Diode laser

Les diodes laser jouent un rôle important dans notre vie quotidienne. Ils sont très bon marché et petits. Les diodes laser sont les plus petites de tous les lasers connus. Leur taille est une fraction de millimètre.
Les diodes laser sont également appelées lasers à semi-conducteurs, lasers à jonction, lasers à diode à jonction ou lasers à injection. Avant d’entrer dans les diodes laser, regardons d’abord la diode elle-même.

Qu’est-ce qu’une diode de jonction p-n?

Une diode de jonction p-n est un dispositif à semi-conducteur qui permet l’écoulement du courant dans une seule direction.

La diode de jonction p-n est constituée de deux types de matériaux semi-conducteurs, à savoir un semi-conducteur de type p et un semi-conducteur de type n. Le semi-conducteur de type p est joint au semi-conducteur de type n pour former une jonction p-n. Le dispositif résultant de la jonction d’un semi-conducteur de type p et de type n est appelé diode de jonction p-n.

La diode de jonction p-n permet le courant électrique en condition de polarisation directe alors qu’elle bloque le courant électrique en condition de polarisation inverse.

Si la borne positive de la batterie est connectée au semi-conducteur de type p et que la borne négative de la batterie est connectée au semi-conducteur de type n, la diode est dite polarisée en direct.

Lorsqu’une tension de polarisation directe est appliquée à la diode, les électrons libres commencent à se déplacer de la borne négative de la batterie vers la borne positive de la batterie de même les trous commencent à se déplacer de la borne positive de la batterie vers la borne négative de la batterie.

En raison de ces flux de porteurs de charge (électrons libres et trous), un courant électrique est généré dans la diode de jonction p-n.

Dans les diodes de jonction p-n ordinaires, les électrons se déplaçant du type n au type p se recombineront avec les trous du semi-conducteur ou de la jonction de type p. De même, les trous se déplaçant du type p au type n se recombineront avec les électrons du semi-conducteur ou de la jonction de type n.

Nous savons que le niveau d’énergie des électrons libres dans la bande de conduction est élevé par rapport aux trous dans la bande de valence. Par conséquent, les électrons libres vont libérer leur énergie supplémentaire (énergie non radiative) tout en se recombinant avec les trous.

Dans Les diodes électroluminescentes (LED) ou les diodes laser, la recombinaison se déroule de manière similaire. Cependant, les électrons libres dans les LED ou les diodes laser libèrent de l’énergie sous forme de lumière tout en se recombinant avec les trous.

Qu’est-ce qu’une diode laser?

Une diode laser est un dispositif optoélectronique qui convertit l’énergie électrique en énergie lumineuse pour produire une lumière cohérente de haute intensité. Dans une diode laser, la jonction p-n de la diode semi-conductrice agit comme milieu laser ou milieu actif.

Le fonctionnement de la diode laser est presque similaire à celui de la diode électroluminescente (LED). La principale différence entre la LED et la diode laser est que la LED émet une lumière incohérente tandis que la diode laser émet une lumière cohérente.

Construction de la diode laser

La diode laser est constituée de deux couches d’arséniure de gallium dopées. Une couche d’arséniure de gallium dopée produira un semi-conducteur de type n tandis qu’une autre couche d’arséniure de gallium dopée produira un semi-conducteur de type p. Dans les diodes laser, le sélénium, l’aluminium et le silicium sont utilisés comme agents dopants.

Jonction P-N

Lorsqu’une couche de type p est jointe à la couche de type n, une jonction p-n est formée. Le point auquel les couches de type p et de type n sont jointes est appelé jonction p-n. La jonction p-n sépare les semi-conducteurs de type p et de type n.

Pour la construction de diodes laser, l’arséniure de gallium est choisi par rapport au silicium. Dans les diodes au silicium, l’énergie est libérée lors de la recombinaison. Cependant, cette libération d’énergie ne se fait pas sous forme de lumière.

Dans les diodes à l’arséniure de gallium, la libération d’énergie se fait sous forme de lumière ou de photons. Par conséquent, l’arséniure de gallium est utilisé pour la construction de diodes laser.

Semi-conducteur de type N

L’ajout d’un faible pourcentage d’atomes étrangers dans le semi-conducteur intrinsèque produit un semi-conducteur de type n ou de type p.

Si des impuretés pentavalentes sont ajoutées au semi-conducteur intrinsèque ou pur, un semi-conducteur de type n est produit. Dans les semi-conducteurs de type n, les électrons libres sont les porteurs de charge majoritaires tandis que les trous sont les porteurs de charge minoritaires. Par conséquent, les électrons libres transportent la majeure partie du courant électrique dans les semi-conducteurs de type n.

Semi-conducteur de type P

Si des impuretés trivalentes sont ajoutées au semi-conducteur pur, un semi-conducteur de type p est produit. Dans les semi-conducteurs de type p, les trous sont les porteurs de charge majoritaires tandis que les électrons libres sont les porteurs de charge minoritaires. Par conséquent, les trous transportent la majeure partie du courant électrique dans les semi-conducteurs de type p.

Principales étapes requises pour produire un faisceau de lumière cohérent dans des diodes laser

Les principales étapes requises pour produire un faisceau de lumière cohérent dans des diodes lasers sont: l’absorption de la lumière, l’émission spontanée et l’émission stimulée.

Absorption d’énergie

L’absorption d’énergie est le processus d’absorption d’énergie des sources d’énergie externes.

Dans les diodes laser, l’énergie électrique ou la tension continue est utilisée comme source d’énergie externe. Lorsque la tension continue ou l’énergie électrique fournit suffisamment d’énergie aux électrons de valence ou aux électrons de la bande de valence, ils rompent la liaison avec l’atome parent et sautent dans le niveau d’énergie plus élevé (bande de conduction). Les électrons dans la bande de conduction sont appelés électrons libres.

Lorsque l’électron de valence quitte la coquille de valence, un espace vide est créé au point d’où l’électron est parti. Cet espace vide dans la coquille de valence s’appelle un trou.

Ainsi, les électrons libres et les trous sont générés en paire en raison de l’absorption d’énergie de la source de courant continu externe.

Émission spontanée

L’émission spontanée est le processus d’émission de lumière ou de photons naturellement tandis que les électrons tombent à l’état d’énergie inférieure.

Dans les diodes laser, les électrons de la bande de valence ou les électrons de valence sont à l’état d’énergie inférieure. Par conséquent, les trous générés après la sortie des électrons de valence sont également à l’état d’énergie inférieure.

En revanche, les électrons de bande de conduction ou électrons libres sont à l’état d’énergie supérieure. En termes simples, les électrons libres ont plus d’énergie que les trous.

Les électrons libres dans la bande de conduction doivent perdre leur énergie supplémentaire pour se recombiner avec les trous de la bande de valence.

Les électrons libres dans la bande de conduction ne resteront pas longtemps. Après une courte période, les électrons libres se recombinent avec les trous d’énergie inférieure en libérant de l’énergie sous forme de photons.

Émission stimulée

L’émission stimulée est le processus par lequel des électrons excités ou des électrons libres sont stimulés pour tomber dans l’état d’énergie inférieure en libérant de l’énergie sous forme de lumière. L’émission stimulée est un processus artificiel.

En émission stimulée, les électrons excités ou les électrons libres n’ont pas besoin d’attendre la fin de leur durée de vie. Avant la fin de leur durée de vie, les photons incidents ou externes forceront les électrons libres à se recombiner avec les trous. En émission stimulée, chaque photon incident va générer deux photons.

Tous les photons générés par l’émission stimulée vont voyager dans la même direction. En conséquence, un faisceau étroit de lumière laser de haute intensité est produit.

Comment fonctionne la diode laser?

Lorsque la tension CONTINUE est appliquée à travers la diode laser, les électrons libres se déplacent à travers la région de jonction du matériau de type n au matériau de type p. Dans ce processus, certains électrons interagiront directement avec les électrons de valence et les exciteront au niveau d’énergie plus élevé, tandis que d’autres électrons se recombineront avec les trous du semi-conducteur de type p et libéreront de l’énergie sous forme de lumière. Ce processus d’émission est appelé émission spontanée.

Les photons générés par l’émission spontanée parcourront la région de jonction et stimuleront les électrons excités (électrons libres). En conséquence, plus de photons sont libérés. Ce processus d’émission de lumière ou de photons est appelé émission stimulée. La lumière générée par l’émission stimulée se déplace parallèlement à la jonction.

Les deux extrémités de la structure de diode laser sont optiquement réfléchissantes. Une extrémité est entièrement réfléchissante tandis qu’une autre extrémité est partiellement réfléchissante. L’extrémité entièrement réfléchissante réfléchira complètement la lumière tandis que l’extrémité partiellement réfléchissante réfléchira la majeure partie de la lumière mais autorise une petite quantité de lumière.

La lumière générée dans la jonction p-n rebondira d’avant en arrière (des centaines de fois) entre les deux surfaces réfléchissantes. En conséquence, un gain optique énorme est obtenu.

La lumière générée en raison de l’émission stimulée s’échappe par l’extrémité partiellement réfléchissante de la diode laser pour produire une lumière laser à faisceau étroit.
Tous les photons générés par l’émission stimulée vont voyager dans la même direction. Par conséquent, cette lumière se déplacera sur de longues distances sans se propager dans l’espace.

Avantages des diodes laser

1. Construction simple
2. Léger
3. Très bon marché
4. Petite taille
5. Très fiable par rapport aux autres types de lasers.
6. Durée de vie plus longue
7. Rendement élevé
8. Les miroirs ne sont pas nécessaires dans les lasers à semi-conducteurs.
9. Faible consommation d’énergie

Désavantages des diodes laser

1. Ne convient pas aux applications nécessitant des puissances élevées.
2. Les semi-conducteurs sont fortement dépendants de la température.

Applications des diodes laser

1. Les diodes laser sont utilisées dans les pointeurs laser.
2. Les diodes laser sont utilisées dans les communications par fibre optique.
3. Les diodes laser sont utilisées dans les lecteurs de codes à barres.
4. Les diodes laser sont utilisées dans l’impression laser.
5. Les diodes laser sont utilisées dans le balayage laser.
6. Les diodes laser sont utilisées dans les télémètres.
7. Les diodes laser sont utilisées en spectrométrie d’absorption laser.

Types de diodes

Les différents types de diodes sont les suivants:

1. Zener diode
2. Avalanche diode
3. Photodiode
4. Light Emitting Diode
5. Laser diode
6. Tunnel diode
7. Schottky diode
8. Varactor diode
9. P-N junction diode