Définition: Un dispositif semi-conducteur qui génère une lumière cohérente de haute intensité est connu sous le nom de diode laser. LASER est une abréviation pour Lsié UNmplification par Stitulaire Emission Radiation. Émission stimulée est la base du fonctionnement d’une diode laser.
La diode laser est similaire à la LED, cependant, différente de la LED, la jonction PN de la diode laser produit un rayonnement cohérent. Le rayonnement cohérent signifie que les ondes lumineuses générées par l’appareil ont la même fréquence et phase.
Construction de la diode laser
La figure ci-dessous montre la construction de base d’une diode laser:
Il est formé en dopage en aluminium ou en silicium à un matériau d’arséniure de gallium afin de générer une couche de type N et de type P. Parallèlement à cela, une couche active supplémentaire de GaAs non dorai est placée entre les deux couches.
L’épaisseur de cette couche active est de quelques nanomètres. L’objectif de sandwich cette couche entre les couches P et N de type N est d’augmenter la zone de combinaison électronique et de trous. En conséquence augmentant le rayonnement émis. La sortie laser est tirée de la région active de la diode laser.
Dans les diodes laser, le polissage aux deux extrémités de la jonction est effectué afin de fournir une surface en forme de miroir. Grâce à la réflexion de cette surface, plus d’électrons et de trous sont produits. En conséquence, cela produit plus de rayonnement via l’appareil.
Fonctionnement de la diode laser
Le fonctionnement d’une diode laser implique 3 processus: absorption, émission spontanée et émission stimulée.
Comprenons d’abord le processus d’absorption.
Considérez 2 niveaux d’énergie e1 et e2. Pour simplicité, supposons E1 est le niveau d’énergie inférieur et E2 est le niveau d’énergie plus élevé.
Initialement, il est supposé que l’atome est dans l’état d’énergie inférieur, c’est-à-dire E1. Afin de passer d’un niveau d’énergie inférieur à un niveau plus élevé, l’atome nécessite de surmonter la différence d’énergie entre les deux niveaux, donné par, e2 – e1.
Ainsi, un stimulus externe est fourni à l’atome présent à l’état fondamental. Ainsi, une onde électromagnétique de fréquence ν est fournie à l’atome au niveau du sol. Cette vague fournit une énergie suffisante à l’électron pour compenser la différence d’énergie et passer de E1 à e2. Ce processus est connu sous le nom d’absorption.
Se déplacer plus à comprendre maintenant le processus d’émission spontanée.
En raison de l’absorption, l’atome est présent dans le niveau d’énergie E2. Ainsi, à mesure que la durée de vie de l’atome expire, il revient maintenant au niveau du sol du niveau d’énergie plus élevé. En revenant au niveau du sol, l’atome émet la différence d’énergie des deux niveaux d’énergie, c’est-à-dire E2 – e1.
Cette énergie est émise par l’atome sous forme d’onde électromagnétique, générant un photon d’énergie. Ce processus est appelé émission spontanée.
Ce phénomène d’émission de rayonnement est généralement observé dans les dispositifs optoélectroniques tels que la LED.
Comprenons maintenant le processus d’émission stimulée
Supposons après l’absorption, l’atome est présent dans le niveau d’énergie plus élevé avant l’épuisement de sa durée de vie. Ainsi, une onde électromagnétique de fréquence égale à la fréquence d’atome émise spontanément est fournie à l’atome.
Cela amène l’atome à effectuer une transition de E2 à E1. Maintenant, cette fois, l’atome libérera l’énergie de deux photons dans cette transition.
Comme nous avons incorporé l’ensemble de la jonction entière avec un miroir partiellement réfléchissant. Ainsi, cela entraînera un mouvement d’avant en arrière de l’atome. En conséquence, cela générera plus de photons.
Dès que le seuil est atteint, les photons seront échappés de la surface du miroir, un rayonnement cohérent brillant est émis par l’appareil.
Comme au moment de l’émission stimulée, nous fournissons une énergie de photon à l’atome. Ainsi, les photons émis seront dans la même phase avec les photons incidents. Ainsi, générant une lumière vive monochromatique.
Caractéristiques de la diode laser
La figure ci-dessous montre la courbe caractéristique d’une diode laser:
Ici, la ligne horizontale indique le courant et la ligne verticale montre la puissance optique de la lumière produite. On peut voir clairement dans la figure qu’une augmentation progressive de la puissance est remarquée jusqu’à ce qu’un point de seuil soit atteint.
Après la valeur seuil, une augmentation rapide de la puissance est remarquée même pour une faible augmentation du courant. La puissance produite par la diode laser dépend également de la température associée au dispositif.
Propriété de la lumière laser
Une lumière laser émise par une diode laser contient la propriété suivante:
- Cohérence: Il s’agit d’une propriété cruciale du laser, qui existe en raison d’une émission stimulée. Il indique simplement que la longueur d’onde des ondes de la lumière émise est en phase. Lorsque nous parlons de la source de lumière ordinaire par exemple LED, elle ne montre pas la propriété de cohérence car elle est générée en raison du processus d’émission spontanée d’un photon.
- Monochromaticité: Une lumière émise par la diode laser est de nature monochrome qui signifie qu’elle a une seule longueur d’onde. Les ondes ayant une seule longueur d’onde indiquent que le rayonnement émis est d’une seule couleur.
- Luminosité: La luminosité d’une lumière est essentiellement déterminée par la puissance par unité de surface par unité d’angle solide. En raison des réflexions continues, une lumière d’intensité élevée et plus de puissance est produite par la diode laser. Cela permet en conséquence la génération de lumière vive à travers l’appareil.
- Directionnalité: Une lumière laser est hautement directionnelle, cela signifie que la lumière émise par une diode laser ne montre pas beaucoup de divergence. La directionnalité dans une diode laser est obtenue car les photons émis subissent plusieurs réflexions à travers le miroir. Chaque fois que la lumière s’écarte de son axe, elle est sautée. Ainsi, seul un faisceau lumineux très concentré est obtenu.
Avantages de la diode laser
- La puissance opérationnelle en cas de diodes laser est moindre par rapport aux autres dispositifs d’émission de lumière.
- Il est de petite taille permet ainsi une meilleure manipulation.
- Les diodes laser génèrent une lumière à haute efficacité.
Inconvénients de la diode laser
- Comme il fournit une lumière de haute densité, met donc parfois des effets négatifs sur les yeux.
- C’est cher.
Applications de la diode laser
Les diodes laser sont largement utilisées dans les télécommunications et dans les industries de la défense. La communication de fibres optiques utilise également un faisceau laser pour la transmission du signal car les fibres optiques nécessitent un faisceau hautement focalisé. Il est également très utilisé dans les imprimantes laser.