Partie 3

Cette troisième et dernière partie abordera 4 utilisations du laser qui rendent notre quotidien plus facile; et nous permettent de gagner du temps. Nous verrons en premier la lecture de données contenues sur des disques. Puis comment l'industrie peut découper des matériaux sans les abîmer ou graver des inscriptions dessus. Pour arriver à l'identification universelle de produits référencés : les codes-barres.

1) La lecture LASER de données

L'utilisation de CD et de DVD est quotidienne. Dans la vie quotidienne, c'est un support que beaucoup de personnes utilisent même si peu connaissent son fonctionnement. Je vais tenter de vous l'expliquser.

Lexique

Les CD

C'est en 1980 que les marques Sony et Phillips, en partenariat, annoncent un nouveau support numérique à haute capacité de stockage permettant de stocker de la musique, le CD Audio. Mais également des données informatiques, le CD-ROM. Le CD Audio a alors été l’objet de débats afin de connaitre la capacité de stockage ( de mémoire ) la plus appropriée. Il a finalement été convenu que la capacité d'un CD Audio devait pouvoir contenir l'équivalent en mémoire de la neuvième symphonie de Beethoven en entier. Afin de pouvoir lire ce nouveau support d'information, Phillips met au point le premier lecteur de CD-ROM pour ordinateur en 1984. En tant une nouvelle technologie, son prix à la vente est très cher: environ 750 € à sa sortie.

Puis un nouveau support voit le jour en 1997, le disque ré-inscriptible : le CD-RW. Preuve de l’avancée technique et scientifique très rapide.

Voici la définition du disque dans le domaine informatique dans le dictionnaire « Le Petit Larousse Illustré 2010 » : Support circulaire recouvert d'une surface permettant d'enregistrer des informations sous forme binaire sur des pistes concentriques.

Un disque est constitué de « creux » ou « alvéoles » et de « bosses ». C’est un système de codage d’information. Pour le déchiffrer, nous avons besoin d’un lecteur de CD. Ce disque, mis en mouvement de rotation par un moteur autour d’un axe fixe, est lu par une diode laser émettant avec une longueur d’onde de 780nm. La taille des cavités étant très petite (de l’ordre du micromètre), il faut une diode très précise. La lecture de ces cavités se fait grâce à la réflexion du faisceau lumineux sur la surface de lecture du disque. Le faisceau est guidé par deux autres qui n'interviennent pas dans la lecture des cavités. Leur fonction est uniquement d'assurer un guidage parfait de cette lumière. Ce système est appelé « Three beams », ou « Trois Faisceaux » en français.

Le schéma ci-dessus montre le fonctionnement de l'unité laser. Le faisceau laser est envoyé à travers une lentille de focalisation. Puis en fonction du point d'impact – un creux ou une bosse – le faisceau est réfléchit avec une différence d'intensité lumineuse captée par la cellule photosensible.

Il existe deux manières de lire l’information cryptée par les cuvettes, l'une étant plus fiable que l'autre : - Quand le laser frappe le disque, le faisceau lumineux atteint une bosse ou bien un creux. La bosse réfléchissant la totalité du faisceau, on lui attribue un 1. Atteignant un creux, la réflexion du faisceau étant moindre, cela conduit à un 0. - Cette technique étant jugée peu fiable il y a quelques années, un autre vit le jour. Avec la nouvelle méthode de lecture, c’est l’alternance de « creux » et de « bosses », le changement de réflexion du faisceau, qui forme un 1 dans le langage binaire. S’il n’y a pas de changement, cela conduit à un 0. Un capteur photosensible capte cette différence de réflexion et crée une suite de 0 et de 1 dans un code binaire grâce à l'envoi de signaux électriques. Ce code est un système de numération informatique. Le mot bit (qui vient de l'anglais binary digit, soit « chiffre binaire ») est utilisé pour désigner les chiffres de la numération binaire. Ceux-ci ne peuvent prendre que deux valeurs, par convention 0 et 1. Ce code est alors traduit par un convertisseur numérique-analogique.

Il existe plusieurs types de disques différents mais on peut les séparer en deux catégories distinctes: - Les CD inscriptibles qui ne peuvent contenir qu’un ensemble d’information - définit à l’avance – au cours de la durée de sa vie. Cette information ne peut être modifiée mais peut être altérée au cours du temps avec l’usure du disque, les poussières, etc. - Les CD ré-inscriptibles, dont l’information peut être modifiée par une interaction matière-rayonnement. La couche d’enregistrement d’information d’un « CD-RW » a une structure poly cristalline. Il faut tout d’abord effacer l’information en portant l’alliage à la fusion (200°C) et en lui donnant une structure cristalline. Les creux et les bosses contenus sur la phase de lecture sont alors supprimés. On peut alors enregistrer une nouvelle série d’information grâce à la diode laser. Elle va alors frappée la surface afin de la mettre dans un état non-cristallin ayant donc une réflectivité beaucoup plus faible. Cela crée alors un creux. La puissance de la diode peut varier de 8 à 14 mW et la température de la surface est de 500° à 700°C. Cela permet de créer de nouvelles cavités et ainsi modifier l’information contenue.

Les DVD

De nouveaux supports sont ensuite apparus comme le DVD en 1994 qui a une grande capacité de stockage (environ 5Go).Il est généralement utilisé pour les films et séries télévisées car il peut contenir des informations audio et vidéo en même temps. Il est également utilisé pour contenir des programmes informatiques comme des logiciels ou des jeux vidéo du fait de sa grande capacité de stockage. Toutefois c'est grâce à l'évolution scientifique que ceci est devenu possible. Avant, nous utilisions plusieurs CD pour contenir les données des logiciels ou des jeux vidéos. Mais il est plus pratique de n'avoir qu'un seul disque au lieu de plusieurs: l'utilisation du DVD est donc plus fréquente. Il existe plusieurs répartitions des alvéoles afin d'augmenter la capacité de stockage d'information: Au lieu d'avoir une simple couche gravée, on peut en introduire une seconde. Pour lire ces deux épaisseurs de données, il suffit au laser de changer de longueur d'onde et de défocaliser les rayons sur la deuxième couche grâce à la lentille de focalisation. La diode lit la première couche externe puis celle plus en profondeur. On peut également graver des données des deux cotés d'un disque pour en accroitre la capacité de données. Pendant l'usage, il faudra retourner le DVD qui se trouve dans le lecteur pour avoir accès à la seconde partie des données. La lecture des données est identique par rapport à celles du CD. Il n'y a que quelques différences, par exemple la longueur d'onde de la diode est de 635 ou 650 nm au lieu de 780nm. Au niveau de la structure du disque, les alvéoles sont plus petites, ainsi que la taille du faisceau lumineux de la diode augmentant ainsi sa précision de lecture.

Le Blu-Ray

A la fin de l'année 2006, un nouveau support est commercialisé: Le Blu-ray. C'est un disque qui contient plus d'information, sa mémoire varie généralement entre 30 et 40 GO soit 6 à 8 fois plus d’information qu’un DVD. Les alvéoles sont plus petites, plus nombreuses et il y a d'avantage de couches. Ce disque est lu par une diode de couleur bleu plus précise et dont le rayon est plus petit. Elle émet une longueur d'onde de 405 nm. Il permet notamment, en vidéo, de stocker beaucoup d'information et donc d'avoir une qualité d'image nettement plus importante. On voit donc apparaitre la HD, pour Haute Définition qui correspond à une image de très grande qualité. Il est le seul support de nos jours à pouvoir supporter la technologie 3D. Des projets sont en cours avec la marque japonaise SHARP pour augmenter la capacité de stockage. Le 30 Juillet prochain, elle va commercialiser au Japon un disque Blu-ray de capacité de 100 GO, soit deux fois plus d’information qu’un Blu-ray normal. En contenant une troisième couche d’alvéoles, l’information contenue est alors plus grande. C’est une première mondiale qui sera vendu au prix de 5000 yens (45 euros).

2) En ce qui concerne l'industrie

La découpe

C'est vers la fin de l'année 1970 que l'on voit apparaître les premières utilisations du laser dans l’industrie. Il sert aussi bien à la découpe de matériaux qu'à la gravure dans l'acier par exemple. Nous verrons donc ces deux types d'actions.

Il existe deux types de lasers utilisés dans la découpe de matériaux. Le laser YAG et le laser CO2

Le milieu amplificateur du laser YAG est un cristal : Le grenat d'yttrium et d'aluminium de formule Y3Al5 O12. Il est généralement « dopé » au métal gris : le néodyme Nd3+ Ce laser émet à un longueur d'onde d'environ 1,06 µm soit 1064nm. Il est dit pulsé car il doit accumuler une certaine quantité d'énergie avant de frapper le matériau pour augmenter sa puissance. Le milieu amplificateur du laser CO2 est un gaz constitué de dioxyde de carbone CO2 et de diazote N2. Sa longueur d'onde est de 10,6 µm soit 10 600nm. Ce laser est dit continu car il émet en permanence un faisceau d'énergie découpant le matériau en continu.

Pour effectuer cette découpe, il faut utiliser un laser spécifique pour chaque matériau. Pour avoir un gain de puissance, il faut que le laser soit un spectre d'émission très réduit. Même si de l'ordre financier il est avantageux d'avoir un laser pouvant émettre plusieurs longueurs d'ondes. Car cela évite d'avoir à acheter plusieurs lasers. L'énergie développée est plus faible si le laser à un spectre d'émission large.
Cela s'explique par la relation suivante : ΔE = (h.c)/λ
Pour découper une pièce, la puissance moyenne sur la pièce doit être supérieure à 10⁵ W/cm².

Cette technique de découpe au laser est en complémentarité avec la découpe au jet d'eau. Apparus et commercialisés dans la même période, ils se complètent. Le découpage au jet d'eau est moins précis et peut déformer les pièces à découper. En effet avec une pression allant de 2000 à 5000 bars, cela peut déformer le matériau. Il est utilisé quand la profondeur des pièces excède 20 mm, ou alors quand la matière à découper craint la chaleur comme le cuir, le plastique etc. Ou quand la surface à découper est hautement réfléchissante: Le laser n'étant que de la lumière, la découpe au jet d'eau sera alors plus adaptée.

	YAG	CO2
AVANTAGES	-Courte longueur d'onde -Grande précision.	-Puissance élevée -Bon rendement -Grande vitesse de coupe
INCONVÉNIENTS	-Puissance limitée -Ne coupe pas les métaux organiques -Vitesse de coupe faible	-Grande longueur d'onde -Mauvaise absorption par les matériaux -Découpe délicate des matériaux réfléchissants
DIFFÉRENCES	-Laser Pulsé - λ = 1,06 µm	-Laser Continu - λ = 10,6 µm

La gravure

Il est possible de graver différents matériaux. Sur des objets publicitaires, des pièces automobiles, sur du bois, du métal . les choix sont très vastes. Mais la également deux catégories peuvent être créées: - Tout d'abord la gravure en elle même. Le fait de retirer de la manière en la brûlant et donc en la détruisant. Avec un laser, de caractéristique différente suivant le matériau, on va brûler la surface à graver. Il faut focaliser la source laser en un point grâce à une lentille de focalisation.La puissance développée doit se situer entre 20 et 150 W. - Puis le fait d'appliquer de la couleur sur un matériau quelconque grâce à la technique de transfert de couleur laser (LCT®) qui consiste, à mettre le film de couleur en contact avec la surface à graver. Puis quand le laser passe sur ce film, la couleur est transférée durablement à la surface. Le laser le plus utilisé est le laser CO2 car il offre beaucoup de possibilités: Précision, faible coût financier, bon rendement énergétique, haute qualité de gravure etc. Ce secteur se développe rapidement de nos jours et la demande a tendance à fortement augmenter.

3) Les codes barres

On pense tous les connaître mais ils sont en réalité très complexes. Saviez-vous que le 26 Juin 1974 fût la date de l'enregistrement du premier produit grâce un lecteur de code-barre? C'était dans une épicerie, pour un paquet de chewing-gum.

L'historique

C'est en 1948 que Bernard Silver surpris une conversation expliquant le besoin d'inventer un moyen de saisie automatique des données des produits passant en caisse. Il en parla à son ami Norman Joseph Woodland. Tout deux étaient étudiants diplômés de nationalités américaines et se penchèrent sur le problème. Ils eurent plusieurs idées pour mener à bien leur projet. Ils déposèrent un brevet d'application le 20 octobre 1949. C'était un code barre en forme de cercles concentriques appelé code « oil de bouf ». Puis ils trouvèrent un moyen de lire ce code. Il fallait une ampoule de 500 watts, utilisée comme source de lumière et un tube photomultiplicateur RCA 935, conçu pour la sonorisation de films, utilisé ici comme lecteur. Prenant un espace trop grand et étant trop couteux, cette option fut supprimée. Le 7 Octobre 1952, leur brevet leur fût délivré. Puis au cours des années 60, David J. Collins, travaillant dans une société s'occupant de wagons et de chemins de fer, reprit l'idée de codes à barres. Il créa des étiquettes codées composées de bandes orange et bleue. Pour les décrypter on envoyait un rayon lumineux coloré vers le code puis on interprétait sa réflexion. Puis à la suite de divergences d'idées avec son directeur, il co-fonda la société Computer Identics Corporation. A la fin des années 1960, la technologie laser étant devenue abordable, il l'utilisa afin de remplacer l'ampoule de 500 watts de Woodland et ainsi lire aisément les codes à barres. Finalement, le 3 avril 1973, l'ingénieur George J. Laurer créa un nouveau code à barres, le code UPC: Universal Product Code. Il l'améliora en lui ajoutant un treizième caractère, appelé code EAN. Il est aujourd'hui utilisé pour référencer la quasi-totalité des produits existant.

Leurs utilisations et leurs fonctionnements

Les codes-barres se sont développés très rapidement à partir des années 1980. Le premier code était l'UPC qui est maintenant utilisé en Amérique du Nord alors que pour le reste des pays, le plus courant est l'EAN. Nous allons donc expliquer son fonctionnement.

a) Les barres

Ce sont des traits verticaux imprimés à l'encre noir et blanche. Ils sont analysés par un lecteur de code barre. Le faisceau laser balaye l'enchainement de ces traits. La barre noire, représente un 1 dans le codage binaire et la barre blanche un 0. Cela est dut à la différence de réflexion, les couleurs sombres absorbant la lumière contrairement aux couleurs claires qui la réfléchisse. Schéma ci-dessous :

Avec le schéma, on voit bien la différence entre les deux couleurs de barres. Une fois le signal de réflexion traduit en signal électrique, l'information est envoyée vers un décodeur. Ainsi l'information contenue par le code barre peut être décodée.

b) Les caractères

Situés en dessous des barres, il y a une suite chiffres. Chacun d'entre eux est codé à l'aide de 7 barres, c'est donc un codage sur 7 bits. Sur un code EAN à 13 caractères, ( le plus répandu ), on distingue quatre zone:

Sur cette illustration, le laser balaye les barres de couleurs décryptant ainsi l'information.

D'autres codes se sont développés dans divers secteurs particuliers ayant besoin de certaines spécificités. Par exemple dans l'industrie, la santé, l'armée etc. Il fallut donc développer d'autres codes permettant un stockage de données plus important. C'est le cas notamment du flashcode qui de part sa lecture verticale et horizontale, permet d'avoir plus de données sur une même surface qu'un code-barre normal.

Conclusion Générale du TPE

Au cours de notre TPE, nous avons expliqué le fonctionnement du LASER et les différents usages auxquels cette source lumineuse est associée. L'usage de cette technologie était restreint aux scientifiques. En effet, étant très cher, elle ne pouvait se développée que très difficilement. Puis, vers la fin des années 1960, les prix devinrent abordables et la taille des machines LASER diminua. Ce qui permit aux grandes entreprises d'investir dans cette technologie innovante pour augmenter leur production ou bien de développer des systèmes innovants tels que les disques et les codes barres. Ils purent donc faire d'importants bénéfices. C'est ainsi que s'est déployé l'utilisation du laser dans la vie quotidienne.