La lumière blanche naturelle est composée de toutes les couleurs VIBGYOR du spectre de la lumière visible, qui est une large bande large de nombreuses fréquences différentes. Les LED ordinaires donnent une sortie lumineuse souvent constituée d'une seule couleur, mais même cette lumière contient des ondes électromagnétiques, qui couvrent une bande de fréquences assez large. Le système de lentilles focalisant la lumière a une distance focale fixe, mais la distance focale nécessaire pour focaliser différentes longueurs d'onde (couleurs) de la lumière est différente. Par conséquent, chaque couleur se concentrera sur des points différents, provoquant une «aberration chromatique». Le lumière de diode laser ne contient qu'une seule fréquence. Par conséquent, il peut être mis au point même par un simple système de lentilles jusqu'à un point extrêmement petit. Il n'y a pas d'aberration chromatique puisqu'une seule longueur d'onde existe, également toute l'énergie de la source lumineuse est concentrée dans une très petite tache de lumière. LASER est un acronyme pour Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation.
Aberration chromatique
Construction de diodes laser
La figure ci-dessus montre une construction simplifiée d'une diode laser, qui est similaire à un diode électroluminescente (LED) . Il utilise de l'arséniure de gallium dopé avec des éléments tels que le sélénium, l'aluminium ou le silicium pour produire des types P et N matériaux semi-conducteurs . Alors qu'une diode laser a une couche active supplémentaire d'arséniure de gallium non dopé (intrinsèque) ont une épaisseur de seulement quelques nanomètres, pris en sandwich entre les couches P et N, créant efficacement un Diode PIN (type P-Intrinsic-N) . C'est dans cette couche que se produit la lumière laser.
Construction de diodes laser
Comment fonctionne la diode laser?
Chaque atome selon la théorie quantique ne peut avoir d'énergies que dans un certain niveau d'énergie discret. Normalement, les atomes sont dans l'état d'énergie le plus bas ou l'état fondamental. Lorsqu'une source d'énergie donnée aux atomes dans l'état fondamental peut être excitée pour aller à l'un des niveaux supérieurs. Ce processus s'appelle l'absorption. Après être resté à ce niveau pendant une très courte durée, l'atome retourne à son état fondamental initial, émettant un photon dans le processus. Ce processus est appelé émission spontanée. Ces deux processus, absorption et émission spontanée, ont lieu dans une source lumineuse conventionnelle.
Principe de l'action laser
Dans le cas où l'atome, toujours dans un état excité, est frappé par un photon extérieur ayant précisément l'énergie nécessaire à l'émission spontanée, le photon extérieur est augmenté de celui abandonné par l'atome excité.De plus, les deux photons sont libérés du même état excité dans la même phase, Ce processus, appelé émission stimulée, est fondamental pour l'action du laser (illustré dans la figure ci-dessus). Dans ce processus, la clé est le photon ayant exactement la même longueur d'onde que celle de la lumière à émettre.
Amplification et inversion de population
Lorsque des conditions favorables sont créées pour l'émission stimulée, de plus en plus d'atomes sont forcés d'émettre des photons, amorçant ainsi une réaction en chaîne et libérant une énorme quantité d'énergie. Il en résulte une accumulation rapide d'énergie émettant une longueur d'onde particulière (lumière monochromatique), se déplaçant de manière cohérente dans une direction particulière fixe. Ce processus est appelé amplification par émission stimulée.
Le nombre d'atomes dans n'importe quel niveau à un moment donné est appelé la population de ce niveau. Normalement, lorsque le matériau n'est pas excité extérieurement, la population du niveau inférieur ou de l'état fondamental est supérieure à celle du niveau supérieur. Lorsque la population du niveau supérieur dépasse celle du niveau inférieur, ce qui est un renversement de l'occupation normale, le processus est appelé inversion de population. Cette situation est essentielle pour une action laser. Pour toute émission stimulée.
Il est nécessaire que le niveau d'énergie supérieur ou l'état stable rencontré ait une longue durée de vie, c'est-à-dire que les atomes doivent faire une pause à l'état stable rencontré pendant plus de temps qu'au niveau inférieur. Ainsi, pour l'action du laser, le mécanisme de pompage (excitant avec une source externe) doit provenir d'un tel, de manière à maintenir une population d'atomes plus élevée dans le niveau d'énergie supérieur par rapport à celle dans le niveau inférieur.
Il est nécessaire que le niveau d'énergie supérieur ou l'état stable rencontré ait une longue durée de vie, c'est-à-dire que les atomes doivent faire une pause à l'état stable rencontré pendant plus de temps qu'au niveau inférieur. Ainsi, pour l'action du laser, le mécanisme de pompage (excitant avec une source externe) doit provenir d'un tel, de manière à maintenir une population d'atomes plus élevée dans le niveau d'énergie supérieur par rapport à celle dans le niveau inférieur.
Contrôle de la diode laser
La diode laser fonctionne à un courant beaucoup plus élevé, généralement environ 10 fois supérieur à une LED normale. La figure ci-dessous compare un graphique de la sortie lumineuse d'une LED normale et celle d'une diode laser. Dans une LED, le rendement lumineux augmente régulièrement à mesure que le courant de la diode augmente. Dans une diode laser, cependant, la lumière laser n'est pas produite tant que le niveau de courant n'a pas atteint le niveau de 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 régulé.
Comparaison entre une LED
Un autre problème est que l'émission de photons est très dépendante de la température, la diode fonctionne déjà près de sa limite et s'échauffe donc, modifiant ainsi la quantité de lumière émise (photons) et le courant de la diode. Au moment où la diode laser fonctionne efficacement, elle est au bord de la catastrophe! Si le courant diminue et tombe en dessous du courant de 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 depuis le bord de la puce de diode. Comme le montre la figure ci-dessous, une partie de la lumière résiduelle s'échappe également sur le bord opposé et est utilisée pour activer une photodiode , qui convertit la lumière en courant électrique. Ce courant est utilisé comme rétroaction vers le circuit de commande de diode automatique, 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 de lumière restent à un niveau constant et sûr.
Contrôle de la diode laser
Applications de la diode laser
Les modules à diode laser sont idéaux pour les applications telles que les sciences de la vie, l'instrumentation industrielle ou scientifique. Les modules de diode laser sont disponibles dans une grande variété de longueurs d'onde, de puissances de sortie ou de formes de faisceaux.
Les lasers à faible puissance sont utilisés dans un nombre croissant d'applications familières, notamment les lecteurs et enregistreurs de CD et DVD, les lecteurs de codes à barres, les systèmes de sécurité, les communications optiques et les instruments chirurgicaux
Applications industrielles: Gravure, découpe, traçage, perçage, soudage, etc.
Les applications médicales éliminent les tissus indésirables, le diagnostic des cellules cancéreuses par fluorescence, les médicaments dentaires. En général, les résultats à l'aide de lasers sont meilleurs que les résultats à l'aide d'un couteau chirurgical.
Diodes laser utilisées pour les télécommunications: Dans le domaine des télécommunications, les diodes laser à bandes de 1,3 μm et 1,55 μm utilisées comme principale source de lumière pour les lasers à fibre de silice ont une perte de transmission moindre dans la bande. La diode laser avec la bande différente est utilisée pour la source de pompage pour l'amplification optique ou pour la liaison optique à courte distance.
Ainsi, il s'agit de Construction de diodes laser et ses utilisations. Si tu es interessé par construire des projets basés sur les LED vous-même, alors vous pouvez nous contacter en postant vos questions ou réflexions innovantes dans la section commentaires ci-dessous.Voici une question pour vous, Quelle est la fonction d'une diode laser?
