Irradiance laser
Points clés
- Irradiance = puissance divisée par la surface, mesurée en watts par centimètre carré au point focal.
- La taille du point compte plus que la puissance brute. Un point plus petit concentre les mêmes watts en une intensité bien plus élevée.
- La qualité du faisceau fixe le minimum atteignable. Un faible facteur M2 permet une focalisation plus serrée et une irradiance plus élevée.
- Trop élevée, elle endommage ; trop faible, elle ne marque rien : la plage utilisable est bornée aux deux extrémités.
Irradiance laser
L'irradiance laser est la puissance optique divisée par la surface sur laquelle elle est délivrée, exprimée en watts par centimètre carré (W/cm²). Elle décrit la concentration du faisceau sur la pièce ; sur les plastiques, c'est l'irradiance, et non la puissance nominale du laser, qui détermine si un marquage se forme, par quel mécanisme, et si le matériau environnant y survit.
Irradiance = puissance (W) ÷ surface du point (cm²)
Pourquoi la puissance nominale est trompeuse
La surface du point varie comme le carré de son diamètre : diviser par deux le diamètre du point focalisé quadruple donc l'irradiance à puissance identique. Deux systèmes de marquage de 30 W, dont la qualité de faisceau, les expanseurs de faisceau et les distances focales f-thêta diffèrent, peuvent délivrer sur la pièce des irradiances qui varient d'un ordre de grandeur.
C'est la raison pratique pour laquelle une recette de marquage ne se transfère pas d'une machine à l'autre en recopiant seulement la puissance et la vitesse, et pour laquelle spécifier un grand champ de marquage « par souci de flexibilité » dégrade discrètement la capacité de marquage : une distance focale plus longue produit un point plus grand et une densité de puissance plus faible.
Irradiance et fluence
Les deux notions sont régulièrement confondues alors qu'elles décrivent des grandeurs différentes :
| Irradiance | Fluence | |
|---|---|---|
| Grandeur | Puissance par unité de surface | Énergie par unité de surface |
| Unités | W/cm² | J/cm² |
| Décrit | La force d'impact du faisceau | La dose totale délivrée |
| Détermine | Si un seuil est franchi | Quelle quantité de matière réagit |
Pour les lasers de marquage pulsés, la distinction s'accentue encore, car l'irradiance crête au sein d'une impulsion de quelques nanosecondes peut dépasser la moyenne de plusieurs ordres de grandeur. Un laser de 30 W émettant des impulsions de 100 ns à 20 kHz a une puissance moyenne de 30 W, mais une puissance crête de plusieurs dizaines de kilowatts. C'est cette crête qui active le mécanisme de marquage ; la puissance moyenne détermine surtout la quantité de chaleur résiduelle qui s'accumule dans la pièce.
La fenêtre de procédé sur les polymères
Les plastiques offrent une plage utilisable plus étroite que les métaux, bornée aux deux extrémités :
- En dessous du seuil : la surface s'échauffe, se décolore peut-être légèrement, mais aucun marquage durable ne se forme. Augmenter la vitesse ou réduire la puissance enfonce davantage dans cette zone.
- Dans la fenêtre : une carbonisation, une expansion en mousse ou un changement de couleur maîtrisés produisent le contraste recherché.
- Au-dessus de la fenêtre : vaporisation rapide, brûlure, fusion, auréoles carbonisées, contraintes internes et déformation dimensionnelle.
La position de la fenêtre dépend de la résine, de son ensemble d'additifs et de ses colorants ; c'est pourquoi une recette validée appartient à une nuance de matériau précise et non à une famille de polymères en général.
Maîtriser l'irradiance en pratique
- La position de mise au point est le levier le plus immédiat. Une défocalisation volontaire agrandit le point et fait chuter fortement l'irradiance : c'est une technique légitime pour adoucir un marquage trop agressif, et une cause fréquente, involontaire, de marquage faible lorsque la hauteur des pièces varie.
- La qualité du faisceau (M²) fixe le plus petit point atteignable. Un M² faible permet une irradiance élevée sans forte puissance.
- La durée d'impulsion, sur une source MOPA, modifie directement l'irradiance crête tandis que la puissance moyenne reste constante : c'est le moyen le plus propre d'augmenter l'intensité sans ajouter de chaleur.
- La puissance moyenne doit en général être le dernier réglage, car l'augmenter accroît l'échauffement global de la pièce en même temps que l'intensité.
Un exemple chiffré
La raison pour laquelle la puissance nominale est trompeuse devient évidente dès que l'on fait le calcul. Prenons une source de 20 W et ne modifions que la mise au point :
| Condition | Diamètre du point | Surface du point | Irradiance à partir de 20 W |
|---|---|---|---|
| Bien focalisé, lentille à courte focale | 30 µm | 7,1 × 10-6 cm² | Environ 2,8 × 106 W/cm² |
| Focalisé, lentille à focale plus longue | 60 µm | 2,8 × 10-5 cm² | Environ 7,1 × 105 W/cm² |
| Légèrement défocalisé | 120 µm | 1,1 × 10-4 cm² | Environ 1,8 × 105 W/cm² |
| Fortement défocalisé | 300 µm | 7,1 × 10-4 cm² | Environ 2,8 × 104 W/cm² |
Doubler le diamètre du point divise l'irradiance par quatre, car la surface varie comme le carré du diamètre. Une variation de l'intensité délivrée d'un facteur 100 est possible sur une même machine, à un même réglage de puissance, par le seul choix de la mise au point et de la lentille. C'est pourquoi une recette qui fonctionne sur un système échoue sur un autre de puissance nominale identique, et pourquoi la mise au point est la première chose à vérifier lorsqu'un marquage se dégrade.
Mesurer ce que vous délivrez réellement
L'irradiance se calcule, elle ne se lit pas sur le panneau avant ; il faut donc connaître les deux termes du calcul plutôt que de les supposer :
- Mesurez la puissance sur la pièce, non à la source. Un wattmètre placé sous la tête de balayage prend en compte les pertes de transmission dans l'expanseur de faisceau, les miroirs galvanométriques, la lentille f-thêta et la fenêtre de protection, qui sont rarement négligeables au total et s'aggravent à mesure que les optiques s'encrassent.
- Déterminez la taille du point au lieu de reprendre la spécification. Un profileur de faisceau la donne directement. À défaut, une série d'empreintes de brûlure sur papier thermique ou sur aluminium anodisé à travers le foyer permet de repérer le col du faisceau et fournit une estimation exploitable.
- Tenez compte de la qualité du faisceau. Le plus petit point atteignable varie avec M² : deux sources de même puissance et de même distance focale ne produisent donc pas la même irradiance si leur qualité de faisceau diffère.
- Contrôlez à nouveau après toute modification optique. Le remplacement d'une lentille, une nouvelle fenêtre de protection ou un champ recalibré modifient l'irradiance délivrée sans changer un seul chiffre de la recette de marquage.
- Distinguez moyenne et crête. Sur une source pulsée, c'est l'irradiance crête pendant l'impulsion qui pilote la réponse du matériau, et elle peut dépasser de plusieurs ordres de grandeur la moyenne affichée par le wattmètre.
Diagnostiquer les marquages par l'irradiance
| Symptôme | Interprétation en termes d'irradiance | Action |
|---|---|---|
| Aucun marquage, ou marquage faible et irrégulier | Sous le seuil du matériau | Vérifiez la mise au point avant d'augmenter la puissance. Un faisceau défocalisé est la cause la plus courante et la moins coûteuse à corriger. |
| Bon marquage au centre du champ, faible sur les bords | L'irradiance diminue selon la position dans le champ | Planéité du champ ou erreur de plan focal. Sur une pièce tridimensionnelle, une mise au point fixe ne peut pas maintenir l'irradiance sur toute la surface. |
| Brûlure, fusion ou cloques | Au-dessus de la plage utile | Augmentez la vitesse ou défocalisez légèrement plutôt que de réduire la puissance, ce qui pourrait faire passer le marquage sous le seuil ailleurs. |
| La recette échoue lorsqu'elle est transférée sur une machine identique | Taille de point ou transmission optique différente | Mesurez la puissance sur la pièce et la taille du point sur les deux machines. Une puissance nominale égale ne prouve rien. |
| Dégradation progressive sur plusieurs mois | Pertes de transmission dues à l'encrassement des optiques | La puissance mesurée sur la pièce montrera la baisse que le panneau avant ne montre pas. |
| La qualité du marquage varie avec la hauteur de la pièce dans le montage | Pièces situées hors de la profondeur de champ | Resserrez le contrôle de hauteur du montage, ou spécifiez une tête à trois axes avec focalisation dynamique. |
Termes et lectures associés
- Paramètres de procédé influençant la qualité de marquage
- Lasers à balayage de faisceau
- Lasers à fibre
- Solutions de marquage laser des plastiques
Application en production
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Foire aux questions
Qu'est-ce que l'irradiance laser ?
La puissance d'un faisceau laser par unité de surface, généralement exprimée en watts par centimètre carré et mesurée au point focal ou sur le spot du faisceau. Elle détermine l'intensité de l'énergie délivrée au matériau, et donc ce qui se produit lorsque le faisceau rencontre la surface.
Quelle est la différence entre irradiance et fluence ?
L'irradiance est la puissance par unité de surface, c'est-à-dire l'intensité. La fluence est l'énergie par unité de surface, mesurée en joules par centimètre carré, et décrit la dose totale délivrée. L'irradiance gouverne la force de l'impact du faisceau ; la fluence gouverne la quantité d'énergie transférée.
Quels facteurs modifient l'irradiance ?
La puissance du laser, la taille du point focal, la qualité du faisceau et la longueur d'onde. Davantage de puissance augmente l'irradiance, un point plus petit la concentre, et un faible facteur M2 permet une focalisation plus serrée. La longueur d'onde intervient car elle influe à la fois sur l'absorption et sur la focalisation atteignable.
Pourquoi la puissance brute en watts est-elle trompeuse ?
Parce que c'est la densité de puissance à la surface du marquage qui forme la marque, et elle diffère de la puissance nominale du laser. Deux systèmes de 50 W dont la qualité de faisceau et les optiques diffèrent peuvent délivrer des irradiances très différentes sur la pièce.
Que se passe-t-il si l'irradiance est mal réglée ?
Trop élevée, elle provoque un échauffement et une vaporisation rapides, d'où fissures, brûlures excessives ou dommages au-delà du marquage prévu. Trop faible, elle peut donner un marquage lent et faible, voire aucun marquage visible. Ces deux défauts sont courants dans les procédés non optimisés.
Pourquoi la même puissance donne-t-elle des résultats différents sur deux machines ?
Parce que l'irradiance dépend de la surface du point, non de la puissance nominale. Doubler le diamètre du point divise l'intensité délivrée par quatre : la distance focale de la lentille, la qualité du faisceau et la position de mise au point peuvent donc produire un écart d'un facteur cent sur ce qui atteint réellement le matériau à un même réglage de puissance. Deux machines de même puissance nominale ne sont pas équivalentes tant que leur taille de point délivrée et leur transmission optique ne concordent pas.
Comment mesure-t-on réellement l'irradiance délivrée ?
Mesurez la puissance sur la pièce avec un wattmètre placé sous la tête de balayage, ce qui capte les pertes dans l'expanseur de faisceau, les miroirs, la lentille f-thêta et la fenêtre de protection. Déterminez ensuite la taille du point avec un profileur de faisceau, ou estimez-la à partir d'une série d'empreintes de brûlure à travers le foyer. Les deux termes doivent être mesurés : reprendre la puissance nominale de la source et la spécification de la lentille donne un chiffre qui peut être très éloigné de la réalité.
Que faut-il vérifier en premier lorsqu'un marquage se dégrade ?
La mise au point. C'est le levier le plus important sur l'irradiance et l'élément qui dérive le plus souvent, que ce soit par usure du montage, variation de hauteur des pièces ou modification optique. Ajouter de la puissance pour compenser un faisceau défocalisé fonctionne brièvement, puis aggrave tout, car cela creuse l'écart entre le centre et les bords du champ.
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