Les lasers à dioxyde de carbone sont des lasers à gaz qui émettent un rayonnement infrarouge. Ils sont utilisés pour une variété d’applications industrielles de haute puissance. Comme indiqué dans le guide de sélection des lasers, tous les lasers sont constitués de trois composants : une source d’énergie (également appelée pompe), un milieu de gain (ou laser) et un résonateur optique. Ces composants sont identifiés dans le diagramme ci-dessous. La pompe sert à fournir de l’énergie qui est amplifiée par le milieu de gain. Cette énergie est finalement convertie en lumière et est réfléchie par le résonateur optique qui émet alors le faisceau de sortie final.
Crédit image : EnlightenYourMind
Tous les lasers à gaz reposent sur l’excitation des gaz pour amplifier l’énergie ; en considérant l’image ci-dessus, le gaz fonctionne comme le milieu laser. Les lasers à dioxyde de carbone en particulier sont composés des éléments suivants :
- Un courant électrique – servant de pompe laser – qui excite le milieu gazeux.
- Un mélange de gaz – servant de milieu de gain – composé de dioxyde de carbone, d’azote, d’hydrogène et
d’hélium. Le dioxyde de carbone, l’azote et l’hélium constituent la grande majorité du mélange, bien que les concentrations spécifiques varient en fonction de l’utilisation prévue du laser. Les mélanges gazeux typiques ont un rapport N2:CO2:He de 1:1:8. - Un résonateur optique spécialisé. Comme les lasers CO2 fonctionnent uniquement dans le spectre infrarouge et peuvent atteindre des puissances de sortie élevées, leurs composants optiques sont généralement constitués de matériaux spécialisés (et souvent coûteux) tels que le germanium, le séléniure de zinc, l’argent, l’or et le diamant.
Lorsqu’un courant électrique est introduit dans le milieu de gain, les molécules d’azote sont excitées jusqu’à un état vibratoire. Comme ces molécules sont composées uniquement d’azote, elles conservent cette énergie vibratoire pendant de longues périodes. Ensuite, les molécules d’azote vibrantes excitent les molécules de dioxyde de carbone, à tel point que le milieu amplificateur devient un amplificateur efficace de l’énergie pompée. Lorsque les molécules d’azote entrent en contact avec des atomes d’hélium froids, elles deviennent progressivement moins excitées et transfèrent de l’énergie à l’hélium sous forme de chaleur. Les atomes d’hélium chauds doivent ensuite être refroidis pour maintenir une inversion de population (une différence suffisante entre les atomes excités et ceux de plus faible énergie pour produire un gain optique) avec les atomes de dioxyde de carbone excités. Ces processus sont illustrés dans le graphique ci-dessous.
Crédit image : Kansas State University
L’image ci-dessous montre un système laser CO2 typique. Sur cette image, le panneau d’alimentation, le transformateur et le redresseur fournissent le courant électrique en tant que pompe, tandis que le réservoir au centre alimente le mélange gazeux dans le laser. Le système de pompe à eau assure le refroidissement des côtés du laser, de sorte que les atomes d’hélium chauds deviennent moins excités lorsqu’ils entrent en collision avec les parois refroidies par l’eau.
Crédit image : Jon’s Lasers
Applications
Les lasers CO2 présentent de nombreuses caractéristiques qui les rendent parfaitement adaptés aux applications industrielles et de traitement des matériaux. Parmi ces attributs, citons :
- Faible coût par rapport aux capacités de puissance (souvent moins de 100 $ par watt)
- Haut rendement (rapport sortie/pompe pouvant atteindre 20 %)
- Grande variation possible de la puissance de sortie
- Longue durée de vie
- Plusieurs formes d’onde de sortie possibles
- . formes d’onde de sortie possibles
- Les modifications infimes de la concentration de gaz permettent de choisir parmi des centaines de longueurs d’onde infrarouges discrètes
Les lasers à dioxyde de carbone sont le plus souvent utilisés pour la découpe et le soudage au laser, ou – pour les appareils de faible puissance – la gravure et le marquage au laser. De plus, comme l’eau (qui constitue la majorité des tissus biologiques) absorbe bien le rayonnement infrarouge, les lasers CO2 sont utilisés dans des applications médicales telles que la chirurgie au laser, le resurfaçage de la peau, la dermabrasion et, plus récemment, pour « souder » les tissus humains à la place des sutures.
La vidéo ci-dessous montre un laser CO2 à commande numérique par ordinateur (CNC) de 250 watts en train de découper une feuille de métal.
Crédit vidéo : Owen White
Spécifications
Longueur d’onde
Par rapport aux autres lasers, les lasers CO2 sont confinés à une gamme relativement petite de longueurs d’onde se produisant exclusivement dans le spectre infrarouge (IR). Les lasers à dioxyde de carbone émettent presque toujours de la lumière dans la bande de 9,4 μm à 10,6 μm, ce qui correspond approximativement à 28,3 térahertz (THz) à 31,9 THz. Comme mentionné ci-dessus, la possibilité de faire varier les concentrations de gaz dans le milieu de gain permet aux lasers CO2 d’être fabriqués pour émettre des fréquences discrètes précises dans sa gamme générale.
Puissance de sortie
Les lasers CO2 sont généralement fournis avec une puissance de sortie nominale par le fabricant. Ils sont souvent classés comme des dispositifs de haute puissance, certains émettant des faisceaux continus de 60 kW (6000 W). La puissance d’un laser détermine généralement son application ; par exemple, un laser de haute puissance est plus adapté à la découpe et à la soudure, tandis qu’un dispositif de plus faible puissance peut être utilisé pour le marquage de codes-barres et d’étiquettes.
Sécurité
La sécurité du laser est un sujet important lorsqu’on aborde l’utilisation des lasers à dioxyde de carbone en raison de leurs capacités de haute puissance. Même une exposition directe d’une fraction de seconde à un laser de 200 mW émettant à 100 mètres peut causer des lésions oculaires permanentes ; si l’on considère qu’un laser CO2 peut émettre des milliers de watts de puissance à une distance rapprochée, le contact direct peut brûler instantanément les yeux ou la peau d’un opérateur.
Un panneau d’avertissement de laser, comprenant les spécifications et la classe. Image créditée : Keller Studio
Pour répondre aux préoccupations ci-dessus, le Center for Devices and Radiological Health (CDRH) – une division de la Food and Drug Administration (FDA) américaine – fournit un schéma de classification de la sécurité des lasers basé sur six classes de produits. Les lasers sont également spécifiés par différentes classes décrites dans la norme internationale IEC 60825. Le tableau ci-dessous décrit les classes domestiques américaines et internationales pour la sécurité des lasers ; la plupart des lasers CO2 sont qualifiés de dispositifs de classe 4.
Les classes de sécurité des lasers. Crédit image : Erchonia