Mesurer la production de chaleur du laser à fibre et l’utiliser pour l’optimiser afin de produire une puissance plus élevée

Histoire d’application du Center for Attosecond Laser Science, Graduate School of Science, Université de Tokyo

La rentabilité de l’introduction de caméras thermiques est élevée si l’on considère les risques d’endommagement des équipements.

Cette histoire est créditée à Reza Amani, professeur agrégé de projet du Center for Attosecond Laser Science, Graduate School of Science de l’Université de Tokyo.

Le Dr Reza Amani utilise des caméras d’imagerie thermique pour mesurer la chaleur qui est générée sur la fibre de gain d’un laser à fibre, ce qui permet d’éviter d’endommager l’équipement ou de blesser les opérateurs en raison d’une rupture qui peut se produire lorsque les limites de température sont dépassées. Ces caméras peuvent permettre de donner des instructions aux étudiants pendant les expériences, d’améliorer la sécurité des opérateurs lors des applications sur place, d’améliorer les performances des équipements, etc.

Reza Amani
Professeur agrégé de projet

Center for Attosecond Laser Science, Graduate School of Science, Université de Tokyo

Surveillance des augmentations de température pour éviter d’endommager les fibres

Le Dr Reza Amani participe aux projets de recherches qui non seulement contribuent aux domaines de la chimie physique par le développement de lasers haute puissance, mais qui visent également une plus grande coopération avec le secteur. Le traitement au laser est introduit dans le secteur des semi-conducteurs ainsi que dans de nombreux autres secteurs. Il permet de traiter une vaste gamme de matériaux et rend possible un traitement ultra fin de haute précision. Les lasers à fibre sur lesquels travaille le Dr Amani ont notamment un haut rendement de conversion énergétique et sont excellents en termes de stabilité et de fiabilité. En outre, comme la lumière est retenue dans les fibres, ils ne nécessitent pas de salle blanche. Ils attirent l’attention en raison de leurs avantages tels que le contrôle électrique et la facilité de manipulation.

« Le cœur de la fibre optique, qui est appelé « fibre de gain », est dopé (ajouté) avec de l’Er (erbium) et de l’Yb (ytterbium). Une sortie laser de 22 W ou plus peut être acquise en un seul mode, mais la fibre est rapidement chauffée après excitation. Lorsque la fibre atteint une certaine température, elle gonfle d’abord, puis éclate. Si cela se produit, l’équipement devient inutile et il y a des risques de blessures. ».”

Pour prévenir de tels risques, il est nécessaire de mesurer la chaleur qui est générée sur la fibre de gain du laser à fibre et l’expérience doit être arrêtée avant que la limite de température ne soit atteinte et que le plastique externe de la gaine (revêtement en acrylate) ne soit détruit. Cependant, lorsque la fibre de gain est créée, on ne sait pas à quel moment elle dépasse la limite de température. Afin de surveiller l’augmentation de la température, la caméra thermique Teledyne FLIR a été introduite.

Fibre de gain dopée avec des ions Er et Yb. Cette fibre de gain est couplée à un laser d’excitation multimode de 976 nm pour faire un résonateur. Il peut ensuite osciller avec la longueur d’onde centrale de 1 560 nm pour produire un laser monomode de 22 W ou plus. Un tel dispositif laser peut être appliqué au traitement au laser, à l’excitation d’un laser infrarouge moyen et au champ de communication optique, etc.

Lorsque la fibre de gain est dopée d’ions Er-Yb, une lumière fluorescente verte est générée. Plus la lumière fluorescente est forte, plus l’absorption du laser d’excitation est élevée et plus la quantité de chaleur générée sera importante.

Sélectionner la Teledyne FLIR à haute résolution pour une analyse facile

Le Dr Amani explique qu’on a essayé de prendre des mesures avec une caméra thermique qu’on avait au laboratoire, mais elle avait un faible nombre de pixels et, en raison de la résolution limitée de l’image, les valeurs mesurées étaient inférieures aux valeurs réelles, ce qui la rendait inutile.

“« Dans mon emploi précédent, j’ai étudié les lasers à disque mince et j’ai utilisé une caméra d’imagerie thermique à nombre élevé de pixels de FLIR. Par conséquent, j’en sais beaucoup sur les avantages des caméras FLIR. La fibre est aussi mince que 250 μm, y compris la partie en plastique externe, appelée revêtement d’acrylate. Sans un certain degré de résolution, nous ne pouvons pas mesurer précisément les températures. Cependant, j’ai pris mon poste actuel il y a un an et je viens de lancer mon laboratoire. En raison du budget limité, j’ai choisi la FLIR E54. Elle a une bonne résolution et peut être achetée à un prix académique. »

Une autre raison de choisir Teledyne FLIR est que les données recueillies peuvent être analysées sur un ordinateur. « Nous importons les données des images prises sur un ordinateur et effectuons une grande variété d’analyses. Il est difficile de déterminer avec précision où se produit la génération de chaleur en regardant simplement les données sur place, mais en important les données sur un ordinateur, nous pouvons analyser plus en détail. C’est bien sûr un avantage. ».

Caméra d’imagerie thermique portative

FLIR E54

La FLIR E54 est la première caméra de thermographie portative de FLIR. Elle peut voir la distribution de température des objets avec des différences de température dans la résolution infrarouge de 320 × 240 pixels. La correction d’image avec MSX® produit les images les plus nettes de sa catégorie. Les téléobjectifs et les objectifs grand-angle interchangeables sont utiles pour les enquêtes dans diverses scènes. En outre, en se connectant à un logiciel d’ordinateur, il est possible d’analyser et d’enregistrer des séries chronologiques de changements de température sous forme de vidéo.

En savoir plus

Déterminer les limites de chaleur et les procédures d’optimisation

“Nous utilisons également un thermocouple et d’autres thermomètres à contact, mais grâce à la caméra d’imagerie thermique, nous pouvons maintenant trouver quelles pièces ont tendance à avoir des températures élevées, en fonction des distributions de température.”

La température de résistance supérieure de la fibre de gain est spécifiée comme 80 °C. Comme la caméra peut mesurer avec précision les distributions de température, la fibre peut être utilisée jusqu’à 110 °C en retirant correctement la chaleur avec un refroidisseur. Il est maintenant possible de connaître les limites de chaleur et les procédures d’optimisation, éliminant ainsi les risques tels que les dommages d’équipement et les blessures d’opérateur.

“« Au Japon, je pense que les budgets de recherche sont limités par rapport aux autres pays avancés. Dans d’autres pays, les caméras d’imagerie thermique sont un outil commun qui est utilisé partout. Je pense qu’elles devraient être plus utilisées pour la recherche et le développement au Japon. Si la fibre utilisée dans cette recherche est détruite en dépassant une limite de chaleur, nous devrons racheter l’équipement qui coûte environ 300 000 yens. Compte tenu de cela, la rentabilité de l’introduction des caméras d’imagerie thermique n’est pas si mauvaise. »

Le secteur a des exigences diverses, notamment le traitement de différents matériaux avec un seul laser. Le traitement de plusieurs matériaux nécessite une augmentation de la puissance de sortie, ce qui peut entraîner le problème de production de chaleur. Les caméras infrarouges, telles que la série Exx de FLIR, sont utiles dans ces situations pour les mesures thermiques et peuvent fournir des données utiles pour les futures recherches sur les lasers.