Diodes laser pulsées
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Les diodes laser pulsées trouvent leur origine dans les applications militaires. Elles conviennent parfaitement à la télémétrie grâce à leurs courtes durées d'impulsion et à leurs puissances de sortie élevées. Les améliorations de la technologie et de la rentabilité ont ouvert de nouveaux domaines d'application dans l'automobile, les scanners de sécurité industrielle, la métrologie et la médecine. Laser Components propose des diodes laser bon marché, qui génèrent des impulsions lumineuses courtes mais intenses pouvant atteindre 650 W.
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
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La plupart des diodes laser sont conçues pour émettre en mode continu (cw) avec des puissances allant de quelques milliwatts à quelques watts. Ces diodes ne sont pas conçues pour être suralimentées ; si la puissance maximale spécifiée est dépassée, même pendant une courte période, le résonateur du laser peut être endommagé, après quoi l'émission laser cesse.
Les diodes laser pulsées, en revanche, sont conçues pour être suralimentées pendant de courtes périodes. Pour obtenir les puissances de crête élevées requises par l'application, le rapport cyclique doit être maintenu à un niveau très bas, typiquement 0,1 %. Par exemple, une impulsion de 100 ns est suivie d'une pause de 100 µs, ce qui signifie que des impulsions très courtes peuvent être utilisées avec des taux de répétition de l'ordre du kHz. Les longueurs d'impulsion maximales qui peuvent être atteintes sont donc typiquement de l'ordre de 200 ns. Des courants laser de l'ordre de plusieurs dizaines d'ampères sont utilisés pour créer ces impulsions lumineuses, ce qui nécessite des transistors de commutation rapides et un circuit approprié avec toutes les connexions électriques aussi courtes que possible pour diminuer les pertes inductives.
STRUCTURE OF THE SYSTEM
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Les premiers lasers à semi-conducteurs étaient de simples homojonctions produites par la formation d'une jonction p-n dans un substrat de GaAs. Au cours de l'évolution suivante, une seule couche d'Al
AlGaAs a été cultivée d'un côté et une jonction p-n a de nouveau été formée en diffusant du Zn dans le substrat de type n. Connus sous le nom de lasers à hétérostructure unique, ils souffraient des effets de l'auto-échauffement qui réduisaient leur efficacité en raison d'une importante recombinaison non radiative des porteurs.
Fonctionnant efficacement à température ambiante, ils émettaient à 904 nm, mais cessaient de fonctionner à 80 °C. L'efficacité et le seuil du laser ont été améliorés avec l'introduction de dispositifs à double hétérostructure, dans lesquels la couche active contrôlant la longueur d'onde est enfermée dans des couches à bande interdite plus élevée pour confiner les porteurs chargés.
La nature est généreuse en fournissant à cette couche active un indice de réfraction plus élevé pour confiner les photons et créer un guide d'ondes entre les couches. Une telle structure pourrait utiliser du GaAs dans la couche active, typiquement dans la gamme submicronique, pris en sandwich entre deux couches d'AlGaAs. L'ajout de quantités contrôlées d'Al à la couche active permet au fabricant d'abaisser la longueur d'onde d'émission jusqu'à 800 nm.
Dans une structure à puits quantique, l'épaisseur de la couche active est similaire à la période de la fonction d'onde du porteur de charge. Dans ces diodes, le puits de potentiel est si étroit (typiquement < 10 nm) que les porteurs de charge ne sont actifs que sur un seul niveau, ce qui conduit à une quantification des niveaux d'énergie que les porteurs de charge peuvent occuper.
Les puits quantiques sont généralement obtenus en utilisant des hétérostructures, par exemple GaInAsP/GaInAs ou AlGaAs/GaAs. Les structures ne comportant qu'un seul puits sont appelées puits quantiques simples (SQW) ; lorsque plusieurs puits sont présents, on parle de puits quantiques multiples (MQW). Les dispositifs à puits quantiques sont généralement très efficaces et peuvent être conçus pour empêcher la thermalisation des porteurs, ce qui permet un fonctionnement utile des dispositifs au-delà de 100 °C.
CARACTÉRISTIQUES
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La longueur d'onde d'émission d'une diode laser dépend principalement des matériaux utilisés dans les couches actives et passives du semi-conducteur.
Les longueurs d'onde typiques des diodes laser pulsées disponibles dans le commerce sont 850 - 870 nm, 905 nm et
1550 nm. La structure AlGaAs des dispositifs à 905 nm est bien connue pour sa fiabilité, ses caractéristiques de faisceau et sa stabilité à la température. Le rendement élevé permet d'atteindre des puissances allant jusqu'à 40 W avec des émetteurs simples, et jusqu'à 130 W pour des dispositifs empilés, pour des longueurs d'impulsion typiques de 150 ns.
Les diodes laser pulsées à jonction multiple sont similaires à la technologie nanostack avec de multiples émetteurs empilés de manière épitaxiale. Les puces simples permettent une puissance allant jusqu'à 80 W, et les puces empilées jusqu'à 650 W. Les boîtiers disponibles comprennent des boîtes métalliques hermétiques (par exemple TO-18, 5,6 mm, 9 mm ou coaxiales) et des boîtiers en plastique économiques.
Les dispositifs à 1550 nm disponibles dans l'infrarouge moyen peuvent fonctionner à une puissance de crête plus élevée que les dispositifs à 905 nm tout en étant considérés comme sans danger pour les yeux, car le rayonnement laser n'est pas directement focalisé sur la rétine. Ces diodes sont basées sur l'InP avec des couches supplémentaires d'InGaAsP, et peuvent être fabriquées par épitaxie par faisceaux moléculaires (MBE) ou par dépôt chimique en phase vapeur métallo-organique (MOCVD). Des puissances de sortie maximales de 50 W peuvent être atteintes en utilisant des dispositifs empilés grâce à une efficacité de 0,5 W/A.
CANDIDATURES
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Même à la vitesse de la lumière, un photon a besoin d'un certain temps pour couvrir une distance donnée entre un télémètre et l'objet d'intérêt. La vitesse de la lumière étant connue pour un matériau donné dont l'indice de réfraction est connu (l'air, par exemple), le temps de vol peut être utilisé pour calculer avec précision la distance parcourue par une impulsion lumineuse.
Les pistolets laser sont une application typique des diodes laser pulsées. En utilisant des longueurs d'impulsion de < 10 ns et des puissances allant jusqu'à 50 W, il est possible de mesurer facilement la vitesse des véhicules jusqu'à 250 km/h à des distances allant jusqu'à 1 000 m. La précision de ces mesures est généralement de 1 à 3 %. Les chasseurs utilisent des télémètres à sécurité oculaire pour mesurer la distance qui les sépare de leurs cibles. Ni le cerf visé par le chasseur, ni les autres personnes se trouvant à proximité n'ont à se soucier de leur vue. Dans ce cas, l'appareil laser de classe 1 fournit des informations précises en une seconde, avec une précision de 2 m à des distances de 600 m. Dans d'autres applications, les golfeurs utilisent des télémètres laser pour essayer d'améliorer leur handicap, et les automobilistes sont avertis de l'approche d'un danger.
Les capteurs laser sont également largement utilisés comme aides à la navigation pour les navires, en particulier dans les ports, et pour mesurer la base des nuages dans les aéroports, ainsi que dans les domaines de l'arpentage et de la construction. Les scanners laser de sécurité, basés sur des diodes laser pulsées et des photodiodes à avalanche (APD) très sensibles, créent un rideau de lumière laser qui détecte la présence de personnes ou d'objets dans des zones potentiellement dangereuses, par exemple dans les chaînes de production automatisées. Enfin, il existe une série d'applications médicales, notamment l'acupuncture et la thérapie au laser.
FIABILITÉ
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Comme pour les autres sources lumineuses, la durée de vie d'une diode laser pulsée dépend fortement des conditions de fonctionnement. Sans dommage, les dispositifs peuvent être soumis à une surmultiplication importante pendant de courtes périodes ou lorsque l'énergie de l'impulsion est réduite en utilisant des durées d'impulsion aussi courtes que 2 ns. L'utilisateur doit choisir le dispositif et les conditions de fonctionnement appropriés en fonction de l'application et de la durée de vie requise. Considérant que
des durées de vie inférieures à une heure suffisent pour certaines applications militaires telles que l'allumage par thyristor, les scanners de sécurité industriels dans des environnements à trois équipes doivent fonctionner de manière fiable pendant des dizaines de milliers d'heures.
La formule suivante a été dérivée de nombreuses années d'expérience avec les diodes laser pulsées et donne une indication du temps moyen avant défaillance (MTTF) en fonction d'une série de paramètres :
MTTF = 3,9 x 1020 x {Po /L} -6 · tw-2 · F -1· f(T)
(Estimation pour un laser à triple jonction : MTTF = 1 · 11 x 1021· {Po /L} -6 · tw-2 · F -1 · f(T))
où
MTTF (heures) = Temps moyen avant défaillance
Po (mW) = Puissance de crête optique
L (µm) = Longueur de l'émetteur
tw (ns) = Longueur d'impulsion
F (kHz) = Taux de répétition
F(T) = Facteur multiplicateur dépendant de la température (= 1 à 25°C)
Exemple : À température ambiante, la durée de vie moyenne typique d'une diode laser pulsée de 4 W avec un émetteur de 75 µm, une longueur d'impulsion de 100 ns et un taux de répétition de 10 kHz est d'environ 170 000 heures. Si la puissance est augmentée à 6 W avec tous les autres paramètres inchangés, la durée de vie est réduite à 15 000 heures. La longueur de l'émetteur est tout aussi importante : si la puissance est divisée par deux ou si la longueur de l'émetteur est doublée, la durée de vie est multipliée par soixante-quatre.
RÉSUMÉ
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Les impulsions courtes et puissantes des diodes laser pulsées représentent une technologie habilitante pour une variété d'applications dans lesquelles les diodes laser cw ne peuvent pas être utilisées pour des raisons techniques ou économiques. Plusieurs fabricants proposent des dispositifs à 850 nm, 905 nm et 1550 nm pour de telles applications. Les émetteurs simples et les dispositifs empilés offrent une large gamme de puissances de sortie et de zones d'émission.
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