Machine laser à diode

Types de machines laser à diode

Lasers à diodes électroluminescentes
Les lasers à diodes électroluminescentes émettent une lumière laser depuis le bord de la puce semi-conductrice. Ils émettent de la lumière parallèlement à la surface de la puce. Les lasers à diodes électroluminescentes sont constitués d'une puce en arséniure de gallium (GaAs), en phosphure d'indium (InP) ou en nitrure de gallium (GaN). La puce est composée de deux couches (ou plus), y compris la région d'épuisement de charge (active) au niveau de la jonction pn, où se produit l'effet laser.

Les diodes électroluminescentes peuvent fournir des niveaux de puissance optique élevés, allant de milliwatts à dix watts ou plus. Ils présentent également un rendement électrique supérieur à la moyenne, par rapport à la plupart des autres types de laser et de diode laser. Ces lasers sont utilisés dans la plupart des domaines : télécommunications, stockage de données optiques, lecture de codes-barres, impression laser, détection optique, équipements médicaux et systèmes laser industriels.

Lasers à diodes électroluminescentes à cavité verticale (VCSED)
Les dispositifs VCSED sont plus communément appelés lasers à émission de surface à cavité verticale (VCSEL). Il s'agit d'une classe de diodes laser à semi-conducteur qui émet une lumière laser perpendiculairement à la surface de la puce, à travers la surface supérieure de la puce. Les VCSEL sont formés à partir d'une puce à jonction PN avec une cavité verticale, constituée de deux miroirs réflecteurs de Bragg distribués. La région active, où la lumière est initiée par annulation de charge, est centrée entre ces miroirs. Ce type de laser remplit généralement la région active de puits quantiques ou de structures similaires induisant un gain. La lumière est émise perpendiculairement à la surface de la puce sous la forme d'un faisceau circulaire ou elliptique au profil bien défini et symétrique. Ce profil de faisceau répond bien à la collimation, avec une divergence relativement faible.

Ces dispositifs présentent plusieurs avantages par rapport aux lasers à diodes électroluminescentes. Leur courant de seuil est faible, permettant un rendement électrique élevé à de faibles niveaux de puissance. Les dispositifs dotés d'un profil de faisceau circulaire sont bien adaptés au couplage aux fibres optiques. Un avantage majeur des VCSEL est qu'ils peuvent être fabriqués à l'échelle d'une tranche, ce qui entraîne des coûts de production inférieurs et une plus grande uniformité que les dispositifs construits individuellement.

Les lasers VCSED sont disponibles pour émettre une gamme de longueurs d'onde, du moyen au proche infrarouge, ainsi que de la lumière visible. La longueur d'onde de sortie résulte de la sélection des matériaux, de la conception des jonctions et de la forme de la cavité résonante. Ils sont largement utilisés dans : les réseaux à fibre optique, les interconnexions optiques et les systèmes de transmission de données à haut débit. Ils sont également utilisés dans la détection 3D pour la reconnaissance faciale et la détection de profondeur dans les appareils mobiles, ainsi que dans des applications optiques et de détection plus générales telles que les souris optiques, les imprimantes laser et les scanners 3D.

Lasers à rétroaction distribuée (DFB)
Les lasers DFB (rétroaction distribuée) ont une structure similaire à celle des autres lasers à semi-conducteurs. Cependant, l’inclusion d’une structure de réseau périodique dans la région active, ou guide d’onde externe, est unique à cette classe. Le réseau de rétroaction distribué consiste en une variation périodique de l'indice de réfraction de la région du guide d'onde, entraînant une modulation périodique du profil de gain. Cela agit comme un mécanisme de rétroaction, forçant la rétroaction/amplification optique à une longueur d’onde sélectionnée tout en supprimant les autres modes. Cela signifie que ces appareils produisent de la lumière à une longueur d’onde spécifique avec une pureté spectrale élevée et une largeur de raie étroite. Ceci est idéal pour les communications par fibre optique à haut débit, la détection et diverses applications de spectroscopie et de métrologie haute résolution.

Les lasers DFB peuvent également être conçus pour une accordabilité de longueur d'onde dans une plage limitée. Cela résulte d'un réglage de la température, d'un réglage du courant ou d'un mécanisme de rétroaction externe qui permet l'ajustement de l'indice de réfraction.

Lasers à cascade quantique (QCL)
Le laser à cascade quantique (QCL) utilise comme source laser des transitions en cascade quantique entre les niveaux d'énergie au sein de plusieurs jonctions semi-conductrices. Les QCL sont construits à partir de plusieurs puits quantiques, avec des barrières formées par des couches semi-conductrices de différentes bandes interdites. Lorsqu'un courant de polarisation directe est appliqué, les électrons et les trous traversent plusieurs niveaux d'énergie quantifiés, générant efficacement des photons à chaque transition. Ils émettent dans les régions de l'infrarouge moyen et du térahertz du spectre électromagnétique et peuvent émettre une large gamme de longueurs d'onde dans ces régions. La majorité des technologies laser infrarouge moyen nécessitent un refroidissement cryogénique, tandis que les QCL fonctionnent à température ambiante, ce qui les rend idéaux pour les applications nécessitant cette gamme de fréquences. Leurs niveaux de puissance optique élevés les rendent adaptés aux applications à énergie plus élevée, offrant un mode onde continue (CW) avec une sortie très stable.

Un réglage relativement simple de la longueur d'onde d'émission est obtenu en ajustant les épaisseurs de couche et la tension de polarisation, ce qui les rend idéaux pour les applications d'analyse spectroscopique nécessitant plusieurs longueurs d'onde. Ils sont également utilisés pour la surveillance environnementale, les systèmes de diagnostic médical, la télédétection et la communication en espace libre.

Lasers à diodes à cavité externe (ECDL)
Les ECDL sont un format de dispositif qui utilise une cavité externe, généralement un réflecteur ou un réseau externe, pour amplifier la sortie laser et contrôler ses caractéristiques. Les ECDL permettent une accordabilité accrue, une largeur de raie étroite et un contrôle précis de la longueur d'onde par rapport aux autres formats de laser à diode. Ils ont une structure similaire à celle des autres lasers à diode, avec une jonction pn polarisée vers l'avant et une région active dans laquelle les photons sont émis. La cavité externe est ajoutée au laser pour fournir un retour optique permettant un réglage précis de la fréquence d'émission. Cette cavité abrite un réflecteur, un réseau ou une autre structure optique qui réfléchit une partie du faisceau vers la cavité.

Les ECDL peuvent permettre des largeurs de lignes plus étroites, par rapport aux autres types de laser à diode. La cavité externe supprime les modes longitudinaux indésirables et le bruit optique, offrant une meilleure cohérence et un faisceau à largeur de ligne plus étroite. Cette classe de dispositifs est idéale pour les applications nécessitant une pureté spectrale élevée pour une quantification optique très précise.

Les ECDL offrent une accordabilité de longueur d'onde considérablement améliorée, par rapport à la plupart des lasers à diode. La longueur d'onde du laser peut être réglée avec précision en ajustant subtilement la position ou l'angle d'incidence du réflecteur ou du réseau externe. Cela permet un large spectre d’applications exigeantes en spectroscopie, en physique atomique et moléculaire et en métrologie. Un avantage d'une bonne conception dans la cavité résonante externe est que l'ajustement de la fréquence d'émission peut être sans saut de mode, c'est-à-dire que des ajustements fluides peuvent être effectués entre les longueurs d'onde souhaitées, sans changements d'étapes asymptotiques et perturbateurs.

Lasers à diode conique
Les lasers à diode conique (ou amplificateurs coniques ; lasers coniques) sont une classe de lasers dotés d'une cavité d'amplification conique. Ces lasers atteignent une puissance de sortie élevée, une bonne qualité de faisceau et un rendement électrique élevé. Cette région effilée est plus large à l’extrémité d’entrée et se rétrécit progressivement vers l’extrémité de sortie. Cette diminution sert à augmenter la largeur du faisceau et à réduire la densité optique dans la région d'amplification laser.

La section d'amplification conique permet une zone de mode accrue, permettant une extraction de puissance optique plus élevée. Cela contribue également à améliorer la qualité de la collimation du faisceau en sortie. La conicité augmente également l'efficacité d'utilisation de l'énergie appliquée à la pompe. Un autre avantage du taper est d’augmenter le spectre de gain, permettant ainsi une plus large gamme de longueurs d’onde en sortie. Cette adaptabilité est une caractéristique particulièrement précieuse de la classe. Ces appareils sont largement utilisés dans le traitement des matériaux, la gravure laser et le pompage laser (pour les lasers à gaz et à solide de haute puissance). Leur puissance élevée et leur bonne qualité de faisceau les rendent adaptés aux applications exigeantes dans lesquelles la précision, la vitesse et la puissance sont essentielles.

Lasers à diode superluminescente (SLD)
Les lasers SLD (diode superluminescente), également connus sous le nom de sources d'émission spontanée amplifiée (ASE), sont un type de laser qui fusionne les propriétés des diodes laser et des LED. Ils produisent une lumière à large spectre de haute intensité, ce qui les rend adaptés à des applications particulières dans les domaines de l'imagerie, de la détection par fibre optique et des télécommunications. Les lasers SLD génèrent une lumière incohérente par émission spontanée amplifiée. Ces dispositifs produisent une large bande passante de lumière, allant de dizaines à plusieurs centaines de nanomètres, ce qui rend les SLD adaptés aux applications nécessitant une large plage spectrale ou une imagerie haute résolution. Le SLD offre une sortie très lumineuse, qui est une mesure de la puissance optique par unité d'angle solide et de bande passante de longueur d'onde unitaire. La haute luminosité résulte d’une émission spontanée amplifiée et d’une amplification optique. Leur sortie a une courte longueur de cohérence par rapport aux lasers conventionnels. C'est la distance sur laquelle les ondes électromagnétiques maintiennent leur relation de phase. Cela les rend adaptés aux applications nécessitant des interférences à faible cohérence ou une imagerie résolue en profondeur. Les SLD sont utilisés dans la tomographie par cohérence optique (OCT), la détection par fibre optique, la spectroscopie, l'imagerie biomédicale, la métrologie optique et les tests optiques. Ils sont particulièrement utiles dans les systèmes OCT pour l’imagerie haute résolution des tissus et matériaux biologiques.

Lasers à double hétérostructure
Les lasers à double hétérostructure (DH) sont une branche de la famille des diodes laser qui intègre une hétérostructure qui améliore les performances de la technologie. Les lasers DH ont un courant de seuil plus faible, un rendement plus élevé et une puissance de sortie accrue par rapport à la construction à homojonction courante.

Les lasers DH sont assemblés à partir de deux jonctions pn formées en trois couches. La zone d'appauvrissement (la couche centrale de type n) est couplée entre deux couches de type p avec une bande interdite plus large. Cette configuration crée un confinement efficace des porteurs et un mode optique sans fuite, augmentant l'efficacité électrique et les performances globales. Un confinement accru des porteurs contribue à augmenter la densité et la recombinaison des porteurs, conduisant à un gain plus élevé et à une efficacité opérationnelle améliorée dans la plupart des aspects. Un avantage secondaire est que l’hétérostructure induit un confinement optique, renforçant ainsi l’interaction lumière-matière. Le courant de seuil inférieur résulte d'une fuite moindre des porteurs de charge, permettant au laser d'atteindre le seuil d'apparition de l'effet laser à des niveaux de courant inférieurs.

Ces appareils sont largement utilisés dans les télécommunications, les appareils de données optiques, l'impression laser et les systèmes de mesure laser. Ils sont particulièrement utiles dans les communications par fibre optique longue distance dans lesquelles un rendement élevé, des courants de seuil faibles et un rendement élevé sont bénéfiques.

Lasers à diodes à puits quantiques
Les lasers à diodes à puits quantiques constituent une famille de dispositifs contenant de bonnes structures quantiques qui améliorent les propriétés optiques/électriques. Ils atteignent un courant de seuil plus faible, un rendement énergétique plus élevé et un contrôle de longueur d'onde amélioré par rapport aux appareils plus basiques. Ces dispositifs sont construits à partir d’une structure en couches de fines tranches semi-conductrices à bande interdite plus étroite, enveloppées dans des couches à bande interdite plus élevée. La couche de puits quantique crée une région de confinement pour les porteurs et les photons générés, améliorant ainsi l'amplification optique. Le porteur confiné atteint une densité plus élevée dans la région du puits quantique, ce qui facilite une meilleure utilisation des porteurs pour une émission stimulée, ce qui se traduit par une efficacité de conversion de puissance améliorée. Ils permettent un contrôle précis de la longueur d’onde générée, en ajustant la largeur et la composition des puits. Cela permet d’ajuster précisément la longueur d’onde d’émission selon des spécifications exigeantes.

Les lasers à diodes à puits quantiques sont réputés pour leur sortie à largeur de raie étroite. La suppression de la compétition de modes longitudinaux et la réduction du bruit optique entraînent une meilleure cohérence et un comportement spectral plus étroit. Ce format d'appareil est particulièrement intéressant dans les télécommunications, le stockage de données optiques, l'impression laser et le diagnostic médical. Les sources de rayonnement compactes et efficaces pour les communications par fibre optique sont essentielles dans le domaine de la fibre optique à large bande passante et longue distance.

Lasers laser à mode longitudinal unique (SLM)
Les lasers à mode longitudinal unique (SLM) émettent de la lumière pour produire une sortie à fréquence ou longueur d'onde unique avec une cohérence élevée et une largeur de ligne étroite. Les lasers SLM appliquent diverses techniques telles que des éléments de sélection de mode, des méthodes de stabilisation de fréquence et l'optimisation de la conception des cavités pour obtenir ce résultat monomode. La suppression des modes longitudinaux interférents génère une sortie hautement cohérente avec un spectre de fréquences étroit.

Les lasers SLM sont utilisés dans divers domaines tels que les télécommunications, la détection par fibre optique, la métrologie, la spectroscopie et l'interférométrie, ainsi que comme outils de recherche, en raison de leur cohérence élevée, de leur contrôle précis de la longueur d'onde et de leur largeur de raie étroite.

Lasers à cascade interbandes
Les lasers à cascade interbandes (ICL) opèrent sur la transition interbande entre différentes bandes électroniques au sein de la région active. Ils offrent un fonctionnement efficace et performant dans le spectre des longueurs d’onde de l’infrarouge moyen. Les ICL bénéficient des transitions interbandes entre les bandes d'énergie au sein de chaque tranche, exploitant les transitions en cascade entre plusieurs étages/puits quantiques pour obtenir un gain optique et une émission laser améliorés. Les lasers à diode conventionnels reposent sur des transitions intrabandes plus limitées. Ils sont généralement conçus pour générer un rayonnement dans les longueurs d’onde de l’infrarouge moyen, entre 3 et 12 micromètres. Plusieurs étages de puits quantiques sont connectés électriquement dans une configuration en cascade. Chaque étape participe au processus de gain, ce qui entraîne une amplification optique supérieure à celle des dispositifs à jonction unique.

Les ICL délivrent un courant de seuil particulièrement faible pour le début de l'effet laser. Un transport et une utilisation plus efficaces des transporteurs se traduisent par une consommation d’énergie inférieure. Les ICL sont appliqués à la détection de gaz, à l'analyse chimique, à la surveillance environnementale, au contrôle des processus industriels et aux communications optiques en espace libre. Le rayonnement infrarouge moyen est utile pour détecter et mesurer des polluants spécifiques.

Lasers à hétérostructure à confinement séparé
Les lasers à hétérostructure à confinement séparé (SCH) utilisent une conception à hétérostructure pour améliorer les propriétés optiques et électriques. Cela permet de réduire les pertes optiques, d'améliorer le confinement des porteurs et d'améliorer les performances globales par rapport aux lasers à homojonction courants. Les lasers SCH intègrent plusieurs tranches avec des bandes interdites variables pour former une hétérostructure plus complexe. La couche d'épuisement est prise en sandwich par des couches de bande interdite plus larges. Cette complexité permet un confinement amélioré des porteurs et des modes optiques.

Un confinement amélioré et une réduction des fuites optiques résultent du fait que les couches de gaine emprisonnent à la fois l'activité optique et celle des porteurs de charge dans la région active. La réduction des fuites de porteurs contribue particulièrement à améliorer le courant de seuil et l'efficacité électrique. À son tour, cela améliore les performances par rapport aux lasers à homojonction, en améliorant la stabilité de la température, une bande passante de modulation plus élevée et la dérive de longueur d'onde en fonction de la température. Les lasers SCH sont particulièrement utiles dans les applications nécessitant efficacité et stabilité de température. Ils conviennent aux applications générales telles que les télécommunications, le stockage de données optiques, l'impression laser, la détection optique et la recherche laser, mais ils sont particulièrement adaptés aux environnements plus difficiles et aux systèmes de communication par fibre optique.

Lasers à réflecteur de Bragg distribué (DBR)
Les dispositifs à réflecteur de Bragg distribué (DBR) sont des dispositifs qui intègrent un réflecteur de Bragg distribué intégré dans la cavité d'amplification. Cet aspect permet un contrôle précis de la fréquence émise et une filtration étroite pour une bonne pureté spectrale et une bonne sélection. Le réseau de Bragg est constitué de couches alternées de matériaux à indice de réfraction élevé et faible qui fonctionnent comme un miroir sélectif en longueur d'onde. Cette structure reflète la lumière de toutes les longueurs d'onde non sélectionnées tout en permettant au rayonnement souhaité de se propager à travers la cavité d'amplification. Cette structure offre une sélectivité précise de la longueur d'onde et, en ajustant la période du réseau ou les paires d'indices de réfraction, la longueur d'onde émise peut être ajustée sur une plage. Cela facilite la personnalisation et la compatibilité avec une gamme d'applications, notamment les systèmes de multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) et la tomographie par cohérence optique (OCT).

Les lasers DBR fournissent une sortie à largeur de raie étroite grâce à la rétroaction distribuée du réseau de Bragg. Le réseau supprime les modes longitudinaux indésirables et aboutit à une émission monomode de largeur spectrale étroite. Ces dispositifs offrent des taux de suppression de mode latéral (HSMSR) élevés et bénéfiques, qui représentent la différence de puissance entre le mode laser souhaité et les modes voisins, fournissant une mesure de sélectivité, de pureté spectrale et de largeur de raie étroite.

Les lasers DBR sont utilisés dans les télécommunications, la détection par fibre optique, la spectroscopie, la métrologie et la tomographie par cohérence optique. Ils sont utilisés comme sources lumineuses précises et stables dans divers systèmes nécessitant des longueurs d’onde spécifiques, des largeurs de raies étroites et une pureté spectrale élevée.

Lasers à émission de surface à cavité externe verticale
Les lasers à émission de surface à cavité externe verticale (VECSEL) sont un type spécialisé de dispositif laser qui combine les caractéristiques bénéfiques des lasers à émission de surface à cavité verticale (VCSEL) et des lasers à diode à cavité externe (ECDL). Cela se traduit par des caractéristiques uniques telles qu'une puissance de sortie élevée, une accordabilité de longueur d'onde et une excellente qualité de faisceau.

Les VECSEL ont leur cavité laser orientée verticalement, de sorte que la lumière est émise perpendiculairement à la surface de la puce. Cette conception verticale permet une dissipation thermique efficace et un contrôle précis du faisceau émis. Leur configuration de cavité externe est construite à partir de surfaces réfléchissantes supplémentaires placées à l'extérieur de la structure de la puce. Cela permet le contrôle de la longueur d’onde, la mise en forme du faisceau et la mise à l’échelle de la puissance. Les VECSEL sont capables d'une puissance de sortie plus élevée que les VCSEL car la configuration de la cavité externe améliore la dissipation thermique. Une accordabilité précise de la longueur d'onde sur une large plage spectrale est obtenue en modifiant la position des miroirs de la cavité externe ou en ajustant la température de fonctionnement du dispositif. Grâce à l'utilisation d'une cavité externe conçue avec précision, les VECSEL obtiennent une sortie de haute qualité avec un faible angle de divergence et un profil de faisceau uniforme.

Les VECSEL sont utilisés dans la recherche scientifique, le traitement des matériaux, le diagnostic médical, la détection optique et les télécommunications. Ils servent à des applications de précision telles que la spectroscopie laser, le refroidissement laser et le piégeage/manipulation d'atomes, l'ablation laser et les communications optiques à haut débit.

Lasers à modes multilongitudinaux (MLM)
Les lasers à mode multilongitudinal (MLM) offrent la possibilité inhabituelle d'émettre sur plusieurs bandes de fréquences rapprochées mais étroites, sur un spectre relativement large. Les modes longitudinaux des lasers MLM sont étroitement espacés. L'espacement dépend de la conception fonctionnelle de la cavité résonante telle que sa longueur et l'indice de réfraction du milieu laser. Leur large spectre d'émission est dû à la présence de ces multiples modes. La largeur spectrale et la distribution des modes dépendent de la conception des cavités et des jonctions ainsi que des conditions de fonctionnement.

Les lasers MLM sont utilisés en spectroscopie, métrologie, interférométrie et télécommunications. Ils s'appliquent particulièrement à la tomographie par cohérence optique (OCT), dans laquelle une imagerie haute résolution est possible, résultant de l'interférence des multiples modes longitudinaux.

Application de la machine laser à diode

Comment entretenir la machine laser à diode

Comment fonctionne le laser à diode

Les lasers à diode fonctionnent en stimulant l’émission de photons au niveau d’une jonction semi-conductrice. Le matériau semi-conducteur possède des bandes interdites d’énergie spécifiques qui déclenchent la génération et l’amplification d’une lumière cohérente. Une diode est constituée d'une jonction pn. La région de type N crée un excès de porteurs chargés négativement (électrons), tandis que la région de type P crée un excès de porteurs chargés positivement (trous). La jonction forme une zone d'appauvrissement entre les deux matériaux. Lorsqu'une tension de polarisation directe (+ ve au p et -ve au n matériau) est appliquée aux bornes de la jonction, le courant circule. Cela provoque le déplacement des porteurs de charge à travers la jonction. Les électrons de la région n et les trous de la région p sont injectés dans la région d'appauvrissement. Ceux-ci se rencontrent et se neutralisent, libérant un photon pour chaque charge annulée.

La diode laser est conçue avec des surfaces réfléchissantes aux extrémités, formant une « cavité optique ». Les photons se réfléchissent en interne et le retour optique améliore les émissions stimulées et produit une lumière cohérente à bande étroite. L'émission stimulante se produit également lorsqu'un photon interagit avec un électron excité, l'amenant à émettre un autre photon. Ces photons supplémentaires sont identiques au photon déclencheur, conduisant à une amplification. À mesure que l’émission stimulée se poursuit et que les photons se reflètent dans la cavité, l’intensité de l’énergie laser augmente.