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Diodes Laser

Lumière laser

La lumière blanche est composée de toutes les couleurs du spectre de la lumière visible, qui est une bande très large de nombreuses fréquences différentes. Les LED ordinaires donnent un rendement lumineux souvent composé d’une seule couleur, mais même cette lumière contient des ondes électromagnétiques couvrant une bande de fréquences assez large.

Toute lumière, telle que la lumière blanche, qui contient plusieurs fréquences ou longueurs d’onde, est difficile à focaliser sur un point très fin. En effet, le système de lentilles focalisant la lumière a une distance focale fixe, mais la distance focale requise pour focaliser différentes longueurs d’onde (couleurs) de la lumière est différente. Par conséquent, chaque couleur se focalisera en différents points, provoquant ce qu’on appelle « l’aberration chromatique ». Cela peut être vu, même dans les systèmes de lentilles de bonne qualité, comme des franges colorées autour des images vues à travers l’objectif.

La lumière d’un laser ne contient qu’une seule fréquence et peut donc être focalisée même par un simple système de lentilles sur un point extrêmement petit. Il n’y a pas d’aberration chromatique puisqu’il n’existe qu’une seule longueur d’onde, toute l’énergie de la source lumineuse est également concentrée dans une très petite tache lumineuse. Typiquement, le diamètre du faisceau lumineux focalisé provenant d’un laser tel que celui trouvé dans un lecteur CD serait d’environ 1,6 µm (moins de deux millièmes de millimètre). Cela signifie que si la sortie de la diode laser n’était que de 0,5 mW, la puissance focalisée (infrarouge) du faisceau (en tenant compte des pertes dans la lentille de focalisation) serait d’environ 12 kW / cm2.

Les lasers de faible puissance sont utilisés dans un nombre croissant d’applications familières, notamment les lecteurs et enregistreurs de CD et de DVD, les lecteurs de codes à barres, les systèmes de sécurité, les communications optiques et les instruments chirurgicaux. LASER est un acronyme (un ensemble d’initiales transformées en un mot) pour:

Fig. 2.6.1. Un atome de Gallium

Amplification de la Lumière par Émission Stimulée de Rayonnement

Le nom donne une description du fonctionnement de l’appareil, à condition de comprendre quelques principes de base.

Les bases d’un atome

Tout dans l’univers est composé de seulement environ 100 atomes différents, soit sous une forme pure (un élément), soit dans un nombre illimité de combinaisons (composés et mélanges). Les atomes sont constamment en mouvement. Ils vibrent, bougent et tournent continuellement. Même les matériaux solides sont en mouvement. Ce mouvement est appelé excitation. Les atomes peuvent être dans différents états d’excitation. En d’autres termes, ils peuvent avoir différents niveaux d’énergie. Si beaucoup d’énergie est appliquée à un atome par l’intermédiaire de la chaleur, de la lumière ou de l’électricité, il peut quitter ce qu’on appelle le niveau d’énergie de l’état fondamental et passer à un niveau excité. Le niveau d’excitation dépend de la quantité d’énergie appliquée à l’atome.

Fig. 2.6.1 est un diagramme simplifié d’un atome. Il se compose d’un noyau (contenant des protons et des neutrons) entouré d’un nuage d’électrons, bien que dans ce modèle électronique simplifié, les neutrons soient ignorés car ils n’ont pas de charge électrique, et il est également utile de penser aux électrons orbitant autour du noyau sur plusieurs orbites fixes. Bien que d’autres modèles de l’atome ne représentent pas des orbites discrètes pour les électrons, il peut être utile de considérer ces orbites comme les différents niveaux d’énergie de l’atome. En d’autres termes, si de la chaleur est appliquée à un atome, certains des électrons des orbites d’énergie inférieure sauteraient vers des orbites d’énergie supérieure plus éloignées du noyau. C’est une vue très simplifiée des choses, mais contient l’idée de base du fonctionnement des atomes en termes de lasers.

Lorsqu’un atome absorbe de l’énergie et que certains de ses électrons sautent sur une orbite de plus haute énergie, il veut finalement revenir à l’état fondamental. Quand c’est le cas, chaque électron libère son énergie sous forme de photon − une particule de lumière. Les atomes peuvent être vus libérant de l’énergie sous forme de photons tout le temps. Par exemple, lorsque le métal brille de rouge, la lumière rouge visible est les atomes du métal chaud libérant des photons rouges. Lorsque vous regardez une image sur un écran de télévision, ce que vous voyez, ce sont des atomes de phosphore qui recouvrent l’écran, ou la surface de LED blanches excitées sous forme d’électrons d’atomes de haute énergie libérant des photons et produisant directement ou indirectement différentes couleurs de lumière. De nombreux appareils produisent de la lumière de cette manière − les lampes fluorescentes, les enseignes au néon, l’éclairage public à LED et même les ampoules à incandescence traditionnelles, émettent toutes de la lumière sous l’action d’électrons changeant d’orbites et libérant des photons.

Construction de la diode laser

Fig. 2.6.2. Construction de diodes laser

Il existe plusieurs variantes de construction utilisées pour les diodes laser, chacune visant à atteindre l’efficacité maximale de conversion du courant électrique en lumière laser.

Fig. 2.6.2 montre une construction simplifiée pour une diode laser, qui est dans ce cas similaire à une diode électroluminescente (LED) en ce qu’elle utilise de l’arséniure de gallium, dopé avec des éléments tels que l’aluminium, le silicium ou le sélénium pour produire des matériaux semi-conducteurs de type P et de type N. Cependant, une diode laser comporte une couche active supplémentaire d’arséniure de gallium non dopé (intrinsèque) de seulement quelques nanomètres d’épaisseur, prise en sandwich entre les couches P et N, créant effectivement une diode PIN (type P / intrinsèque / type N). C’est dans cette couche que la lumière laser est produite.

Action de la diode laser

La diode laser transmet une grande quantité de courant direct de P à N. Beaucoup plus grande que celle utilisée dans une LED car la diode laser ne produira de la lumière laser que lorsqu’elle fonctionne à environ 80% de son courant maximum.

Pompage laser

Fig. 2.6.3. L’absorption d’énergie

Dans ces conditions, les atomes sont dans un état fortement excité (pompé) et lorsque des porteurs de charge (électrons et trous) pénètrent dans la couche active au niveau de la jonction PN. Les électrons sont à un niveau d’énergie supérieur à celui des trous, et lorsque les électrons et les trous se combinent à nouveau, l’énergie est perdue sous forme de photons. Les photons produits oscillent tous à une fréquence particulièrement précise lorsqu’ils  » rebondissent » de haut en bas entre les parois réfléchissantes de la couche active. Certains photons entrent en collision avec d’autres atomes et créent ainsi des électrons énergisés supplémentaires qui produisent encore plus de photons. Ce processus est appelé « pompage » et augmente le nombre d’électrons fortement excités jusqu’à ce qu’il y ait plus d’électrons à l’état excité qu’à l’état « fondamental » non excité. À ce stade, appelé inversion de population, un flux constant de lumière cohérente ou laser est produit, car les photons excités supplémentaires compensent largement les pertes dues à la réabsorption des photons dans le matériau semi-conducteur. Parce que les photons oscillent à une seule fréquence précise, ils produisent une lumière laser qui n’a qu’une seule longueur d’onde.

La Cavité Résonante

Fig. 2.6.4. La cavité résonante

Lorsque les photons augmentent en nombre, la lumière augmente en puissance. Bien qu’une partie de la lumière s’échappe dans des directions différentes ou soit absorbée à l’intérieur du matériau semi-conducteur, certains des photons courent dans une direction parallèle à l’axe des lasers, comme le montre la Fig. 2.6.4 ceux-ci rebondissent d’avant en arrière sur les extrémités du matériau laser. Les surfaces d’extrémité sont découpées et polies avec une grande précision pour créer des miroirs réfléchissants parallèles. La distance entre ces surfaces réfléchissantes est un multiple exact d’une longueur d’onde, de sorte que lorsque les ondes lumineuses (les photons) se réfléchissent à chaque extrémité de la cavité, elles restent en phase. L’amplitude de l’onde réfléchie s’ajoute à l’amplitude des autres ondes à l’intérieur de la cavité, de sorte que les ondes continuent de s’ajouter lorsqu’elles rebondissent en arrière et en avant entre les miroirs. De cette manière, la couche active forme une « Cavité résonante » qui facilite l’amplification de la lumière. Lorsque les photons traversent le matériau laser cristallin, ils stimulent également l’émission dans d’autres atomes. En conséquence, une lumière monophasée monochromatique amplifiée quitte la cavité résonante du laser à travers le miroir partiellement réfléchissant.

Commande de la diode laser.

Fig. 2.6.5. Comparaison entre une LED et une diode laser

Fig. 2.6.6. Commande de la diode laser

Une diode laser est essentiellement une LED produisant de la lumière laser; pour ce faire, la diode laser fonctionne à un courant beaucoup plus élevé, typiquement environ 10 fois supérieur à une LED normale. Figue. 2.6.5 compare un graphique du rendement lumineux d’une LED normale et celui d’une diode laser. Dans une LED, le rendement lumineux augmente régulièrement à mesure que le courant de diode augmente. Dans une diode laser cependant, la lumière laser n’est produite que lorsque le niveau de courant atteint le niveau seuil, lorsque l’émission stimulée commence à se produire. Le courant de seuil est normalement supérieur à 80% du courant maximum que l’appareil passera avant d’être détruit! Pour cette raison, le courant traversant la diode laser doit être soigneusement réglé. Un autre problème est que l’émission de photons est très dépendante de la température, la diode est déjà en fonctionnement proche de sa limite et devient donc chaude, modifiant ainsi la quantité de lumière émise (photons) et le courant de diode. Au moment où la diode laser fonctionne efficacement, elle fonctionne au bord du désastre! Si le courant diminue et tombe en dessous du courant seuil, l’émission stimulée cesse; juste un peu trop de courant et la diode est détruite.

Lorsque la couche active est remplie de photons oscillants, une partie (typiquement environ 60%) de la lumière s’échappe dans un faisceau étroit et plat du bord de la puce de diode. Comme le montre la figure 2.6.6, une partie de la lumière résiduelle s’échappe également sur le bord opposé et est utilisée pour activer une photo-diode, qui convertit la lumière en courant électrique. Ce courant est utilisé comme rétroaction au circuit de commande automatique de diode, pour mesurer l’activité dans la diode laser et ainsi s’assurer, en contrôlant le courant à travers la diode laser, que le courant et la sortie lumineuse restent à un niveau constant et sûr.

Module laser

Pour ces raisons, les diodes laser sont rarement utilisées seules; elles sont normalement fournies sous forme de module de diode laser, qui contient:

Fig. 2.6.7 Module Laser Typique

• La diode elle-même.

• Un capteur de lumière à photodiode.

• Un circuit de régulation de courant.

• Une lentille de collimation.

Le module de diode laser est un circuit autorégulateur qui détecte sa propre sortie de lumière et régule automatiquement le courant d’alimentation et la température pour que la diode fonctionne dans les conditions critiques où la lumière laser est produite.

Correction optique

Fig. 2.6.8 Lentille de collimation

Le faisceau de lumière produit par la diode laser doit encore être modifié pour passer d’un faisceau elliptique et étalé produit lorsque la lumière laser quitte la fine couche active de la diode, à un faisceau parallèle circulaire. Ce procédé est mis en oeuvre par un dispositif optique appelé lentille de collimation (Fig. 2.6.8). Il peut s’agir d’une lentille sphérique simple ou d’un type asphérique, qui peut convertir un faisceau elliptique en un faisceau circulaire.Les modules de diode laser

sont disponibles complets avec optique et électronique. Un module typique comporterait des installations telles que la stabilisation de puissance intégrée, le démarrage lent intégré et le dissipateur de chaleur. Les modules de faible puissance (classe 2) sont utilisés dans les pointeurs laser, les lecteurs de codes à barres, les équipements de visée, de nivellement et de positionnement, ainsi que dans une large gamme d’utilisations éducatives et de laboratoire. Ils produisent une onde continue, plutôt qu’une sortie d’onde pulsée, à différentes longueurs d’onde entre 500 nm et 900 nm, et ont donc différentes couleurs de lumière laser (vert à 532 nm et rouge à 650 nm) ainsi qu’infra-rouge et proche infra-rouge. Ils sont simples à utiliser, nécessitant généralement une alimentation CC de 3V à 5V pour fonctionner.

Classifications laser

Les lasers sont classés en quatre grandes zones (plus des sous-zones) en fonction du potentiel de dommages biologiques. Lorsque vous voyez un laser, il doit être étiqueté avec la désignation de classe appropriée, brièvement décrite ci-dessous:

Fig. 2.6.9 Autocollants typiques d’avertissement au LASER

• • Classe 1 – Sûr dans des conditions d’utilisation normale. La sortie est limitée à moins de 0.39 Mw à 600 nm (moins pour les longueurs d’onde plus courtes).
• • Classe 1M − Lasers produisant des faisceaux divergents, sans danger pour toutes les conditions d’utilisation, sauf lorsqu’ils sont passés à travers des optiques grossissantes telles que des microscopes et des télescopes.
• • Classe 2 − Lasers visibles de faible puissance qui émettent au-dessus des niveaux de classe 1 mais à une puissance rayonnante ne dépassant pas 1 Mw. Le concept est que la réaction d’aversion humaine à la lumière vive (le réflexe de clignotement) protégera une personne. Cette classe est utilisée pour les pointeurs laser.
• • Classe 2M – Similaire à la classe 2 mais peut permettre plus de puissance car les poutres de cette classification doivent produire des poutres larges ou divergentes. La lumière traversant la pupille d’un spectateur ne doit pas être supérieure à celle autorisée en classe 2.
• • Classe 3R − Lasers de puissance modérée inférieurs à 5 Mw, considérés comme sûrs lorsque la visualisation est restreinte, ce qui présente un faible risque de blessure.
• • Classe 3B − Lasers pulsés haute puissance jusqu’à 500 Mw: Dangereux pour la vue (à l’exception de la lumière réfléchie par une surface mate) des contrôles importants tels que des lunettes de protection et des verrous de sécurité sont requis des installations laser de classe 3B.
• • Classe 4 − Lasers haute puissance supérieurs à 500 Mw. Ils peuvent brûler la peau et causer des lésions oculaires potentiellement dévastatrices et permanentes en raison de la vision directe ou diffuse du faisceau. Ils peuvent également enflammer des matériaux combustibles, et donc représenter un risque d’incendie. Cette classification comprend de nombreux lasers industriels, scientifiques, médicaux et militaires.

Les équipements utilisant des lasers de l’une des classifications ci-dessus portent une étiquette d’avertissement similaire à celles de la Fig. 2.6.9 décrire les dangers et la classification du laser utilisé.

La liste ci-dessus est une version abrégée des spécifications laser contenues dans la norme CEI 60825-1 et ne doit pas être considérée comme un guide complet. La norme complète, ainsi que d’autres informations de sécurité pertinentes peuvent être achetées sur la boutique en ligne de la Commission Électrotechnique internationale