Bonjour,

Je viens à vous pour vérifier mes notions de physique en thermique avec rayonnement d'un côté et optique de l'autre.
Je cherche en effet à créer une imprimante pour la gravure et le découpage laser. Ceci dans différents matériaux (aussi bien papier que différents métaux). Je compte m'inspirer des imprimantes 3D DIY.

Comme le texte qui suit est assez long, si une partie ne vous parle pas localisez-vous sur une partie ou vous pourrez peut-être émettre un avis.

Pour réaliser cet appareil je voudrais concevoir un système optique avec des lentilles pour diminuer le diamètre du faisceau laser, ce qui me permettrait non seulement d'augmenter sa puissance par unité de surface mais également de gagner en précision.

*-Tout d'abord les problèmes d'optique pour vérifier mes notions sur les lentilles :
Je cherche à concevoir un système optique :
-pouvant diminuer un faisceau au maximum pour la précision (et l'énergie/m²).
-d'encombrement minimum.
-si possible avec un système de zoom pour faire varier le diamètre du faisceau sans pour autant modifier la vergence du système (pour qu'il reste afocal).

Mettons que je cherche à diviser le diamètre du faisceau par 100 (grandissement=0.01)
Avec deux lentilles, il me faudrait un rapport entre les distances focales de 1/100.
J'avais trouvé ce site dans un autre post. En cherchant des lentilles de distances focales minimales je trouve 0mm (distance focale nulle, un problème de précision dans les chiffres significatifs trop faible? je veux bien que quelqu'un m'explique svp =) ) mais comme je ne suis pas sûr de la nature de ces lentilles, je passe à la taille au-dessus: 3mm de distance focale. En utilisant un système de 2 lentilles il faudrait que la seconde lentille ait une distance focale de 300mm, soit 3m! beaucoup trop donc.
Je pense donc utiliser plusieurs systèmes de grandissement (et de dimension) moindres.
Mettons que j'utilise deux lentilles de distances focales 3mm et 15mm (rapport de 5), je peux obtenir un système de longueur 15-3=12mm et de grandissement de 1/5, si j'en met 3 comme ceci à la suite j'obtiens un grandissement de 1/(5*5*5)=1/125 et de longueur 12*3=36mm, mieux!
Mais si mes souvenirs d'optique sont bons, j'obtiendrais la même chose en faisant en sorte que les systèmes se chevauchent. Je voudrais que l'on me confirme ce point.

Autre idée:
Si je conçois un système afocal S1 avec deux lentilles de focales 3 et 15 mm et de longueur 12 mm (grandissement 1/5), un S2 avec des lentilles de focales 3 et 12mm, longueur 9 mm et grandissement 1/4, un S3 de focales 3 et 9mm L=6mm et de grandissement 1/3 et un S4 de focales 3 et 6mm, L=3mm et grandissement 1/2.
Si je met le S2 dans le S1, le S3 dans le S2 et le S4 dans le S3, est-ce que j'obtiens un système afocal de longueur 12mm et de grandissement 1/(2*3*4*5)=1/120?
J'ai d'autres idées mais je cherche déjà à savoir si ce principe est bon. =) Je vais essayer de chercher en utilisant géogébra.

Si jusque-là je n'ai pas dit de bêtise je voudrais savoir comment concevoir un zoom avec d'autres lentilles pour modifier le grandissement de mon système optique et en conservant son caractère afocal. J'en cherche encore la conception.

C'est à peu près tout pour l'optique.


*- À présent les caractéristiques du laser et du faisceau pour la découpe :
Tout d'abord j'ai un laser monochrome de puissance P avec un faisceau de diamètre D.
Je pars dans l'hypothèse (fausse ou vraie j'espère que vous saurez =S) que le découpage se fait en chauffant la matière jusqu'au point de fusion ou de combustion.

Pour atteindre cette température il faut que j'augmente la puissance/surfacique du faisceau.
Pour cela soit j'augmente la puissance (on joue sur le type de laser ou son alimentation (la puissance d'un laser varie bien avec son alimentation n'est-ce pas?!)) ou je diminue la surface (avec le système optique avec ou sans zoom dont j'ai parlé au dessus).

Pouvez-vous me dire quelle est la température qu'il faut atteindre selon le matériaux? La température de combustion pour le papier? la température de fusion pour un métal?

Après pour adapter la variation de température du matériaux (et donc la puissance surfacique du faisceau) j'ai besoin de connaître la relation qui relie les deux paramètres.
Si je me fie à la Loi de Stefan-Boltzmann pour l'émission, P=e*S*c*T^4 où e est l'indice l'émissivité du corps émetteur (0<=e<=1), c la constante de Stefan-Boltzmann en W/(m².K^4), S la surface d'émission en m², T la température du corps en K et P la puissance en W.

Pour parler d'une absorption, puis-je inverser cette loi et dire que (delta T)=(racine 4 de(P/(e*S*c)))? Où devrais-je utiliser une relation analogue mais différente? l'indice e est-il égal à l'indice d'absorption?

*- À présent la question de variation de luminance du faisceau (W.m²) :
Puis-je admettre que pour les faisceau f1 d'entrée et f2 de sortie que P1/P2=S2/S1? et donc que P2*S2=P1*S1?

D'où ou aurait:
P2*D2²*pi/4=P1*D1²*pi/4
=>P2*D2²=P1*D1²
=>P2*(D1*G)²=P2*D1²*G²=P1*D1²
=>P2*G²=P1
=>P2=P1/G²

Donc pour un grandissement de 0.01, P2=10000*P2?


*- À présent quelques petits problèmes mécaniques :
J'ai besoin de savoir comment est découpée la matière, est-elle entamée progressivement (même si c'est très rapide) par la matière? Est-ce analogue à la découpe et la soudure par chalumeau (oxyacétylénique notamment)? Y a-t-il un bain de fusion? Ou est-ce une combustion localisée de la matière (Ce qui expliquerait l'ajout de certains gaz dans certains procédés pour augmenter l'efficacité du laser)?
La vitesse de progression du laser dans la matière est-elle plus ou moins constante? dépend-elle du diamètre du faisceau? Ce serait pour régler la vitesse de progression de la buse contenant le laser. Si le faisceau est trop fin, la matière remplit-elle à nouveau l'espace dégagé par le laser après son passage et ressoude en quelque sorte la matière? Y-a-t-il un risque que la matière à usiner se retrouve soudée à la surface qui la supporte?

Pour graver, dois-je augmenter la vitesse d'avance du laser ou diminuer sa puissance? Dans le cas du papier? Dans le cas du métal?


Si le laser avance trop lentement j'ai peur qu'il n'attaque la surface en dessous de la matière à usiner, pour cela, dois-je faire en sorte que cette surface soit faite dans une matière avec une température de fusion supérieure à celle de la matière à usiner et que le laser ne pourra pas atteindre? Par exemple, si je réalise cette surface avec du fer pour usiner de l'acier, cela fonctionnera-t-il?
Ou une grille en acier mais avec un bain opaque en dessous? Du sable?

Merci d'avance et désolé pour le gros volume de texte! =S

Vincent.