Définition: LASER est un acronyme de l’amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement. Une diode laser émet un rayonnement d’une seule longueur d’onde ou parfois d’une bande étroite de longueur d’onde rapprochée.

Il émet de la lumière en raison d’une émission stimulée, en cela lorsqu’un photon incident frappe un atome de semi-conducteur, les électrons au niveau d’énergie supérieur se recombinent avec un trou de niveau d’énergie inférieur. Pour cette raison, deux photons sont émis un photon incident et l’autre est émis en raison de la recombinaison des électrons et du trou.

Les LED fonctionnent également sur le même principe mais la différence majeure réside dans l’architecture interne. Une diode laser est formée de canaux étroits et sert de guide d’ondes pour la lumière. Mais LEDs est composé de larges canaux.

Grâce à sa structure, la diode laser émet une lumière monochromatique cohérente & (couleur unique). La lumière émise par la diode laser est constituée d’une seule longueur d’onde tandis que les LED émettent une lumière constituée d’une large bande de longueurs d’onde. Ainsi, la lumière émise par la LED est incohérente.

Construction de la diode laser

La diode laser est constituée de deux couches de semi-conducteurs, c’est-à-dire de type P et de type N. Les couches de semi-conducteurs sont constituées de GaAs dopés avec des matériaux comme le sélénium, l’aluminium ou le silicium. La construction est la même que celle de la LED, sauf que les canaux utilisés dans le laser sont étroits pour produire un seul faisceau de lumière.

Et une autre différence dans une diode laser est qu’une couche intrinsèque de GaAs (non dopée) est également présente. Ce calque est appelé calque actif. La couche active est entourée de couches d’indice de réfraction inférieur. Cela agit comme des réflecteurs optiques.

Ces couches ainsi que la couche active forment un guide d’ondes de sorte que la lumière ne peut voyager que dans un seul chemin dans une direction unique et fixe. Le faisceau de lumière est produit dans cette section. Les contacts métalliques sont prévus pour faciliter la sollicitation.

Fonctionnement de la diode laser

La diode laser fonctionne sur le principe que chaque atome dans son état excité peut émettre des photons si les électrons à un niveau d’énergie plus élevé sont pourvus d’une source d’énergie externe.

Il existe essentiellement trois phénomènes par lesquels un atome peut émettre de l’énergie lumineuse et qui sont l’Absorption, l’Émission spontanée & L’émission stimulée.

Absorption

Dans l’absorption, les électrons à des niveaux d’énergie inférieurs sautent à un niveau d’énergie supérieur, c’est-à-dire de la bande de valence à la bande de conduction lorsque les électrons sont pourvus d’une source d’énergie externe. Maintenant, il y a des trous au niveau d’énergie inférieur, c’est-à-dire la bande de valence, et des électrons au niveau d’énergie supérieur, c’est-à-dire la bande de conduction.

Émission spontanée

Maintenant, si les électrons de niveau d’énergie supérieur sont instables, ils auront tendance à se déplacer vers le niveau d’énergie inférieur afin d’atteindre la stabilité. Mais s’ils passent d’un niveau d’énergie plus élevé à des niveaux d’énergie plus bas, ils libéreront certainement l’énergie qui sera la différence d’énergie entre ces deux niveaux. L’énergie libérée sera sous forme de lumière et donc des photons seront émis. Ce processus est appelé émission spontanée.

Émission stimulée

En émission stimulée, les photons frappent des électrons à un niveau d’énergie plus élevé et ces photons sont fournis par une source d’énergie lumineuse externe. Lorsque ces photons frappent les électrons, les électrons gagnent de l’énergie et ils se recombinent avec des trous et libèrent un photon supplémentaire. Ainsi, un photon incident stimule la libération d’un autre photon. Ainsi, ce processus est appelé émission stimulée.

Inversion de population

La densité des électrons aux niveaux d’énergie est la population d’électrons et elle est plus dans la bande de valence ou la bande d’énergie inférieure et moins dans la bande de conduction ou le niveau d’énergie supérieur. Si la population d’électrons augmente à un niveau d’énergie plus élevé ou si la durée de vie des états d’énergie plus élevés est longue, l’émission stimulée augmentera. Cette augmentation de la population à un niveau d’énergie plus élevé est appelée inversion de la population.

Et c’est l’état requis pour la diode laser. Plus l’inversion de population sera plus les électrons à l’état plus élevé et méta stable et plus sera l’émission stimulée. Les photons émis sont dans la même phase que les photons incidents. Et ces photons voyagent comme un seul faisceau de lumière et produisent ainsi une cohérence.

Principales catégories de Diode Laser

Il existe deux grandes catégories de Diode Laser, à savoir la Diode Laser à injection & Diode laser à semi-conducteur pompée optiquement.

1. Diode laser d’injection: Le fonctionnement est similaire à la LED, sauf que les LED sont formées de larges canaux de semi-conducteurs tandis que les diodes laser sont formées de canaux étroits. Nous en avons déjà discuté dans la construction de la diode laser. En cela, le faisceau lumineux se déplace dans le guide d’ondes et la diode elle-même agit comme un guide d’ondes. Le faisceau lumineux est amplifié par une émission stimulée répétée.
2. Laser à semi-conducteur à pompage optique: Dans le laser à pompage optique, la diode laser d’injection agit comme une pompe externe. Les matériaux semi-conducteurs du groupe III & V servent de base. Et l’amplification est obtenue par émission stimulée.

Il offre plusieurs avantages tels que la prévention des interférences causées par la structure de l’électrode. En outre, il offre également un avantage de sélection de longueur d’onde.

Caractéristiques de la diode laser L-I

L’énergie lumineuse augmente avec l’augmentation du courant laser mais elle dépend de la température. Il ressort de la courbe que l’énergie lumineuse augmente après un courant laser de seuil particulier. Cette valeur seuil de courant laser augmente exponentiellement avec la température.

Ainsi, à une température plus élevée, la valeur seuil du courant laser jusqu’à laquelle l’énergie lumineuse est générée augmente également. Ainsi, il est nécessaire de faire fonctionner la diode laser jusqu’à la valeur seuil du courant laser car au-dessus de cette valeur, il n’y a pas d’énergie lumineuse. Afin d’avoir un fonctionnement fiable, il est nécessaire de déterminer la valeur seuil du courant laser.

V-I Caractéristiques de la diode laser

La tension directe de la diode laser est généralement d’environ 1,5 V. Bien que la tension directe dépende de la température de fonctionnement. La variance du courant dans la diode avec la tension peut être comprise à l’aide du diagramme ci-dessous.

Avantages de la diode laser

1. Dispositif à faible consommation d’énergie.
2. Économique car son coût de fabrication et d’exploitation est faible.
3. Il peut être utilisé pendant une longue période.
4. Portable en raison de sa petite taille et de son architecture interne.
5. Très fiable et très efficace.

Inconvénients de la diode laser

1. Ceux-ci dépendent de la température et son fonctionnement est donc affecté par le changement de température de fonctionnement.
2. Il ne convient pas aux applications à haute puissance.

Applications de la diode laser

1. Système de communication par fibre optique.
2. Lecteurs de codes-barres.
3. Impression laser et balayage laser.
4. Télémètres.
5. Dans les domaines médicaux dans les instruments chirurgicaux.
6. Dans les lecteurs de CD et les enregistreurs de DVD.

Ce sont quelques-unes des applications importantes de la diode LASER. Parmi toutes ces applications, le domaine le plus crucial dans lequel la diode laser trouve son application est le système de communication par fibre optique.