Diodes LASER : principe et technologie
Nina67 - Mis à jour: mercredi 25 mars 2020 09:35 Pourquoi les faisceaux laser sont-ils si fins et si concentrés contrairement à une lampe torche ? La lentille de collimation et la dimensions de la source lumineuse laser expliquent la finesse du faisceau laser. 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 optiques spécifiques.
Quelles sont les caractéristiques électriques d'une diode laser ?
Fonctionnement électrique d'une diode laser
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.
Diode laser rouge 300mW 650nm
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 très faible 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)
Faisceau émis par une diode Laser sans lentille
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 :
Angle d'ouverture en fonction de la taille de la source lumineuse
La tangente de l'angle d'ouverture du faisceau est égale au rapport de la dimension de la source lumineuse par la distance focale. On fait l'approximation que la tangente de l'angle est égale à l'angle.
L'angle d'ouverture est proportionnel à la taille de la source lumineuse (diode laser, LED, filament d'ampoule, etc) et inversement proportionnel à la distance focale. C'est pourquoi les faisceaux relativement concentrés des projecteurs ou des lampes torches nécessitent de grandes distances focales.
On ne peut donc pas créer un faisceau ressemblant à un faisceau laser à partir d'une LED, ni une ampoule halogène très puissante :
Projecteur très puissant avec lampe halogène 24V 250W et lentille de Fresnel
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 :
- laser rouge 650nm (pointeurs laser rouge, lasers pour lightshow)
- laser rouge 635nm (diodes industrielles spécifiques)
- laser vert 520nm
- laser bleu 445nm (diodes laser 1W et 2W pour lightshow)
- laser bleu 405nm (Blu ray)
Diode laser bleu 1W 445nm
Laser DPSS : Diode pumped solide state
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. Voici les éléments successifs typiques qui aboutissent au laser vert 532nm.
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 génère un puissant flash qui irradie le cristal
Cristaux 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
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 473nm, le triborate de lithium est aussi utilisé (formule chimique : LiB3O5, abrégé "LBO").
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 explique 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 quand on regarde à travers...
Eléments d'un pointeur laser vert
Voici un pointeur laser vert vu en coupe :
Pointeur laser vert : diode de pompage, Nd:YVO4 et KTP
Le filtre anti infrarouge empêche l'infrarouge résiduel de sortir.
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.
Laser vert 50mW alimenté par un courant de 330 mA
Diode laser vert 50mW 532nm en test
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.
Diode laser bleu 473nm : principe et éléments optiques
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.
h : constante de Planck
v (nu) : fréquence du photon en Hz
On obtient un faisceau laser à 593nm (jaune ambré).
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 produire des zones rouges, vertes et jaunes.
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.
Blanc obtenu par la rencontre du rouge, du vert et du bleu
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 633nm
Cet ancien laser utilise un gaz (mélange Hélium-Néon) pour produire une lumière laser à 633nm.
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.
De gauche à droite : pointeurs laser à 405, 473, 532, 593, 635 et 650nm
dimanche 15 juillet 2012 11:44
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.