Qu'est-ce que la diode laser ?
La diode laser (laser à semi-conducteur) est un dispositif électronique qui utilise une jonction pn semi-conductrice pour convertir le courant en énergie lumineuse et générer un laser. La diode laser a une excellente directivité et rectitude. En tant que source de lumière avec un contrôle facile de l'énergie, elle est largement utilisée dans les communications optiques, les traitements médicaux, la détection, le stockage de données, les loisirs et le divertissement. Son principe de base est d’utiliser la lumière générée lors de la recombinaison des électrons et des trous.
Les diodes laser sont également appelées « lasers à semi-conducteurs ». « Laser » est l'acronyme de « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation », qui signifie « émission stimulée d'amplification de lumière ». Même si la longueur d’onde de la lumière naturelle et de la lumière LED est constante, leur différence de phase n’est pas constante et la forme d’onde n’est pas uniforme. Le laser est une lumière « cohérente » qui amplifie uniquement une longueur d’onde spécifique. Les sources de lumière cohérentes ont une différence de phase constante et une forme d'onde cohérente, et les interférences peuvent être utilisées pour rendre la focalisation très petite (quelques um~), de sorte qu'elles peuvent être utilisées dans diverses applications telles que les commutateurs optiques et la modulation optique.
Histoire et développement
L'histoire des diodes laser commence en 1917, lorsqu'Albert Einstein théorise pour la première fois le phénomène « d'émission stimulée de rayonnement », jetant ainsi les bases de toutes les technologies laser. Plus tard, l'Allemand John von Neumann a décrit le concept des lasers à semi-conducteurs dans un manuscrit non publié en 1953. En 1957, l'Américain Gordon Gould a proposé que l'émission stimulée de rayonnement puisse être utilisée pour amplifier la lumière et l'a nommé « LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of). Radiation)". De cette manière, alors que les scientifiques de divers pays continuaient à progresser dans la recherche sur les lasers, la structure d'homojonction du laser à semi-conducteur à arséniure de gallium (GaAs) est apparue en 1962 et la technologie de la lumière cohérente a été effectivement vérifiée. La même année, l’oscillation de la lumière visible a également été couronnée de succès. Cependant, les lasers à semi-conducteurs de cette époque présentaient des problèmes d’oscillation continue à température ambiante. En 1970, la découverte des doubles hétérostructures a rendu possible l’oscillation continue à température ambiante. Après les années 1970, la technologie des lasers à semi-conducteurs s’est développée rapidement et a été largement utilisée dans divers domaines.
Le principe électroluminescent des diodes laser
Les diodes laser sont des dispositifs semi-conducteurs capables d'émettre une lumière laser d'une longueur d'onde spécifique. Sa structure de base consiste en une jonction pn composée d'un semi-conducteur de type p et d'un semi-conducteur de type n, d'une couche active qui émet de la lumière et d'un miroir revêtu qui réfléchit la lumière. Le principe électroluminescent des diodes laser est que lorsque le courant circule, les électrons et les trous se recombinent et les photons rayonnés sont amplifiés dans la couche active et réfléchis dans le résonateur pour former une lumière laser. Comprenons d'abord la structure de base et le principe d'émission de lumière des « semi-conducteurs électroluminescents » partagés par les diodes laser et les LED.
Structure de base et matériaux des diodes
Les semi-conducteurs sont des matériaux dont la conductivité se situe entre les « conducteurs » qui conduisent l'électricité et les « isolants (non-conducteurs) » qui ne conduisent pas facilement l'électricité. Les conducteurs comprennent des matériaux métalliques tels que le fer et l'or, et les isolants comprennent des matériaux tels que le caoutchouc et le verre. Les semi-conducteurs peuvent contrôler le flux d’électricité en les rendant conducteurs ou non conducteurs. De plus, dans certains procédés d'utilisation, une conversion d'énergie entre l'énergie lumineuse et l'énergie électrique peut également être réalisée.
Habituellement, les composants des diodes sont principalement constitués de silicium (Si). Le silicium (Si) est le matériau semi-conducteur le plus courant. Le silicium existe dans la nature sous forme de « silice (SiO2 : pierre dont le composant principal est le dioxyde de silicium) » et est un matériau riche en ressources. Il est largement utilisé dans de nombreux produits semi-conducteurs car il est facile à traiter.
Le silicium (Si), en tant que matériau semi-conducteur, est à l'origine un isolant et ne contient pratiquement aucun électron libre comme porteur. Par conséquent, en ajoutant d’autres impuretés au silicium (Si) pour augmenter la concentration de porteurs dans le silicium (Si), sa conductivité est augmentée. Les semi-conducteurs qui augmentent les porteurs en ajoutant de telles impuretés sont appelés « semi-conducteurs à impuretés ». Les porteurs comprennent les électrons libres et les trous libres. Parmi eux, les semi-conducteurs qui augmentent les porteurs d'électrons libres sont appelés « semi-conducteurs de type n », et les semi-conducteurs qui augmentent les porteurs de trous libres sont appelés « semi-conducteurs de type p ».
* semi-conducteur de type p (+ : positif, semi-conducteur avec de nombreux trous), semi-conducteur de type n (- : négatif, semi-conducteur avec de nombreux électrons)
L'élément d'une diode est une structure dans laquelle un semi-conducteur de type p et un semi-conducteur de type n sont connectés, appelée « jonction pn ». La broche d'un semi-conducteur de type P est appelée « anode » et la broche d'un semi-conducteur de type N est appelée « cathode ». Le courant circule de l'anode vers la cathode.
Le principe de l'émission de lumière par diode
Lorsqu'une tension directe est appliquée à un élément de jonction pn, les trous (positifs) et les électrons (négatifs) se déplacent vers la jonction et se combinent. L'énergie excédentaire générée à ce moment est convertie en énergie lumineuse, réalisant ainsi une émission lumineuse. Ce phénomène est appelé « émission lumineuse composée ».
Les diodes laser peuvent être classées selon la direction dans laquelle la lumière est émise.
Edge Emitting Laser (EEL) : structure qui utilise la surface de clivage du semi-conducteur comme réflecteur pour émettre de la lumière à partir de la surface de clivage.
Laser à émission de surface (SEL) : structure qui émet de la lumière verticalement à partir de la surface du substrat semi-conducteur.
Laser à émission de surface à cavité verticale (VCSEL) : une cavité résonante optique est formée dans la direction verticale de la surface du substrat semi-conducteur, et le faisceau laser émis est perpendiculaire à la surface du substrat. Il présente les caractéristiques d'un courant de seuil faible, d'une modulation à grande vitesse avec un faible courant et d'une bonne stabilité en température, et est largement utilisé dans les communications optiques et les domaines des capteurs.
Ces différents types de diodes laser présentent des caractéristiques différentes et sont actuellement utilisées dans une grande variété d'applications en fonction de leurs caractéristiques.
Durée de vie des diodes laser
La durée de vie moyenne des diodes laser dépend de l'environnement d'exploitation (température de fonctionnement, électricité statique, bruit de l'alimentation, etc.), et on pense généralement qu'elles peuvent être allumées en continu pendant environ 10,000 heures dans des conditions normales. (température du boîtier 25 degrés). Si la température de fonctionnement est élevée pendant l'utilisation, la durée de vie sera raccourcie et les décharges électrostatiques (ESD) peuvent également provoquer des pannes. De plus, les surtensions et le bruit générés par l'alimentation électrique peuvent également endommager l'élément laser.
Afin d'utiliser la diode laser pendant une longue période, des mesures telles que des mesures de dissipation thermique telles que des dissipateurs thermiques, des mesures antistatiques et anti-surtension suffisantes, l'utilisation de filtres de bruit et le contrôle de la sortie au minimum requis peuvent efficacement étendre la durée de vie.
La lumière émise par le laser a une densité de puissance élevée. En cas d'utilisation incorrecte, même une petite quantité d'émission peut nuire au corps humain, ce qui est très dangereux. Par conséquent, des mesures de sécurité suffisantes doivent être prises avant utilisation.
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