Laser à fibre d’ytterbium

Laser à fibre d'ytterbium

Points clés

• La plage de fonctionnement va de 1 030 à 1 100 nm, dans la bande du proche infrarouge utilisée pour le marquage industriel.
• Le rendement électrique-optique dépasse souvent 30 %, bien devant le CO2 et le Nd:YAG.
• Longue durée de vie avec un entretien minimal, et une conception compacte et robuste qui résiste aux environnements sévères.
• La plupart des polymères nécessitent un additif à cette longueur d'onde, car ils y absorbent très peu par nature.

Laser à fibre d'ytterbium

Un laser à fibre d'ytterbium est un laser à fibre dont le cœur de silice est dopé avec des ions ytterbium (Yb3+), émettant dans la bande du proche infrarouge de 1030 à 1100 nm et spécifié conventionnellement à 1064 nm. Lorsque l'industrie parle de « laser à fibre » dans un contexte de marquage des plastiques, c'est presque toujours ce dispositif précis qui est visé.

Pourquoi l'ytterbium

L'ytterbium a une structure de niveaux d'énergie remarquablement simple, en pratique un système à deux niveaux, ce qui procure plusieurs avantages pratiques par rapport aux autres dopants de terres rares :

• Rendement quantique très élevé. La longueur d'onde de pompage (autour de 915 ou 976 nm) est proche de la longueur d'onde d'émission, si bien que peu d'énergie est perdue en chaleur. C'est la cause première du rendement élevé à la prise du laser à fibre et de sa capacité à fonctionner refroidi par air.
• Large bande de gain. Elle permet la mise en forme des impulsions et la large plage de fréquences de répétition qu'exploitent les architectures MOPA.
• Forte tenue en puissance. La géométrie longue et fine du milieu à gain offre un excellent rapport surface/volume pour l'évacuation de la chaleur.
• Pas de goulot d'étranglement du niveau supérieur comme celui qui limite certains lasers à cristal aux fréquences de répétition élevées.

Spécification de marquage typique

Le problème d'absorption à 1064 nm

Le fait le plus important pour le travail sur polymères est que la plupart des plastiques n'absorbent pas bien à 1064 nm. Contrairement aux métaux, qui se couplent efficacement à cette longueur d'onde, un thermoplastique naturel non chargé lui est en grande partie transparent. Le faisceau le traverse sans déposer assez d'énergie en surface pour former un marquage.

Trois voies répondent à ce problème :

• Incorporer un absorbeur. Les additifs de marquage laser (oxyde d'étain dopé à l'antimoine, composés à base de bismuth, pigments de mica, noir de carbone) convertissent l'énergie à 1064 nm en chaleur localisée. C'est la solution industrielle standard, présentée dans les additifs intelligents qui améliorent le marquage laser des plastiques.
• S'appuyer sur les constituants existants. Le noir de carbone, la fibre de verre, les retardateurs de flamme et de nombreux pigments apportent déjà de l'absorption. Cela explique pourquoi les résines techniques chargées se marquent si souvent bien dès la sortie du moule.
• Changer de longueur d'onde. Un laser à vanadate triplé en fréquence à 355 nm marque photochimiquement de nombreux polymères sans additif, avec un débit plus faible et un coût d'investissement plus élevé.

Remarques pratiques

Les lasers à fibre d'ytterbium sont des dispositifs de classe 4 dont la sortie à 1064 nm est invisible et traverse efficacement l'optique de l'œil jusqu'à la rétine. Un capotage de classe 1, une densité optique correcte des lunettes et un responsable de la sécurité laser désigné sont la pratique attendue selon l'ANSI Z136.1.

Côté procédé, rappelez-vous que le résultat du marquage est une propriété conjointe du matériau et du laser. La nuance de résine, le taux de colorant, la teneur en charge, les conditions de moulage et même le taux de broyé modifient tous le résultat ; voir les paramètres de procédé influant sur la qualité de marquage.

Dimensionner la source pour le travail

Les lasers à fibre s'achètent généralement une fois et s'utilisent pendant une décennie ; la spécification mérite donc d'être bien faite. La puissance moyenne est le chiffre que tout le monde cite, mais c'est rarement celui qui décide de la réussite d'un travail :

Spécifiez la lentille de balayage avec la pièce, et non après. La focale fixe à la fois la taille du champ et le diamètre du spot, et une lentille choisie pour couvrir tout le posage peut discrètement sacrifier la résolution dont le code a besoin.

Dépannage du marquage à fibre sur polymères

Coût de possession

Le laser à fibre a supplanté le Nd:YAG dans le marquage des plastiques pour son coût d'exploitation plutôt que pour la qualité de marquage, et il vaut la peine d'en exposer clairement les raisons pour justifier l'investissement :

• Pas de lampes, pas de tubes de circulation, pas d'alignement de cristal. Les durées de vie des diodes de pompage sont couramment annoncées autour de 100 000 heures, et le résonateur est étanche : il n'y a aucune tâche d'alignement optique de routine.
• Refroidissement par air aux puissances de marquage. Pas de groupe froid signifie pas d'entretien du groupe froid, pas de liquide de refroidissement et une utilité de moins à acheminer jusqu'à la cellule.
• Rendement élevé à la prise. Souvent supérieur à 30 %, contre quelques pour cent pour un Nd:YAG pompé par lampes, ce qui se voit directement sur la facture d'énergie et dans la charge thermique que le bâtiment doit évacuer.
• Le vrai consommable est la fenêtre de protection. Prévoyez-la au budget, ainsi que l'aspiration qui la maintient propre. Presque toute perte de performance progressive sur une installation à fibre bien exploitée remonte à l'optique finale plutôt qu'à la source.

En contrepartie, l'additif est le coût récurrent que le marquage à fibre introduit sur les plastiques. Lorsqu'une nuance contient déjà du noir de carbone, une charge de verre ou un pigment absorbant, ce coût peut être nul, ce qui mérite d'être vérifié avant de spécifier un mélange-maître par habitude.

Termes et lectures associés

• Lasers à fibre
• Solutions de marquage laser des plastiques
• Notions de base de science des matériaux pour le marquage laser des plastiques
• Mélange-maître de marquage laser
• Laser MOPA
• Plastiques aptes au marquage laser

Mise en application en production

The Sabreen Group apporte un soutien d'ingénierie indépendant pour les applications des lasers à fibre d'ytterbium et le choix des additifs laser. Si vous spécifiez un procédé, qualifiez un matériau ou dépannez un problème de production, notre équipe de services d'ingénierie peut vous aider. Contactez-nous pour discuter de votre application.

Questions fréquentes

À quelle longueur d'onde fonctionne un laser à fibre d'ytterbium ?

Principalement de 1 030 à 1 100 nanomètres, les systèmes de marquage industriels se situant typiquement entre 1 060 et 1 070 nm. Cette bande du proche infrarouge convient au traitement des métaux et, avec des additifs appropriés, à une large gamme de plastiques.

Quel est le rendement des lasers à fibre d'ytterbium ?

Un rendement électrique-optique élevé, dépassant souvent 30 %. Ce rendement, combiné à la longue durée de vie des diodes et au faible entretien, leur donne un coût total de possession inférieur à celui des alternatives CO2 et Nd:YAG.

Pourquoi se focalisent-ils si bien ?

Excellente qualité de faisceau. Le milieu à gain est la fibre optique dopée elle-même, qui confine et met en forme le faisceau, permettant une focalisation sur un très petit spot, inférieur à 20 microns en pratique, et donc une forte densité d'énergie pour les détails fins.

Un laser à fibre d'ytterbium peut-il marquer n'importe quel plastique ?

Pas sans aide. La plupart des polymères absorbent peu entre 1 060 et 1 070 nm ; un matériau non modifié se marque donc faiblement ou pas du tout. Ce sont les additifs sensibles au laser incorporés au polymère qui rendent praticable un marquage à fort contraste.

Comment se comparent-ils aux lasers CO2 et Nd:YAG ?

Rendement énergétique supérieur, durées de vie des diodes plus longues et coûts d'entretien plus faibles, distorsion thermique minimale même à forte puissance de sortie, meilleure focalisation grâce à une qualité de faisceau supérieure, et transport du faisceau par fibre flexible.

De quelle puissance une application de marquage des plastiques a-t-elle réellement besoin ?

Moins que ne le supposent la plupart des spécifications. Pour les codes et les symboles Data Matrix sur une résine additivée, 20 à 30 W suffisent normalement largement, et l'excès de puissance dégrade la netteté des bords de trait au lieu d'améliorer le marquage. La puissance compte pour la gravure profonde et les remplissages de grandes surfaces ; pour le marquage fin, la taille du spot et la qualité du faisceau décident du résultat.

Pourquoi mon contraste a-t-il changé alors que rien n'a changé sur le laser ?

Presque toujours le matériau. La variation des lots de colorant, le taux de broyé et les conditions de moulage modifient tous le contraste du marquage sans qu'aucun paramètre laser ne bouge. Mesurez de nouveau le matériau plutôt que de réajuster le laser : compenser la variation de lot par les réglages du procédé masque un problème d'approvisionnement qui reviendra.

Quel entretien un laser à fibre nécessite-t-il ?

Très peu au niveau de la source, qui est étanche et généralement refroidie par air aux puissances de marquage, avec une durée de vie des diodes de pompage couramment annoncée autour de 100 000 heures. Le vrai consommable est la fenêtre de protection devant la tête de balayage, qui s'encrasse avec les fumées de marquage. La plupart des pertes de performance progressives sur une installation à fibre remontent à cette fenêtre et à une aspiration insuffisante, et non au laser.

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