Les diodes Laser reposent sur des technologies bien différentes en fonction de la couleur émise. Electriquement, une diode laser s’alimente comme une LED. Comme toute diode, elle est polarisée.
Principes de Base
Comme une LED, la caractéristique courant-tension fait qu’il s’établit une tension aux bornes de la diode laser qui varie assez peu avec le courant. Le courant qui circule dans la diode laser doit être maîtrisé avec une beaucoup plus grande précision que pour une LED. En effet, une pointe de courant, même très brève, ou une décharge d’électricité statique sont fatales à une diode laser.
Courant et Tension
La lumière « laser » ne commence à être émise qu’à partir d’un certain courant (10 à 25% du courant maximum). Par exemple, il faut au moins 80mA pour commencer à voir le faisceau laser rouge pour la diode laser 300mW.
Faisceau Laser : Finesse et Divergence
Pourquoi les faisceaux laser sont-ils si fins et si concentrés contrairement à une lampe torche ? La lentille de collimation et la dimensions de la source lumineuse laser expliquent la finesse du faisceau laser. La finesse d’un faisceau laser et sa très faible divergence ne sont que des propriétés d’optiques géométrique de base, rien à voir avec la nature de la lumière (longueur de cohérence, largeur spectrale, polarisation).
C’est toujours la lentille qui crée l’allure du faisceau laser. C’est la lentille qui réduit l’angle de divergence à 0,001 radian environ. On ne peut pourtant pas transformer une LED en faisceau Laser… Pourquoi ? En fait, l’étendue de la source lumineuse laser est extrêmement petite (quelques microns) et c’est pour cela que le faisceau diverge très peu.
La tangente de l’angle d’ouverture du faisceau est égale au rapport de la dimension de la source lumineuse par la distance focale. L’angle d’ouverture est proportionnel à la taille de la source lumineuse (diode laser, LED, filament d’ampoule, etc) et inversement proportionnel à la distance focale.
Attention : même sans lentille, une diode laser est dangereuse pour les yeux !
Lasers DPSS (Diode-Pumped Solid-State)
C’est l’autre grande famille de lasers à semi-conducteurs. Sans trop entrer dans la théorie de la physique, on peut dire que le principe est différent et que la lumière laser finale est obtenue en plusieurs étapes. Exemple : le laser vert 532nm très courant depuis les années 2000.
La source électrique (piles 1,5V dans les pointeurs, cartes d’alimentation pour les lasers de discothèque) alimente une puissante diode laser infrarouge qui excite un cristal spécifique. Cette diode est la source d’énergie optique : c’est la diode de pompage (elle réalise le « pompage optique »). Le faisceau de la diode de pompage est souvent parallèle au faisceau de la cavité laser.
Ce cristal (d’où le nom « solid state ») est irradié par la diode laser de pompage (808nm). Le cristal Nd:YVO4 est avantageux par rapport au plus ancien Nd:YAG : il encaisse davantage de puissance et est moins sensible aux variations de longueur d’onde de pompage. Ce cristal est composé phosphate de titanyle potassium (formule chimique : KTiOPO4, abrégé « KTP ») pour les lasers verts (532nm).
Le doubleur de fréquence repose sur l’optique non linéaire. Ces propriétés apparaissent à des champs électromagnétiques intenses (forte irradiation en 1064nm ou 946nm). La polarisation d’une molécule n’est pas tout à fait proportionnelle au champ électrique mais dépend aussi de son carré. A la modeste lumière du jour, un cristal doubleur de fréquence est transparent et ne modifie nullement les couleurs !
Le laser jaune aussi obtenu par pompage. En lightshow (spectacles, discothèques), les lasers jaunes sont la somme de laser rouge et de laser vert pour des raisons économiques. L’oeil voit du jaune, comme sur un écran de télé, c’est la synthèse additive des couleurs. En lightshow (spectacles, discothèques), les lasers blancs sont la somme de laser rouge, laser vert et laser bleu. Les Lasers DPSS sont les lasers bleu à 473nm, vert et jaune.
Contrôle des Diodes Laser
L’utilisation du contrôleur de diode laser permet :
- de mener des études en température
- de contrôler le courant d’injection
- de mesurer le courant de moniteur
- de mesurer la tension aux bornes de la diode
Ce produit a été développé en collaboration avec la LPro Télécom et l’Institut XLIM de Limoges.
Thèmes Abordés
- Détermination de la caractéristique courant/tension d’une diode laser
- Mesure de la puissance optique en fonction du courant de la photodiode interne de la diode (courant de moniteur)
- Étude de la puissance optique en fonction du courant d’injection et de la température
- Calcul du rendement électrique-optique
- Détermination du seuil d’oscillation et étude de son évolution avec la température
- Étude de la variation de longueur d’onde avec le courant d’alimentation et de la température
- Mesure de la divergence du faisceau émis et détermination des dimensions de la zone émettrice
- Évaluation du taux de polarisation en fonction de la puissance optique
- Asservissement en température, en courant, en puissance
Principes et Objectifs
Une diode laser est d’un point de vue électronique une diode à semi-conducteur. Elle possède une caractéristique IDL = f (UDL) (courant de la diode en fonction de la tension à ses bornes) de même allure qu’une diode normale.
Modules Diode Laser à Fibre Amorce
Les Modules Diode Laser à Fibre Amorce comportent une fibre monomode intégrée de 1 m de long avec un connecteur FC/PC. Ces diodes laser sont également dotées d'un pilote intégré pour un fonctionnement plug & play, ne nécessitant qu'une alimentation externe de 5V (#83-855). Les Modules Diode Laser à Fibre Amorce sont disponibles avec des longueurs d'onde VIS et NIR allant de 405 à 1550 nm, avec des puissances de sortie allant de 1 à 100 mW.
Circuits de Commande Intégrés
La commande des diodes laser est encore plus simple lorsque le circuit de commande nécessaire est placé sur un seul circuit intégré. Le dispositif de commande iC-WK est capable de contrôler des lasers à onde continue allant jusqu’à 60 mA. Grâce à un transistor de puissance externe, il est capable de contrôler des lasers à onde continue allant jusqu’à 4 A.
Il ne nécessite que quatre composants externes : trois condensateurs et une résistance régulant le flux de puissance destiné à la diode laser. Le courant de contrôle indépendant de la température et de la tension d’alimentation est utilisé comme référence, car celui-ci est régulé à une vitesse supérieure à 1%. Pendant la phase de développement, le principal objectif a été la sécurité de fonctionnement.
Ainsi, des éléments de protection contre les tensions inverses, les décharges électrostatiques, les surchauffes et les courants élevés ont été intégrés. Au bout de 150 µs après l’application de la tension, le dispositif subit un démarrage en douceur mais néanmoins rapide. En cas d’erreur - comme par exemple en cas de courant trop élevé après une défaillance de la boucle d’asservissement ou en cas de surchauffe de la puce -l’alimentation électrique du laser est alors immédiatement coupée, et ce de manière permanente. Une nouvelle tension doit alors être appliquée afin de procéder à son redémarrage. La série iC-WK est disponible dans des boîtiers SO8 et MSOP8, et convient à l’ensemble des types de raccordement de diodes laser (P/M/N).
Diode Laser 650 nm 5 mW
Diodes laser de 6 mm avec une longueur d'onde de 650 nm (rouge). Cette diode génère un laser d'environ 5 mW. Avec une chute de tension de 3V et un courant maximum de 25mA, il est judicieux de connecter ce module en série avec une résistance de 82 ohms à 5V.
Remarque : Des accessoires sont nécessaires pour toute utilisation. Veuillez toujours aghérer aux pratiques sécuritaires et à l'utilisation appropriée d'équipement de sécurité lors de l'utilisation de lasers. Un laser est dangeureux !
TAG: