Lasers de puissance. 1 Principe. 2 Types de sources. 3 Applications et machines

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1 Lasers de puissance 1 Principe 2 Types de sources 3 Applications et machines

2 LASERS DE PUISSANCE : POUR QUOI FAIRE? Les différents procédés laser -1 Densité de Puissance (W/cm²) Choc-laser 100 J/cm² 1000 J/cm² 10 5 J/cm² Energie spécifique (J/cm²) Microperçage (ps, fs) Dépôts Rechargement Découpe-perçage soudage J/cm² 0.1 J/cm² 1 J/cm² Trempe traitements phase solide Temps d interaction (sec) Temps d interaction Cas (s) des x Densité matériaux de puissance métalliques. (W/m²) = fluence (J/m²) 51/214

3 ATOMES ET NIVEAUX D ÉNERGIE Un atome est constitué d un noyau et d électrons qui gravitent autour de celui-ci. La position spatiale des électrons peut être décrite par les orbitales atomiques. Dans une version simplifiée de la réalité physique, on peut imaginer les orbitales comme représentant les di érents niveaux d énergie d un atome. 52/214

4 INTERACTIONS LUMIÈRE / MATIÈRE I Deux phénomènes de base peuvent être envisagés : Absorption : un photon est absorbé et provoque une hausse d énergie E 1! E 2. Emission spontanée : un atome dans un état d énergie élevé émet (E 2! E 1 ) un photon de direction et phase quelconque. La conservation de l énergie impose W = E 2 E 1 = h, ou est la fréquence du photon et h la constante de Planck. 53/214

5 INTERACTIONS LUMIÈRE / MATIÈRE II Au début du XX ème siècle, Einstein a montré l existence d une 3 ème possibilitée : l émission stimulée. Un atome excité absorbant un photon de fréquence adéquate change de niveau d énergie (E 2! E 1 ) et émet deux photons. Ces deux photons ont la même direction, la même fréquence et la même phase que le photon incident. On parle alors d émission cohérente. 54/214

6 EMISSION STIMULÉE : CONDITIONS NÉCESSAIRES? Pour que l émission stimulée fonctionne, on doit avoir en permanence plus d atomes au niveau E 2 qu au niveau E 1. Il faut donc réaliser une inversion de population, le niveau le plus faible E 1 étant le plus stable et donc le plus courant. A l état stable, la population des di érents niveaux d énergie est régi par la statistique de Boltzman. Plus l énergie d un niveau donné est importante, moins il est peuplé. 55/214

7 EMISSION STIMULÉE : CONDITIONS NÉCESSAIRES? Energie Niveau excité n Niveau excité n-1 Niveau excité n-2... N i = A e -Ei/kT Niveau excité 1 Niveau fondamental Population N Population des niveaux d énergie - loi de Boltzman 56/214

8 EMISSION STIMULÉE : CONDITIONS NÉCESSAIRES? Energie Niveau excité n Niveau excité 2 Niveau excité 1 Niveau fondamental inversion de population entre ces deux niveaux Inversion de population pour que N 2 > N 1 Population N 56/214

9 EMISSION STIMULÉE : CONDITIONS NÉCESSAIRES? Energie Niveau excité n Niveau excité 2 Niveau excité 1 Niveau fondamental inversion de population entre ces deux niveaux Inversion de population pour que N 2 > N 1 Population N 56/214

10 EMISSION STIMULÉE : CONDITIONS NÉCESSAIRES? Maintient de la surpopulation du niveau 2 par pompage pour compenser l émission stimulée 56/214

11 LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation émission stimulée n photons 2n photons n. photons Propriétés du faisceau : quasi-parallèle, monochromatique, cohérent. Donc source d une très grande brillance. L onde est amplifiée par exemple par une cavité résonante optique (interféromètre de Fabry-Pérot). 57/214

12 LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation émission stimulée n photons 2n photons n. photons Eléments de base d un laser : milieu amplificateur, pompage, cavité résonante. L onde est amplifiée par exemple par une cavité résonante optique (interféromètre de Fabry-Pérot). 57/214

13 Principe Types de sources Applications et machines RÉSUMÉ 1 58/214

14 RÉSUMÉ 2 lampe flash miroir atome miroir partiellement réfléchissant atomes dans le niveau fondamental atome excité atomes portés en majorité dans le niveau excité (pompage) lumière émise émission spontannée / stimulée rétroaction positive due à la cavité émission à travers un des miroirs 59/214

15 BILAN : MILIEU AMPLIFICATEURS ET POMPAGE Milieux amplificateurs : plusieurs centaines. Solide : ions dans monocristal ou verre. Liquide : colorants. Gaz : plasmas. Jonction semi-conducteurs : diode. Radicaux libres : excimères. Etc. Pompage : environ 40 méthodes.! Plus de 1000 lasers... dans les labos de recherche. 60/214

16 BILAN : ORDRES DE GRANDEUR Puissance émise. quelques µw à quelques dizaines de kw (sources industrielles). Durée d émission. du continu à s. Energie par impulsion. du mj à quelques dizaines de J. Deux douzaines de lasers industriels.! Lasers de puissance P > 100W. 61/214

17 Principe Types de sources Applications et machines HISTORIQUE Perot 1898 cavité résonante Fabry 1917 émission stimulée 1950 pompage optique Kastler electronique quantique 1953 Einstein 1960 Laser à rubis Maiman Laser à gaz (He-Ne) 1961 Holcroft 1967 Shawlow Townes Basov Prokhorov Javan 1ère découpe d'acier (laser CO2) 62/214

18 SOURCES DISPONIBLES lasers excimères m transportables par fibres optiques diodes lasers lasers Nd:YAG m 1.06 m lasers CO m Gamma X UV IR Micro-Onde Radio 63/214

19 LASER YAG - ND Monocristal Yttrium - Grenat Aluminium dopé au Néodyme. Energie Niveaux d'énergie supérieure (peuplés par pompage) Décroissance rapide non radiative Niveau d'énergie supérieure (métastable) Transition laser 1.06 m Niveau fondamental 64/214

20 LASER YAG - ND II Miroir Barreau YAG Pompage optique (lampes flash ou diodes). Proche IR = 1.06µm. Transport du faisceau par fibre optique. Sources continues (100W à 10kW) ou pulsées (qq. 10J, Lampe flash 10ns à 100 ms, 1 kw moyen, 1 GW instantané). Réflecteur Miroir semi-transparent 65/214

21 LASER CO 2 Mélange gazeux : 50% N 2 50% He 1% CO 2. Energie Niveaux d'énergie supérieure (peuplés par pompage) Transfert d'énergie via les atomes d'he Niveau d'énergie supérieure (métastable) Transition laser 10.6 m N 2 CO 2 Niveau fondamental 66/214

22 LASER CO 2 II Pompage par décharge électrique ou RF. IR moyen = 10.6µm. Transport du faisceau par miroirs et lentilles. Sources continues (100W à 50kW). 67/214

23 LASER CO 2 III Tube scellé : P < 100W/m. +HT -HT limitation : refroidissement Flux longitudinal : 100W/m < P < 1kW/m. +HT -HT échangeur de chaleur pompe 68/214

24 LASER CO 2 IV Flux transversal : P 1 à 10kW/m. -HT +HT Excitation Radio-Fréquence : P 1 à 5 kw/m. ~ ~ 69/214

25 Tuyère Principe Types de sources Applications et machines Tuyère aval Injection tangentielle UTILISATION DE LA PUISSANCE de l'eau Jet eau + abrasif Figure 11 Coupage plasma : torche à électrode plate avec injection tangentielle du gaz et dispositif de post-injection d eau Tête Buse Densité de puissance 10 3 à 10 9 W/cm 2! focalisation. Transport du faisceau de la source vers la machine utilisatrice. 3.4 Coupage au jet d eau Chemin optique Faisceau Lentille Gaz d'assistance Pièce à découper Fenêtre d'étanchéité Miroir parabolique Tête Buse Chemin optique Faisceau Gaz d'assistance Miroir plan Pièce à découper Figure 13 Tête de découpe avec abrasif L outil de coupage proprement dit est relat porte une buse de sortie, généralement en tuyauterie d arrivée d eau sous pression. L ensemble est parfois complété par un d abrasif en poudre, surtout pour le coupag généralement des matériaux durs. Matériaux optiques : YAG : verres fibres, lentilles. La figure 13 montre un exemple de tête d avec injection d abrasif. Comme pour le coupage laser, l éléme l ensemble CO générateur d eau sous pression délivrer 2 : lentilles ZnSe, des pressions de à hpa. miroirs métalliques. 4. Fluides utilisés a à lentille b à miroir On se reportera paragraphe 4.3 pour le gaz d'assistance 4.1 Oxycoupage 70/214

26 MACHINE-OUTIL I Robot anthropomorphe + fibre optique + montages porte-pièce. 71/214

27 MACHINE-OUTIL II Robot cartésien 3 axes + poignet 2 axes 72/214

28 PARAMÈTRES DU PROCÉDÉ 73/214

29 APPLICATIONS Les différents procédés laser -2 Soudage Soudo-brasage acier Perçage Alu Fusion-solidification rapide (hors-équilibre) Découpe Traitements de surface (alliages-dépôts) Fabrication directe Effets spécifiques induits sur les matériaux 74/214

30 USINAGE Les différents procédés laser -1 Densité de Puissance (W/cm²) Phénomènes : fusion, vaporisation, dégradation thermique, dégradation photochimique. Matériaux : Microperçage (ps, fs) métaux et alliages, plastiques, Choc-laser 100 J/cm² 1000 J/cm² Dépôts Rechargement 10 5 J/cm² Découpe-perçage Energie spécifique (J/cm²) soudage J/cm² 0.1 J/cm² 1 J/cm² Trempe 10 4 traitements phase solide Temps d interaction (sec) Temps d interaction (s) x Densité de puissance (W/m²) = fluence (J/m²) bois et dérivés, céramiques. 75/214

31 DÉCOUPE I V max P e " 76/214

32 DÉCOUPE II Laser CO 2 avec assistance O 2 = micro-oxycoupage 77/214

33 DÉCOUPE III 78/214

34 PERÇAGE Perçage oblique de faible diamètre. Précision pouvant atteindre le 1/10 ème de mm. 79/214

35 MARQUAGE I Enlèvement de matière ou modification de surface. 80/214

36 MARQUAGE II Identification, traçabilité,... 81/214

37 SOUDAGE Soudage «par pénétration». 82/214

38 SOUDAGE II Absence de déformation soudage sur pièces finies 83/214

39 SOUDAGE III Microsoudage «par transparence» cuivre / acier inox 84/214

40 TRAITEMENT DE SURFACE I Modification des propriétés des matériaux métalliques. Les différents procédés laser -1 A l état solide : trempe 10 3 W/cm 2. Avec passage à l état liquide 10 6 W/cm 2. Gradients thermiques importants. Cinétiques rapides. Traitements localisés. Microperçage (ps, fs) Densité de Puissance (W/cm²) Choc-laser 100 J/cm² 1000 J/cm² Dépôts Rechargement 10-3 J/cm² 0.1 J/cm² 10 5 J/cm² Découpe-perçage Energie spécifique (J/cm²) soudage 1 J/cm² Trempe traitements phase solide Temps d interaction (sec) Temps d interaction (s) x Densité de puissance (W/m²) = fluence (J/m²)! Refusion/texturation de surface.! Dépôts/rechargement.! Création d alliages in-situ. 85/214

41 TRAITEMENT DE SURFACE II Trempe durcissement 86/214

42 TRAITEMENT DE SURFACE III Trempe laser acier 50CD4 4 kw 1 m/min 87/214

43 TRAITEMENT DE SURFACE IV Alliages de Surface par laser : Ni sur Al-Si But : Durcir la surface d alliages d aluminium moulés Al-Si par réalisation d un alliage Al-Ni + formation de Al 3 Ni, Al 3 Ni 2 Applications : Tribologiques Irradiation laser : CO 2 continu W/cm² (absorptivité <10 %) Réalisation d un alliage à 19.6 % Ni par fusion de dépôt plasma Al, Si, Al 3 Ni, Al 3 Ni HV 800 Influence de l épaisseur de HV Nickel prédéposée 100 µm 150 µm profondeur (µm) Influence du taux de Nickel dissous 100 µm Al-9%Si-Cu 400 Al 3 Ni Al 3 Ni Al 3 Ni % at Ni Microstructure : Solidification front plan (bordure de la zone alliée) à dendritique équiaxe Meilleurs résultats que la refusion laser, dureté comparable à celle d une Martensite 88/214

44 FABRICATION ADDITIVE I Fabrication directe par laser. Selective Laser Melting Direct Metal Deposition 89/214

45 FABRICATION ADDITIVE I Fabrication directe par laser. Selective Laser Melting Direct Metal Deposition 89/214

46 FABRICATION ADDITIVE II 90/214

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