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Diodes laser multimodes : elles possèdent une large région active qui prend en charge plusieurs modes optiques, ce qui donne lieu à un faisceau plus large avec une divergence élevée et une faible cohérence. Ils ont une puissance de sortie élevée et une large largeur spectrale. Ils sont utilisés pour des applications nécessitant une intensité et une luminosité élevées, telles que la découpe laser, le soudage, l'impression et l'éclairage.
Diodes laser à amplificateur de puissance d'oscillateur maître (MOPA) : elles combinent une diode laser monomode comme oscillateur avec une diode laser multimode comme amplificateur pour augmenter la puissance de sortie sans compromettre la largeur spectrale ou la cohérence. Ils sont utilisés pour les applications nécessitant une puissance élevée et un spectre étroit, telles que le lidar, la télémétrie et l'imagerie médicale.
Diodes laser à émission de surface à cavité verticale (VCSEL) : elles émettent de la lumière perpendiculairement à la surface de l'appareil, plutôt que parallèlement à celle-ci, comme dans les diodes laser à émission de surface conventionnelles. Ils disposent d'une courte cavité optique avec des réflecteurs de Bragg distribués (DBR) aux deux extrémités pour fournir une rétroaction. Ils ont un faible courant de seuil, un rendement élevé, un profil de faisceau circulaire et une intégration facile avec d'autres appareils. Ils sont utilisés pour des applications telles que les interconnexions optiques, la communication de données, la détection et les souris optiques.
Diodes laser à rétroaction distribuée (DFB) : elles ont une structure périodique intégrée dans la région active qui agit comme un réseau pour fournir une rétroaction et une sélection de longueur d'onde. Ils ont une largeur spectrale étroite, une stabilité élevée, un faible bruit et une accordabilité. Ils sont utilisés pour des applications telles que la communication par fibre optique, la spectroscopie et la métrologie.
Lasers à diode à cavité externe (ECDL) : ils utilisent un composant optique externe tel qu'un réseau ou un prisme pour fournir une rétroaction et une sélection de longueur d'onde au lieu d'une cavité interne. Ils ont une accordabilité élevée, une largeur spectrale étroite, un faible bruit et une cohérence élevée. Ils sont utilisés pour des applications telles que la spectroscopie, la métrologie, la physique atomique et l'optique quantique.
Quelles sont les applications des diodes laser ?
Les diodes laser ont une large gamme d'applications dans divers domaines en raison de leurs avantages tels que leur taille compacte, leur faible consommation d'énergie, leur rendement élevé, leur longue durée de vie et leur polyvalence. Certaines de leurs applications sont :
Stockage optique : les diodes laser sont utilisées pour lire et écrire des données sur des disques optiques tels que des CD, DVD et disques Blu-ray. Ils utilisent différentes longueurs d’onde de lumière pour stocker différentes quantités de données sur différentes couches de disques. Par exemple, les CD utilisent des diodes laser rouges d'une longueur d'onde de 780 nm, les DVD utilisent des diodes laser bleu-violet d'une longueur d'onde de 405 nm et les disques Blu-ray utilisent des diodes laser bleues d'une longueur d'onde de 450 nm.
Communication optique : les diodes laser sont utilisées pour transmettre des données sur de longues distances à l'aide de câbles à fibres optiques. Ils modulent leur intensité ou leur fréquence en fonction du signal de données et envoient des impulsions de lumière à travers de fines fibres de verre qui les transportent avec un minimum de perte ou d'interférence. Ils utilisent différentes longueurs d’onde de lumière pour multiplexer plusieurs canaux de données sur une seule fibre, augmentant ainsi sa capacité. Par exemple, les systèmes de communication à fibre optique utilisent des diodes laser infrarouges dont les longueurs d'onde vont de 800 nm à 1 600 nm.
Balayage optique : les diodes laser sont utilisées pour scanner les codes-barres, les codes UPC et d'autres modèles à l'aide d'appareils tels que des lecteurs de codes-barres, des scanners et des imprimantes. Ils émettent un faisceau de lumière qui se reflète sur le motif sur un photodétecteur qui le convertit en signal électrique. Ils utilisent des longueurs d’onde de lumière visibles ou proches de l’infrarouge en fonction du type et de la couleur du motif. Par exemple, les lecteurs de codes-barres utilisent des diodes laser rouges d'une longueur d'onde de 650 nm.
Détection optique : les diodes laser sont utilisées pour mesurer divers paramètres physiques tels que la distance, la vitesse, la température, la pression et la concentration à l'aide d'appareils tels que le lidar, le radar, les thermomètres, les capteurs de pression et les analyseurs de gaz. Ils émettent un faisceau de lumière qui interagit avec l'objet ou le support cible et renvoie à un détecteur qui analyse ses propriétés. Ils utilisent différentes longueurs d'onde de lumière selon le type et la plage de mesure. Par exemple, les systèmes lidar utilisent des diodes laser proche infrarouge d’une longueur d’onde de 905 nm ou 1 550 nm.
Affichage optique : les diodes laser sont utilisées pour projeter des images ou des informations sur des écrans ou des surfaces à l'aide d'appareils tels que des projecteurs, des téléviseurs, des moniteurs et des hologrammes. Ils émettent des faisceaux de lumière rouge, verte et bleue qui se combinent pour former différentes couleurs et formes en fonction du signal d'entrée. Ils utilisent des longueurs d'onde visibles de lumière en fonction de la résolution et de la luminosité de l'écran. Par exemple, les projecteurs laser utilisent des diodes laser rouges d'une longueur d'onde de 635 nm, des diodes laser vertes d'une longueur d'onde de 520 nm et des diodes laser bleues d'une longueur d'onde de 445 nm.
Chirurgie optique : les diodes laser sont utilisées pour effectuer diverses procédures médicales telles que la coupe, la cautérisation, l'ablation, la coagulation et la photocoagulation à l'aide d'appareils tels que des lasers chirurgicaux et des endoscopes. Ils émettent des faisceaux de lumière qui pénètrent dans les tissus et provoquent des effets thermiques ou photochimiques selon la puissance et la durée d'exposition. Ils utilisent différentes longueurs d’onde de lumière selon le type et la profondeur du traitement. Par exemple, les lasers ophtalmiques utilisent des diodes laser vertes d’une longueur d’onde de 532 nm pour traiter les maladies de la rétine et de la maculaire.
Avantages des diodes laser
Les diodes laser présentent plusieurs avantages par rapport aux autres types de laser, tels que :
Taille compacte : les diodes laser sont très petites et légères, ce qui les rend faciles à intégrer à d'autres appareils et systèmes.
Faible consommation d'énergie : les diodes laser nécessitent une faible tension et un faible courant pour fonctionner, ce qui réduit les coûts énergétiques et la génération de chaleur.
Haute efficacité : les diodes laser convertissent une grande partie de l’entrée électrique en sortie optique, ce qui entraîne une luminosité et une intensité élevées.
Longue durée de vie : les diodes laser ont une longue durée de vie, pouvant durer des milliers d'heures sans dégradation ni panne.
Polyvalence : les diodes laser peuvent produire de la lumière dans différentes longueurs d'onde, modes et motifs, permettant une large gamme d'applications et de personnalisation.
Inconvénients des diodes laser
Les diodes laser présentent également certains inconvénients, tels que :
Sensibilité à la température : les diodes laser sont sensibles aux changements de température, ce qui peut affecter leurs performances et leur fiabilité. Ils peuvent nécessiter des systèmes de refroidissement ou des contrôleurs de température pour maintenir des conditions optimales.
Rétroaction optique : les diodes laser sont sujettes à une rétroaction optique qui peut déstabiliser, créer du bruit ou endommager l'appareil, nécessitant souvent des isolateurs ou des filtres pour bloquer les réflexions indésirables.
Saut de mode : les diodes laser peuvent présenter un saut de mode, qui est un changement soudain de la longueur d'onde ou du mode de sortie en raison de fluctuations de température, de courant ou de retour optique. Cela peut affecter la cohérence et la stabilité du faisceau de sortie.
Coût : Les diodes laser peuvent être coûteuses, en particulier pour les appareils haute puissance ou accordables. Ils peuvent également nécessiter des composants ou des circuits supplémentaires pour les piloter et les contrôler.
Résumé
Une diode laser est un dispositif semi-conducteur qui produit une lumière cohérente grâce à un processus d'émission stimulée. Elle est similaire à une diode électroluminescente (DEL), mais sa structure est plus complexe et son temps de réponse est plus rapide.
Une diode laser est constituée d'une jonction pn avec une couche intrinsèque supplémentaire entre les deux, formant une structure à broches. La couche intrinsèque est la région active où la lumière est générée par la recombinaison d’électrons et de trous.
Une diode laser fonctionne en appliquant une tension de polarisation directe aux bornes de la jonction pn, ce qui fait circuler le courant à travers le dispositif. Le courant injecte des électrons de la région de type n et des trous de la région de type p dans la couche intrinsèque, où ils se recombinent et libèrent de l'énergie sous forme de photons.
Certains de ces photons sont émis spontanément dans des directions aléatoires, tandis que d’autres sont stimulés par les photons existants dans la cavité pour émettre en phase avec eux. Les photons stimulés rebondissent entre les extrémités réfléchissantes, provoquant une émission plus stimulée et créant une inversion de population, où il y a plus d'électrons excités que d'électrons non excités.
Lorsque l'inversion de population atteint un niveau seuil, une sortie laser en régime permanent est obtenue, où le taux d'émission stimulée est égal au taux de perte de photons due à la transmission ou à l'absorption. La puissance de sortie de la diode laser dépend du courant d'entrée et de l'efficacité de l'appareil.
La longueur d'onde de la lumière laser dépend de la bande interdite du matériau semi-conducteur et de la longueur de la cavité optique. Les diodes laser peuvent produire de la lumière dans différentes régions du spectre électromagnétique, de l'infrarouge à l'ultraviolet.
Les diodes laser sont classées en différents types en fonction de leur structure, mode de fonctionnement, longueur d'onde, puissance de sortie et application. Certains des types courants sont les diodes laser monomodes, les diodes laser multimodes, les diodes laser à amplificateur de puissance à oscillateur maître (MOPA), les diodes laser à émission de surface à cavité verticale (VCSEL), les diodes laser à rétroaction distribuée (DFB), les lasers à diode à cavité externe (ECDL), etc.
Les diodes laser ont une large gamme d'applications dans divers domaines en raison de leurs avantages tels que leur taille compacte, leur faible consommation d'énergie, leur rendement élevé, leur longue durée de vie et leur polyvalence. Certaines de leurs applications sont le stockage optique, la communication optique, le balayage optique, la détection optique, l'affichage optique et la chirurgie optique.
Malgré leurs avantages, les diodes laser présentent des inconvénients, notamment la sensibilité à la température, le retour optique, les sauts de mode et les coûts élevés.
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