Densité de puissance laser versus densité d'énergie laser

Les densités de puissance et d'énergie sont deux concepts importants à comprendre lorsqu'on parle d'optique laser. Ces deux termes sont souvent utilisés de manière interchangeable mais ont des significations différentes. Le Tableau 1 définit la densité de puissance, la densité d'énergie et d'autres termes connexes en rapport avec l'optique laser.

Tableau 1 : Définitions des mesures courantes utilisées pour décrire les faisceaux laser et autres rayonnements électromagnétiques.

Dans la plupart des disciplines scientifiques, y compris la chimie et l'ingénierie électrique, la « densité de puissance » et la « densité d'énergie » décrivent généralement un volume tridimensionnel. Cependant, dans les sciences optiques, ces termes sont généralement utilisés pour décrire une zone bidimensionnelle, à moins qu'elle ne soit décrite comme « volumétrique ». La densité de puissance, la densité d'énergie, la fluence et l'irradiance sont souvent utilisées de manière interchangeable dans le secteur de l'optique, ce qui peut être totalement inexact, surtout s'il n'est pas clair si la mesure est une valeur bidimensionnelle ou tridimensionnelle. Ceci est particulièrement important pour les applications de découpe et de soudage au laser, car la profondeur de pénétration du laser doit être prise en compte, et non seulement le faisceau laser sur la surface. Les valeurs volumétriques s'appliquent généralement mieux à ces situations. Il s'agit d'une distinction importante qui doit être comprise pour éviter tout malentendu.

La plupart des faisceaux laser ont un profil de faisceau gaussien, de sorte que l'irradiance et la fluence sont toutes deux maximales sur l'axe optique du laser et diminuent à mesure que la déviation par rapport à l'axe augmente.⁶ D'autres lasers ont des profils de faisceau à intensité uniforme qui, contrairement aux faisceaux gaussiens, présentent un profil d'irradiance constant sur la section transversale du faisceau laser et une chute rapide de l'intensité. Par conséquent, les lasers à intensité uniforme ne présentent pas de pic d'irradiance. La puissance de crête d'un faisceau gaussien est le double de celle d'un faisceau à intensité uniforme ayant la même puissance moyenne (Figure 1).

Figure 1 : Comparaison d'un profil de faisceau gaussien avec un faisceau à intensité uniforme ayant la même puissance moyenne, montrant que le faisceau gaussien a une puissance de crête supérieure à celle du faisceau à intensité uniforme d'un facteur deux.

Les points chauds, ou fluctuations locales de l'irradiance, dans un faisceau laser peuvent souvent fausser sa distribution gaussienne. Les points chauds n'affecteront pas le pic d'irradiance, à moins que la puissance du point chaud ne dépasse celle de l'axe optique, mais les points chauds fausseront toutes les mesures de la densité de puissance et de l’énergie. Les densités de puissance et d'énergie sont toutes deux des quantités volumétriques, de sorte que la découpe réalisée par le laser peut ne pas être aussi précise et être décentrée. Dans les applications de micro-usinage, les utilisateurs ne seront pas en mesure de discerner le problème en mesurant simplement l'irradiance ou la fluence. Au lieu de cela, le profil du faisceau devra être soigneusement contrôlé. Comme le montre la Figure 2, une distribution gaussienne ressemble à une courbe en cloche où le pic d'irradiance se trouve au centre et où l'irradiance diminue de manière égale des deux côtés. L'introduction d'un point chaud faussera cette distribution.

Figure 2 : Représentation des points chauds qui faussent les distributions d'intensité sur les faisceaux gaussiens et à intensité uniforme.

Les lasers à ondes continues (CW) nécessitent une terminologie correcte pour décrire précisément leurs performances. Par définition, ils n'ont pas d'impulsions, et il n'est donc pas possible d'appliquer le pic d'irradiance. La densité linéaire est le terme approprié à utiliser pour les lasers CW avec une intensité de faisceau uniforme et est généralement utilisée pour déterminer le LIDT en divisant la puissance moyenne par le diamètre du faisceau. Pour les lasers quasi-CW, des lasers à impulsions ultrarapides avec une fréquence de répétition supérieure à 50 KHz, le pic d'irradiance peut être nettement supérieur à celle d'un laser à impulsions normal avec une puissance moyenne équivalente. Cela est dû au fait que la puissance moyenne équivalente est condensée dans une durée d'impulsion incroyablement courte. Le pic d'irradiance des lasers quasi-CW est beaucoup plus élevé que celle des lasers CW, même s'ils ont la même fluence.

Références

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