Technologie des fibres optiques à grand cœur pour la transmission de lasers à haute énergie

Technologie des fibres optiques à grand cœur pour la transmission de lasers à haute énergie

Fibre de transmission d'énergie : Un outil clé pour la production de lasers à haute énergie

Après l'énergie atomique, les ordinateurs et les semi-conducteurs, les lasers constituent une autre réalisation majeure du XXe siècle. Dotés d'une excellente directivité, d'une monochromaticité, d'une cohérence et d'une luminosité élevée, les lasers sont largement utilisés dans des secteurs tels que la fabrication, l'agriculture, les communications, les loisirs, les soins de santé, la recherche et la défense. La technologie laser fait désormais partie intégrante de la chaîne industrielle de haute technologie à l'ère de l'information.

Depuis leur invention, les lasers sont étroitement liés à la technologie militaire. Les applications de traitement laser, telles que la découpe laser, le soudage et le traitement thermique de surface, ont constamment poussé les lasers vers des niveaux de puissance plus élevés. Aujourd'hui, la recherche sur les lasers de haute puissance a fait des progrès significatifs. Pour transmettre de manière sûre, efficace et flexible des lasers à haute énergie sur de longues distances, les fibres de transmission d'énergie à base de silice sont essentielles, ce qui fait de la technologie des fibres un domaine d'étude essentiel.

Fibre de transmission d'énergie

La fibre de transmission d'énergie, utilisée pour transmettre l'énergie laser, présente d'excellentes caractéristiques telles qu'une transmission de puissance élevée, une faible perte, une bonne flexibilité et un seuil d'endommagement élevé. Associées à des composants de transmission d'énergie, ces fibres peuvent diriger avec précision l'énergie lumineuse vers des zones cibles, jouant ainsi un rôle essentiel dans les applications laser. Les fibres de transmission d'énergie laser courantes sur le marché sont principalement des fibres à gros cœur en verre de quartz, dont les types suivants : fibre à gros cœur conventionnelle, fibre à gros cœur à géométrie spéciale de la face d'extrémité et fibre à cœur creux.

Fibre de transmission d'énergie laser

Pourquoi choisir le verre de quartz comme matériau ?

Les fibres de transmission laser, comme les fibres de communication traditionnelles, utilisent le verre de quartz comme matériau principal. Le verre de quartz est idéal pour plusieurs raisons : il est abondant et peu coûteux, car il est dérivé de la silice, le principal composant du sable. Avec un seul kilogramme de verre de quartz de haute pureté, il est possible de produire des dizaines de milliers de kilomètres de fibres, ce qui présente des avantages considérables en termes de coûts et de stratégie. En outre, le verre de quartz présente une transmission lumineuse, une résistance mécanique et une stabilité chimique élevées, ce qui en fait un excellent support de transmission. Le quartz peut également être dopé avec divers éléments pour obtenir différentes propriétés optiques, jetant ainsi les bases d'un développement ultérieur.

Types et conceptions structurelles de la fibre de transmission à grand cœur

Fibre conventionnelle à gros cœur La fibre à gros cœur, dont la structure est similaire à celle de la fibre de communication monomode, se compose d'un cœur et d'une gaine, le diamètre du cœur étant généralement supérieur à 50 μm (contre 9 à 10 μm pour la fibre monomode). Ce cœur de grande taille permet une efficacité de couplage et une transmission d'énergie élevées. Le matériau de gainage peut être du plastique ou du quartz dopé au fluor, en fonction de l'application. La gaine en plastique offre une grande résistance à la traction et aux radiations. Elle convient à la transmission d'énergie, aux communications à courte distance, aux lasers médicaux et à l'éclairage par fibre optique. La gaine en quartz dopé au fluor, avec sa bande passante élevée et sa faible perte, est utilisée dans les capteurs à fibre, les connecteurs d'équipement optique, les communications à longue distance et la transmission par câble de télévision.

Fibre à gros cœur à surface géométrique spéciale Les fibres à gros cœur à surface géométrique spéciale ont des cœurs non circulaires (par exemple, carrés, polygonaux, annulaires ou elliptiques) pour répondre à des besoins d'application spécifiques. Par exemple, la fibre à cœur carré, avec son cœur carré ou rectangulaire, améliore l'efficacité du couplage avec les diodes laser. Les fibres à cœur carré peuvent également transformer des faisceaux laser gaussiens en faisceaux plats, ce qui est utile pour le nettoyage, la découpe ou le marquage au laser en réduisant les dommages causés à la surface.

Les fibres annulaires à grand cœur, avec un cœur annulaire entourant le cœur central, apportent des solutions aux problèmes de projections lors du soudage au laser de profils tels que l'acier inoxydable ou l'aluminium. Ce point annulaire "en œil de bœuf" contrôle la zone affectée thermiquement, réduisant les projections et améliorant la qualité de la soudure.

Fibre à cœur creux Contrairement aux fibres à cœur plein, les fibres à cristaux photoniques à cœur creux (HC-PCF) offrent des avantages uniques pour la transmission de l'énergie laser. Avec un cœur rempli d'air, les HC-PCF évitent les pertes d'absorption et de réflexion lors du couplage laser. La grande uniformité de l'air en tant que milieu de transmission minimise les pertes par diffusion, assure une sortie de faisceau de haute qualité et présente un seuil de dommage énergétique élevé avec une bonne dissipation de la chaleur. Bien que les fibres à cœur creux présentent certains inconvénients tels qu'une résistance limitée à la flexion et une faible ouverture numérique, leurs avantages en font un type prometteur de fibre de transmission d'énergie.

Sur la base des principes de conduction de la lumière, les fibres à cœur creux peuvent être classées en fibres à bande interdite à cœur creux (HC-PBGF) et en fibres anti-résonnantes à cœur creux (HC-ARF).

Fibre à bande creuse (HC-PBGF) : Ces fibres guident la lumière en utilisant le principe de la bande interdite photonique, avec une gaine constituée de trous d'air périodiques disposés dans une structure de bande interdite photonique. La lumière se trouvant dans la plage de la bande interdite est confinée à l'intérieur du noyau d'air.

Fibre anti-résonante à cœur creux (HC-ARF) : Ces fibres utilisent le principe du guide d'ondes à réflexion anti-résonante, avec du quartz à indice de réfraction élevé dans la gaine et de l'air à indice de réfraction faible. Entourant le cœur d'air de plusieurs capillaires de quartz, les HC-ARF confinent la lumière dans le cœur d'air en renvoyant la lumière non résonante. La longueur d'onde de résonance est déterminée par l'épaisseur du capillaire de quartz et l'ordre de résonance.