le champ lointain du faisceau laser. La caméra doit être positionnée précisément au foyer de la lentille (pas au col du faisceau).
Ensuite, il ne reste qu’à faire des calculs! Selon la norme ISO11146:2005, la divergence des deux axes principaux (x et y) est donnée par :
ωf est la largeur du point du faisceau focalisé à une distance f de la lentille. f est aussi la longueur focale de la lentille à la longueur d’onde de votre laser. N’oubliez pas que la longueur focale est dépendante de la longueur d’onde. Assurez-vous d’obtenir la valeur appropriée auprès du fournisseur de lentilles.
Cette méthode est aussi valide pour les faisceaux non gaussiens. Il n’est pas nécessaire de mesurer les diamètres de faisceau avant ou après le foyer. Si vous changez la longueur focale de la lentille, la taille du point du faisceau au foyer de celle-ci ne sera pas la même; si votre caméra est encore bien positionnée au foyer, la divergence mesurée restera la même.
Le logiciel PC-Beamage offre des options pratiques sous l’onglet « Divergence » pour mesurer ces paramètres. Lancez le logiciel et amusez-vous!
PEUT-ON CONTRôLER LA DIVERGENCE D’UN FAISCEAU LASER?
Par exemple, dans le cas de lasers à fibre optique haute puissance, l’échantillon ciblé est habituellement traité près de la sortie de la fibre optique, mais la divergence est contrôlée et mesurée à l’aide d’un scanneur optique qui produit la taille de faisceau requise sur l’échantillon ciblé.
Des collimateurs peuvent être employés pour des applications impliquant des lasers à fibre optique de faible puissance, comme les télécommunications et les applications faisant appel à des diodes laser variées.
Maintenant que vous savez mesurer la divergence facilement, vous pouvez tester plusieurs composantes optiques afin de voir leur impact sur la taille du faisceau laser.
La divergence naturelle des faisceaux laser est souvent mise à profit pour agrandir la taille du faisceau et ainsi obtenir une densité de puissance inférieure au seuil d’endommagement du mesureur de puissance laser utilisé.
Souhaitez-vous confirmer que vous vous conformez aux meilleures pratiques en matière de diagnostic de faisceaux? Peut-être voulez-vous vérifier quelles sont les limites sécuritaires de densité de puissance à utiliser pour vos besoins de profilage et de mesures de puissance? Communiquez avec nous pour nous transmettre les spécifications de votre laser!
