Diode laser - Laser diode

Diode laser
Diode laser.jpg
Une diode laser emballée illustrée avec un sou pour l'échelle
Taper semi - conducteur , diode électroluminescente
Principe de fonctionnement semi - conducteur , Génération et recombinaison de porteurs
A inventé Robert N. Hall , 1962; Nick Holonyak, Jr. , 1962
Configuration des broches Anode et cathode
Une diode laser emballée illustrée avec un sou pour l'échelle
La puce de la diode laser retirée et placée sur le chas d'une aiguille pour l'échelle
Une diode laser avec le boîtier découpé. La puce de diode laser est la petite puce noire à l'avant ; une photodiode à l'arrière est utilisée pour contrôler la puissance de sortie.
Image SEM ( microscope électronique à balayage ) d'une diode laser commerciale avec son boîtier et sa fenêtre découpés. La connexion de l'anode sur la droite a été accidentellement rompue par le processus de découpe du boîtier.

Une diode laser ( LD , également diode laser à injection ou ILD , ou diode laser ) est un dispositif semi - conducteur similaire à une diode électroluminescente dans laquelle une diode pompée directement avec un courant électrique peut créer des conditions laser à la jonction de la diode .

Poussée par la tension, la transition pn dopée permet la recombinaison d'un électron avec un trou . En raison de la chute de l'électron d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau inférieur, un rayonnement, sous la forme d'un photon émis, est généré. C'est l'émission spontanée. Une émission stimulée peut être produite lorsque le processus se poursuit et génère en outre de la lumière avec la même phase, la même cohérence et la même longueur d'onde.

Le choix du matériau semi-conducteur détermine la longueur d'onde du faisceau émis, qui dans les diodes laser d'aujourd'hui va de l'infrarouge au spectre UV. Les diodes laser sont le type de laser le plus couramment produit, avec un large éventail d'utilisations qui incluent les communications par fibre optique , les lecteurs de codes - barres , les pointeurs laser , la lecture/l'enregistrement de CD / DVD / Blu-ray , l' impression laser , la numérisation laser et l' éclairage par faisceau lumineux. . Avec l'utilisation d'un phosphore comme celui que l'on trouve sur les LED blanches , les diodes laser peuvent être utilisées pour l'éclairage général.

Théorie

Lasers à semi-conducteurs (660 nm, 635 nm, 532 nm, 520 nm, 445 nm, 405 nm)

Une diode laser est électriquement une diode PIN . La région active de la diode laser se trouve dans la région intrinsèque (I), et les porteurs (électrons et trous) sont pompés dans cette région à partir des régions N et P respectivement. Alors que les recherches initiales sur les lasers à diodes ont été menées sur de simples diodes PN, tous les lasers modernes utilisent la mise en œuvre à double hétérostructure, où les porteurs et les photons sont confinés afin de maximiser leurs chances de recombinaison et de génération de lumière. Contrairement à une diode ordinaire, l'objectif d'une diode laser est de recombiner tous les porteurs de la région I et de produire de la lumière. Ainsi, les diodes laser sont fabriquées à l'aide de semi - conducteurs à bande interdite directe . La structure épitaxiale de la diode laser est développée en utilisant l'une des techniques de croissance cristalline , généralement à partir d'un substrat dopé N , et en faisant croître la couche active dopée I, suivie de la gaine dopée P et d'une couche de contact. La couche active est le plus souvent constituée de puits quantiques , qui fournissent un courant de seuil inférieur et un rendement plus élevé.

Pompage électrique et optique

Les diodes laser forment un sous-ensemble de la plus grande classification des diodes semi-conductrices à jonction p - n . La polarisation électrique directe à travers la diode laser fait que les deux espèces de porteurs de charge - les trous et les électrons - sont "injectés" des côtés opposés de la jonction p - n dans la région d'appauvrissement. Des trous sont injectés à partir de la p dopé, et les électrons du n dopé, semi-conducteur. (Une région d'appauvrissement , dépourvue de tout porteur de charge, se forme à la suite de la différence de potentiel électrique entre les semi-conducteurs de type n et p partout où ils sont en contact physique.) En raison de l'utilisation de l'injection de charge dans l'alimentation de la plupart des diodes laser, cette classe de lasers est parfois appelée « lasers à injection » ou « diode laser à injection » (ILD). Comme les lasers à diodes sont des dispositifs à semi-conducteurs, ils peuvent également être classés comme des lasers à semi-conducteurs. L'une ou l'autre désignation distingue les lasers à diodes des lasers à solide .

Une autre méthode d'alimentation de certains lasers à diodes est l'utilisation du pompage optique . Les lasers à semi-conducteurs à pompage optique (OPSL) utilisent une puce semi-conductrice III-V comme support de gain et un autre laser (souvent une autre diode laser) comme source de pompage. L'OPSL offre plusieurs avantages par rapport aux ILD, en particulier dans la sélection de la longueur d'onde et l'absence d'interférence des structures d'électrodes internes. Un autre avantage des OPSL est l'invariance des paramètres du faisceau - divergence, forme et pointage - lorsque la puissance de pompage (et donc la puissance de sortie) varie, même sur un rapport de puissance de sortie de 10:1.

Génération d'émission spontanée

Lorsqu'un électron et un trou sont présents dans la même région, ils peuvent se recombiner ou « s'annihiler » produisant une émission spontanée - c'est-à-dire que l'électron peut réoccuper l'état d'énergie du trou, émettant un photon avec une énergie égale à la différence entre l'état d'origine de l'électron et l'état du trou. (Dans une diode à jonction semi-conductrice conventionnelle, l'énergie libérée par la recombinaison des électrons et des trous est emportée sous forme de phonons , c'est-à-dire de vibrations de réseau, plutôt que de photons.) L'émission spontanée en dessous du seuil laser produit des propriétés similaires à celles d'une LED . L'émission spontanée est nécessaire pour initier l'oscillation laser, mais c'est l'une des nombreuses sources d'inefficacité une fois que le laser oscille.

Semi-conducteurs à bande interdite directe et indirecte

La différence entre le laser à semi-conducteur à émission de photons et une diode à jonction à semi-conducteur conventionnelle à émission de phonons (non émettrice de lumière) réside dans le type de semi-conducteur utilisé, dont la structure physique et atomique confère la possibilité d'émettre des photons. Ces semi-conducteurs émetteurs de photons sont les semi-conducteurs dits à "bande interdite directe" . Les propriétés du silicium et du germanium, qui sont des semi-conducteurs à élément unique, ont des bandes interdites qui ne s'alignent pas de la manière nécessaire pour permettre l'émission de photons et ne sont pas considérées comme « directes ». D'autres matériaux, appelés semi-conducteurs composés, ont des structures cristallines pratiquement identiques à celles du silicium ou du germanium, mais utilisent des dispositions alternées de deux espèces atomiques différentes dans un motif en damier pour briser la symétrie. La transition entre les matériaux dans le motif alterné crée la propriété critique de " bande interdite directe ". L'arséniure de gallium , le phosphure d'indium , l'antimonure de gallium et le nitrure de gallium sont tous des exemples de matériaux semi-conducteurs composés qui peuvent être utilisés pour créer des diodes à jonction émettant de la lumière.

Schéma d'une diode laser simple, comme illustré ci-dessus ; Pas à l'échelle
Une diode laser à enveloppe métallique simple et de faible puissance

Génération d'émission stimulée

En l'absence de conditions d'émission stimulée (p. matériaux typiques des lasers à diodes), avant qu'ils ne se recombinent. Un photon proche avec une énergie égale à l'énergie de recombinaison peut provoquer une recombinaison par émission stimulée . Cela génère un autre photon de même fréquence, polarisation et phase , se déplaçant dans la même direction que le premier photon. Cela signifie que l'émission stimulée entraînera un gain dans une onde optique (de la bonne longueur d'onde) dans la région d'injection, et le gain augmente à mesure que le nombre d'électrons et de trous injectés à travers la jonction augmente. Les processus d'émission spontanée et stimulée sont beaucoup plus efficaces dans les semi-conducteurs à bande interdite directe que dans les semi-conducteurs à bande interdite indirecte ; le silicium n'est donc pas un matériau courant pour les diodes laser.

Cavité optique et modes laser

Comme dans les autres lasers, la région de gain est entourée d'une cavité optique pour former un laser. Dans la forme la plus simple de diode laser, un guide d'ondes optique est réalisé sur la surface de ce cristal, de sorte que la lumière est confinée à une ligne relativement étroite. Les deux extrémités du cristal sont clivées pour former des bords parfaitement lisses et parallèles, formant un résonateur Fabry-Pérot . Les photons émis dans un mode du guide d'ondes voyageront le long du guide d'ondes et seront réfléchis plusieurs fois par chaque face d'extrémité avant de sortir. Lorsqu'une onde lumineuse traverse la cavité, elle est amplifiée par émission stimulée , mais la lumière est également perdue en raison de l'absorption et d'une réflexion incomplète des facettes d'extrémité. Enfin, s'il y a plus d'amplification que de perte, la diode commence à " laser ".

Certaines propriétés importantes des diodes laser sont déterminées par la géométrie de la cavité optique. Généralement, la lumière est contenue dans une couche très mince, et la structure ne supporte qu'un seul mode optique dans la direction perpendiculaire aux couches. Dans la direction transversale, si le guide d'ondes est large par rapport à la longueur d'onde de la lumière, alors le guide d'ondes peut prendre en charge plusieurs modes optiques transversaux , et le laser est appelé "multimode". Ces lasers transversalement multimodes sont adéquats dans les cas où l'on a besoin d'une très grande puissance, mais pas d'un petit faisceau TEM00 limité en diffraction ; par exemple dans l'impression, l'activation de produits chimiques, la microscopie ou le pompage d' autres types de lasers.

Dans les applications où un petit faisceau focalisé est nécessaire, le guide d'onde doit être rendu étroit, de l'ordre de la longueur d'onde optique. De cette façon, un seul mode transverse est supporté et on se retrouve avec un faisceau limité en diffraction. De tels dispositifs à mode spatial unique sont utilisés pour le stockage optique, les pointeurs laser et les fibres optiques. Notez que ces lasers peuvent toujours prendre en charge plusieurs modes longitudinaux et peuvent donc fonctionner à plusieurs longueurs d'onde simultanément. La longueur d'onde émise est fonction de la bande interdite du matériau semi-conducteur et des modes de la cavité optique. En général, le gain maximum se produira pour les photons avec une énergie légèrement supérieure à l'énergie de la bande interdite, et les modes les plus proches du pic de la courbe de gain seront les plus intenses. La largeur de la courbe de gain déterminera le nombre de "modes secondaires" supplémentaires qui peuvent également s'éteindre, en fonction des conditions de fonctionnement. Les lasers à mode spatial unique qui peuvent prendre en charge plusieurs modes longitudinaux sont appelés lasers Fabry Perot (FP). Un laser FP émettra des rayons laser à plusieurs modes de cavité dans la bande passante de gain du milieu laser. Le nombre de modes laser dans un laser FP est généralement instable et peut fluctuer en raison de changements de courant ou de température.

Les lasers à diodes monomode spatial peuvent être conçus pour fonctionner sur un seul mode longitudinal. Ces diodes laser monofréquence présentent une grande stabilité et sont utilisées en spectroscopie et métrologie, et comme références de fréquence. Les lasers à diodes à fréquence unique sont classés soit comme des lasers à rétroaction distribuée (DFB), soit comme des lasers à réflecteur de Bragg distribué (DBR).

Formation de faisceau laser

En raison de la diffraction , le faisceau diverge (se dilate) rapidement après avoir quitté la puce, typiquement à 30 degrés verticalement par 10 degrés latéralement. Une lentille doit être utilisée pour former un faisceau collimaté comme celui produit par un pointeur laser. Si un faisceau circulaire est requis, des lentilles cylindriques et d'autres optiques sont utilisées. Pour les lasers monomodes spatiaux, utilisant des lentilles symétriques, le faisceau collimaté finit par être de forme elliptique, du fait de la différence des divergences verticale et latérale. Ceci est facilement observable avec un pointeur laser rouge .

La diode simple décrite ci-dessus a été fortement modifiée ces dernières années pour s'adapter à la technologie moderne, résultant en une variété de types de diodes laser, comme décrit ci-dessous.

Histoire

Nick Holonyak

Dès 1953, John von Neumann a décrit le concept de laser à semi-conducteur dans un manuscrit non publié. En 1957, l'ingénieur japonais Jun-ichi Nishizawa dépose un brevet pour le premier laser à semi-conducteur . C'était une avancée de ses inventions antérieures, la diode PIN en 1950 et le maser à semi-conducteurs en 1955.

Suite aux traitements théoriques de MG Bernard, G. Duraffourg et William P. Dumke au début des années 1960, l'émission de lumière cohérente d'une diode semi-conductrice à l'arséniure de gallium (GaAs) (une diode laser) a été démontrée en 1962 par deux groupes américains dirigés par Robert N. Hall au centre de recherche General Electric et par Marshall Nathan au centre de recherche IBM TJ Watson. Il y a eu un débat en cours pour savoir si IBM ou GE ont inventé la première diode laser qui était largement basée sur les travaux théoriques de William P. Dumke au Kitchawan Lab d'IBM (actuellement connu sous le nom de Thomas J. Watson Research Center) à Yorktown Heights, NY. La priorité est donnée au groupe General Electric qui a obtenu et remis ses résultats plus tôt ; ils sont également allés plus loin et ont fait une cavité résonante pour leur diode. Ben Lax du MIT et d'autres physiciens de premier plan ont d'abord supposé que le silicium ou le germanium pourraient être utilisés pour créer un effet laser, mais des analyses théoriques ont convaincu William P. Dumke que ces matériaux ne fonctionneraient pas. Au lieu de cela, il a suggéré l'arséniure de gallium comme un bon candidat. La première diode laser GaAs à longueur d'onde visible a été démontrée par Nick Holonyak, Jr. plus tard en 1962.

D'autres équipes du MIT Lincoln Laboratory , Texas Instruments et RCA Laboratories ont également été impliquées et ont reçu le crédit de leurs premières démonstrations historiques d'émission de lumière efficace et d'effet laser dans les diodes semi-conductrices en 1962 et par la suite. Des lasers GaAs ont également été produits au début de 1963 en Union soviétique par l'équipe dirigée par Nikolay Basov .

Au début des années 1960, l'épitaxie en phase liquide (LPE) a été inventée par Herbert Nelson de RCA Laboratories. En superposant des cristaux de la plus haute qualité de compositions variées, il a permis la démonstration de matériaux laser à semi-conducteur à hétérojonction de la plus haute qualité pendant de nombreuses années. Le LPE a été adopté par tous les principaux laboratoires du monde entier et utilisé depuis de nombreuses années. Il a finalement été supplanté dans les années 1970 par épitaxie par jets moléculaires et dépôt chimique en phase vapeur organométallique .

Les lasers à diode de cette époque fonctionnaient avec des densités de courant seuil de 1000 A/cm 2 à des températures de 77 K. De telles performances ont permis de démontrer le laser en continu dès les premiers jours. Cependant, lors d'un fonctionnement à température ambiante, environ 300 K, les densités de courant de seuil étaient supérieures de deux ordres de grandeur, ou 100 000 A/cm 2 dans les meilleurs appareils. Le défi dominant pour le reste des années 1960 était d'obtenir une faible densité de courant de seuil à 300 K et ainsi de démontrer le laser à onde continue à température ambiante à partir d'un laser à diode.

Les premiers lasers à diodes étaient des diodes à homojonction. C'est-à-dire que le matériau (et donc la bande interdite) de la couche centrale du guide d'ondes et celui des couches de revêtement environnantes étaient identiques. Il a été reconnu qu'il existait une opportunité, notamment offerte par l'utilisation de l'épitaxie en phase liquide utilisant de l'arséniure d'aluminium et de gallium, d'introduire des hétérojonctions. Les hétérostructures sont constituées de couches de cristal semi-conducteur ayant une bande interdite et un indice de réfraction variables. Les hétérojonctions (formées à partir d'hétérostructures) avaient été reconnues par Herbert Kroemer , alors qu'il travaillait aux laboratoires RCA au milieu des années 1950, comme ayant des avantages uniques pour plusieurs types de dispositifs électroniques et optoélectroniques, y compris les lasers à diode. Le LPE a fourni la technologie de fabrication de lasers à diodes à hétérojonction. En 1963, il propose le laser à double hétérostructure .

Les premiers lasers à diodes à hétérojonction étaient des lasers à hétérojonction unique. Ces lasers utilisaient des injecteurs de type p d' arséniure de gallium d'aluminium situés sur des couches d'arséniure de gallium de type n cultivées sur le substrat par LPE. Un mélange d'aluminium a remplacé le gallium dans le cristal semi-conducteur et a augmenté la bande interdite de l' injecteur de type p par rapport à celle des couches de type n en dessous. Ça a marché; les courants de seuil de 300 K ont diminué de 10× à 10 000 ampères par centimètre carré. Malheureusement, ce n'était toujours pas dans la plage nécessaire et ces lasers à diodes à hétérostructure unique ne fonctionnaient pas en mode onde continue à température ambiante.

L'innovation qui a relevé le défi de la température ambiante était le laser à double hétérostructure. L'astuce consistait à déplacer rapidement la plaquette dans l'appareil LPE entre différents "fonds" d'arséniure de gallium d'aluminium (type p et n ) et un troisième bain d'arséniure de gallium. Cela devait être fait rapidement car la région du cœur en arséniure de gallium devait avoir une épaisseur significativement inférieure à 1 µm. La première diode laser à fonctionner en onde continue était une double hétérostructure démontrée en 1970 essentiellement simultanément par Zhores Alferov et ses collaborateurs (dont Dmitri Z. Garbuzov ) de l' Union soviétique , et Morton Panish et Izuo Hayashi travaillant aux États-Unis. Cependant, il est largement admis que Zhores I. Alferov et son équipe ont atteint le premier jalon.

Pour leur accomplissement et celui de leurs collègues, Alferov et Kroemer ont partagé le prix Nobel de physique 2000.

Les types

La structure de diode laser simple, décrite ci-dessus, est inefficace. De tels appareils nécessitent tellement de puissance qu'ils ne peuvent fonctionner qu'à impulsions sans dommage. Bien qu'historiquement importants et faciles à expliquer, de tels dispositifs ne sont pas pratiques.

Lasers à double hétérostructure

Schéma de vue de face d'une diode laser à double hétérostructure ; Pas à l'échelle

Dans ces dispositifs, une couche de matériau à faible bande interdite est prise en sandwich entre deux couches à haute bande interdite. Une paire de matériaux couramment utilisés est l'arséniure de gallium (GaAs) avec l'arséniure de gallium d'aluminium (Al x Ga (1-x) As). Chacune des jonctions entre différents matériaux à bande interdite est appelée hétérostructure , d'où le nom de "laser à double hétérostructure" ou laser DH . Le type de diode laser décrit dans la première partie de l'article peut être appelé laser à homojonction , par contraste avec ces dispositifs plus populaires.

L'avantage d'un laser DH est que la région où les électrons libres et les trous existent simultanément - la région active - est confinée à la fine couche médiane. Cela signifie que beaucoup plus de paires électron-trou peuvent contribuer à l'amplification - peu sont laissées de côté dans la périphérie à faible amplification. De plus, la lumière est réfléchie à l'intérieur de l'hétérojonction ; par conséquent, la lumière est confinée à la région où l'amplification a lieu.

Lasers à puits quantiques

Schéma de la vue de face d'une simple diode laser à puits quantique ; Pas à l'échelle

Si la couche intermédiaire est suffisamment mince, elle agit comme un puits quantique . Cela signifie que la variation verticale de la fonction d' onde de l'électron , et donc une composante de son énergie, est quantifiée. L'efficacité d'un laser à puits quantique est supérieure à celle d'un laser massif car la densité d'états fonction des électrons dans le système à puits quantique a un bord abrupt qui concentre les électrons dans des états d'énergie qui contribuent à l'action laser.

Les lasers contenant plus d'une couche de puits quantiques sont appelés lasers à puits quantiques multiples . Des puits quantiques multiples améliorent le chevauchement de la région de gain avec le mode guide d' onde optique .

D'autres améliorations de l'efficacité du laser ont également été démontrées en réduisant la couche de puits quantique à un fil quantique ou à une « mer » de points quantiques .

Lasers à cascade quantique

Dans un laser à cascade quantique , la différence entre les niveaux d'énergie des puits quantiques est utilisée pour la transition laser au lieu de la bande interdite. Cela permet une action laser à des longueurs d' onde relativement longues , qui peuvent être réglées simplement en modifiant l'épaisseur de la couche. Ce sont des lasers à hétérojonction.

Lasers en cascade interbandes

Un laser à cascade interbande (ICL) est un type de diode laser qui peut produire un rayonnement cohérent sur une grande partie de la région de l'infrarouge moyen du spectre électromagnétique.

Lasers à hétérostructure à confinement séparé

Schéma de la vue de face d'une diode laser à puits quantique à hétérostructure de confinement séparée ; Pas à l'échelle

Le problème avec la simple diode à puits quantique décrite ci-dessus est que la couche mince est tout simplement trop petite pour confiner efficacement la lumière. Pour compenser, deux autres couches sont ajoutées, en dehors des trois premières. Ces couches ont un indice de réfraction inférieur à celui des couches centrales, et donc confinent efficacement la lumière. Une telle conception est appelée diode laser à hétérostructure de confinement séparée (SCH).

Presque toutes les diodes laser commerciales depuis les années 1990 sont des diodes à puits quantiques SCH.

Lasers à réflecteur de Bragg distribués

Un laser à réflecteur de Bragg distribué (DBR) est un type de diode laser à fréquence unique. Il est caractérisé par une cavité optique constituée d'une région de gain pompée électriquement ou optiquement entre deux miroirs pour fournir une rétroaction. L'un des miroirs est un réflecteur à large bande et l'autre miroir est sélectif en longueur d'onde de sorte que le gain est favorisé sur un seul mode longitudinal, ce qui entraîne un effet laser à une seule fréquence de résonance. Le miroir à large bande est généralement recouvert d'un revêtement à faible réflectivité pour permettre l'émission. Le miroir sélectif en longueur d'onde est un réseau de diffraction périodiquement structuré avec une réflectivité élevée. Le réseau de diffraction se trouve dans une région non pompée ou passive de la cavité. Un laser DBR est un dispositif monopuce monolithique dont le réseau est gravé dans le semi-conducteur. Les lasers DBR peuvent être des lasers à émission latérale ou des VCSEL . Les architectures hybrides alternatives qui partagent la même topologie incluent les lasers à diode à cavité étendue et les lasers à réseau de Bragg en volume, mais ceux-ci ne sont pas correctement appelés lasers DBR.

Lasers à rétroaction distribuée

Un laser à rétroaction distribuée (DFB) est un type de diode laser à fréquence unique. Les DFB sont le type d'émetteur le plus courant dans les systèmes DWDM . Pour stabiliser la longueur d'onde laser, un réseau de diffraction est gravé à proximité de la jonction pn de la diode. Ce réseau agit comme un filtre optique, provoquant la réinjection d'une seule longueur d'onde dans la région de gain et le laser. Étant donné que le réseau fournit la rétroaction requise pour le laser, la réflexion des facettes n'est pas requise. Ainsi, au moins une facette d'un DFB est antireflet . Le laser DFB a une longueur d'onde stable qui est définie lors de la fabrication par le pas du réseau et ne peut être que légèrement ajustée en fonction de la température. Les lasers DFB sont largement utilisés dans les applications de communication optique où une longueur d'onde précise et stable est essentielle.

Le courant de seuil de ce laser DFB, basé sur sa caractéristique statique, est d'environ 11 mA. Le courant de polarisation approprié dans un régime linéaire pourrait être pris au milieu de la caractéristique statique (50 mA). Plusieurs techniques ont été proposées afin d'améliorer le fonctionnement monomode dans ces types de lasers en insérant un déphasage (1PS ) ou à déphasage multiple (MPS) dans le réseau de Bragg uniforme. Cependant, les lasers DFB à déphasage multiple représentent la solution optimale car ils combinent un taux de suppression de mode latéral plus élevé et une réduction de la combustion spatiale des trous.

Laser à émission de surface à cavité verticale

Schéma d'une structure VCSEL simple ; Pas à l'échelle

Les lasers à émission de surface à cavité verticale (VCSEL) ont l'axe de la cavité optique le long de la direction du flux de courant plutôt que perpendiculairement au flux de courant comme dans les diodes laser conventionnelles. La longueur de la région active est très courte par rapport aux dimensions latérales de sorte que le rayonnement émerge de la surface de la cavité plutôt que de son bord comme le montre la figure. Les réflecteurs aux extrémités de la cavité sont des miroirs diélectriques constitués d'un multicouche épais quart d'onde à indice de réfraction élevé et faible.

De tels miroirs diélectriques offrent un degré élevé de réflectance sélective en longueur d'onde à la longueur d'onde de surface libre requise si les épaisseurs des couches alternées d 1 et d 2 avec des indices de réfraction n 1 et n 2 sont telles que n 1 d 1 + n 2 d 2 = λ/2 ce qui conduit alors à l'interférence constructive de toutes les ondes partiellement réfléchies aux interfaces. Mais il y a un inconvénient : en raison des réflectivités élevées des miroirs, les VCSEL ont des puissances de sortie inférieures à celles des lasers à émission latérale.

Il y a plusieurs avantages à produire des VCSEL par rapport au processus de production de lasers à émission latérale. Les émetteurs de bord ne peuvent pas être testés avant la fin du processus de production. Si l'émetteur de bord ne fonctionne pas, que ce soit en raison de mauvais contacts ou d'une mauvaise qualité de croissance du matériau, le temps de production et les matériaux de traitement ont été gaspillés.

De plus, comme les VCSEL émettent le faisceau perpendiculairement à la région active du laser plutôt qu'en parallèle comme avec un émetteur de bord, des dizaines de milliers de VCSEL peuvent être traités simultanément sur une plaquette d'arséniure de gallium de trois pouces. De plus, même si le processus de production du VCSEL est plus exigeant en main-d'œuvre et en matériaux, le rendement peut être contrôlé pour un résultat plus prévisible. Cependant, ils affichent normalement un niveau de sortie de puissance inférieur.

Laser à émission de surface à cavité externe verticale

Les lasers verticaux à émission de surface à cavité externe, ou VECSEL , sont similaires aux VCSEL. Dans les VCSEL, les miroirs sont généralement développés par épitaxie dans le cadre de la structure de la diode, ou développés séparément et liés directement au semi-conducteur contenant la région active. Les VECSEL se distinguent par une construction dans laquelle l'un des deux miroirs est extérieur à la structure de la diode. En conséquence, la cavité comprend une région d'espace libre. Une distance typique de la diode au miroir externe serait de 1 cm.

L'une des caractéristiques les plus intéressantes de tout VECSEL est la faible épaisseur de la région de gain du semi-conducteur dans la direction de propagation, inférieure à 100 nm. En revanche, un laser à semi-conducteur conventionnel dans le plan entraîne une propagation de la lumière sur des distances allant de 250 µm vers le haut à 2 mm ou plus. L'importance de la courte distance de propagation est qu'elle provoque la minimisation de l'effet des non-linéarités "antiguidantes" dans la région de gain de la diode laser. Le résultat est un faisceau optique monomode de grande section transversale qui n'est pas réalisable à partir de lasers à diodes dans le plan ("à émission de bord").

Plusieurs chercheurs ont fait la démonstration de VECSEL à pompage optique, et ils continuent d'être développés pour de nombreuses applications, y compris des sources de puissance élevée pour une utilisation dans l'usinage industriel (découpe, poinçonnage, etc.) en raison de leur puissance et de leur efficacité inhabituellement élevées lorsqu'ils sont pompés par des barres laser à diodes multimodes. . Cependant, en raison de leur manque de jonction pn, les VECSEL à pompage optique ne sont pas considérés comme des « lasers à diodes » et sont classés comme des lasers à semi-conducteurs.

Des VECSEL à pompage électrique ont également été démontrés. Les applications des VECSEL à pompage électrique incluent les écrans de projection, servis par le doublement de fréquence des émetteurs VECSEL proche infrarouge pour produire de la lumière bleue et verte.

Lasers à diodes à cavité externe

Les lasers à diodes à cavité externe sont des lasers accordables qui utilisent principalement des diodes à double hétérostructures de type Al x Ga (1-x) As. Les premiers lasers à diode à cavité externe utilisaient des étalons intracavité et des réseaux de Littrow à réglage simple. D'autres conceptions incluent des réseaux dans une configuration à incidence rasante et des configurations de réseaux à prismes multiples.

Fiabilité

Les diodes laser ont les mêmes problèmes de fiabilité et de défaillance que les diodes électroluminescentes . De plus, ils sont sujets à des dommages optiques catastrophiques (DCO) lorsqu'ils sont exploités à une puissance plus élevée.

Bon nombre des progrès réalisés en matière de fiabilité des diodes laser au cours des 20 dernières années restent la propriété de leurs développeurs. L'ingénierie inverse n'est pas toujours en mesure de révéler les différences entre les produits laser à diode plus fiables et moins fiables.

Les lasers à semi-conducteurs peuvent être des lasers à émission de surface tels que les VCSEL ou des lasers à émission de bord dans le plan. Pour les lasers à émission de bord, le miroir à facettes de bord est souvent formé en clivant la plaquette semi-conductrice pour former un plan à réflexion spéculaire. Cette approche est facilitée par la faiblesse du plan cristallographique [110] dans les cristaux semi-conducteurs III-V (tels que GaAs , InP , GaSb , etc.) par rapport aux autres plans.

Les états atomiques au niveau du plan de clivage sont modifiés par rapport à leurs propriétés en vrac dans le cristal par la terminaison du réseau parfaitement périodique sur ce plan. Les états de surface au niveau du plan clivé ont des niveaux d'énergie dans la bande interdite (autrement interdite) du semi-conducteur.

En conséquence, lorsque la lumière se propage à travers le plan de clivage et transite vers l'espace libre depuis l'intérieur du cristal semi-conducteur, une fraction de l'énergie lumineuse est absorbée par les états de surface où elle est convertie en chaleur par les interactions phonons - électrons . Cela chauffe le miroir clivé. De plus, le miroir peut chauffer simplement parce que le bord de la diode laser - qui est pompée électriquement - est en contact moins que parfait avec le support qui fournit un chemin pour l'évacuation de la chaleur. Le chauffage du miroir fait rétrécir la bande interdite du semi-conducteur dans les zones les plus chaudes. Le rétrécissement de la bande interdite amène plus de transitions électroniques de bande à bande en alignement avec l'énergie des photons, provoquant encore plus d'absorption. Il s'agit d' un emballement thermique , une forme de rétroaction positive , et le résultat peut être la fonte de la facette, connue sous le nom de dommages optiques catastrophiques , ou COD.

Dans les années 1970, ce problème, particulièrement gênant pour les lasers à base de GaAs émettant entre 0,630 µm et 1 µm de longueur d'onde (moins pour les lasers à base d'InP utilisés pour les télécommunications longue distance qui émettent entre 1,3 µm et 2 µm), a été identifié . Michael Ettenberg, chercheur et plus tard vice-président du centre de recherche David Sarnoff de RCA Laboratories à Princeton, New Jersey , a conçu une solution. Une fine couche d' oxyde d'aluminium a été déposée sur la facette. Si l'épaisseur de l'oxyde d'aluminium est choisie correctement, il fonctionne comme un revêtement antireflet , réduisant la réflexion à la surface. Cela a atténué le chauffage et la DCO au niveau de la facette.

Depuis lors, divers autres raffinements ont été employés. Une approche consiste à créer un miroir dit non absorbant (NAM) de telle sorte que les 10 µm finaux environ avant que la lumière ne soit émise par la facette clivée soient rendus non absorbants à la longueur d'onde d'intérêt.

Au tout début des années 90, SDL, Inc. a commencé à fournir des lasers à diode haute puissance avec de bonnes caractéristiques de fiabilité. Le PDG Donald Scifres et le CTO David Welch ont présenté de nouvelles données de performance de fiabilité lors, par exemple, des conférences SPIE Photonics West de l'époque. Les méthodes utilisées par SDL pour vaincre COD étaient considérées comme hautement exclusives et n'étaient toujours pas divulguées publiquement en juin 2006.

Au milieu des années 90, IBM Research (Ruschlikon, Suisse ) a annoncé avoir mis au point son "processus E2" qui conférait une résistance extraordinaire à la DCO dans les lasers à base de GaAs. Ce processus, lui aussi, n'a pas été divulgué en juin 2006.

La fiabilité des barres de pompage laser à diode haute puissance (utilisées pour pomper des lasers à solide) reste un problème difficile dans une variété d'applications, malgré ces avancées exclusives. En effet, la physique de la défaillance des diodes laser est toujours en cours d'élaboration et la recherche sur ce sujet reste active, si propriétaire.

L'extension de la durée de vie des diodes laser est essentielle à leur adaptation continue à une grande variété d'applications.

Applications

Les diodes laser peuvent être agencées pour produire des sorties de très haute puissance, à onde continue ou pulsée. De tels réseaux peuvent être utilisés pour pomper efficacement des lasers à semi-conducteurs pour le forage, le brûlage de puissance moyenne élevée ou pour la fusion par confinement inertiel

Les diodes laser sont numériquement le type de laser le plus courant, avec des ventes d'environ 733 millions d'unités en 2004, contre 131 000 autres types de lasers.

Télécommunications, balayage et spectrométrie

Les diodes laser sont largement utilisées dans les télécommunications en tant que sources lumineuses facilement modulables et facilement couplées pour la communication par fibre optique . Ils sont utilisés dans divers instruments de mesure, tels que les télémètres . Une autre utilisation courante est dans les lecteurs de codes-barres . Les lasers visibles , généralement rouges mais plus tard également verts , sont courants en tant que pointeurs laser . Les diodes basse et haute puissance sont largement utilisées dans l'industrie de l'impression à la fois comme sources lumineuses pour la numérisation (entrée) d'images et pour la fabrication de plaques d'impression (sortie) à très grande vitesse et haute résolution. Les diodes laser infrarouges et rouges sont courantes dans les lecteurs de CD , les CD-ROM et la technologie DVD . Les lasers violets sont utilisés dans la technologie HD DVD et Blu-ray . Les lasers à diode ont également trouvé de nombreuses applications dans la spectrométrie d'absorption laser (LAS) pour une évaluation ou une surveillance à grande vitesse et à faible coût de la concentration de diverses espèces en phase gazeuse. Les diodes laser haute puissance sont utilisées dans des applications industrielles telles que le traitement thermique, le placage, le soudage de joints et pour le pompage d'autres lasers, tels que les lasers à solide pompés par diode .

Les utilisations des diodes laser peuvent être classées de différentes manières. La plupart des applications pourraient être desservies par de plus gros lasers à semi-conducteurs ou des oscillateurs paramétriques optiques, mais le faible coût des lasers à diodes produits en série les rend essentiels pour les applications grand public. Les lasers à diodes peuvent être utilisés dans de très nombreux domaines ; la lumière ayant de nombreuses propriétés différentes (puissance, longueur d'onde, qualité spectrale et du faisceau, polarisation, etc.), il est utile de classer les applications selon ces propriétés de base.

De nombreuses applications des lasers à diodes utilisent principalement la propriété « d'énergie dirigée » d'un faisceau optique. Dans cette catégorie, on peut inclure les imprimantes laser , les lecteurs de codes-barres, la numérisation d'images , les enlumineurs, les désignateurs, l'enregistrement optique de données, l' allumage par combustion , la chirurgie au laser , le tri industriel, l'usinage industriel et les armes à énergie dirigée. Certaines de ces applications sont bien établies tandis que d'autres émergent.

Utilisations médicales

Médecine laser : la médecine et surtout la dentisterie ont trouvé de nombreuses nouvelles utilisations pour les lasers à diodes. La taille et le coût réduits des unités et leur convivialité croissante les rendent très attrayants pour les cliniciens pour les interventions mineures sur les tissus mous. Les longueurs d'onde des diodes vont de 810 à 1 100 nm , sont mal absorbées par les tissus mous et ne sont pas utilisées pour la coupe ou l' ablation . Les tissus mous ne sont pas coupés par le faisceau du laser, mais sont plutôt coupés par contact avec une pointe de verre carbonisée chaude. L'irradiation du laser est fortement absorbée à l'extrémité distale de la pointe et la chauffe jusqu'à 500 °C à 900 °C. Parce que la pointe est si chaude, elle peut être utilisée pour couper les tissus mous et peut provoquer une hémostase par cautérisation et carbonisation . Lorsqu'ils sont utilisés sur des tissus mous, les lasers à diode peuvent causer des dommages thermiques collatéraux importants aux tissus environnants.

Comme la lumière du faisceau laser est intrinsèquement cohérente , certaines applications utilisent la cohérence des diodes laser. Ceux-ci incluent la mesure de distance interférométrique, l'holographie, les communications cohérentes et le contrôle cohérent des réactions chimiques.

Les diodes laser sont utilisées pour leurs propriétés "spectrales étroites" dans les domaines de la télémétrie, des télécommunications, des contre-mesures infrarouges, de la détection spectroscopique , de la génération d'ondes radio-fréquence ou térahertz, de la préparation de l'état de l'horloge atomique, de la cryptographie à clé quantique, du doublement de fréquence et conversion, purification de l'eau (dans les UV) et thérapie photodynamique (où une longueur d'onde particulière de la lumière ferait qu'une substance telle que la porphyrine deviendrait chimiquement active en tant qu'agent anticancéreux uniquement lorsque le tissu est illuminé par la lumière).

Les diodes laser sont utilisées pour leur capacité à générer des impulsions lumineuses ultra-courtes par la technique connue sous le nom de « verrouillage de mode ». Les domaines d'utilisation comprennent la distribution d'horloge pour les circuits intégrés hautes performances, les sources de puissance de crête élevée pour la détection par spectroscopie de claquage induite par laser, la génération de formes d'onde arbitraires pour les ondes radiofréquence, l'échantillonnage photonique pour la conversion analogique-numérique et le code optique. systèmes à accès multiple division pour une communication sécurisée.

Longueurs d'onde courantes

Lumière visible

  • 405 nm: InGaN laser bleu-violet, en Blu-ray Disc et HD DVD lecteurs
  • 445–465 nm : diode multimode laser bleu InGaN récemment introduite (2010) pour une utilisation dans les projecteurs de données à haute luminosité sans mercure
  • 510-525 nm : Diodes vertes InGaN récemment (2010) développées par Nichia et OSRAM pour les projecteurs laser.
  • 635 nm : meilleurs pointeurs laser rouges AlGaInP , même puissance subjectivement deux fois plus lumineux que 650 nm
  • 650-660 nm : lecteurs de CD et DVD GaInP / AlGaInP , pointeurs laser rouges bon marché
  • 670 nm : lecteurs de codes-barres AlGaInP , premiers pointeurs laser à diode (désormais obsolètes, remplacés par des DPSS plus brillants à 650 nm et 671 nm)

Infrarouge

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

  • B. Principes des dispositifs semi-conducteurs de Van Zeghbroeck (pour les bandes interdites directes et indirectes)
  • Saleh, Bahaa EA et Teich, Malvin Carl (1991). Fondamentaux de la photonique . New York : John Wiley & Fils. ISBN  0-471-83965-5 . (Pour l'émission stimulée)
  • Koyama et al., Fumio (1988), "Fonctionnement à température ambiante cw du laser à émission de surface à cavité verticale GaAs", Trans. IEICE, E71(11) : 1089–1090 (pour VCSELS)
  • Iga, Kenichi (2000), "Laser à émission de surface—Sa naissance et génération d'un nouveau champ optoélectronique", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 6(6) : 1201–1215 (pour VECSELS)
  • Duarte, FJ (2016), "Lasers semi-conducteurs à cavité externe dispersive largement accordables", dans Tunable Laser Applications . New York : CRC Press. ISBN  9781482261066 . pp. 203–241 (Pour les lasers à diode à cavité externe).

Liens externes