Qu'est-ce qu'un laser à dioxyde de carbone

Pendant la période critique de transformation et d'actualisation dans l'industrie manufacturière, Jiangpin Technology a choisi les lasers à dioxyde de carbone comme direction stratégique de développement. Cela est dû non seulement à sa taille de marché actuelle exceptionnelle et à son taux de croissance, mais aussi parce qu'il correspond aux tendances fondamentales de l'avenir de la fabrication vers la précision, la flexibilité et le respect de l'environnement. En particulier, dans le processus où la Chine évolue d'une "puissance manufacturière" à une "grande puissance manufacturière", le contrôle autonome d'équipements de traitement laser avancés et de haute précision est devenu un maillon clé pour garantir la sécurité de la chaîne industrielle. Examinons maintenant ensemble le laser à dioxyde de carbone :

Principe de fonctionnement :

Bien que les molécules de dioxyde de carbone puissent être excitées directement à des niveaux d'énergie élevés, de nombreuses études ont prouvé que le transfert d'énergie résonante des molécules d'azote est le plus efficace. Les molécules d'azote sont excitées par décharge à des niveaux d'énergie vibrationnelle métastable et transmettent l'énergie excitée aux molécules de dioxyde de carbone lorsqu'elles entrent en collision avec elles. Par la suite, les molécules de dioxyde de carbone excitées participent principalement aux transitions laser. L'hélium peut réduire le nombre de particules à faible énergie dans les lasers et évacuer également la chaleur. D'autres composants, tels que l'hydrogène ou la vapeur d'eau, peuvent aider à réoxyder le monoxyde de carbone (CO, formé pendant la décharge) en dioxyde de carbone.

Les lasers à CO2 sont généralement capables d'émettre des longueurs d'onde de 10,6 μm, mais il existe des dizaines d'autres lignes spectrales laser dans la région de 9-11 μm (en particulier 9,6 μm). Cela est dû au fait que les deux forces vibratoires différentes des molécules de dioxyde de carbone peuvent être utilisées comme niveaux d'énergie basse, et chaque force vibratoire correspond à un grand nombre de forces rotationnelles, générant ainsi de nombreux sous-niveaux d'énergie. La plupart des lasers à CO2 disponibles commercialement émettent la longueur d'onde standard de 10,6 μm, mais il existe également certains appareils spécifiquement optimisés pour d'autres longueurs d'onde (comme 10,25 μm ou 9,3 μm), et ces dispositifs sont plus adaptés pour certaines applications telles que le traitement des matériaux par laser, car ils sont plus facilement absorbés lors de l'irradiation de certains matériaux (comme les polymères). Des composants optiques spéciaux peuvent être nécessaires lors de la fabrication de tels lasers et de leur utilisation pour l'éclairage, car les composants optiques transmissifs standards à 10,6 μm peuvent avoir des réflexions trop fortes.

Puissance de sortie et efficacité :

Dans la plupart des cas, la puissance de sortie moyenne varie entre quelques dizaines de watts et plusieurs kilowatts. L'efficacité de conversion de puissance est d'environ 10 % à 20 %, ce qui est supérieur à celle de la plupart des lasers à gaz et des lasers solides à pompage lampe, mais inférieure à celle de nombreux lasers à pompage diode. En raison de sa haute puissance de sortie et de sa longueur d'onde d'émission longue, les lasers CO2 nécessitent des composants optiques infrarouges de haute qualité, qui sont généralement fabriqués à partir de matériaux tels que le sélénium de zinc (ZnSe) ou le sulfure de zinc (ZnS). Les lasers CO2 ont une grande puissance et une tension de fonctionnement élevée, ce qui pose de graves problèmes de sécurité laser. Cependant, en raison de leur longueur d'onde de travail longue, ils sont relativement sûrs pour l'œil humain à faibles intensités.

Types de lasers CO2 :

Pour une puissance laser allant de quelques watts à plusieurs centaines de watts, des tubes scellés ou des lasers sans flux sont généralement utilisés, où à la fois la cavité laser et l'alimentation en gaz sont situés à l'intérieur du tube scellé. La chaleur parasite est transférée au mur de la conduite par diffusion (principalement l'effet de l'hélium) ou un faible flux de gaz. Ce type de laser est compact en structure, robuste et durable, et sa durée de vie de travail peut facilement atteindre des milliers d'heures ou même plus. À ce stade, il est nécessaire d'adopter une méthode de régénération continue du gaz, en particulier en catalysant la réoxydation du monoxyde de carbone pour contrer la dissociation du dioxyde de carbone. La qualité du faisceau peut être très élevée. Les lasers à plaques refroidis par diffusion à haute puissance placent le gaz dans l'espace entre une paire d'électrodes RF refroidies à l'eau en surface plane. Si l'espacement des électrodes est inférieur à la largeur des électrodes, la chaleur excédentaire sera efficacement transférée aux électrodes par diffusion. Pour extraire de l'énergie efficacement, un résonateur non stationnaire est généralement utilisé, et le couplage de sortie a lieu du côté du réflecteur à haut rendement. Avec une qualité de faisceau raisonnable, une puissance de sortie de plusieurs kilowatts peut être atteinte. Les lasers à flux axial rapide et les lasers à flux transversal rapide conviennent également pour une puissance de sortie en onde continue de plusieurs kilowatts et une qualité de faisceau élevée. La chaleur excédentaire est emportée par le mélange gazeux en mouvement rapide, qui est ensuite réutilisé après avoir passé par un refroidisseur externe (échangeur de chaleur). Le mélange gazeux peut être régénéré continuellement et remplacé occasionnellement. Les lasers à flux transversal peuvent atteindre la puissance de sortie la plus élevée, mais la qualité du faisceau est généralement faible.

La pression du laser atmosphérique excité latéralement est très élevée (environ une atmosphère). Comme la tension requise pour le décharge longitudinale est trop élevée, une série d'électrodes à l'intérieur du tube doit être utilisée pour l'excitation transversale. Ce laser ne fonctionne qu'en mode impulsionnel car la décharge de gaz est instable sous haute tension. Leur puissance de sortie moyenne est généralement inférieure à 100 watts, mais elle peut également atteindre plusieurs dizaines de kilowatts (associée à un taux de répétition d'impulsions élevé).
Les lasers à état solide sont des lasers basés sur des milieux amplificateurs à état solide (tels que des cristaux ou des verres dopés avec des ions de terres rares ou de métaux de transition), qui peuvent générer une puissance de sortie allant de quelques milliwatts à plusieurs kilowatts. De nombreux lasers à état solide utilisent des lampes à décharge ou des lampes à arc pour l'excitation optique. Ces sources d'excitation sont relativement peu coûteuses et peuvent fournir une très haute puissance, mais leur efficacité est plutôt faible, leur durée de vie est moyenne, et il y a de forts effets thermiques dans le milieu amplificateur, tels que l'effet de lentille thermique. Les diodes laser sont couramment utilisées pour pomper les lasers à état solide, et ces lasers à état solide pompés par laser (lasers DPSS, également appelés lasers entièrement à état solide) présentent de nombreux avantages, tels qu'une installation compacte, une longue durée de vie et une excellente qualité de faisceau. Leur mode de fonctionnement peut être en onde continue, c'est-à-dire qu'ils peuvent générer une sortie laser continue, ou en impulsions, c'est-à-dire qu'ils peuvent produire des impulsions laser de haute puissance en temps court.

Les lasers à dioxyde de carbone, grâce à leurs avantages uniques en termes de longueur d'onde et leur grande adaptabilité aux matériaux, ont démontré une valeur stratégique irremplaçable dans les domaines mondiaux du traitement industriel, de l'esthétique médicale et des énergies nouvelles. Malgré la pression concurrentielle exercée par les lasers à fibres dans le domaine du traitement des métaux, la technologie laser à dioxyde de carbone conserve encore des avantages compétitifs fondamentaux et un large espace d'innovation dans des domaines spécialisés tels que le traitement des non-métaux, le pelage haute précision et le traitement profond de la peau.

Pour Jiangpin Technology, il convient de saisir les opportunités historiques offertes par la mise à niveau de l'industrie manufacturière chinoise et la transition énergétique mondiale, en se concentrant sur trois grands axes : des percées dans la stabilité haute puissance (comme la résolution de l'effet de "refroidissement par température"), le développement de scénarios spécialisés (traitement d'équipements pour énergies nouvelles) et des solutions sur mesure pour les petites et moyennes entreprises. En construisant un système d'innovation collaborative basé sur le partenariat "industrie-université-recherche-application" et en s'intégrant dans l'écosystème du cluster industriel régional, Jiangpin Technology devrait réaliser une transformation stratégique, passant d'un suiveur technologique à un leader d'innovation, pendant cette période critique de révolution technologique et de restructuration du marché des lasers au dioxyde de carbone.