Mesure de la chaleur générée par la fibre optique de laser à des fins d’optimisation pour produire une puissance plus élevée

Exemple d’application du Center for Attosecond Laser Science (Centre pour la science des lasers Attosecond), Graduate School of Science (École supérieure des sciences), Université de Tokyo

La rentabilité des caméras thermiques est élevée quand on tient compte des risques possibles de dommages aux équipements.

Cette histoire est attribuée à Reza Amani, professeur associé au projet du Center for Attosecond Laser Science (Centre pour la science des lasers Attosecond), Graduate School of Science (École supérieure des sciences) de l’Université de Tokyo.

Le Dr Reza Amani utilise des caméras thermiques pour mesurer la chaleur générée sur la fibre de gain d’un laser à fibre optique, empêchant ainsi les dommages matériels ou les blessures aux opérateurs dues aux ruptures susceptibles de survenir lorsque les limites de température sont dépassées. Ces caméras peuvent fournir des instructions aux étudiants pendant les expériences, de manière à améliorer la sécurité des opérateurs dans les applications sur site et les performances de l’équipement, etc.

Reza Amani
Professeur associé au projet

Center for Attosecond Laser Science (Centre pour la science des lasers Attosecond), Graduate School of Science (École supérieure des sciences), Université de Tokyo

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

Le Dr Reza Amani participe à des activités de recherche qui non seulement contribuent aux domaines de la chimie physique grâce au développement de lasers haute puissance, mais visent également à une plus grande coopération avec l’industrie. Le traitement laser est introduit dans l’industrie des semi-conducteurs ainsi que dans de nombreuses autres industries. Il permet de traiter une large gamme de matériaux et de réaliser un traitement ultrafin et de haute précision. En particulier, les lasers à fibre optique sur lesquels le Dr Amani travaille ont une efficacité énergétique élevée et ont une stabilité et une fiabilité excellentes. De plus, étant donné que la lumière est confinée dans les fibres, elle ne nécessite pas de salle blanche et suscite des émules en raison de ses avantages tels que le contrôle électrique et la facilité de manipulation.

« Le cœur de la fibre optique, 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 monomode, 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 existe des risques de blessures. ».”

Pour prévenir de tels risques, il est nécessaire de mesurer la chaleur générée sur la fibre de gain du laser à fibre optique et d’arrêter l’expérience avant que la limite de température ne soit atteinte et que le plastique externe du revêtement (acrylate) ne soit détruit. Cependant, lorsque la fibre de gain est créée, le moment où elle dépasse la limite de température est inconnu. La caméra thermique Teledyne FLIR a été introduite pour surveiller l’augmentation de la température.

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 former un résonateur. Elle peut ensuite osciller avec la longueur d’onde centrale de 1560 nm pour produire un laser monomode de 22 W ou plus. Un tel dispositif laser peut être appliqué au traitement laser, à l’excitation d’un laser infrarouge moyen et au champ de communication optique, etc.

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

Sélectionnez la Teledyne FLIR haute résolution pour une analyse facile

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

“« Dans le cadre de mes précédentes fonctions, j’ai étudié les lasers à disque mince et ai utilisé une caméra thermique de FLIR dont le nombre de pixels est plus élevé. Par conséquent, je connais bien les avantages des caméras FLIR. La fibre est très mince, de l’ordre de 250 μm, y compris la pièce en plastique externe, appelée revêtement en acrylate. Sans une certaine résolution, nous ne pouvons pas mesurer avec précision les températures. Cependant, j’ai pris mes fonctions actuelles il y a un an et je viens de démarrer mon laboratoire. En raison du budget limité, j’ai choisi la FLIR E54. Elle a une résolution correcte et peut être achetée à un tarif universitaire. ».”

Une autre raison pour laquelle Teledyne FLIR a été choisie était que les données prises pouvaient être analysées sur un PC. “« Nous importons les données d’image prises sur un PC et effectuons un large éventail d’analyses. Il est difficile de juger précisément où se produit la génération de chaleur en regardant simplement les données sur place, c’est pourquoi importer des données sur un PC permet de les analyser plus en détail. C’est bien sûr un avantage. ».”

Caméra thermographique portable

FLIR E54

La FLIR E54 est la première caméra thermographique portable de FLIR. Elle permet de visualiser la répartition de la température des objets présentant des différences thermiques avec une résolution infrarouge de 320 × 240 pixels. La correction d’image dotée de la fonctionnalité MSX® produit les images les plus nettes de sa catégorie. Le téléobjectif et les objectifs grand-angle interchangeables sont utiles pour examiner diverses scènes. En outre, en se connectant au logiciel PC, il est possible d’analyser et d’enregistrer des séries temporelles de changement de température sous forme de vidéo.

En savoir plus

Identification des limites de chaleur et des procédures d’optimisation

“Nous utilisons également un thermocouple et d’autres thermomètres à contact, mais grâce à la caméra thermique, nous sommes désormais en mesure d’identifier les pièces qui ont tendance à avoir des températures élevées, grâce aux répartitions de température.”

Il est précisé que la température de résistance supérieure de la fibre de gain est de 80 °C. Comme la caméra peut mesurer avec précision les répartitions de température, la fibre peut être utilisée jusqu’à 110 °C en éliminant correctement la chaleur avec un refroidisseur. Il est désormais possible d’identifier les limites de chaleur et les procédures d’optimisation, éliminant ainsi les risques tels que les dommages aux équipements et les blessures de l’opérateur.

“« Au Japon, j’ai l’impression que les budgets de recherche sont limités par rapport à d’autres pays développés. Dans d’autres pays, les caméras thermiques sont un outil courant qui est utilisé partout. Je pense qu’elles devraient être davantage utilisées pour la R et D au Japon. Si la fibre utilisée dans cette recherche est détruite en cas de dépassement de la limite de chaleur, il faudra racheter l’équipement qui coûte environ 300 000 yens. Compte tenu de cela, la rentabilité de l’introduction de caméras thermiques n’est pas si mauvaise. ».”

L’industrie a des exigences diverses, y compris 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 une génération de chaleur. Les caméras infrarouges, telles que la série FLIR Exx sont utiles pour les mesures thermiques dans ces situations et peuvent fournir des données utiles pour les recherches futures sur le laser.