Les lasers industriels


Simples, fiables, robustes et peu coûteux, les lasers sont des travailleurs de précision. On les retrouve dans de nombreuses applications industrielles : soudage, découpe, traitement de surface, santé...

Publié le 30 juin 2015

DES MICROLASERS

Lasers « puce », les micros
Les lasers « puces » (traduction du terme anglais microchip laser) sont des microlasers solides les plus simples et les plus compacts possible, avec une dimension typique de 0,5 mm3. Ils sont fabriqués en utilisant des procédés collectifs permettant de réaliser simultanément et sans aucun réglage plusieurs milliers de pièces. Ainsi, leur coût de fabrication peut être très faible. De plus, ils sont extrêmement fiables, robustes et simples à utiliser, sans aucune nécessité de réglage ou de maintenance. Le laser « puce » est pompé par une simple diode laser et se comporte comme un transformateur de lumière laser. Il permet d’obtenir un faisceau laser naturellement circulaire et peu divergent, monofréquence et de forte puissance de crête impulsionnelle, le rendant très utile pour de nombreuses applications comme :
*         la télémétrie laser (mesure de distance et de vitesse sans contact) ;

*         le micromarquage et la microdécoupe sur tous types de matériaux ;

*         les oscillateurs avant les amplificateurs des lasers de très forte puissance ;

*         la fabrication de lasers visibles (verts) compacts ;
*         la détection de gaz polluants.

Plaque de lasers puces. © Artechnique/CEA

 

Salle de commande du robot de découpe laser de la plate-forme Héra. © S.Le Couster/CEA


 
Système de décapage des surfaces par laser, utile dans les domaines nucléaire et hors-nucléaire : micro-marquage, micro-usinage, décapage…
© P.Stroppa/CEA

DES LASERS POUR LE SOUDAGE ET LA DÉCOUPE
Ces lasers de forte puissance moyenne ont de multiples applications pour le travail des matériaux : trempe, soudure, perçage, ponçage, découpe, etc.
Le principe de soudage laser repose sur la fusion d’un point du matériau sur lequel le faisceau va se concentrer grâce au système optique. Après focalisation, son éclairement peut atteindre plus de 1 MW/cm2. Les densités d’énergie étant très importantes, il suffit de quelques microsecondes pour obtenir la fusion et la vaporisation du matériau à souder. Les lasers permettent la découpe de plaques d’acier inox jusqu’à 20 cm d’épaisseur.

Lasers CO2
Pour les lasers CO2, l’excitation moléculaire doit se faire avec de forts courants. L’émission résultante est très puissante. Cependant, ils nécessitent l’utilisation de sous-ensembles actifs volumineux (tubes à gaz, excitateurs…) et donc lourds. Cela est d’autant plus vrai que la puissance de sortie demandée est élevée (pour une application telle que l’usinage). Outre les travaux de soudage, ils sont utilisés pour décaper et découper des objets dans des environnements difficiles d’accès, sur des chantiers de démantèlement par exemple.
Caractéristiques d'un laser CO2
Mode de fonctionnement : continu
Puissance maximale en continu : de 500 W à 6kW selon machine et énergie
Amplificateur laser : mélange de dioxyde de carbone, d'azote et d'hélium
Faisceau infrarouge 10,6 µm
Poids d'un laser CO2 de forte puissance : plusieurs tonnes
Transport du faisceau par miroir


Voir aussi

*         Principales utilisations des lasers en fonction de leur puissance
Lasers YAG dopés au néodyme
Le faisceau d’un laser YAG peut être transporté par fibre optique (fibre de silice d’1 mm de diamètre ou moins) sur des longueurs de plusieurs mètres, ou dizaines de mètres, et pour des puissances moyennes allant jusqu’à 2 kW. Il peut aussi être transporté grâce à des miroirs ou des lentilles.

Caractéristiques d'un laser YAG
Mode de fonctionnement : continu ou impulsionnel
Durée de l'impulsion : 1 à 20 millisecondes
Fréquence de répétition : 1 à 1 000 Hz, selon la machine et l'énergie
Energie maximale par impulsion : 150 joules
Puissance moyenne maximale : 70 watts à 1,5 kilowatt selon machine
Puissance de crête maximale : 30 kilowatts
Amplificateur laser : grenat d'aluminium et d'yttrium dopé au néodyme
Faisceau infrarouge 10,6 µm
Poids d'un laser de puissance : plusieurs centaines de kilos


Guidage avec une fibre laser sur un fantôme en silicone et modélisation 3D de prostate, dans le cadre de recherches sur le diagnostic et traitement de cancer par laser. © P.Latron/Inserm-U703

Lasers à fibre
Apparus plus tardivement et actuellement en très forte croissance, les lasers à fibre apportent de nouveaux avantages en termes de fiabilité, compacité, facilité d’utilisation et consommation électrique. Ils offrent un rendement énergétique 10 fois supérieur aux lasers classiques, CO2 ou YAG, et la puissance qu’ils délivrent, leurs qualités spectrales et spatiales en font d’excellents candidats pour les applications dans les secteurs industriels, médicaux, des communications et scientifiques.

Caractéristiques d'un laser à fibre
Mode de fonctionnement : continu (ou impulsionnel)
Puissance moyenne maximale : 10kW
Amplificateur laser : fibre optique dopée
Faisceau infrarouge 1,07 mm
Poids d'un laser à fibre de puissance : plusieurs centaines de kilos



DES LASERS POUR LE TRAITEMENT DE SURFACE
Les lasers industriels impulsionnels peuvent aussi être utilisés pour modifier les propriétés de surface d’un matériau, par exemple pour en améliorer la résistance à la corrosion ou au frottement, sans pour autant en altérer les propriétés mécaniques massives. Ils se rencontrent en particulier dans l’industrie automobile, et leur domaine d’utilisation tend à s’étendre.
Ces lasers, grâce à leur durée d’impulsion comprise entre 10 et 200 nanosecondes, ont l’avantage de réaliser du micro-usinage de très grande précision pour une large gamme de matériaux, avec peu d’échauffement. Comparé à des méthodes classiques telles que la photolithographie, ils permettent de réduire le nombre d’étapes de fabrication, et leur facilité à modifier la géométrie des dispositifs à graver en font des atouts incontournables pour les laboratoires de microélectronique. Une autre application consiste à réaliser le décapage de surfaces par balayage d’un faisceau laser intense qui conduit à une ablation superficielle.



Ce procédé peut être utilisé pour le nettoyage de monuments, ou à plus petite échelle pour le décapage de pièces mécaniques de précision. Un dispositif original, nommé Aspilaser, est utilisé pour décaper automatiquement des murs, sans émettre ni poussière, ni odeur. Les surfaces sont abrasées sur une épaisseur de 0,1 mm seulement, limitant ainsi le volume des déchets. Jusqu’à présent considéré comme le domaine de prédilection des lasers Nd-YAG en impulsions, le marché du microusinage de précision s’ouvre dorénavant aux lasers à fibres impulsionnels.

Caractéristiques des lasers industriels impulsionnels
Mode de fonctionnement    impulsionnel
Durée de l'impulsion    quelques dizaines de nanosecondes
Fréquence de répétition    100 000 hertz (impulsions par seconde)
Energie laser par impulsion    1 millijoule
Puissance moyenne    50 W
Puissance de crête     10 kilowatts
Amplificateur laser    fibre optique dopée

DES APPLICATIONS INNOVANTES

L’analyse LIBS (Laser induced breakdown spectroscopy)
Cette analyse spectroscopique sur plasma induit par un laser permet de caractériser la composition chimique de la surface des matériaux (solides, liquides, gaz ou aérosols). Cette technique consiste à envoyer un faisceau laser sur le matériau pour créer un plasma, analyser sa signature spectrale et déterminer en temps réel la nature et la concentration des éléments présents. Les microsondes développées au CEA sont capables de réaliser une cartographie au micron près. Le champ d’applications est très large : du vieillissement des matériaux à l’exploration martienne. Le CEA a en effet adapté cette technologie pour la mission Mars science laboratory de la Nasa, en participant à la conception et au dimensionnement de l’instrument ChemCam, qui analyse depuis août 2012 le sol martien, dans un rayon de 7 mètres autour du robot Curiosity.

La technique Lidar (Light detection and ranging)
Cette technique s’appuie sur le principe des radars (dont l’acronyme « radio detection and ranging » signifie détection et positionnement par ondes radio). Elle permet de contrôler à distance la pollution de l’atmosphère par des particules. L’émission d’un faisceau laser vers la zone à étudier, puis l’analyse de sa rétrodiffusion déterminent la densité, la localisation, la nature et la géométrie des particules. La longueur d’onde utilisée (355 nm) est adaptée pour repérer les particules inférieures au micromètre, qui composent 99 % des aérosols de pollution. Cette technique a servi à l’étude de l’impact de la circulation automobile et à la surveillance de l’atmosphère dans des endroits confinés comme des gares ou le métro.

Impulsions femtosecondes pour la détection
Détecter à distance des explosifs ou autres produits dangereux, analyser rapidement des substances illicites ; c’est chose possible grâce aux lasers femtosecondes. Tout matériau, tout être humain, possède une signature térahertz qui lui est propre. D’où l’idée d’utiliser cette gamme pour identifier des substances explosives, ou distinguer de la cocaïne d’autres poudres… Pour générer de telles sources, dont la fréquence est comprise entre 1 et 100 THz, il faut combiner deux impulsions lasers de fréquences différentes. Pour l’instant étudiées en laboratoire, ces sources laser devront devenir plus compactes et plus intenses pour une utilisation grand-public. Une seconde technique s’apparente à la Libs (présentée ci-dessus). Grâce à des impulsions de moins de 100 femtosecondes et d’une puissance supérieure au térawatt, les mesures sont possibles à des distances de plusieurs centaines de mètres.

Des lasers pour la santé
En chirurgie, les lasers utilisés sont assez puissants. Ils peuvent brûler une partie endommagée à l’intérieur du corps de façon non-traumatique, être utilisés comme un bistouri, soigner des caries dentaires et des décollements de rétine. Les caractéristiques exceptionnelles d’ablation du laser UV émettant à 193 nm sont utilisées en chirurgie de la cornée, afin de traiter les myopies : par exemple, pour corriger d’une dioptrie, 1 μm (10-6 m) de la surface de la cornée est retirée. En médecine, les lasers sont utilisés en imagerie, radiothérapie et protonthérapie. La protonthérapie consiste à détruire une tumeur cancéreuse avec un faisceau de protons, de façon précise ; seule une zone très localisée est traitée, sans endommager les tissus alentour. Le projet Saphir, auquel participe le CEA, étudie la possibilité de générer par accélération laser des faisceaux de protons d’énergie suffisante pour le traitement de certaines pathologies.

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Réutiliser ou recycler : choisir avec l'analyse du cycle de vie

Réutiliser ou recycler ? Pour le déterminer, l’analyse du cycle de vie pointe tous les aspects de production, fabrication et usages d’un produit. Ces analyses technico-économiques très complexes permettent de choisir la meilleure solution pour l’environnement. Explications par Elise Monnier, ingénieure au CEA-Liten.

PUBLIÉ LE 31 AOÛT 2021
       
Depuis quand le CEA se consacre-t-il à l’analyse du cycle de vie et en quoi cela consiste-il ?
Le CEA-Liten s’est spécialisé à l’analyse du cycle de vie (ACV) depuis 2009. Nous le faisons à la demande des industriels dans le cadre de nos collaborations ou pour accompagner nos propres développements technologiques. L’ACV est une méthode normalisée pour quantifier les impacts environnementaux d’un système, qu’il s’agisse d’un produit, d’une technologie, d’un scénario économique... L’ACV doit prendre en compte plusieurs critères. En cela, elle se distingue par exemple d’un bilan carbone qui ne considère que les gaz à effet de serre. Elle consiste à couvrir idéalement l’ensemble d’une chaîne de valeur : acquisition des matières, fabrication, usage et recyclage. Elle peut considérer jusqu’à 16 indicateurs d’impact recommandés par l’Europe : biodiversité, acidification des eaux, changement climatique, utilisation des ressources, etc. Certaines ACV sont simples, celle d’un stylo nécessitera seulement une journée. D’autres se révèlent plus complexes, comme celle d’une technologie en développement, et pourront prendre six mois.

Quelle est son utilité ?
Un des buts est d’éviter les transferts d’impact : sans cette analyse globale, on peut améliorer une étape en en dégradant une autre, ou faire progresser un critère au détriment d’un autre. On le voit si l’on compare le véhicule thermique et le véhicule électrique. Le premier émet plus de CO2 à l’usage, mais le second consomme davantage de ressources minérales, notamment des matériaux critiques. L’ACV permet de quantifier cela. Elle peut être réalisée avant le développement d’un procédé ou d’un produit, ou bien après. On réalise aussi des ACV au fur et à mesure qu’une technologie se développe, en soutien de décisions et de stratégies énergétiques.

Que disent les ACV sur l’économie circulaire ?
L’ACV a son intérêt sur les questions de recyclage : est-il plus vertueux de recycler un produit ou d’en produire un nouveau plus efficace ? Souvent, les choix pour la fin de vie d’un produit font varier de 10 % à 30 %, en positif ou négatif, les impacts environnementaux. L’ACV renseigne aussi sur la meilleure manière d’utiliser les produits. Par exemple, lorsqu’un produit est très polluant, il vaut mieux en acheter un neuf plus efficace que de prolonger sa durée de vie. Les ACV montrent aussi que la mutualisation des usages entraîne systématiquement de forts gains environnementaux : mieux vaut utiliser des voitures partagées ou en louer que de posséder sa propre voiture.

Et sur la récupération des matériaux critiques ?
Considérons le cas des aimants d’éoliennes. L’ACV peut aider à choisir entre plusieurs options : la réutilisation, le remanufacturing, ou le recyclage. Dans le premier cas, on réutilise l’objet presque tel quel, mais les performances ne sont pas toujours optimales. Le remanufacturing implique de démanteler, séparer, remettre à neuf. Enfin, le recyclage en boucle fermée nécessite de réintroduire les matériaux dans le processus de fabrication, pour couler de nouveaux aimants. Pour ces aimants, à l’échelle industrielle, le remanufacturing est la meilleure stratégie.

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LES PROBABILITÉS ET LE MOUVEMENT BROWNIEN

Réalisation : 26 juin 2000 - Mise en ligne : 26 juin 2000
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Descriptif

"Le hasard est soumis à des lois, que le calcul des probabilités étudie d'un point de vue mathématique. La nature de ces lois est asymptotique, on ne peut rien déduire de la réalisation d'un événement aléatoire, seules les séries d'évènements ont une signification statistique, d'autant plus fiable que leur nombre est grand. Modéliser le hasard pour pouvoir faire des prévisions est un enjeu primordial. Dans de nombreuses situations il faut comprendre comment une source de "" bruit "" vient influencer le phénomène que l'on observe au cours du temps. Ce phénomène peut être un signal que l'on cherche à décrypter, la trajectoire d'une fusée que l'on veut guider, le cours d'une action en bourse, ou bien d'autres choses encore. Pour des raisons qui seront expliquées dans la conférence, le mouvement brownien fournit un modèle universel de bruit. On verra que les techniques mathématiques sophistiquées qui ont été développées pour étudier le mouvement brownien d'un point de vue théorique ont trouvé de nombreuses applications concrètes."

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PHYSIQUE ET MATHÉMATIQUES

Réalisation : 16 juin 2005 - Mise en ligne : 16 juin 2005
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Descriptif

La physique et les mathématiques sont étroitement mêlées depuis toujours. Tantôt c'est la première qui conduit à développer les mathématiques impliquées par les lois de la nature, tantôt des structures mathématiques élaborées sans référence au monde extérieur se trouvent être précisément adaptées à la description de phénomènes découverts pourtant postérieurement. C'est là l'efficacité déraisonnable des mathématiques dans les sciences de la nature dont parlait Eugène Wigner. Jamais les interactions entre physique et mathématiques n'ont été plus intenses qu'à notre époque, jamais la description des phénomènes naturels n'a requis des mathématiques aussi savantes qu'aujourd'hui. Pourtant il est important de comprendre la différence de nature entre ces deux disciplines. La physique n'établit pas de théorèmes ; jusqu'à présent elle se contente de modèles dont les capacités à prédire, et la comparaison avec l'expérience établissent la validité, avec une économie dans la description et une précision parfois confondantes. Néanmoins nous savons que tous les modèles dont nous disposons actuellement, toutes les lois, ne sont que des descriptions "effectives" comme l'on dit aujourd'hui, c'est-à-dire adaptées aux échelles de temps, de distance, d'énergie avec lesquelles nous observons, mais dont nous savons de manière interne, avant même que des phénomènes nouveaux les aient invalidées, qu'elles sont inaptes à aller beaucoup plus loin. Y aura t-il une description définitive qui, tel un théorème, s'appliquerait sans limitations? Ce rêve d'une théorie ultime, où la physique rejoindrait les mathématiques, caressé par certains, laisse beaucoup d'autres sceptiques ; quoiqu'il en soit la question ne sera certainement pas tranchée rapidement.

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