Journal du Laser

Utilisation et usages appliqués du laser, le laser dans les sciences et la recherche scientifique

05

Mai

2014

Diode laser : principe et fonctionnement

Les diodes laser n’utilisent pas les mêmes technologies en fonction de la couleur que vous souhaitez émettre. Suivant la couleur émise, le principe de fonctionnement peut varier : diode simple, diode de pompage et cristaux.

Diodes Laser

Fonctionnement électrique

Pour faire simple, une diode laser s’alimente un peu comme une LED (en anglais : Light-Emitting Diode). Elle est donc évidemment polarisée et le courant qui circule dans la diode doit donc être maitrisé avec plus de précision qu’une simple diode électroluminescente. Une brève pointe de courant ou une décharge électrique suffisent à endommager irrémédiablement une diode laser. Attention aussi à la polarité, une diode laser ne supporte que 2V ou 3V. Il s’établit une tension qui varie peu aux bornes de la diode laser.

Courant de seuil

La lumière dite « laser » n’est émise qu’à partir d’un certain courant, en général 10% à 25% du courant maximum (phénomène inexistant avec les diodes LED). Prenons l’exemple d’une diode laser de 300mW, pour voir le faisceau rouge de cette diode, il faudra un courant d’au moins 80mA.

Faisceau laser

C’est l’utilisation d’une lentille qui déterminera l’apparence et l’aspect de votre faisceau laser. Sa non-divergence et sa finesse ne sont donc que des propriétés géométriques qui ne sont pas liées à la nature de la lumière émise (polarisation, largeur du spectre, etc). Une diode laser sans lentille émet un faisceau sur une large ouverture (20 à 60° d’angle).

Diode laser sans lentille

Faisceau émis par une diode laser sans lentille.

C’est la lentille qui réduira l’angle de divergence à 0.001 radian environ comme l’optique géométrique le démontre. Cet angle d’ouverture sera proportionnel à la taille de la source lumineuse.

Diode laser avec lentille

Faisceau émis par une diode laser avec lentille.

Attention : même sans lentille, une diode laser est dangereuse pour les yeux car l’image qui se formant sur la rétine est très concentrée.

Lasers simples

Avec une diode laser simple, le courant électrique est directement converti en lumière laser.

Exemples de lasers simples :

  • Laser rouge avec une longueur d’onde de 650nm : pointeur laser rouge, laser pour « light show »
  • Laser rouge avec une longueur d’onde de 635nm : diodes industrielles pour usages spécifiques
  • Laser bleu avec une longueur d’onde de 445nm : nouvelle diode pour « light show »
  • Laser bleu avec une longueur d’onde de 445nm : on les retrouve dans les lecteurs de Blu-ray

Lasers DPSS

C’est l’autre type de lasers à semi-conducteurs : Diode Pumped Solid State ou DPSS. Le principe est différent mais pour simplifier, la lumière laser finale est obtenue en plusieurs étapes. Le meilleur exemple de ce principe est le laser vert avec une longueur d’onde de 532nm.

Diode laser de pompage et cristaux
La source électrique alimente une diode laser infrarouge qui passe à travers un cristal spécifique. Cette diode dont la longueur d’onde est de 808nm (proche de l’infrarouge) est la source d’énergie optique. C’est la diode de pompage qui réalise le « pompage optique ». Le rendement de la diode laser de pompage va de 10 à 25%. Le faisceau de la diode de pompage est souvent parallèle au faisceau de la cavité laser. Ce type de pompage est plus efficace que le pompage transverse mais requiert aussi plus d’éléments optiques et de réglages. Une autre technique utilise un tube à éclat (de type stroboscope) pour généré un puissant flash qui irradie le cristal.

Cristal Nd:YVO4 ou Nd:YAG
D’où l’origine du nom « Solid State » : ce cristal est irradié par la diode de pompage et convertit la longueur d’onde (de 808nm comme indiqué dans le paragraphe précédent) en une nouvelle longueur d’onde : 1064nm.

Deux types de cristal :

  • Nd:YVO4 : Orthovanadate d’yttrium au néodyme
  • Nd:YAG : Grenat d’aluminium et d’yttrium au néodyme

Cristaux Nd:YVO4

Cristaux Nd:YVO4 pour les lasers.

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. Un excès de puissance dégrade définitivement le cristal.

Doubleur de fréquence
On l’utilise pour doubler la fréquence optique et diviser par deux la longueur d’onde grâce à un second cristal. A l’entrée la lumière infrarouge et invisible de 1064nm deviendra à la sortie une lumière verte et visible de 532nm. Ce cristal est composé phosphate de titanyle potassium (formule chimique : KTiOPO4, abrégé « KTP ») pour les lasers verts (532nm). Pour les lasers bleus, le triborate de lithium est aussi utilisé (formule chimique : LiB3O5, abrégé « LBO »).

Cristaux LBO

Cristaux LBO pour les lasers.

Le principe du doubleur de fréquence repose sur l’optique non linéaire. Ces propriétés apparaissent à des champs électromagnétiques intenses. La polarisation d’une molécule n’est pas tout à fait proportionnelle au champ électrique mais dépend aussi de son carré. Cette composante quadratique justifie le doubleur de fréquence.

Composants d’un laser vert à 532nm
Prenons pour exemple un pointeur laser vert dont voici une coupe transversale :

Fonctionnement Pointeur Laser Vert

Composants d’un pointeur laser vert : diode de pompage, critsal Nd:YVO4 et KTP.

Le filtre anti infrarouge empêche l’infrarouge résiduel de sortir. Voici une vue synoptique d’un laser vert d’une longueur d’onde de 532nm.

Vue Synoptique Laser Vert

Vue synoptique d’un laser vert de 532nm.

Composants d’un laser bleu à 473nm
C’est le même principe qu’un laser vert, sauf que le doubleur de fréquence est un cristal de LBO, optimisé pour transformer 946nm en 473nm.

Fonctionnement Diode Laser Bleu

Principe et éléments optiques d’une diode laser bleu de 473nm.

Composants d’un laser jaune à 593nm
Le faisceau jaune d’un laser est aussi obtenu par pompage. Le cristal non linéaire ne double pas la fréquence mais combine deux longueurs d’ondes (1064nm et 1342nm) en additionnant leurs énergies respectives afin d’obtenir un faisceau laser jaune ambré de 593nm.

Composants d’un laser jaune (rouge + vert)
Pour les lasers destinés aux spectacles, on un laser rouge et un laser vert pour des raisons de coût. L’œil humain voit du jaune grâce à la synthèse additive des couleurs. Il y a une synchronisation entre deux miroirs mobiles où se réfléchit le faisceau, et, l’allumage des diodes laser pour produire des zones colorées (rouges, vertes et jaunes).

Composants d’un laser blanc (rouge + vert + bleu)
Toujours les lasers destinés aux spectacles qui grâce à la synthèse additive des couleurs obtiennent la couleur blanche par l’addition des trois couleurs primaires.

Composants d’un laser rouge Hélium-Néon
Aucun semi-conducteur n’est utilisé dans cet ancien type laser. Il s’agit d’un laser utilisant un gaz (mélange Hélium-Néon) pour produire une lumière laser à 633nm de couleur rouge.

Laser Hélium Néon

Laser rouge de type Hélium Néon (He-Ne) à 633nm.

Récapitulatif

Les Lasers DPSS sont les lasers bleu, vert et jaune. Les lasers simples convertissent directement le courant électrique en lumière laser sans passer par un cristal et un doubleur de fréquence.

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