Bibliographie & annexes
Présentation
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NOTE DE L'ÉDITEUR
La norme NF EN 60825-1 (C43-805) du 10/10/2014 citée dans cet article a été modifiée par la norme NF EN 60825-1/A11 de juin 2021 : Sécurité des appareils à laser - Partie 1: Classification des matériels et exigences
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN2105 (Mai 2021).
RÉSUMÉ
Cet article traite des différentes méthodes de mesure de la puissance d’un laser en se focalisant largement sur les nouvelles techniques utilisant la pression de radiation. Ces dernières répondent à de nombreux enjeux industriels et besoins métrologiques. Ainsi, il est possible de mesurer in situ une puissance laser sans interrompre son utilisation dans une large étendue de longueur d’onde allant des rayonnements ultraviolets aux rayonnements infrarouges, avec une traçabilité aux unités du SI des grandeurs mécaniques telles que longueur et masse.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Patrick PINOT : Docteur en systèmes physiques et métrologie du Conservatoire national des arts et métiers (Cnam), expert indépendant en métrologie, consultant LNE - Ancien directeur adjoint du Laboratoire commun de métrologie LNE-Cnam (EA 2367), La Plaine Saint-Denis, France
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Zaccaria SILVESTRI : Docteur en lasers, métrologie et communications du Cnam, Ingénieur de recherche, chef de projet au département « masse et grandeurs dérivées » - Laboratoire commun de métrologie LNE-Cnam, La Plaine Saint-Denis, France
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Alain VISSIERE : Docteur en sciences physiques, ingénieur des Arts et Métiers, Ingénieur de recherche au Cnam - Laboratoire commun de métrologie LNE-Cnam, La Plaine Saint-Denis, France
INTRODUCTION
Le présent article a pour objectif de présenter les différentes techniques de mesure de la puissance d’un laser et, plus spécifiquement, les nouvelles techniques basées sur la pression de radiation pour une étendue de mesure allant de quelques milliwatts jusqu’à une dizaine de kilowatts. Ces nouvelles techniques répondent à de nombreux enjeux industriels et besoins métrologiques, par exemple une mesure in situ d’une puissance laser. Cette mesure peut s’effectuer sans interrompre l’utilisation du laser dans une large étendue de longueurs d’onde, des rayonnements ultraviolets aux rayonnements infrarouges. La mesure de puissance via la pression de radiation est traçable aux unités du SI (système international des unités) des grandeurs mécaniques telles que longueur et masse.
Après quelques rappels de définitions sur les grandeurs radiométriques et les principales caractéristiques d’un laser, l’article présente les principaux détecteurs (thermiques et quantiques) utilisés pour la mesure de la puissance d’un laser. Cela permet de mieux appréhender les besoins industriels, médicaux ou métrologiques actuels nécessitant le développement de nouveaux détecteurs avec des principes totalement différents. Se plaçant d’un point de vue métrologique, l’article s’attarde à décrire la traçabilité métrologique des détecteurs en présentant, par exemple, le radiomètre cryogénique à substitution électrique, référence radiométrique de nombreux laboratoires nationaux de métrologie.
L’utilisation de la pression de radiation à des fins métrologiques est le principal aspect qui est développé ici. En effet, à l’aide d’un simple miroir associé à un capteur de faible force, il est possible de mesurer, entre autres, la puissance d’un laser. Les nombreux développements dans les laboratoires nationaux de métrologie basés sur ce principe ouvrent de grandes perspectives pour la réalisation d’étalons primaires de puissance laser. Outre un aspect complémentaire aux méthodes dites « conventionnelles », les avantages et limites de la mesure de puissance d’un laser par la pression de radiation sont présentés.
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4. Conclusion, perspectives métrologiques
L’existence d’une pression engendrée par un rayonnement électromagnétique sur une surface est connue depuis 150 ans environ, mais il a fallu attendre certaines évolutions technologiques pour créer un regain d’intérêt dans les années 2010 pour son application métrologique à la mesure de flux énergétique. Parmi ces avancées technologiques, on peut citer :
-
le développement de la technologie des lasers depuis les années 1960 pour des domaines d’application très variés qui a généré des besoins croissants de mesures sur une grande étendue de puissance laser dans un large spectre de longueur d’onde ;
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la technologie des couches minces pour les éléments optiques et, plus spécifiquement, pour les miroirs à couches métalliques ou diélectriques offrant une haute réflectivité sur de larges domaines spectraux ;
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le développement de nouveaux détecteurs de déplacement et capteurs de faible force de haute résolution.
L’utilisation de la pression de radiation à des fins métrologiques devrait continuer à être le sujet d’études et de nouveaux développements dans les années à venir. Le fait qu’un capteur de faible force associé à un miroir puisse être transformé en détecteur de pression de radiation et qu’un faisceau laser puisse constituer un générateur de pression de radiation pourrait ouvrir des perspectives métrologiques intéressantes. Ainsi, de nouveaux étalons pourraient être développés pour réaliser des mesures absolues ou relatives de puissance laser ou de grandeurs mécaniques de faible intensité, dérivées de la masse telles que force, raideur ou pression.
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Étalons primaires
Malgré une incertitude relative de mesure actuellement de l’ordre du pourcent, la méthode de mesure de puissance laser via la pression de radiation présente suffisamment d’avantages par rapport aux autres techniques de mesure pour être utilisée comme une méthode primaire à part entière. L’un de ses intérêts est de pouvoir être directement applicable à l’étalonnage des détecteurs quantiques ou thermiques et des lasers des utilisateurs sans passer par l’intermédiaire de détecteurs secondaires. En termes de mesure de puissance laser, cette méthode est plutôt adaptée aux lasers continus de puissance...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MAXWELL (J.C.) - VIII. A dynamical theory of the electromagnetic field. - Philos. Trans. R. Soc. Lond., vol. 155, p. 459-512, janv. 1865, doi: 10.1098/rstl.1865.0008.
-
(2) - SUBRAN (C.), SAGAUT (J.), LAPOINTE (S.) - Lasers : principes, applications et mesures énergétiques. - p. 18 (2009).
-
(3) - DESVIGNES (F.) - Radiométrie. Photométrie. - Tech. Ing., p. 24 (1992).
-
(4) - Termlist | eilv - Vocabulaire – Commission Internationale de l’Eclairage. - https://cie.co.at/.
-
(5) - CIE. – CIE Publication 17.4: International Lighting Vocabulary - Vocabulaire international de l’éclairage. - (1987). http://itu.tind.io/.
-
(6) - ROUGIÉ (B.), COUTIN (J.-M.) - Références radiométriques...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Sécurité des appareils à laser – Partie 1 : classification des matériels et exigences. - NF EN 60825-1 - 2014
-
Exigences générales concernant la compétence des laboratoires d’étalonnages et d’essais. - NF EN ISO/IEC 17025 - 2017
ANNEXES
Organismes – Associations – Fédérations
BIPM : https://www.bipm.org
Commission internationale de l’éclairage : https://cie.co.at/
Cofrac : https://www.cofrac.fr/
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