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 Diodes LASER : principe et technologie

 Catégorie electronique - Par nina67 - Publié le 2012-01-12 14:03:53

Diodes LASER : principe et technologie

Les diodes Laser reposent sur des technologies bien différentes en fonction de la couleur émise. En fonction de la couleur du Laser, le principe sera différent : diode laser simple ou diode laser de pompage et cristaux spécifiques.

 

Fonctionnement électrique

 

Electriquement, une diode laser s'alimente comme une LED. Comme toute diode, elle est polarisée. Le courant qui circule dans la diode laser doit être maîtrisé avec une beaucoup plus grande précision que pour une LED. En effet, une pointe de courant, même très brève, ou une décharge d'électricité statique sont fatales à une diode laser. En tension inverse, une diode laser ne supporte que 2 ou 3V, donc attention à la polarité !

Comme une LED, la caractéristique courant-tension fait qu'il s'établit une tension aux bornes de la diode laser qui varie assez peu avec le courant. La diode laser doit donc être contrôlée en courant.

 

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Diode laser rouge 300mW

 

Courant de seuil d'une diode laser

 

La lumière "laser" ne commence à être émise qu'à partir d'un certain courant (10 à 25% du courant maximum). Par exemple, il faut au moins 80mA pour commencer à voir le faisceau laser rouge pour la diode laser 300mW. Ce phénomène n'existe pas sur les LED.

 

Faisceau laser fin

 

La finesse d'un faisceau laser et sa non divergence ne sont que des propriétés d'optiques géométrique de base, rien à voir avec la nature de la lumière (longueur de cohérence, largeur spectrale, polarisation). C'est toujours la lentille qui crée l'allure du faisceau laser. Une diode laser sans lentille émet un faisceau sur une grande ouverture (20 - 60° d'angle)

 

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Faisceau émis par une diode Laser sans lentille

 

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Faisceau émis par une diode Laser avec lentille

 

C'est la lentille qui réduit l'angle de divergence à 0.001 radian environ. On ne peut pourtant pas transformer une LED en faisceau Laser... Pourquoi ? En fait, l'étendue de la source lumineuse laser est extrêmement petite (quelques microns) et c'est pour cela que le faisceau diverge très peu. C'est une source quasi ponctuelle extrêmement intense.

 

L'optique géométrique le montre :

 

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Angle d'ouverture en fonction de la taille de la source lumineuse

 

L'angle d'ouverture est proportionnel à la taille de la source lumineuse (diode laser, LED, filament d'ampoule, etc).

 

Attention : même sans lentille, une diode laser est dangereuse pour les yeux ! L'image qui s'en forme sur la rétine est très ponctuelle, donc très concentrée.

 

Laser simples

 

Dans une diode laser simple, le courant électrique est directement converti en lumière laser, comme dans une LED.

 

Exemple de lasers :

- rouge 650nm (pointeurs laser rouge, lasers pour lightshow)
- rouge 635nm (diodes industrielles spécifiques)
- bleu 445nm (nouvelles diodes laser 1W et 2W pour lightshow)
- bleu 405nm (Blu ray)

 

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Diode laser bleu 1W 445nm

 

Laser DPSS

 

C'est l'autre grande famille de lasers à semi-conducteurs. Sans trop entrer dans la théorie de la physique, on peut dire que le principe est différent et que la lumière laser finale est obtenue en plusieurs étapes. Exemple : le laser vert 532nm très courant depuis les années 2000.

DPSS : Diode pumped solide state.

 

- Diode laser de pompage et cristaux

 

La source électrique (piles 1.5V dans les pointeurs, cartes d'alimentation pour les lasers de discothèque) alimente une puissante diode laser infrarouge qui excite un cristal spécifique. Cette diode est la source d'énergie optique : c'est la diode de pompage (elle réalise le "pompage optique"). Souvent, sa longueur d'onde est de 808nm (proche infrarouge).

 

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.

 

Autre technique : une puissant tube à éclat (type stroboscope) pour génére un puissant flash qui irradie le cristal

 

- Cristal Nd:YVO4 ou Nd:YAG

 

Ce cristal (d'où le nom "solid state") est irradié par la diode laser de pompage (808nm). Recevant cette énergie concentrée, il convertit la longueur d'onde de 808nm en une nouvelle longueur d'onde : 1064nm (914nm, 946nm, 1342nm aussi possibles...).

 

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.

 

Nd:YVO4 = orthovanadate d'yttrium dopé au néodyme
Nd:YAG = grenat d'aluminium et d'yttrium dopé au néodyme

 

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cristaux Nd:YVO4 pour applications laser

 

- Doubleur de fréquence

 

Un second cristal a pour but de doubler la fréquence optique, c'est-à-dire diviser par 2 la longueur d'onde.

 

A son entrée : lumière laser à 1064nm (infrarouge)
A sa sortie : lumière laser à 532nm (vert visible !)

 

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").

 

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cristaux LBO pour applications laser

 

Le doubleur de fréquence repose sur l'optique non linéaire. Ces propriétés apparaissent à des champs électromagnétiques intenses (forte irradiation en 1064nm ou 946nm). 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.


A la modeste lumière du jour, un cristal doubleur de fréquence est transparent et ne modifie nullement les couleurs ! Aucune couleur psychédélique ne se révèle...

 

Eléments d'un pointeur laser vert

 

Voici un pointeur laser vert vu en coupe :

 

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Pointeur laser vert : diode de pompage, Nd:YVO4 et KTP

 

Le filtre anti infrarouge empêche l'infrarouge résiduel de sortir.

 

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Vue synoptique d'un laser vert 532nm

 

Le rendement d'un laser vert (puissance optique à 532nm / puissance électrique consommée) va de 1 à 5% environ.

 

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Diode laser vert 50mW : courant de 330mA

 

Eléments d'une diode laser bleu 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.

 

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Diode laser bleu 473nm : principe et éléments optiques

 

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Diode laser bleu 473nm : rendu d'une diode laser 10mW

 

Laser jaune à 593nm

 

Le laser jaune 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.

 

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h : constante de Planck
v (nu) : fréquence du photon en Hz

 

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On obtient un faisceau laser à 593nm (jaune ambré).

 

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Laser jaune 593nm

 

Laser jaune : rouge + vert

 

En lightshow (spectacles, discothèques), les lasers jaunes sont la somme de laser rouge et de laser vert pour des raisons économiques. L'oeil voit du jaune, comme sur un écran de télé, c'est la synthèse additive des couleurs. Il y a synchronisation entre les 2 miroirs mobiles où se réfléchit le faisceau et l'allumage commandé des diodes laser pour produires des zones rouges, vertes et jaunes.

 

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Jeu de lumière Laser tricolore : rouge, vert et jaune ("RGY"= Red Green Yellow)

 

Laser blanc : rouge + vert + bleu

 

En lightshow (spectacles, discothèques), les lasers blancs sont la somme de laser rouge, laser vert et laser bleu. L'oeil voit du blanc, comme sur un écran de télé, c'est la synthèse additive des couleurs.

 

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Blanc obtenu par la rencontre du rouge, du vert et du bleu

 

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Jeu de lumière Laser tricolore : rouge, vert et bleu ("RGB"= Red Green Blue)

 

Le laser bleu peut être à 473nm ou à 445nm.

 

Laser rouge Hélium-Néon

 

Cet ancien laser utilise un gaz (mélange Hélium-Néon) pour produire une lumière laser à 633nm.

 

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Laser Hélium Néon (He-Ne) à 633nm

 

Aucun semi-conducteur n'est utilisé dans ce laser.

 

Récapitulatif des lasers

 

Les Lasers DPSS sont les lasers bleu à 473nm, vert et jaune. Les autres laser convertissent directement le courant électrique en lumière laser sans passer par un cristal et un doubleur de fréquence.

 

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De gauche à droite : pointeurs laser à 405, 473, 532, 593, 635 et 650nm

Diodes LASER : principe et technologie, posté par nina67 le 2012-01-12 14:03:53
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16 COMMENTAIRES

Neo-Fit ( 15 Juillet 2012 15:44 )

Bonjour, superbe l'article, je n'arrête pas d'apprendre avec vous, un grand merci. - 1er Q :puisque on peut avoir les trois couleurs de base, y a t il des applications dans le domaine de la TV (en similitude avec le canon d'électron dans un tube cathodique) - 2eme Q :puis-je utiliser une diode laser d'un lecteur CD comme barrière laser sur une porte de garage large de 3mètre. Cordialement.

nina67 ( 15 Juillet 2012 17:11 )

Bonjour, en tous cas, les laser RGB en lasershow sont très utilisés parce qu'ils sont à base de semi conducteurs, donc graduable en PWM ou en analogique. Il y a aussi l'aspect économique. Une diode de lecteur CD ne produit pas de faisceau parallèle et fin (type rayon laser). Il faut ajuster le collimateur pour faire cela... Pourquoi pas utiliser des LED infrarouges ? Cordialement

Neo-Fit ( 16 Juillet 2012 16:17 )

Bonjour, je ne veux pas de LED IR pour des raison de précision, l'idée est de tapisser l'ouverture avec des rayons de part et d'autre de la porte (3 de chaque côté), d'une seul source réfractés par des miroirs. est-ce que une diode de lect CD, bien sur avec un collimateur fera l'affaire ? Cordialement.

nina67 ( 16 Juillet 2012 17:19 )

Bonjour, je pense que ça devrait fonctionner avec un collimateur placé judicieusement. On peut aussi récupérer des diodes laser dans les graveurs de CD (de PC).Cordialement

blabla ( 18 Juillet 2012 11:25 )

Bonjour, très bonne article, j'ai pus grâce à celui-ci comprendre certaine choses à propos des couleurs de laser. J’aimerais savoir s’il était possible de récupérer des cristaux ND-YAG et des cristaux LBO, et si oui où les récupérer. Cordialement.

nina67 ( 18 Juillet 2012 12:04 )

Bonjour, on peut acheter des cristaux Nd:YAG ou LBO sur ebay par exemple. Peut-être qu'on peut en récupérer sur des laser HS, mais à voir si ce n'est pas le cristal qui s'est dégradé suite à une utilisation excessive. Cordialement

nina67 ( 4 Mars 2014 13:20 )

Bonjour, il y a certaine une usure des éléments, mais je ne peux malheureusement pas vous renseigner davantage. A vue de nez, je dirais qu'il faut au moins 10x la puissance en IR par rapport à la puissance de sortie. Un pointeur laser 5mW consomme 350mA environ par exemple, mais c'est vrai aussi qu'une diode 50mW fait 500mA... Quant au courant consommé, je ne sais pas. Cordialement

nina67 ( 22 Janvier 2014 9:32 )

Bonjour, dans un circuit en parallèle, le courant consommé sur le générateur est bien la somme de tous les courants consommés. Si on a 4 laser en parallèle qui consomment chacun 0.3A, la consommation totale vaudra 4x0.3=1.2A. En revanche, la consommation de 2.59A est très suprenante. Elle devrait plutôt être de 0.259A pour un pointeur laser verts de moins de 50mW. Cordialement

bricolillo ( 22 Janvier 2014 7:04 )

pardon, je voulais dire : " l'intensité se divise t'elle dans un circuit en parallele? et non la tension" merci

DED ( 24 Juillet 2013 4:58 )

bonjour, pourrais je avoir la liste des différents diodes laser et différentes LEDs? merci

bricolillo ( 21 Janvier 2014 7:21 )

Bonjour! j'espere que vous pourrez m'aider, je suis novice en électronique. Pour un spectacle durant 1 ou 2 minutes maximum , nous voulons faire une barriere laser verticale formée de 4 faisceaux. Nous avons acheté des pointeurs laser verts qui marchent très bien avec 2 piles de 1.5v, malheureusement quand nous avons relié les 4 au transformateur (pour transformer le courant de sortie en 3V), 1 n'eclaire presque plus et un autre n'eclaire plus du tout. (les lasers sont reliés chacun à la source par 2 fils, ils ne sont pas en série). Pourquoi les 2 autres fonctionnent -il bien et 2 ont l'air d'avoir grillés? et surtout comment faire pour que ça marche? Merci de votre aide

nina67 ( 21 Janvier 2014 9:16 )

Bonjour, il existe bien des différences entre des pointeurs laser. Etant donné qu'ils fonctionnent en limitation de courant, il ne sont pas prévus pour marcher en série. Si les pointeurs laser ne brillent plus aussi fort qu'avant (avec des piles), ils sont endommagés. Il vaut mieux brancher les laser en parallèle sur une source de tension de 3V stabilisée. Un pointeur laser consomme environ 0.3A. Cordialement

bricolillo ( 21 Janvier 2014 19:36 )

Merci pour votre réponse. Mes lasers sont bien branchés en parallele a un transformateur delivrant 3 volts de sortie (j'ai mesuré 3.2 volts exactemment à la sortie du transfo). Par contre je ne suis pas d'accord qu'un pointeur laser consomme 0.3 A car je viens de mesurer la valeur des 2 piles livrées avec et avec lesquelles il est prevu de fonctionner et fonctionne très bien, cette valeur est de 2.59 A pour exactemment 2.9V. Par contre il est vrai que sur le transfo il est écrit qu'il delivre un amperage de 0.6 A. En parallele, la tension se divise t'elle a la sortie du transfo? car dans ce cas ça ne ferait que 0.15 A au lieu de 2.59 A avec les piles.

fizelson ( 3 Mars 2014 18:11 )

Bjr, Le Crystal des DPSS peut-il "s'user" à la longue ? En effet, je désire, pour réparer certains lasers verts DPSS remplacer le diode IR de 808nM car c'est bien moins cher ! Pour un DPSS de 500mW, quelle doit-être la puissance de la diode IR ? Autre question, comment peut-on savoir sur un DPSS si c'est la diode IR qui est usée ou si c'est le crystal qui ne fait plus la conversion de longueur d'onde ? Le courant consommé de la diode IR diminue t-il quand elle est en fin de vie ? Merci pour vos réponses. Un ingé en électronique mais qui a 68 ans et passionné par les lasers

Fabulous ( 12 Mars 2014 16:29 )

Bonjour, Très bon documents, je suis tombé dessus par hasard en cherchant le rendement des lasers sur Google. J'aurais juste une question, je recherche à connaitre le rendement global actuel et le maximum théorique pour un laser blanc (RGB). Pas forcement de valeurs précises, mais une échelle de grandeur (3% ou 60%). j'ai donc besoin de la puissance radiométrique émise en Watt en fonction de la consommation en Watt aussi. Quelqu’un aurait-il des éléments de réponses? Merci d'avance et une fois encore, beau boulot!

nina67 ( 12 Mars 2014 21:17 )

Bonsoir, pour un laser bleu non DPSS (direct à 445nm), on obtient 1W à un courant de 1A environ et une tension de 4.5V environ http://www.astuces-pratiques.fr/electronique/construction-de-laser-bleu-1000mw-1w-pas-cher Le rendent vaut 20% environ. Pour un laser rouge, une diode 100mW commerciale consomme 200mA et la tension s'établit autour de 2V, rendent de 25% approximativement. Pour le laser vert, une diode 50mW commerciale consomme environ 400mA à 2V, donc rendement entre 5 et 10%. Cordialement

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