BRIDLE – laser à diodes brillant pour l'industrie en route vers un record

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Diodes laser extrêmement efficaces sur le plan énergétique et puissants pour l'industrie ont été développés dans le cadre du projet européen BRIDLE, avec la participation majeure de l'Institut Ferdinand-Braun. Plusieurs records ont été battus lors de cette avancée.

Le marché des lasers industriels croît rapidement et nécessite constamment des sources de faisceau améliorées. Jusqu'à présent, on dépendait souvent de lasers à fibre, à solide ou au dioxyde de carbone, qui atteignent certes la densité de puissance et la brillance nécessaires, mais consomment beaucoup d'énergie ; leur efficacité maximale n'est que d'environ 35 à 40 %.

Le projet BRIDLE, financé par l'UE depuis 2012 (High Brilliance Diode Lasers for Industrial Applications – diodes laser à haute brillance pour des applications industrielles), visait donc à soutenir l'industrie européenne dans cette course mondiale au développement de lasers compacts et hautement efficaces. Des progrès ont été réalisés tant dans les technologies à semi-conducteurs qu'optique, notamment par la combinaison de différentes longueurs d'onde sur une seule puce (combinaison de faisceaux). « L'objectif était d'intégrer une puissance maximale avec une efficacité optimale dans un faisceau laser à haute brillance », explique le Dr Paul Crump de l'Institut Ferdinand-Braun, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH). « Les diodes laser ont le meilleur potentiel pour cela, car elles sont la source de faisceau laser la plus économe en énergie, et donc très respectueuse de l'environnement. » Ces diodes laser sont déjà utilisées aujourd'hui comme sources de pompage pour des lasers plus grands. L'objectif est d'utiliser directement ces petites diodes laser pour le traitement des matériaux dans des applications à haute brillance, comme la découpe d'acier.

Le coordinateur du projet BRIDLE, Thomas Brand, a également évoqué d'extraordinaires progrès, qui ont conduit à des résultats record pour plusieurs des nouvelles conceptions de diodes laser développées par le groupe de Crump au FBH. La conception épitaxiale a été améliorée et le procédé optimisé de manière à réduire la largeur standard de 100 micromètres (μm) de la couche émettrice à 30 μm — sans compromis majeur sur l'efficacité et la puissance. Cela permet de doubler la brillance du faisceau laser par rapport à l'état actuel de la technique, ce qui améliore considérablement la mise au point sur un point minuscule et facilite la découpe des métaux.

Le FBH a également développé de nouvelles structures de puces permettant de combiner le faisceau de manière efficace et économique. Un réseau monolithique innovant a été intégré dans les diodes laser DFB à haute brillance, stabilisant et optimisant la longueur d'onde. Il devient ainsi possible, pour la première fois, de produire un faisceau brillant avec un spectre étroit (<1 nm), une puissance élevée (5 W) et un rendement élevé (50 %). De plus, plusieurs bandes laser avec des longueurs d'onde proches mais décalées ont été intégrées dans une seule puce. Ces sources sont particulièrement avantageuses pour la combinaison spectrale de faisceaux et la montée en puissance dans les systèmes de traitement des matériaux.

Une autre approche repose sur des diodes laser avec des filtres de faisceau trapézoïdaux internes. Elles atteignent déjà aujourd'hui une brillance particulièrement élevée. Leur efficacité de conversion a été nettement améliorée grâce à BRIDLE, passant d'environ 30 % à plus de 40 %. Cependant, cela reste insuffisant pour leur utilisation dans le traitement industriel des matériaux. De plus, la complexité technique pour la fédération des faisceaux est légèrement plus élevée. Malgré ces obstacles, des progrès fondamentaux importants ont été réalisés dans la recherche sur de nouvelles méthodes de combinaison cohérente de faisceaux brillants, qui seront poursuivis en collaboration entre le FBH, le LCFIO et l'ILT. Crump et ses collègues sont convaincus qu'une augmentation supplémentaire de l'efficacité et de la puissance des lasers trapézoïdaux est possible.

« Étant donné que les pays européens paient des salaires plus élevés que, par exemple, en Asie, nous avons dès le départ intégré une fabrication en série rentable », explique Crump. « Nous avons également acquis de précieuses connaissances dans ce domaine. »

Particulièrement dans le traitement des métaux — soudage, découpe ou perçage — l'industrie espère des diodes laser à haute brillance et puissantes, car elles permettent des systèmes compacts et très respectueux de l'environnement. Jusqu'à présent, les lasers industriels produisent le faisceau de manière peu efficace sur de grands appareils nécessitant un refroidissement coûteux, d'où le faisceau doit être transmis via un câble à fibre optique jusqu'à la pièce à usiner. Avec les diodes laser développées dans le cadre du projet BRIDLE, la brillance essentielle pour l'industrie est désormais atteinte. Un laser est considéré comme brillant lorsque son faisceau peut être focalisé sur une distance d'un mètre en un point minuscule de seulement 0,1 millimètre. Les partenaires du projet BRIDLE ont démontré, avec une tête laser de 1 kW, que la découpe directe de l'acier est possible. De tels systèmes sont particulièrement adaptés pour des modules laser compacts et économes en énergie.

Les diodes laser convertissent l'énergie en lumière de manière plus efficace que tout autre système. Elles sont également peu coûteuses en production de masse, car elles sont traitées par milliers sur une seule plaquette et peuvent être intégrées dans des modules très fiables et compacts. « Nous sommes en train d'améliorer encore les excellents résultats de BRIDLE — pour un transfert rapide vers l'industrie », indique Crump. Les diodes laser développées au FBH offrent un avantage technologique déterminant pour le marché mondial.