Année universitaire
2021-2022
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
2022
MASTER 2 PHOTONIQUE
Thème
LASER
Responsable
Présenté par
09/01/2022
Maître de conférences
COULIBALY
Dr BOSSON JOCELYNE
AWA
HISTORIQUE............................................................................................................................................. 3
CHAPITRE I DESCRIPTION LASER ............................................................................................................. 4
I. LES PRINCIPE DE BASES DU LASER........................................................................................................ 5
I.1 Emission, Absorption, Pompage......................................................................................................... 5
I.1.1. Description des mécanismes d'émission-absorption ..................................................................... 5
I.1.2 Inversion de population et pompage .............................................................................................. 7
I.1.3 Les systèmes spectroscopiques ....................................................................................................... 7
II. FONCTIONNEMENT DES LASER ......................................................................................................... 11
II. 1 Théorie semi-classique du laser ..................................................................................................... 11
II.1.1 Introduction.................................................................................................................................. 11
II.1.2 Mode de cavité ............................................................................................................................. 12
II.2. Le rôle de la cavité .......................................................................................................................... 13
II.2. 3 Polarisation de la cavité............................................................................................................... 14
II.3. Propriétés spécifiques de la lumière laser ..................................................................................... 15
II.3.1 Interférences, Cohérence ............................................................................................................. 15
II.3.2 Directivité du faisceau laser ......................................................................................................... 16
II.3.3 – Densité ....................................................................................................................................... 17
II.3.4 - Monochromaticité de la lumière laser ....................................................................................... 17
II.3.5 Puissance énergétique du laser.................................................................................................... 18
III. LES TYPES FONCTIONNEMENT ......................................................................................................... 18
CHAPITRE II PRINCIPAUX LASERS : TECHNOLOGIE ET APPLICATIONS .................................................. 19
I: LES DIFFÉRENTS TYPES DE LASER ET LEURS APPLICATIONS ............................................................... 19
I.1. Les lasers à gaz ................................................................................................................................ 19
I.1.1 – Introduction ................................................................................................................................ 19
I.1.2 - Le laser à hélium-néon ................................................................................................................ 20
I.1.3 Les lasers à gaz ionisé: argon, krypton ......................................................................................... 22
I.1.4 - Lasers à vapeurs métalliques ...................................................................................................... 23
I.1.5 - Les lasers moléculaires ( CO2, CO ) ............................................................................................. 24
I.1.5.1 Principe de fonctionnement du laser à CO2 .............................................................................. 24
I .1.5.2 Laser à CO2 de faible puissance à tube scellé ........................................................................... 29
I.1.5.3 Laser à CO2 à guide d'onde ........................................................................................................ 29
I.1.5.4 Laser à CO2 de moyenne puissance à flux axial lent .................................................................. 30
I.1.5.5 Laser à CO2 de grande puissance à flux axial rapide .................................................................. 30
I.2. Lasers à isolants dopés .................................................................................................................... 31
I.2.1 – Introduction ................................................................................................................................ 31
I.2.1. Forme du barreau actif ................................................................................................................. 31
I.2.2 La technique du pompage par lampes. ........................................................................................ 32
I.2.3 La technique du pompage par diodes ........................................................................................... 33
I.2.4 Les matériaux actifs ....................................................................................................................... 33
I.3.Laers à semi-conducteurs (ou lasers à diodes) ................................................................................ 34
I.3.1 - Effet laser dans les semi-conducteurs......................................................................................... 34
I.3.2 Diodes laser de puissance ............................................................................................................. 39
I.4.Laser à colorant liquide .................................................................................................................... 40
I.5. Laser à solide ................................................................................................................................... 41
I.6. Autres lasers .................................................................................................................................... 42
I.6.1 - Lasers chimiques ......................................................................................................................... 42
I.6.2 - Laser à électrons libres ................................................................................................................ 42
I.6 3 - Laser à rayons X ........................................................................................................................... 43
Conclusion ............................................................................................................................................. 43
II LEURS APPLICATIONS....................................................................................................................... 43
1 - Applications énergétiques ................................................................................................................ 44
2- Applications au transport de l’information ....................................................................................... 46
III.SECURITE DU LASER .......................................................................................................................... 50
III.1 Les dangers liés au rayonnement laser .......................................................................................... 51
III.1.1 Les dangers de laser par systèmes laser ..................................................................................... 51
III.2. Protections contre les rayonnements laser .................................................................................. 52
III.2.1 Référent sécurité laser (RSL) ....................................................................................................... 52
CHAPITRE III.LES LEDs ............................................................................................................................ 55
Introduction........................................................................................................................................... 55
I Description et caractéristiques des LEDs ........................................................................................... 55
II.1. Principe de fonctionnement ........................................................................................................... 56
I.2 Caractéristiques intrinsèques des LED ............................................................................................. 56
I.3 Les matériaux utilisées ..................................................................................................................... 57
I.4 La création de LEDs émettant de la lumière bleue .......................................................................... 57
I.5 Création de LEDs émettant de la lumière blanche ........................................................................... 58
I.6 Critères d’évaluation des performances d’une LED ........................................................................ 60
I.7 Notions permettant d’évaluer les performances d’une LED ........................................................... 61
CONCLUSION ......................................................................................................................................... 64
PLAN
HISTORIQUE
Les travaux d’Albert Einstein qui posèrent les lois théoriques pour la réalisation des lasers
datent de plus de 80 ans. En effet, c’est en 1917 qu’il a publié ses fameux travaux sur
l’absorption et l’émission de lumière où il mentionne les différences entre émission spontanée
et émission stimulée. C’est au cours des années 1960 que l’on a vue apparaître de nouvelles
sources lumineuses : les lasers (pour Light Amplification by Stimulited Emission of Radiation ;
amplification de lumière par émission stimulée de rayonnements). En 1958, les Américains
Schawlow et Townes ont proposé le principe du laser. Maiman fit fonctionner en 1960 le
premier laser à rubis (cf. annexe), la réalisation du premier laser à gaz, utilisant le mélange
gazeux He-Ne est dû en 1961 à Javan, Bennett et Herriot. Depuis le développement des lasers
a pris depuis une importance scientifique considérable, avec des applications aussi diverses
que nombreuses que nous détaillerons dans le dernier chapitre. Dans ce document, nous
tacherons de détailler au mieux les éléments de fonctionnement du laser, d’expliquer
succinctement le principe des différents lasers et nous énumérerons enfin quelques-unes
unes de ses applications afin de voir à quel point le laser à pris une place importante dans le
monde actuel. Une annexe détaille les éléments pré-requis pour la compréhension du laser.
CHAPITRE I DESCRIPTION LASER
La lumière, qu’elle soit naturelle (soleil) ou artificielle (bougie, phare de voiture…), est le
résultat d’une émission spontanée. Les sources d’émission de lumière sont énormes, la lampe
en fait partie elle émet de la lumière dans tous l’espace ou dans un cône. Le laser émet de la
lumière dans une seule direction de l’espace. Les lasers sont des sources qui émettent un «
concentré de lumière » concentré à la fois spatial et temporel. Le concentré spatial se traduit
par la capacité de la lumière laser à se focaliser sur de très petites surfaces, tout en
transportant des puissances non négligeables. Par exemple, un simple laser hélium néon
émettant une puissance de 1 mW est capable d'induire un effet d'éblouissement dix fois
supérieur à l'éblouissement provoqué par le soleil. Le concentré temporel est la capacité de
la lumière laser à transporter un nombre de photons considérable concentrés en un temps
très court. Des lasers utilisent habituellement le pouvoir disposer d'impulsions lumineuses
ayant une énergie de l'ordre du joule et une durée de l'ordre de la nanoseconde. La puissance
instantanée de l'impulsion laser dans ce cas est de l'ordre du gigawatt ! Des impulsions
lumineuses encore plus puissantes (jusqu'au petawatt 1015W) sont de plus en plus courantes.
Les effets provoqués sur la matière par de telles impulsions sont très violents : absorption
extrêmement rapide puis éjection de matière à grande vitesse. Ce qui fait de laser un outil
qui a des risques lors de sa manipulation car il peut agir sur la peau et sur les yeux de façon
irréversible et immédiate ou pas. Avec tout s’est capacité nous allons passer aux de basse du
laser.
Schéma simplifié d’un laser
I. LES PRINCIPE DE BASES DU LASER
L'émission stimulée est à la base de l'amplification lumineuse et donc au cœur même du
fonctionnement d'un laser. Pour la comprendre, il faut la replacer dans le contexte des
interactions entre la lumière et la matière. Cette matière est composée d'éléments
optiquement actifs placés en "solution" dans un milieu tels un gaz, un plasma, un liquide ou
un solide. On peut donc considérer des atomes, des ions, des molécules, des radicaux ou des
électrons.
Leur niveau d'énergie sont quantifiés et sont tels qu'une lumière d'une fréquence particulière
va pouvoir interagir avec la population qui se trouve sur les niveaux. Pour être plus précis,
considérons deux niveaux d'énergie E1 et E2
I.1 Emission, Absorption, Pompage
I.1.1. Description des mécanismes d'émission-absorption
Le mécanisme d’absorption, d’émission spontanée et d’émission stimulée sont tous des
interactions entre les atomes et les photons
Figure (1) : Schéma du mécanisme d'interaction entre un atome et un photon
•
Absorption : Un atome du niveau du bas peut monter dans le niveau du haut par effet
d'absorption d'un photon de fréquence hѵ
•
Emission spontanée : Un atome du niveau du haut peut se désexciter spontanément
vers le niveau du bas et engendrer l'émission d'un photon de fréquence hѵ si la
transition entre E2 et E1 est radiative. Ce photon a une direction et une phase
aléatoire.
•
Émission stimulée : par l'action d'un photon incident, un atome du niveau du haut
peut également se désexciter en émettant un photon dit "stimulé" dont les propriétés
sont exactement les mêmes que le photon incident. Le terme stimulé souligne le fait
que ce type de rayonnement n'existe que si un photon incident est présent pour
"stimuler l'émission". L'amplification vient des similitudes entre le photon incident et
le photon émis.
Pour une transition radiative, les trois mécanismes sont toujours présents en même
temps. Pour faire un milieu laser, il faut donc trouver des conditions qui permettent
de privilégier l'émission stimulée au détriment de l'absorption et de l'émission
spontanée. Il y a donc une nécessité de sélectionner dans la nature les milieux qui
pourront effectivement servir en tant que milieux laser. Il faudra également veiller à
mettre le milieu dans de bonnes conditions pour que l'effet laser ait lieu.
•
Un photon incident d'énergie hѵ a autant de chance d'être absorbé par un atome du
niveau du bas que d'être dupliqué (ou amplifié !) par interaction avec un atome du
niveau du haut. L'absorption et l'émission stimulée sont vraiment deux processus
réciproques soumis aux mêmes probabilités. Pour favoriser l'émission stimulée au
détriment de l'absorption, la solution est de jouer sur les populations des niveaux : il
faut s'arranger pour avoir plus d'atomes sur le niveau du haut que sur le niveau du bas.
•
L’émission spontanée a tendance à vider naturellement le niveau du haut. Il faut donc
trouver un moyen de vider le niveau du haut plus vite par émission stimulée que par
émission spontanée. Or il se trouve que l'émission stimulée est d'autant plus probable
que le milieu est éclairé avec un grand nombre de photons semblables. L'astuce va
donc consister à éclairer fortement le milieu, un bon moyen pour cela est le
confinement des photons dans une cavité.
I.1.2 Inversion de population et pompage
Avoir une population plus élevée dans le niveau du haut (N2) que dans le niveau du bas (N1)
n'est pas une situation d'équilibre. En effet, à l'équilibre thermodynamique, la répartition des
populations sur les niveaux est donnée par la loi de Boltzmann :
Dans ce cas, N2 est toujours inférieure à N1. Il faut donc créer une situation hors équilibre en
apportant de l'énergie au système des atomes via un “pompage” dont l'objectif est d'amener
suffisamment d'atomes sur le niveau du haut. Il y’a la possibilité de faire le laser avec les
systèmes spectroscopiques
I.1.3 Les systèmes spectroscopiques
Tous les atomes, ions, molécules, avec leurs différents niveaux d'énergie ne peuvent pas
forcément donner lieu à une inversion de population et à un effet laser. Il faut d'abord
sélectionner des transitions qui sont purement radiatives (passage des atomes entre les
niveaux uniquement par interaction avec la lumière). Les transitions non radiatives sont
évidemment à éviter. Il existe également des transitions qui présentent une part radiative et
une part non radiative. Dans ce cas, le niveau du haut se vide non seulement par émission
spontanée mais également par effet non radiatif. Ceci entraîne une difficulté supplémentaire
pour arriver à faire une inversion de population car il est difficile de stocker des atomes sur le
niveau du haut dans ces conditions. Les transitions de ce type sont également à éviter. Il faut
ensuite sélectionner des "atomes" présentant un ensemble de niveaux dont la position
relative n'est pas quelconque dans l'objectif de réaliser une inversion de population. Par
exemple, en choisissant un niveau du bas avec une énergie supérieure au niveau fondamental,
on peut limiter fortement le peuplement N1, voire même l'annuler complètement Dans ce
cas, il suffit d'apporter un atome dans le niveau du haut pour que l'inversion de population
existe.
Figure (2) Transition laser avec niveau du bas loin du fondamental. La population à l'équilibre
thermodynamique est donnée par la loi de Boltzmann.
D'apporter efficacement les atomes dans le niveau du haut grâce à un pompage. Quel que soit
la nature du pompage (optique ou électrique en particulier), celui-ci correspond à une certaine
énergie qui doit pouvoir être transférée aux atomes du milieu. Il faut donc trouver un niveau
excité tel que la différence d'énergie avec le niveau fondamental corresponde à cette énergie
de pompage. Dans le cas d'un pompage optique, on peut montrer qu'il faut un minimum de
trois niveaux pour réaliser une inversion de population. La figure 4 donne l'exemple d'un tel
système. On y distingue la transition dite de pompage (entre E1 et E3) et la transition laser
(entre E1 et E2). L'objectif est de stocker les atomes dans le niveau E2 via le pompage par
absorption d'un rayonnement dit "de pompe" dont la longueur d'onde est inférieure à la
longueur d'onde de la transition laser. Pour cela, il faut que le niveau 3 se vide rapidement
vers le niveau 2, et uniquement vers celui-là. Cette condition limite le choix des systèmes qui
fonctionnent. La figure 4 présente également un cycle idéal pour un atome : il monte dans le
niveau 3 par absorption d'un photon issu de la lumière de pompe. Il descend ensuite dans le
niveau 2 très rapidement. Il se désexcite enfin par émission stimulée vers le niveau 1. Malgré
sa simplicité, ce système n'est pas forcément facile à mettre en oeuvre car le niveau du bas
de la transition laser est très fortement peuplé à l'équilibre thermodynamique. Afin de réaliser
une inversion de population, il faut déjà commencer par vider le niveau fondamental de la
moitié de ses atomes et les mettre dans le niveau 2. Il faut pour cela que le niveau 2 soit
capable de stocker les atomes, et donc que l'émission spontanée ne soit pas très probable :
ceci est une condition sur le choix du système. Il faut également une énergie de pompage
importante. Le premier laser qui n’ait jamais fonctionné dans le domaine optique était un laser
de ce type : le laser à rubis met en effet en jeu 3 niveaux. La formule du rubis est : Cr3+:Al2O3.
Il s'agit d'une matrice cristalline d'alumine avec un dopant Cr3+ dont on utilise les niveaux
pour réaliser l'effet laser. Le pompage optique est intense via des lampes à décharge
Figure (3) représentation d'un système à trois niveaux avec un pompage optique.
Un autre exemple de système pouvant donner lieu à un effet laser est le système à 4 niveau).
Cette fois, la transition de pompe (pompage optique) et la transition laser se font sur un couple
de niveaux distincts (E0-E3 pour la pompe et E1-E2 pour le laser). On choisit un système dont
le niveau E1 est suffisamment loin du niveau fondamental E0 pour que le peuplement
thermique à l'équilibre thermodynamique soit négligeable. Le système est également %¨P
choisi de tel sorte que les atomes ne restent ni sur le niveau 3, ni sur le niveau 1. La figure 4
présente un cycle idéal de fonctionnement pour un atome. Contrairement au cas précédent,
dès qu'un atome atteint le niveau 2, l'inversion de population est positive et le milieu devient
amplificateur. Pour maintenir l'inversion de population, il faut éviter que les atomes ne
s'accumulent dans le niveau 1. C'est pour cela que le système doit être choisi de telle sorte
que la désexcitation du niveau 1 vers le niveau 0 soit rapide. Un des milieux les plus connus
fonctionnant sur ce schéma est le néodyme YAG (Nd3+:Y3Al5O12)
Figure (4) représentation d'un système à quatre niveaux avec un pompage
optique.
Un dernier exemple de système pouvant donner lieu à effet laser est le système gazeux
hélium-néon Dans ce cas, le pompage est électrique. On utilise les transitions du néon pour
les transitions laser : il y en a en effet plusieurs, la plus connue étant la transition donnant la
couleur 632,8 nm. L'hélium est utilisé comme gaz intermédiaire, capable de transférer
l'énergie des électrons au néon, par des collisions. En effet, l'hélium présente la particularité
d'avoir deux niveaux excités dits "métastables", c'est à dire que les atomes peuvent y rester
très longtemps avant de redescendre vers le niveau fondamental. Les atomes d'hélium sont
portés dans les niveaux excités par des collisions avec les électrons. Le transfert d'énergie vers
le néon peut avoir lieu facilement car ces niveaux métastables coïncident avec des niveaux
excités du néon. Il se produit lors de collisions entre les atomes : On peut résumer le transfert
d'énergie par cette équation : He* + Ne -> He + Ne*. Un atome d'hélium excité rencontre un
atome de néon dans l'état fondamental et lui transfère son énergie tout en redescendant dans
l'état fondamental. Sur la figure 5, on peut remarquer que les niveaux du bas des transitions
laser sont loin du niveau fondamental, ce qui est favorable pour réaliser une inversion de
population (pas de peuplement thermique).
Figure (5) le cas de l'hélium néon dans la production de l’effet laser.
II. FONCTIONNEMENT DES LASER
II. 1 Théorie semi-classique du laser
II.1.1 Introduction
la théorie semi-classique du laser telle que développée par Lamb (1964). Dans cette analyse,
nous traiterons le champ électromagnétique classiquement à l'aide des équations de Maxwell
et l'atome sera traité en utilisant la mécanique quantique. Nous considérerons un ensemble
d'atomes à deux niveaux placés à l'intérieur d'un résonateur optique. Le champ
électromagnétique du mode cavité produit un effet macroscopique de polarisation du milieu.
Cette polarisation macroscopique est calculée à l'aide de la mécanique quantique. La
polarisation agit alors comme une source pour le champ électromagnétique dans la cavité.
Puisque ce champ doit être cohérent avec le champ déjà supposé, on obtient, en utilisant
cette condition, l'amplitude et les fréquences d'oscillation. Nous allons obtenir des
expressions explicites pour les parties réelles et imaginaires de la susceptibilité électrique du
milieu. La partie réelle est responsable des déphasages supplémentaires dus à le milieu et
conduit au phénomène de tirage de mode. D'autre part, la partie imaginaire de la
susceptibilité est responsable de la perte ou du gain dû au milieu. Dans des conditions
normales, la population du niveau supérieur est inférieure à celle du niveau inférieur et le
milieu s'ajoute aux pertes de la cavité. En présence d'inversion de population, le milieu devient
un milieu amplificateur ; cependant, un minimum l'inversion de population est nécessaire
pour maintenir les oscillations dans la cavité. nous montrerons que dans la théorie du premier
ordre, le champ électrique dans la cavité peut croître indéfiniment, mais en utilisant une
théorie du troisième ordre, nous montrerions que le champ saturerait en effet plutôt que de
croître indéfiniment. L'analyse étant de nature semi-classique, les effets de l'émission
spontanée n’apparaissent pas. Ainsi, l'analyse ne donne pas la largeur de raie ultime du laser.
oscillateur qui est provoqué par des émissions spontanées.
II.1.2 Mode de cavité
On considère une cavité laser avec des miroirs plans à z = 0 et z = L (voir Fig. 6.1).
Le rayonnement électromagnétique à l'intérieur de la cavité peut être décrit par Maxwell
équations, qui dans le système d'unités MKS
Un plan parallèle résonateur délimité par une paire de miroirs plans se faisant face autre. Le
milieu actif est placé à l'intérieur du résonateur
Theorie semi-classique du laser
ez
Où ρf représente la densité de charge libre et Jf la densité de courant libre ;
E, D,B et H représentent le champ électrique, le déplacement électrique, l'induction
magnétique et le champ magnétique
Où P est la polarisation, la conductivité, et ε0 et μ0 sont le diélectrique, permittivité et
perméabilité magnétique de l'espace libre. On verra que le terme de conductivité conduit à
ce que le milieu soit à pertes ce qui implique une atténuation du champ ; nous supposerons
que d'autres pertes comme celles dues à la diffraction et à la transmission finie aux miroirs
sont pris en compte dans. À présent
Si nous supposons que les pertes sont faibles et que le milieu est dilué, nous pouvons négliger
le deuxième terme à gauche et le terme à droite de ce qui précède équation pour obtenir
approximativement
II.2. Le rôle de la cavité
Les deux parties précédentes montrent que le rayonnement laser est finalement un
“concentré de lumière” spatial et spectral et que la cavité y est pour beaucoup. Il y a
cependant certaines conditions à respecter pour qu'un laser puisse effectivement
fonctionner. On trouve une condition sur le gain et les pertes de la cavité et une condition sur
la fréquence qui peut se reporter sur la longueur de la cavité
➢ Condition sur le gain
On peut définir le gain effectif d'un milieu amplificateur par le rapport entre la puissance
de sortie Ps sur la puissance d'entrée Pe :
Ces deux puissances (exprimées en watt ou en photons par seconde) étant portées par le
faisceau laser avant et après le passage du milieu amplificateur
Puissance en entrée et en sortie du milieu amplificateur.
Les miroirs de la cavité doivent donc être choisis de telle sorte que le gain par aller et
retour G+G- soit supérieur à 1/R1R2 : on dit aussi que le gain doit être supérieur aux pertes
de la cavité (représentées par les transmissions des miroirs).
II.2 1. Qualité spatiale du faisceau laser en sortie.
II.2.2 Spectre d'un oscillateur laser
II.2. 3 Polarisation de la cavité
Dans la dernière section, nous avons obtenu des équations décrivant le champ de la cavité et
la fréquence d'oscillation de la cavité en fonction de la polarisation associée à la cavité moyen.
Dans la présente section, nous considérons une collection d'atomes à deux niveaux et obtenir
une expression explicite de la polarisation macroscopique (et donc de la susceptibilité
électrique) du milieu de la cavité en termes de populations atomiques dans le deux niveaux
du système. L'équation de Schrödinger dépendante du temps est donnée par :
iℏ
𝜕Ψ
𝜕𝑡
= 𝐻Ψ
où H est l'hamiltonien et représente la fonction d'onde dépendante du temps du système
atomique. Soit H0 l'hamiltonien de l'atome et soit ψ1 (r) e−iω1t et ψ2 (r) e−iω2t les fonctions
d'onde normalisées associées au niveau inférieur 1 et le niveau supérieur 2, respectivement,
de l'atome. Puis
où E1 = ω1 et E2 = ω2 sont les énergies du niveaux inférieur et du niveaux supérieur
respectivement. L'interaction de l'atome avec le champ électromagnétique est décrite par :
H’= -eEr
qui est supposée être une perturbation sur l'hamiltonien H0 ; ici E représente le champ
électrique associé au rayonnement. En présence d'une telle interaction, nous écrirons la
fonction d'onde sous la forme
(r, t) = C1 (t) ψ1 (r) + C2 (t) ψ2 (r)
où C1 (t) et C2 (t) sont des facteurs dépendant du temps. La signification physique de
C1 (t) et C2 (t) est que |C1 (t)| 2 et |C2 (t)|2
II.3. Propriétés spécifiques de la lumière laser
II.3.1 Interférences, Cohérence
La superposition de deux ou plusieurs ondes produit généralement des interférences, en effet,
selon leurs phases respectives, les différentes ondes s’ajoutent mutuellement (lorsqu’elles
sont en phase) ou se soustraient mutuellement (lorsqu’elles sont en opposition de phases) de
façon à produire des minima ou maxima d’intensité. Les ondes électromagnétiques qui ont, à
une date donnée, même phase en tout point d’une section droite du faisceau sont cohérentes.
Par opposition, une radiation totalement incohérente est caractérisée par l’absence de
relation de phases mutuelles, et l’intensité totale est alors égale à la somme de toutes les
intensités individuelles.
• Si on produit des interférences entre deux faisceaux dont un est issu de l’autre, mais retardé
d’un certain temps τ, la cohérence temporelle indique le retard maximum donnant encore des
interférences. Ce temps de cohérence τcoh est inversement proportionnel à la largeur de la
ligne ∆ν d’émission, c’est à dire, plus l’émission est étalée en fréquence, plus la cohérence
temporelle est faible. Interférence
C’est à l’aide de l’expérience des trous de Young qu’on peut déterminer si les deux portions
d’un faisceau lumineux choisi avec les deux fentes (F1 et F2) sont cohérentes et produisent
des interférences sur l’écran.
• Du point de vue de la cohérence spatiale, les lasers ont aussi de grandes qualités. Ce n’est
pas le parallélisme des rayons émis par un laser qui définit sa cohérence spatiale, c’est le fait
qu’il se comporte ou non comme une source ponctuelle. Que le laser émette un faisceau de
rayons parallèles ou un faisceau divergent, la lumière sera spatialement cohérente si le
faisceau semble provenir d’une source ponctuelle (par opposition aux sources « classiques » ;
lampes). En recevant le faisceau sur une lentille, on doit donc pouvoir obtenir une image
ponctuelle, si l’image est une tâche plus ou moins large, la lumière n’est pas spatialement
cohérente.
II.3.2 Directivité du faisceau laser
𝜃
Le faisceau émis par un laser diverge toujours un peu. Si 𝜃 est la divergence et d le diamètre
du
faisceau
sortant
du
𝜃= 𝜆/𝑑
laser
on
a
:
par exemple si d = 3 mm, ϑ = 6
On peut réduire l’angle de divergence en utilisant une lunette ou un télescope. Le faisceau
laser pénètre par l’oculaire et sort par l’objectif. Si G est le grossissement de la lunette, la
divergence du faisceau devient ϑ / G. Pour G = 60 on a ϑ = 6’’. Soit une tache de 6 mm de
diamètre à 100 m. Le faisceau laser garde un très bon parallélisme.
II.3.3 – Densité
Une source de lumière peut être caractérisée par sa densité de photons par vibration propre,
c’est à dire par le nombre de photons compris dans l’angle ϑ et l’intervalle τcoh. Une vibration
propre comprend la partie de lumière cohérente temporellement et spatialement, c’est à dire
la quantité de lumière émise dans l’angle de diffraction ϑ durant le temps de cohérence τcoh.
Exemple de densités de photons de quelque source de lumière :
Pour les sources thermiques telles que le soleil, la lampe à incandescence… l’émission
spontanée de photons produit des densités largement en dessous de 1 photon / vibration, par
contre, les sources laser donnent, par émission stimulée, des densités de photons beaucoup
plus grandes que 1 photon / vibration
II.3.4 - Monochromaticité de la lumière laser
Plaçons à la sortie un objectif de microscope afin d’obtenir un faisceau élargi ; avec le faisceau
obtenu, éclairons une fente. Avec une lentille formons l’image sur un écran de la fente et
interposons un prisme (ou un réseau) entre la lentille et l’écran. Contrairement au spectre
d’une lampe à vapeur de mercure, le spectre de la lumière du laser ne comporte à notre
échelle qu’une seule raie. La lumière émise par le laser est donc monochromatique.
Remarque : Il existe de lasers He-Ne qui émettent dans le vert au lieu du rouge.
II.3.5 Puissance énergétique du laser
Le laser est une onde lumineuse ; elle transporte donc l’énergie. La puissance P du laser
correspond à l’énergie lumineuse émise par celui-ci en 1 s ; elle s’exprime en watt (W).
P = W/t = (n.h.ν)/t = (n.h.c)/(λ .t) avec n : le nombre de photons
L’originalité de la lumière laser tient au fait que cette puissance est émise avec une faible
divergence. Toute l’énergie du laser est donc concentrée sur une très faible surface.
Exemples de puissances délivrées par un laser :
III. LES TYPES FONCTIONNEMENT
On désigne en général les lasers par le nom du matériau actif utilisé (argon, CO2 , azote, etc
...). Au cours de la brève histoire du laser, de nombreux matériaux ont été testés et les lasers
qui sont arrivés à un stade commercial se chiffrent par dizaines 1. Souvent, pour une
application donnée, plusieurs types de lasers peuvent être utilisés. Les lasers étant des
transformateurs énergétiques à faible rendement, on trouve peu de sources pour les
applications où une grande puissance est nécessaire, comme en traitement de matériaux ; le
choix se limite alors au laser à CO2, au laser à néodyme-YAG, au laser à excimère ou aux plus
récemment, aux barrettes de diodes à semi-conducteur. Nous présentons ci-après les
particularités de quelques-uns des lasers les plus fréquemment utilisés
CHAPITRE II PRINCIPAUX LASERS : TECHNOLOGIE ET APPLICATIONS
I: LES DIFFÉRENTS TYPES DE LASER ET LEURS APPLICATIONS
Les lasers sont désignés par le nom du matériau actif utilisé (argon, CO2, azote, etc ...). De
nombreux matériaux ont été testés et les lasers qui sont arrivés à un stade commercial se
chiffrent par dizaines 1. Souvent, pour une application donnée, plusieurs types de lasers
peuvent être utilisés. Les lasers étant des transformateurs énergétiques à faible rendement,
on trouve peu de sources pour les applications où une grande puissance est nécessaire,
comme en traitement de matériaux ; le choix se limite alors au laser à CO2, au laser à
néodyme-YAG, au laser à excimère ou aux plus récemment, aux barrettes de diodes à semiconducteur. Nous présentons ci-après les particularités de quelques-uns des lasers les plus
fréquemment utilisés. Un milieu actif gazeux présente les avantages suivants par rapport à un
matériau solide :
- le milieu reste homogène, même aux fortes puissances de rayonnement ; l'effet de lentille
thermique créé par le gradient d'indice dans le gaz chaud est négligeable ;
- les collisions des atomes ou molécules du gaz avec les parois du tube contribuent à
l'évacuation de l'énergie thermique ; le refroidissement peut être effectué à l'extérieur de la
cavité par circulation du gaz;
- le volume de matériau actif peut être considérable ; il est en effet possible de considérer
une cavité de plusieurs mètres ou dizaines de mètres de long repliée plusieurs fois à l'aide de
miroirs plans. Pour cette raison, les lasers continus les plus puissants, disponibles
commercialement sont des lasers à gaz
I.1. Les lasers à gaz
I.1.1 – Introduction
Un milieu actif gazeux présente les avantages suivants par rapport à un matériau solide: - le
milieu reste homogène jusqu'aux grandes irradiances de rayonnement; - l'énergie thermique
est évacuée par collision des atomes ou molécules avec les parois du tube; le refroidissement
est amélioré par circulation rapide du gaz; - le volume peut être considérable, par exemple
sous la forme d'un tube de plusieurs dizaines de mètres de longueur; pour cette raison, les
plus grandes puissances continues sont fournies par des lasers à gaz. Les lasers à gaz
présentent aussi des inconvénients. Ce sont des systèmes encombrants. De plus, des tensions
de plusieurs milliers de volts sont nécessaires à la création de la décharge. Parmi les lasers à
gaz, on distingue : - les lasers à gaz neutre (exemple : laser He-Ne); - les lasers à gaz ionisé ou
laser ionique (exemple: laser à argon); - les lasers moléculaires (exemple: laser à CO2)
I.1.2 - Le laser à hélium-néon
Le laser à hélium-néon, dont le rayonnement rouge (λ=0,6328 µm) est bien connu, a été
développé dès 1961 dans les laboratoires Bell par Javan, Bennett et Herriott [Javan.61] et
commercialisé au cours de la même année. C'est encore aujourd'hui le laser le plus
couramment utilisé dans les applications où une grande puissance n'est pas nécessaire:
métrologie, alignement. Cependant, les lasers à diode dont les performances s'améliorent
rapidement peuvent déjà remplacer les lasers à He-Ne pour certaines applications
Figure (1) : Laser à hélium-néon.
Le filament chauffé sert à produire les électrons de la décharge d'excitation Le milieu actif d'un
laser à He-Ne est composé d'un mélange d'hélium (90%) et de néon (10%) contenu dans un
tube sous une pression voisine du Torr. L'alimentation électrique se compose d'un
transformateur et d'un redresseur de tension. La tension d'excitation qui est une fonction des
dimensions du tube et de la pression du gaz, est voisine de 1300 V. Une résistance placée en
série avec le tube, permet de limiter le courant de décharge. L'alimentation du tube comprend
également un circuit fournissant les 3000 V nécessaire à l'amorçage de la décharge
Figure(2) : Niveaux d'énergie des atomes d'hélium et de néon
1: transitions de l'atome d'hélium par excitation électronique;
2: transfert résonnant de l'énergie d'excitation de He à Ne;
; 3: transition à longueur d'onde de 3,39 µm:
4: transitions à 0,6328 µm;
5 : transition à 1,15 µm;
6 : transitions rapides non radiatives
7 : transitions par collisions avec les parois du tube.
Pour expliquer le principe du fonctionnement du laser à He-Ne, considérons le diagramme des
niveaux d'énergie montré sur la figure ci-dessus. Les atomes d'hélium sont excités facilement
par les collisions avec les électrons. Deux des niveaux supérieurs d'énergie de l'hélium,
coïncident avec des niveaux de l'atome de néon. Lors des collisions entre He et Ne, l'énergie
d'excitation de He est transférée vers Ne. La structure d'énergie de l'atome de néon est plus
complexe que celle de l'atome d'hélium. Le néon possède en particulier plusieurs paires de
niveaux entre lesquels une inversion de population s'établit si la décharge est suffisamment
intense. Plusieurs transitions peuvent donner lieu à un effet laser ; les longueurs d'onde
correspondantes sont 0,543 µm, 0,594 µm, 0,633 µm, 1,152 µm et 3,39 µm. Le retour des
atomes vers le niveau fondamental se fait par deux transitions successives dont la dernière
est accélérée par la collision des atomes avec les parois du tube. En diminuant le diamètre du
tube, le nombre de collisions est augmenté ; l'avant-dernier niveau est ainsi rapidement
dépeuplé et l'inversion de population se fait plus facilement. La pression P du gaz et le
diamètre d du tube sont reliés par [Ready.78] : P(Torrs) x d(mm) ≈ 3.2 On augmente le volume
de gaz en utilisant un tube qui présente des protubérances aux extrémités. En pratique, la
puissance maximale des lasers à He-Ne commercialisés reste limitée à 50 mW mais peut
atteindre 150 mW. Les modèles les plus courants fournissent des puissances de 0.5, 1, 2, 5, 10
ou 20 mW. Les parois du tube l'un laser à He-Ne jouent aussi le rôle de diaphragme. Le mode
transverse TEM00 est favorisé et la divergence reste inférieure à 1 mrad. La cavité des lasers
He-Ne est formée de deux miroirs collés directement sur les extrémités du tube. Les miroirs
peuvent aussi être fixés sur des montures indépendantes, en particulier dans les lasers à
polarisation linéaire dont le tube se termine par des fenêtres de Brewster
Exemple de caractéristiques d'un Laser à HeNe de 5 mW (λ = 0,6328 µm)
Puissance : 5 mW
Polarisation rectiligne
Distance entre modes longitudinaux 400 MHz
Temps de stabilisation au démarrage 15 mn
Dérive de puissance 1,5 %
Diamètre du faisceau à e2 0,9 mm
Divergence 1 mrad
Alimentation électrique 30 W
I.1.3 Les lasers à gaz ionisé: argon, krypton
Le laser à argon est un laser ionique; en effet la transition laser a lieu entre les niveaux
d'énergie de l'ion Ar+. L'excitation est obtenue par collision avec les électrons d'un courant de
décharge d'une densité égale à plusieurs centaines d'ampères par cm2. L'ion Ar+ se caractérise
par un diagramme d'énergie comportant de nombreux niveaux. L'inversion de population
peut être obtenue entre plusieurs paires parmi ces niveaux. Les lignes d'émission les plus
souvent utilisées sont: 514 nm (vert), 488 nm (bleu). Il est également possible de faire
fonctionner le laser à 351, 364, 457, 476 ou 496 nm. Lorsque la cavité est formée de miroirs à
large bande de réflexion, plusieurs raies oscillent simultanément. Pour sélectionner une
longueur d'onde, on utilise un prisme dans la cavité comme indiqué
Le faisceau a un diamètre de 1 mm environ à la sortie du laser et une divergence de 0,6 mrad.
Le laser à argon est essentiellement utilisé en recherche scientifique et en métrologie mais
c'est aussi le laser qui offre la plus grande puissance continue dans le visible bien que le
rendement ne soit que de 0,05% environ. Les modèles commercialisés permettent d'obtenir
jusqu'à 30 W. Le refroidissement est fait par air sur les modèles de puissance inférieure à 50
mW et par eau sur les autres modèles. On utilise également le fonctionnement en blocage de
modes. En éjectant des impulsions de la cavité à l'aide d'un dispositif électro-optique, on
obtient des impulsions dont la puissance crête est de l'ordre du kilowatt. Le laser à argon est
utilisé dans l'industrie électronique pour le traitement thermique des semi-conducteurs.
Commenté [Li1]:
Commenté [Li2R1]:
Figure(3)laser argon
Le prisme sert à sélectionner une longueur d'onde particulière. Le réglage de longueur d'onde
se fait par rotation de l'ensemble prisme+miroir arrière.
Le laser à krypton est très semblable au laser à argon, et dispose également de plusieurs lignes
d'émission, dont les principales sont dans le rouge ( 677 nm) et dans le jaune (568 nm). Le
laser à hélium-cadmium est un autre laser ionique commercialisé. Il peut émettre quelques
mW à 325 nm et quelques dizaines de mW à 441,6 nm.
I.1.4 - Lasers à vapeurs métalliques
Certains matériaux métalliques comme le cuivre ou l'or présentent à l'état de vapeur des
transitions donnant lieu à l'effet laser. Le matériau actif est introduit dans un tube réfractaire,
dans lequel on fait d'abord le vide et que l'on chauffe ensuite jusqu'à une température
suffisamment élevée pour provoquer la vaporisation du métal (environ 1000°). Les lasers à
vapeurs métalliques émettent un faisceau impulsionnel (fréquence de 5 à 20 kHz); les
impulsions ont des énergies de quelques millijoules et une durée de 20 à 50 ans. La puissance
moyenne atteint une centaine de watts. Les lasers à vapeurs de cuivre offrent deux transitions
principales, l'une à 510,5 nm, l'autre à 578,2 nm ; ce faisceau vert, obtenu avec un rendement
d'environ 1% est utilisé dans les applications de séparation isotopique des matériaux
radioactifs. Des essais fructueux dans le domaine de l'usinage et du traitement des matériaux
ont été réalisés. Les lasers à vapeurs métalliques peuvent aussi être utilisés comme sources
d'éclairage dans la photographie ultra rapide ou comme source de pompage dans
l'amplification d'impulsions issues de lasers à colorants organiques.
I.1.5 - Les lasers moléculaires ( CO2, CO )
I.1.5.1 Principe de fonctionnement du laser à CO2
Le laser à CO2 est devenu le laser d'usinage par excellence. Ce laser permet, grâce à un
rendement de l'ordre de 10%, d'obtenir des puissances de plusieurs dizaines de kilowatts. Les
densités de puissance obtenues après focalisation sont suffisantes pour vaporiser ou faire
fondre la plupart des matériaux connus. Les lasers à CO2 fonctionnent en réalité avec un
mélange de CO2, d'azote et d'hélium. L'énergie du rayonnement émis provient d'une
transition entre deux niveaux d'énergie de vibration de la molécule de gaz carbonique. Cette
molécule, composée d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène peut vibrer selon
les trois différents modes
Figue(4) Les trois modes de vibration de la molécule de gaz carbonique.
L'énergie de vibration est quantifiée: l'énergie d'un mode de vibration ne peut changer que
par quantités discrètes. Un état quelconque de vibration de la molécule est noté ijk ; l'état de
repos de la molécule est noté 000. La figure 23 montre la disposition relative de différents
modes de vibration suivant leur énergie. Le rayonnement à 10,6 microns utilisé en usinage,
naît de la transition de l'état 001 à l'état 100.
La figure ci-après montre également le premier niveau d'énergie de vibration de la molécule
d'azote. L'énergie de ce niveau est sensiblement le même que l'énergie du mode 001 de la
molécule de CO2. La molécule d'azote, présente dans les collisions avec les électrons, une
section efficace plus grande que celle de la molécule de CO2 et l'énergie d'excitation de l'azote
est facilement transférée au dioxyde de carbone.
Au mélange N2 -CO2 , on ajoute de l'hélium afin d'accélérer le retour des molécules de CO2 à
l'état de repos, ainsi qu'un refroidissement rapide.
Excitation du mélange CO2-N2-He. Le pompage est obtenu par une décharge électrique qui
excite essentiellement l'azote. L'énergie d'excitation de l'azote est transférée aux molécules
de CO2 lors des collisions avec celles-ci. Les molécules de CO2 perdent ensuite leur énergie
par émission d'un photon IR à 10,6 µm (transition de 001 à 100) ou à 9,6 µm(transition de 001
à 020). Le choix de la ligne d’émission dépend de l’utilisation visée ; les matériaux plastiques
en particulier absorbent bien à la longueur d’onde de 9,6 µm. L'étape suivante est le passage
des molécules vers le niveau 010 par transition non radiative. Pour éviter un encombrement
du niveau 010, on ajoute de l'hélium au mélange CO2-N2. La désexcitation du niveau 010 du
CO2 par collision avec He, est en effet très rapide. Il en résulte une amélioration du rendement
global.
Plusieurs solutions existent pour la circulation du gaz et sont décrites ci-après : - le tube scellé
avec ou sans guide d'onde pour les faibles puissances (quelque Watts à une dizaine de Watts)
- le flux axial lent pour les puissances moyennes (quelques centaines de Watts),
- le flux axial rapide pour les fortes puissances (1 à quelques kW),
- le flux transverse pour les fortes à très fortes puissances (dizaines de kW).
La composition du mélange gazeux (CO2,N2,He) dépend de la technologie utilisée et du
fabricant. Pour le flux lent et le flux axial rapide, elle est de 1 à 9% de CO2, 13 à 35 % de N2 et
60 à 85% d'He. Dans le cas du flux transverse, on ajoute aussi de l'oxygène.
Les impuretés contenues dans le mélange, en particulier la vapeur d'eau et les hydrocarbures,
peuvent perturber le fonctionnement du laser. Un niveau de pureté de 99,995% est exigé pour
un fonctionnement correct.
La décharge électrique d'excitation peut être longitudinale ou transversale. La décharge
longitudinale est utilisée pour les lasers de faible et moyenne puissance. La pression du
mélange doit rester faible (100 millibars ou moins) afin de maintenir une bonne stabilité. Aux
faibles puissances le refroidissement du gaz est obtenu par conduction vers les parois du tube
qui est refroidi par un liquide. Aux plus fortes puissances, une circulation du gaz à travers des
échangeurs thermiques est nécessaire. La décharge transversale permet de réduire le volume
de la cavité en faisant passer le faisceau plusieurs fois à travers l'espace de décharge. La cavité
peut aussi être instable. La pression du gaz peut être supérieure à 100 millibars.
La décharge électrique d'excitation du mélange gazeux peut être continue ou impulsionnelle.
La décharge continue est réalisée par l'application d'une haute tension entre deux électrodes
placées à l'intérieur du mélange gazeux
Figure(5) Les niveaux d'énergie des molécules de gaz carbonique et de d'azote.
L'azote est excité par collisions avec les électrons de la décharge (transition T1 sur le dessin).
Les atomes d'azote excité transfèrent leur énergie aux molécules de CO2 au repos lors de
collisions
(transitions T2).
Figure (6) laser à CO2 a) Excitation par décharge continue. Les électrodes se présentent sous
la forme d'une anode linéaire et d'une cathode annulaire en contact avec le mélange gazeux
Figure(7): Excitation par décharge R.F.. Les électrodes sont situées à l'extérieur du mélange
gazeux.
Pour les lasers de grande puissance, ce dispositif présente deux inconvénients :
- nécessité d'une très grande tension (supérieure à 10 kV),
- contamination progressive des électrodes et apparition de points chauds dans la décharge.
La qualité du faisceau obtenu avec ce type de décharge reste donc limitée. Les modèles les
plus récents (après 1985) de lasers à CO2 de forte puissance font appel à une excitation par
une onde radio (13 ou 27 MHz). La figure 25 montre la disposition des éléments d'excitation
dans les cas d'une décharge continue (a) et d'une décharge R.F.(b). La décharge R.F. présente
plusieurs avantages par rapport à la décharge continue :
- une meilleure stabilité ;
• une plus grande densité de puissance (jusqu'à 5W/cm3) par unité de volume de décharge
grâce au changement périodique rapide de polarité des électrodes dans la décharge R.F. (la
décharge continue favorise l'ionisation du gaz et la création d'un arc électrique) ;
• une plus faible tension de décharge (environ 1 kV au lieu de 10 à 20 kV) nécessaire pour
maintenir l'effet laser, la séparation entre les électrodes étant réduite au diamètre du tube ;
• une excitation plus homogène du mélange gazeux et donc une meilleure qualité de faisceau
;
• l'absence de contact entre les électrodes et le mélange gazeux, ce qui facilite les opérations
de maintenance et réduit la détérioration du gaz ;
• la possibilité de passer très rapidement d'une émission continue à une émission
impulsionnelle, très utile pour certaines opérations d'usinage.
Comme inconvénient, il faut remarquer que les ondes R.F. peuvent introduire des
perturbations dans les circuits de commande et doivent en conséquence être soigneusement
isolées.
La décharge R.F. peut être continue ou impulsionnelle. En régime continu les variations de
puissance sont limitées à 75 à 100 % de la puissance maximale. Une plus grande plage de
variation est obtenue avec une excitation impulsionnelle.
Figure(8) Signal d'excitation par décharge R.F..
(a) Décharge continue. La plage de variation du signal est limitée à 25 %.b) Décharge
impulsionnelle. L'intensité de l'excitation est ajustée par modification de la durée T2 des
impulsions et par la fréquence du signal de modulation (F=1/(T1+T2)).
I .1.5.2 Laser à CO2 de faible puissance à tube scellé
Il existe des lasers à CO2 de quelques dizaines de watts à tube scellé. Le mélange gazeux
constitué d'environ 10% de CO2, 40% de N2 et 50% de He, est enfermé dans un tube sous
faible pression. La puissance fournie par ce type de laser est proportionnelle à la longueur du
tube et se situe entre 0,5 et 1 watt par centimètre. L'excitation est obtenue par une décharge
électrique continue. Le gaz est partiellement décomposé par la décharge. Des électrodes
spéciales permettent de catalyser la réaction inverse et de maintenir la composition du
mélange. Une durée de vie de plusieurs milliers d'heures est ainsi obtenue.
I.1.5.3 Laser à CO2 à guide d'onde
Dans leur version la plus compacte, les petits lasers à CO2 ont une structure en guide d'onde.
Un tube en oxyde de béryllium ou en céramique de 1 mm de diamètre environ est utilisé à la
fois pour confiner la décharge et guider le faisceau. Les puissances obtenues sont de quelques
watts à 40 W avec des lasers d'une dizaine de centimètres de longueur. Les lasers à CO2 à
guide d'onde présentent aussi l'avantage de pouvoir être ajustés en fréquence sur une largeur
de l'ordre du Gigahertz. Cette particularité est intéressante pour certaines applications en
métrologie. Le schéma d'un laser à guide d'onde est donné sur la figure. La décomposition du
CO2 et la contamination du tube fixent une limite à la durée de vie du laser
Figure (9) Laser à CO2 à guide d'onde.
I.1.5.4 Laser à CO2 de moyenne puissance à flux axial lent
Ces lasers fonctionnent suivant le même principe que les lasers de faible puissance à tube
scellé. La longueur du tube détermine la puissance émise par le laser, soit environ 75 W par
mètre de tube. Pour les puissances supérieures à 50 W, on utilise un dispositif de circulation
du gaz le long du tube. Le flux est nécessaire pour extraire de la cavité les produits de
dissociation du dioxyde de carbone et des autres contaminants. A cause de la lenteur du flux,
le gaz s'échauffe ; un refroidissement par circulation d'eau ou d'huile est utilisé. Les lasers à
flux axial lent fournissent des puissances de quelques centaines de watts : ils sont utilisés pour
usiner les matériaux non métalliques, et certains métaux en tôles de faible épaisseur. Le
rendement des lasers à CO2 étant en pratique compris entre 8 et 15%, un système de
refroidissement est nécessaire sur les lasers de forte et moyenne puissance. Dans les lasers à
flux axial lent, le gaz chaud diffuse naturellement vers les parois du tube. Il suffit donc de faire
circuler
un
liquide
le
long
des
parois
du
tube
pour
évacuer
la
chaleur.
Figure(10) :Schéma d'un laser à CO2 à flux axial lent. M1 : miroir de sortie M2 : miroir à
réflexion totale, M3, M4 : miroirs de renvoi, H.T. : Alimentation à haute tension
I.1.5.5 Laser à CO2 de grande puissance à flux axial rapide
Il existe un autre procédé pour refroidir rapidement le laser, c'est la méthode du flux rapide.
Le gaz chaud est remplacé de façon continue par du gaz froid. Si la circulation du gaz est
suffisamment rapide, la diffusion vers les parois du tube est négligeable et le refroidissement
peut être réalisé à l'extérieur du tube.
Nous avons déjà mentionné le problème de la décomposition du CO2 lors des collisions. Les
produits de décomposition, en particulier le monoxyde de carbone ont une action néfaste sur
l'émission laser. D'autre part, l'efficacité du laser est augmentée si les molécules ayant atteint
le niveau bas de la transition, sont évacuées rapidement. Pour ces deux raisons les lasers à
flux rapide de gaz permettent d'obtenir des puissances plus élevées sous des volumes réduits.
La puissance émise par le laser ne dépend plus de la longueur de la cavité, mais du débit de
gaz.
I.2. Lasers à isolants dopés
I.2.1 – Introduction
Principe d'une cavité de laser à isolant dopé. A l'intérieur de la cavité peuvent se trouver des
composants actifs ou passifs servant à modifier les propriétés spatiales ou temporelles du
faisceau en oscillation
Figure(2.1) Schéma principe d’un Laser à isolant dopé.
Le Q-switch ne sert que lorsque les impulsions doivent être beaucoup plus courtes que les
impulsions de pompage.
I.2.1. Forme du barreau actif
Le matériau actif se présente soit sous la forme d'un barreau cylindrique entouré d'une ou
plusieurs lampes à décharge immergées dans un liquide de refroidissement, soit sous la forme
d'un barreau plan, à section rectangulaire ('slab' dans la littérature anglo-saxonne). Dans un
barreau plan les rayons ne se propagent pas en ligne droite, mais suivent un cheminement en
zig-zag par réflexion totale interne. Le barreau plan permet un pompage plus uniforme que
le barreau cylindrique, les contraintes thermiques sont moins gênantes. En pratique, les
performances sont quand même restées décevantes : la section rectangulaire du faisceau ne
convient pas à toutes les applications, des effets de bords dus à la diffraction déforment le
faisceau si la partie active du barreau n'est pas limitée, la cohérence spatiale reste mauvaise
à cause des distorsions thermiques, la fabrication de barreaux de qualité optique satisfaisante
est difficile et onéreuse. Une puissance continue supérieure à 2 kW peut cependant être
obtenue [Hodgson.93]
Figure(2.2) Propagation du rayonnement laser dans un barreau du type 'slab'.
Les barreaux des lasers solides présentent à forte puissance un gradient de température qui
entraîne une détérioration du faisceau. Pour pallier cet inconvénient, deux nouvelles
configurations ont été proposées : le matériau se présente soit sous forme d’un disque mince,
soit sous forme d’une fibre optique.
I.2.2 La technique du pompage par lampes.
Le pompage des lasers à isolants dopés est assuré soit par des lampes à éclairs, soit par des
diodes laser. Les lampes à éclairs permettent aussi bien le fonctionnement impulsionnel
qu'une émission en continu. Pour une bonne efficacité du pompage, l'ensemble lampes
barreau actif est enfermé dans une enceinte remplissant deux fonctions : - d'une part les faces
polies de l'enceinte réfléchissent la lumière des lampes vers le barreau, - d'autre part
l'enceinte contient le liquide de refroidissement, indispensable à des puissances moyennes de
quelques dizaines de watts ou plus. La stabilité des caractéristiques du faisceau en sortie
(longueur d'onde, puissance, profil spatial, ..) dépend de façon critique de la stabilité en
température. Une température de fonctionnement trop importante met en danger aussi bien
les lampes de pompage que le barreau. Diverses configurations sont utilisées pour la
géométrie de l'enceinte. La figure qui suit montre un exemple d'enceinte couramment
utilisée, en forme de double ellipse à foyer commun. Le barreau est placé au foyer commun
des deux ellipses ; les lampes de pompage sont placées aux deux autres foyers.
a) Coupe
transversale d'une
enceinte bi
écliptique de laser
à isolant dopé. L =
Lampe de
pompage; B =
Barreau actif.
b) Les 2 autres
configurations de
pompage par
lampes souvent
utilisées : la cavité
elliptique à une
lampe (a) et la
cavité diffusante
Figure (2.3 ) Laser solide pompé par lampe
I.2.3 La technique du pompage par diodes
Le pompage par diode laser présente plusieurs avantages. D'une part, le spectre du
rayonnement émis par les diodes correspond mieux que celui des lampes (krypton, xénon)
aux bandes d'absorption des matériaux actifs courants. D'autre part, les diodes ont un
meilleur rendement et sont moins fragiles que les lampes. Les lasers solides pompés par
diodes voient leur puissance augmenter régulièrement; le cap du kW a déjà été franchi.
I.2.4 Les matériaux actifs
De nombreuses combinaisons d'ions de métaux de transition ou de terres rares et de matrices
cristallines ont été testées avec succès dans une cavité laser mais seuls quelques matériaux
comme le rubis, le YAG, un grenat dopé au néodyme ou le verre dopé au néodyme,
l'alexandrite et, plus récemment, le saphir dopé au titane, ont atteint le stade commercial. Le
tableau ci-après indique quelques matériaux actifs et leurs longueurs d'onde d'émission
Matériau
Rubis
Nd :YAG Nd :
YLF
Longueur
D’ondes(λ)
0 ,694 1 ,064
Cr ,
Ho,Tm :YAG
Tm :YAG
1,053 2,014
Cr, Tm ,
Cr,Er :YSGG Er : Er :
Ho :YAG
2 ;094
2,1
YLF YAG
2,79
2,8
2 ,94
Tableau : Quelques matériaux actifs et leurs longueurs d'onde laser (en µm)
I.3.Laers à semi-conducteurs (ou lasers à diodes)
I.3.1 - Effet laser dans les semi-conducteurs
Un laser à semi-conducteur présente une structure identique à celle d'une diode utilisée en
électronique pour ne permettre le passage du courant que dans un seul sens. Le matériau actif
est formé par une jonction entre un semi-conducteur du type p et un semi-conducteur de type
n (composés III-V, comme AsGa ou AlAsGa). La cavité est formée par clivage du cristal ; le
pouvoir de réflexion de l'interface de GaAs-air étant d'environ 32 %, la réflexion de Fresnel
suffit pour entretenir l'oscillation. L'excitation est obtenue par injection de porteurs dans la
jonction polarisée en direct. Des paires électron-trou sont créées. La recombinaison d'un
électron et d'un trou s'accompagne soit d'un phonon (vibration dans le cristal), soit de
l'émission d'un photon. L'énergie du photon émis est égale à la différence d'énergie entre le
haut de la bande de conduction et le bas de la bande de valence.
1 : Création d'une paire électron-trou 2 : Recombinaison de la paire avec émission d'un photon
1 : Création d'une
paire électron-trou
2 : Recombinaison
de la paire avec
émission d'un
photon
Figure (3.1) Émission de lumière dans une jonction entre deux matériaux semi-conducteurs.
Dans une jonction simple, ou homojonction, le courant de jonction doit être intense pour que
l'effet laser soit observé. Avec une jonction simple à base de GaAs c'est une densité de courant
de 4 104 A/cm2 qui est nécessaire pour que l'effet laser soit observé. Le fonctionnement en
continu n'est pas possible dans de telles conditions. Des astuces technologiques ont permis la
réalisation de lasers à semi-conducteur fonctionnant en continu à la température ordinaire.
Elles consistent à utiliser un dopage différent pour la jonction et pour les zones voisines ; la
jonction est en GaAs tandis que les zones voisines sont en AlxGa1-xAs. Dans ces conditions on
observe un fort confinement électronique des porteurs dans la couche active. Ceci est obtenu
parce que la bande interdite est plus grande pour AlxGa1-xAs que pour GaAs. De même la
différence d'indice (indice plus grand pour GaAs que pour AlxGa1-xAs) permet d'obtenir un
effet de guidage. Les porteurs de charge et l'onde ém générée sont confinés dans la partie
active, c'est-à-dire sur une épaisseur d'environ 1/10 à 3/10 de micron
Un exemple de structure à hétérojonction est montré sur la figure ci-après.
Les faces clivées et
polies du semiconducteur
forment la cavité
résonnante.
Figure (3.2) Structure d'un laser à semi-conducteur à hétérojonction
Le laser est formé d'un empilement de couches épitaxiées. La couche active de Ga As de type
p, se trouve entre deux couches de confinement de AlGaAs. D'autres couches, permettent de
chaque côté le contact avec les électrodes. Sous l'action d'une polarisation directe de 1.5 V
environ, des électrons sont injectés dans la couche active et se recombinent avec les trous qui
s'y trouvent. La recombinaison des porteurs est accompagnée de l'émission de photons. Ces
photons sont confinés dans la zone active, qui joue également un rôle de guide d'onde, grâce
à la discontinuité d'indice avec les couches voisines. La cavité résonnante est formée par les
extrémités clivées du semi-conducteur ; la différence d'indice importante entre le matériau et
l'air permet d'obtenir une réflexion suffisante pour la rétroaction.
La cavité peut être configurée différemment : à miroirs externes, à modulations d’indice, à
miroirs de Bragg.
-une cavité à miroir externe permet d’obtenir un meilleur confinement spatial.
-La rétro action peut être assurée par une modulation périodique d’indice dans la direction de
propagation (voir schéma). On parle de miroir de Bragg ; la réflexion est alors distribuée sur la
λ
longueur de la zone modulée de période spatiale A=m . Cette cavité présente une meilleure
2
sélectivité spectrale qui peut aller jusqu’au fonctionnement monomode.
- Dans un laser à cavité verticale ou à émission de surface, le rayonnement s’échappe
perpendiculairement à la surface ; ce type de cavité est adapté à la réalisation de matrice de
lasers à une dimension (barrette) ou à deux dimensions (réseaux)
Figure (3.3) Cavité à optique externe. Le réseau permet de réduire le spectre.
Figure(3.4) fibre à réseau de Bragg. L’indice de la zone active varie périodiquement le long de
son axe : une onde réfléchie est générée par cette modulation.
Figure(3.5) Laser à émission de surface (‘cavité verticale’)
Grâce à une zone active réduite, de section 5 µm x 0,3 µm environ, le fonctionnement continu
est obtenu avec un courant de quelques centaines de milliampères seulement.
➢ Caractéristiques typiques des lasers à semi-conducteur
Les lasers à semi-conducteur se caractérisent par les propriétés suivantes :
- un rendement élevé, proche de 50%,
- compacité et solidité. Le matériau actif est solide ; l’insertion dans les dispositifs
électroniques est facile.
- émission dans une large gamme de longueurs d’onde, entre 0,3 µm et 30 µm
- accordabilité en longueur d’onde en utilisant une cavité extérieure et des éléments
dispersifs comme un réseau.
Figure (3.6) Allure caractéristique de la courbe puissance de sortie en fonction du
courant d’excitation. La courbe présente un seuil de courant en dessous duquel la
puissance émise est quasi nulle.
Figure(3.7)Spectre d’émission. De nombreux modes longitudinaux peuvent osciller
simultanément.
Figure(3.8) Diagramme spatial d’émission. Le diagramme est asymétrique : les divergences
sont différentes dans le plan et perpendiculairement au plan de la jonction
Les lasers à semi-conducteur sont essentiellement utilisés dans les communications et pour la
lecture des disques optiques. Ils sont en effet modulés très facilement et peuvent être intégrés
sur un même circuit avec d'autres composants électroniques. Ils sont légers, solides mais leur
rayonnement est plus divergent (0,3 à 0,5 rd) que ceux des autres lasers. Les puissances
obtenues varient de quelques mW à quelques W (25 W obtenus une diode de la société
Spectra Diode Labs). La gamme de longueurs
d’onde disponibles s’étale entre 300 nm et 3000 nm. Les lasers à semi-conducteur ont trouvé
de nombreuses applications en instrumentation industrielle ; avec l'augmentation de
puissance attendue, ils sont amenés à remplacer d'autres types de lasers, comme le laser à
HeNe, pour des applications de plus en plus nombreuses. Ils sont en particulier de plus en plus
utilisés comme source de pompage de certains lasers solides comme le Nd:YAG et les lasers à
fibre dopées Erbium ou Ytterbium. Un inconvénient qui pourrait disparaître dans l’avenir
réside dans la nature des matériaux : l’effet laser n’est pas facile à obtenir dans les matériaux
semi-conducteurs utilisés en électronique, le silicium et le germanium. L’intégration complète
des circuits électroniques et photoniques ne se fait que lentement en raison de cette difficulté
I.3.2 Diodes laser de puissance
La réalisation de diodes laser de forte puissance impose des contraintes plus grandes que pour
les diodes destinées aux télécommunications ou aux mesures [Vol.98]. D'une part l'efficacité
optique/électrique doit être optimisée pour atteindre environ 45% ; d'autre part l'utilisation
de traitements réfléchissants permet d'extraire la totalité de la puissance émise à travers une
seule face. On peut associer, par soudage du substrat, plusieurs diodes sur un même substrat
pour former une barrette et obtenir des puissances importantes, les rendant utilisables pour
le pompage de lasers solides (isolants dopés comme le Nd:YAG). Les diodes peuvent
fonctionner en continu ; des puissances de quelques dizaines de Watts peuvent être obtenues.
Le fonctionnement en impulsions est aussi possible. C'est le mode de fonctionnement
approprié pour le pompage des lasers solides ; les impulsions ont alors une durée de quelques
0,1 à 0,2 milliseconde. La puissance émise par une barrette peut atteindre une centaine de
watts crête La réalisation de diodes laser de forte puissance impose des contraintes plus
grandes que pour les diodes destinées aux télécommunications ou aux mesures [Vol.98] .
D'une part l'efficacité optique/électrique doit être optimisée pour atteindre environ 45% ;
d'autre part l'utilisation de traitements réfléchissants permet d'extraire la totalité de la
puissance émise à travers une seule face. On peut associer, par soudage du substrat, plusieurs
diodes sur un même substrat pour former une barrette et obtenir des puissances importantes,
les rendant utilisables pour le pompage de lasers solides (isolants dopés comme le Nd:YAG).
Les diodes peuvent fonctionner en continu ; des puissances de quelques dizaines de Watts
peuvent être obtenues. Le fonctionnement en impulsions est aussi possible. C'est le mode de
fonctionnement approprié pour le pompage des lasers solides ; les impulsions ont alors une
durée de quelques 0,1 à 0,2 milliseconde. La puissance émise par une barrette peut atteindre
une centaine de watts crête
I.4.Laser à colorant liquide
De nombreux colorants organiques sont utilisés comme matériaux actifs. Leur bande spectrale
d'absorption et de fluorescence sont larges mais le spectre laser peut être limité par des filtres
dans la cavité. La longueur d'onde du rayonnement émis peut être ajustée sur la largeur de
fluorescence du colorant qui s'étale sur plusieurs dizaines de nanomètres.
Figure (4.1) Laser à colorant pompé par faisceau
laser
En utilisant successivement plusieurs colorants, il est ainsi possible d'obtenir l'émission laser
à une longueur d'onde quelconque entre 0,36 et 1 micron. Les lasers à colorants sont utilisés
avec un pompage optique (Fig. 5-24). Les sources de pompage utilisées sont : lampe à
décharge, laser à argon, laser à azote, laser à Nd-YAG à fréquence doublée. Le type de
fonctionnement, continu ou pulsé, dépend de la source de pompage. Les puissances obtenues
dépendent de l'intensité de pompage et de l'efficacité du colorant. Un laser à rhodamine
pompé en continu par un laser à argon, peut délivrer un rayonnement de puissance comprise
entre quelques milliwatts et 1,5 watt
Outre l'accord en fréquence, le large spectre émis par les colorants organiques, permet
également par blocage des modes axiaux, la génération d'impulsions de durée inférieure à la
picoseconde. Les lasers à colorants sont utilisés essentiellement pour la recherche scientifique
et la métrologie.
I.5. Laser à solide
Dans les lasers à solides, le milieu actif où se produit l’inversion de population est un barreau
cylindrique formé par un cristal ou un verre dans lequel on incorpore des ions convenables.
• Dans le laser à rubis, le cristal est de l’oxyde d’aluminium Al2O3 dopé par des ions Cr3+ : Le
niveau métastable est en E2. La transition :
E2→E1
Correspond à l’émission stimulée, c’est à dire à l’émission laser. On peut produire le pompage
optique avec une source émettant un spectre large ; dans le laser à rubis, c’est un flash
puissant.
Figure (5.1) : Niveaux d’énergie des ions
Cr3+
Figure (5.2) : Laser à rubis à flash
hélicoïdal
Figure (5.3) : Schématisation du laser
à rubis3
Le laser à rubis fonctionne en régime pulsé et il émet un rayonnement de longueur d’onde
694.3 nm (raie rouge).
Exemple : Avec un barreau cylindrique de rubis de 10 mm de diamètre et de 5cm de longueur,
no obtient des puissances de pointe de 10 à 20 kW.
• Le laser à néodyme ; l’élément actif est néodyme (terre rare) à l’état d’ion Nd3+ dans un
verre ou dans un grenat d’yttrium ou YAG (oxyde d’aluminium Y3Al5O12), Nd est un laser à
quatre niveaux, le niveau de la transition laser si situe au-dessus du niveau fondamental, en
régime pulsé, le fonctionnement du laser YAG est similaire à celui du laser à rubis. On peut
faire fonctionner ce laser en continu en utilisant des lampes au tungstène pour le pompage.
Les puissances sont de l’ordre de 10W.
I.6. Autres lasers
I.6.1 - Lasers chimiques
Il est possible d'obtenir un effet laser en utilisant l'énergie exothermique de certaines
réactions chimiques. Une puissance continue supérieure à 5 kW dans le proche infra-rouge
peut être obtenue en mettant en œuvre la réaction suivante :
H2+F→ FH*+ H
135Kj/mol
Les gaz sont injectés à l'aide d'une tuyère dans l'espace compris entre les deux miroirs formant
la cavité optique.
Les lasers chimiques mettent utilisent des gaz très réactifs et nécessitent une technologie très
particulière difficile à implanter dans un laser d'usage courant.
I.6.2 - Laser à électrons libres
Un laser à électrons libres est constitué d'une structure magnétique périodique ou onduleur
dans laquelle circulent des électrons provenant d'un accélérateur linéaire ou d'un anneau de
stockage. Une cavité optique est installée parallèlement à l'onduleur. Le rayonnement émis
par les électrons déviés périodiquement de leurs trajectoires par le champ magnétique est
amplifié dans la cavité optique. Un effet laser peut ainsi être obtenu. La longueur d'onde
dépend de l'énergie des électrons injectés dans la structure.
Les lasers à électrons libres permettent d'accorder la fréquence du rayonnement sur une
plage spectrale s'étendant de 0,1 à 100 µm. Ces lasers nécessitent néanmoins une installation
très complexe. Les lasers à électrons libres sont utilisés pour la recherche en biologie et en
physique des surfaces solides [Brau.87].
Figure(6.1) : Schéma de principe d'un laser à électrons libres.
Le passage du faisceau d'électrons entre une série d'aimants dont les pôles sont alternés
s'accompagne de l'émssion de rayonnement suivant la direction perpendiculaire à celle du
déplacement des électrons.
I.6 3 - Laser à rayons X
Il existe des prototypes de lasers fonctionnant dans le domaine des rayons X, à des longueurs
d'onde 100 fois inférieures à celles du rayonnement visible. Le matériau actif peut être du
sélénium comme dans le cas du laser du Laboratoire de Livermore aux Etats-Unis, ou un
plasma dense composé d'électrons libres et d'atomes ayant perdu plusieurs électrons
[Matthews.89]. Les conditions pour obtenir une inversion de populations à des énergies aussi
élevées, sont difficiles à réaliser et le laser à rayons X pour lequel existent déjà des
applications, n'existe encore que sous la forme de prototype
Conclusion
Les lasers peuvent être faire en utilisant plusieurs matières. Elles utilisent des
fonctionnements différents dont chacun fait son principe pour aboutir aux faisceaux lase
II LEURS APPLICATIONS
D’une façon générale, on peut classer les applications des lasers en deux catégories suivantes
qu’elles utilisent soit le contenu énergétique du faisceau soit ses capacités à véhiculer de
l’information.
1 - Applications énergétiques
• Fusion et soudure :
La concentration au foyer d’un système optique émise par un laser de grande puissance porte
rapidement à sa température de fusion tout matériau qui s’y trouve placé. On parvient ainsi à
fondre les corps les plus réfractaires (tungstène), ce qui peut donner lieu à une « micro
métallurgie » avec par exemple le laser à rubis qui peut focaliser une puissance de 105 W/cm².
Figure(1) : Fusion et soudure par laser
• Usinage et découpe :
Grâce à la précision et à la puissance d’un rayon laser on peut percer et découper les
matériaux les plus variés. Les applications les plus intéressantes concernent les substances qui
sont soit très dures soit au contraire très peu rigides, c’est à dire les catégories qui posent le
plus de problèmes en usinage classique. On parvient ainsi à percer les diamants comme le
rubis des montres ou à découper plusieurs couches de tissus
• Vaporisation :
Si la durée de l’impulsion laser est très courte (quelques dizaines de nanosecondes), avec une
énergie par impulsion de plusieurs joules et une intensité focalisée supérieur à 109 W/cm²,
l’échauffement est si rapide que le matériau irradié est instantanément vaporisé sur une
profondeur assez faible. Il est dans ce cas possible de pratiquer l’ablation sélective de petites
quantités de matière pour effectuer différents réglages sur les résistances ou sur les rotors de
gyroscopes.
• Chirurgie et microchirurgie :
Le rayonnement focalisé d’un laser est également susceptible d’exercer une action profonde
sur les tissus vivants. En effet il permet déjà de soigner des décollements de rétine en y faisant
des minuscules points de soudures sans douleurs et sans anesthésie. De même, l’emploi d’un
bistouri laser constitué par le faisceau d’un laser à argon ou à gaz carbonique est maintenant
courant, il présente certains avantages concernant la finesse de coupe, l’absence
d’hémorragies et la rapidité de cicatrisation. Une direction de recherche intéressante
concerne la microchirurgie, la focalisation d’un faisceau à l’aide d’un microscope permet d’en
apprendre beaucoup sur les propriétés de la matière vivantes, il permet aussi d’agir à très
petite échelle sur par exemple les chromosomes.
• Physique des plasmas :
Les plasmas ou gaz ionisés, ce « quatrième état de la matière » constituent actuellement un
sujet de recherche plein d’intérêt mais rendu très difficile par l’extrême complexité des
phénomènes entrant en jeu. La mesure de l’absorption du rayonnement laser par un plasma
apporte une contribution précieuse en permettant de déterminer des paramètres importants
tel que la densité électronique et la température de celui-ci. Le faisceau focalisé d’un laser de
puissance permet également de créer un plasma dans des conditions bien définies ce qui
conduit à la possibilité d’une nouvelle méthode de fusion nucléaire contrôlée.
• Photochimie :
L’importance des radicaux libres dans la cinématique des réactions chimiques à été reconnue
depuis longtemps. On désigne sous ce nom des espèces atomiques ou moléculaires possédant
un ou plusieurs électrons non appariés, qui apparaissent de façon transitoire au sein du milieu
réactionnel. De tels radicaux libres peuvent être crées dans le mélange initial au moyen d’une
irradiation lumineuse intense (généralement ultraviolette), amorçant ou entretenant ainsi la
réaction.
. On a pu alors étudier grâce au laser solide ou moléculaire l’évolution d’espèces dont
l’existence bien que très fugitive (microseconde) conditionne néanmoins l’apparition du
produit final. Ces études ont abouti notamment à la gravure photochimique des circuits
intégrés.
• Transmission d’énergie à distance :
Grâce à la grande puissance des lasers actuels (lasers à gaz CO2, DF ou laser chimique à
deutérium-fluor de 2 MW), il est désormais possible de détruire des cibles à plusieurs
kilomètres ce qui peut être intéressant sur le plan militaire. Dans un autre domaine, un tel
faisceau pourrait être utilisé pour transmettre de l’énergie d’un point à un autre, par exemple
entre une station terrestre et un véhicule spatial.
exemple : Le TMW 632 de Thomson-Csf est utilisé pour détecter et identifier la tache laser
sur les cibles éclairées au sol. Un réticule de visée, présenté en Tête Haute, permet au pilote
de viser la cible. Le faisceau laser du télémètre est asservi à la position de l’écartomètre et
permet de mesurer avec précision la distance.
(Caractéristiques : longueur d’onde : 1,06 µm, 20 km de portée, 530*170*190 mm)
Télémètre écartomètre laser
aéroporté TMV 632 de
Thomson-Csf
Soldat pointant la cible
2- Applications au transport de l’information
• Alignements :
Il s’agit d’une application évidente directement inspirée par la grande directivité de l’émission
laser. Par exemple le pinceau rouge et étroit émis par un laser à hélium-néon matérialise ainsi
très commodément l’axe d’un tunnel à creuser. Plusieurs applications militaires rentrent dans
la même catégorie comme le guidage laser des bombes de certains avions qui est d’ailleurs
très précis (à l’arrivé de l’ordre de quelques mètres).
• Télécommunications :
Le laser peut aussi donner la possibilité de véhiculer des messages. Effectivement il est
possible de transmettre par l’intermédiaire de son rayon des bandes passantes qui sont
proportionnelles à la fréquence du rayonnement considéré (1012 Hz et plus, alors que le
téléphone n’occupe que 3 kHz). Les capacités de modulation d’un signal laser sont énormes,
le problème en pratique étant de transmettre ces données, pour ceci il faut faire passer le
rayon à travers un fil de fibre optique ce qui pose encore beaucoup de problème pour des
longues distances.
• Holographie :
Il s’agit là d’une technique nouvelle et intéressante d’enregistrement d’image à trois
dimensions. Les distances de chaque point d’un objet pouvant être mesurées en prenant
compte du déphasage de l’onde lumineuse diffusé par l’objet par rapport à l’onde de
référence. Si la plaque holographique est éclairée par un faisceau laser de « restitution » ayant
exactement la même orientation que le faisceau de référence, l’observateur verra apparaître
une image virtuelle de l’objet à la place même qu’occupait celui-ci.
• Spectroscopie :
L’emploi d’un laser à hélium-néon, ou mieux à argon ionisé, comme source lumineuse dans
les spectrographes à effet Raman utilisés en analyse chimique améliore considérablement
leurs performances et est devenu chose courante. On peut diriger le faisceau d’un laser vers
une nappe de brouillard suspecte et observer, au moyen d’un télescope, la lumière diffusée
également par effet Raman ; l’étude spectrale de cette lumière permet alors la détection
lointaine d’une éventuelle pollution atmosphérique.
• Diffractométrie :
L’étude de la lumière diffusée par un ensemble de petits objets illuminés par un laser donne
sur ceux-ci de nombreux renseignements tels que la taille, forme et concentration. Plusieurs
appareils fondés sur ce principe sont actuellement utilisés : granulomètres ( cimenteries ),
néphélomètres ( dosages biologiques ), cytomètres…
• Mesure de grandes distances :
Elle concerne les distances de plusieurs milliers de kilomètres. La mesure s’effectue alors en
déterminant le temps τ mis par une impulsion laser très brève pour aller se réfléchir sur un
obstacle et revenir :
L = 1/2 c.τ où c’est la vitesse de la lumière dans le vide.
Un réflecteur placé sur la cible permet de renvoyer l’impulsion vers la terre : on utilise dans
ce cas des cataphotes car elles réfléchissent les rayons lumineux exactement d’où ils viennent
(rayon incident parallèle au rayon émis) notamment utilisé dans la mesure de la distance
Terre-Lune.
Principe d’un
cataphote
• Mesure de moyennes distances :
La méthode utilisée consiste à utiliser un laser modulé en amplitude (laser semi-conducteur)
et à le diriger vers un réflecteur éloigné, alors la phase de modulation de l’onde d retour sera
différente de l’onde d’aller et la valeur de la distance peut être déduite du déphasage
correspondant (précision de 10-7 sur 30 km). La même mesure effectuée à deux longueurs
d’onde différentes permet de déterminer les corrections dues à l’indice de l’air.
• Mesure de petites distances :
La mesure des longueurs inférieures à quelques dizaines de mètres est du domaine de
l’interférométrie. Deux miroirs placés en regard constituent une cavité raisonnante dont la
longueur peut être déterminée par comptage des franges d’interférence obtenues en
éclairant le dispositif au moyen d’un laser à haute stabilité. La précision ultime n’est
théoriquement limitée que par les instabilités de longueur d’onde du laser source (10-12).
Figure(1):Interféromètre destiné aux mesure de longueur
• Vélocimétrie : Grâce à l’effet Doppler, en étudiant la diffusion de la lumière, il est possible
de mesurer les vitesses d’écoulement d’un fluide, on le rencontre en aérodynamique, en
médecine (observation non invasive du débit sanguin sous la peau). Un laser oscillant à la
fréquence F éclaire une canalisation suivant l’angle 𝜃. Les particules du fluide rediffusent la
lumière à une fréquence différente. Suivant le même angle 𝜃 on observe une fréquence F’
donnée par la relation :
(ν – ν’)/ν = 2.cos 𝜃.ν/V
Où ν est la vitesse des particules et V celle de la lumière dans le milieu. Un photodétecteur
permet d’observer le battement ν – ν’ et d’en déduire v.
Figure (2) : Schéma d’un débitmètre à effet Doppler
• Gyrométrie :
L’effet Doppler peut être également employé à la mesure des vitesses de rotation au moyen
d’un montage appelé laser en anneau.
Figure (3) : Schéma d’un gyromètre laser
Quand le laser est immobile, les deux rayons sortant du tube laser ont la même fréquence de
résonance. Cependant, si celui-ci est mis en rotation autour de son axe dans un sens
déterminé, les ondes circulants dans le même sens vont voir leur fréquence diminuer par effet
Doppler lors de la réflexion sur les miroirs, tandis que les ondes de sens contraire verront leur
fréquence augmenter. En les superposant sur un photodétecteur, on observera une fréquence
de battement N donnée par :
N = 4Ω.A/P.λ
Où Ω est la vitesse de rotation, A l’aire de l’anneau, P son périmètre et λ la longueur d’onde
du rayonnement. Cette application à une précision telle qu’elle permet de mettre en évidence
la rotation terrestre.
III.SECURITE DU LASER
III.1 Les dangers liés au rayonnement laser
Les risques dus aux lasers sont très différents selon le type de personnel concerné (utilisateur,
chercheur ou personnel de maintenance). Cette difficulté est accrue par le fait qu'un
équipement laser ne présente pas seulement des risques dus :
•
Au faiseau laser : Ce dernier est caractérisé par une forte densité d'énergie sur une
petite surface du fait qu'un laser émet un « concentré de lumière ». Ainsi lorsqu'un
faisceau rencontre un obstacle, il va être absorbé et l'énergie lumineuse sera
transformée en énergie calorifique (chaleur). Mais aussi des risques dus :
•
aux dispositifs périphériques :
- Alimentation hautes tensions : risques électriques
- Risques chimiques plus particulièrement dans le cas des lasers à colorant
- Risques acoustiques
- Risque dû à l'emploi de bouteilles de gaz sous pression.
III.1.1 Les dangers de laser par systèmes laser
Avant d'entrer dans la présentation des risques, voyons tout d'abord quelques
statistiques à partir de graphes. Ces statistiques s'appuient sur le type de laser
provoquant le plus d'accidents mais aussi sur le type de personnel le plus soumis aux
risques laser
Figure(1) Statistiques d'accident laser – par
rapport au type de laser
Figure(2) Statistiques d'accident laser – par rapport à l'activité
professionnelle
III.2. Protections contre les rayonnements laser
La norme appliquée en Europe est la norme européenne NF EN 60825-1/A2 « sécurité des
appareils à laser, classification des matériels, prescription et guide de l'utilisateur ». Cette
norme est à la base des programmes de mise en application de la sécurité laser en industrie,
médecine et en recherche. Elle est référencée en France par les Ministères du travail, de la
santé et les Caisses Primaires d'Assurance Maladie. La norme NF EN 60825-1/A2 pour la
sécurité des appareils à laser fournit des informations sur le classement des lasers pour la
sécurité, les calculs de sécurité laser, les mesures de contrôle des risques, des
recommandations pour les responsables sécurité laser et pour les comités d'hygiène et
sécurité des entreprises. Ces normes sont conçues pour fournir à l'utilisateur laser les
informations demandées et aider à la compréhension des programmes de sécurité laser. Pour
les fabricants de produits laser, la norme sert de référence pour la conformité des
installations. Tous les produits laser vendus en Europe doivent répondre à cette norme et
comporter le marquage CE
III.2.1 Référent sécurité laser (RSL)
Le directeur d’unité doit nommer au sein de son unité au moins un référent sécurité laser dès
lors que les personnels sont susceptibles d’être exposés à des rayonnements laser dépassant
les valeurs limites d’exposition. Le RSL exerce sous son autorité les missions suivantes définies
réglementairement :
• Participer aux évaluations des risques exposant les personnes intervenant à proximité
d’appareils à laser et à la mise à jour du document unique d’évaluation des risques
professionnels.
• Participer à la mise en œuvre de toutes les mesures propres à assurer la santé et la sécurité
des travailleurs intervenant à proximité d’appareils à laser, notamment le dimensionnement
des équipements de protection collective et individuelle ainsi que lors de la conception ou la
modification de postes de travail.
• Participer à l’amélioration continue de la prévention des risques à partir de l’analyse des
situations de travail. Dans la pratique, l’utilisation de lasers de classe supérieure ou égale à la
3R implique un dépassement des VLE en cas d’exposition et justifie la nomination d’un RSL
dont les missions réglementaires se déclinent ainsi :
• Tenir à jour l’inventaire du parc lasers et tenir à disposition les informations sur leurs
dangers.
• Proposer les mesures de prévention, dont les consignes de sécurité, en lien avec les
responsables des manipulations.
• Former les nouveaux personnels et animer la sensibilisation sur la sécurité laser au moins
une fois par an, en lien avec les assistants de prévention de la structure.
• Tenir à jour la liste des personnes habilitées.
• Calculer, si nécessaire, les valeurs d’exposition au poste de travail et les valeurs limites
réglementaires, et les comparer entre elles.
• Calculer la distance nominale de danger oculaire si nécessaire.
• Déterminer les échelons des lunettes de protection et de réglage.
• Accompagner les personnels concernés pour la réalisation annuelle de leur fiche individuelle
d’exposition aux rayonnements optiques artificiels.
• Procéder à l’analyse des accidents mettant en cause un appareil à laser, en lien avec
l’assistant de prévention.
• Organiser la gestion des situations accidentelles, en lien avec l’assistant de prévention.
Pour assurer ces missions, le RSL doit être aguerri aux problématiques laser et présenter un
profil scientifique compatible avec cette mission.
Une formation relative à la prévention du risque laser est proposée au RSL préalablement à sa
prise de fonction . Le directeur d’unité adresse une lettre de mission au RSL pour formaliser
sa prise de fonction. III.2.2 Les risques associés et leur prévention
. Risque électrique
Le fonctionnement du laser nécessite une source électrique pour alimenter les dispositifs de
pompage optique ou électrique. Pour les lasers de puissance, il s’agit la plupart du temps de
haute tension pouvant s’élever jusqu’à plusieurs kilovolts. Une attention particulière doit être
portée aux lasers
impulsionnels contenant des batteries de condensateurs de fortes capacités qui peuvent
conserver la charge longtemps après la mise hors tension de l’alimentation
Le risque électrique comprend le risque de contact, direct ou non, avec une pièce nue sous
tension, le risque de court-circuit, et le risque d’arc électrique. Ses conséquences sont
l’électrisation (passage d’un courant électrique dans le corps) voire l’électrocution (entraînant
la mort) mais aussi l’incendie, voire l’explosion. Le seuil de dangerosité pour l’homme dépend
des niveaux de tension et de courant rencontrés.
Une électrisation peut être plus ou moins grave selon la fréquence, l’intensité, la durée de
passage dans le corps du courant mais aussi la surface de la zone de contact, l’état de la peau
(sèche, humide, mouillée…) et la nature du sol.
La grande majorité des lasers utilisent des courants élevés allant de 1 à 500 A. D’une manière
générale, les alimentations électriques, de même que les montages expérimentaux, doivent
présenter un niveau d’isolement approprié et être réalisés de façon à rendre impossible
l’accès aux pièces nues sous tension. Toutes les masses conductrices doivent être reliées à la
terre par le conducteur de protection du réseau de distribution. Les règles de conception et
d’installation doivent être respectées et les installations doivent être vérifiées
périodiquement
Dans le cas des installations lasers 3B et 4, la prévention des risques « électrique » et «
incendie » impose l’installation d’un dispositif de coupure d’urgence visible et facilement
accessible à toute personne. Dans certains cas, il peut être installé un bouton d’arrêt
d’urgence ne coupant que la partie dangereuse de l’équipement (par exemple en isolant la
partie haute tension, uniquement). Cet arrêt d’urgence permet également à un sauveteur
secouriste du travail de se mettre facilement en sécurité en cas d’accident corporel
CHAPITRE III.LES LEDs
Introduction
Depuis une quinzaine d’années, la spectaculaire progression des performances des
technologies semi-conductrices à base de nitrures, mises au service des composants
optoélectroniques dans de multiples domaines d’application (médical, énergie, techniques
d’informations et de la communication…), a permis une augmentation significative du marché
des Diodes ElectroLuminescentes (LEDs pour Light Emitting Diode). Depuis les années 2000, la
préoccupation de notre société vis à vis des aspects environnementaux et plus
particulièrement de la réduction de la consommation électrique a généré un effort spécifique
pour le développement de l’éclairage public. Ceci conduit à un remplacement progressif, dans
tous les domaines d’application de ces lampes à incandescence par des technologies de
lampes à LEDs. La LED à base de GaN a donc pénétré ce marché jusqu’alors maîtrisé par les
géants de l’éclairage à lampes fluorescentes et incandescentes. La miniaturisation des
dispositifs d’éclairage à LEDs et la constante augmentation de leurs performances (> 150
lm/W) conduisent à de nouveaux challenges qui doivent être relevés en termes de gestion
thermique et de garanties de durée de vie en conditions opérationnelles de plus en plus
sévères. Dans cette partie nous intéresserons qu’a une petite partie des LEDS, celle qui lui lie
au laser .
I Description et caractéristiques des LEDs
Une diode électroluminescence (LED) est un dispositif opto-électronique capable d’émettre
de la lumière lorsqu’il est parcouru par un courant électrique . Elle ne laisse passer le courant
électrique et que dans un seul sens et produit un rayonnement monochromatique ou
polychromatique non cohérent par conversion d’energie électrique lorsqu’un courant la
traverse. Elle compte plusieurs dérivées, principalement l’OLED l’AMOLED , aussi FOLED
II.1. Principe de fonctionnement
Une diode électroluminescente fonctionne sur le principe d’une jonction pn. Cette jonction
est en fait un semi-conducteur ayant deux régions de conductivité différente : une de type p
(constituée essentiellement de charges positives : les trous) et une autre de type n (constituée
essentiellement de charges négatives : les électrons), ainsi qu’une région de recombinaison
radiative qui donne lieu au phénomène de luminescence. Sous l'effet d'une différence de
potentiel entre deux électrodes, les électrons se recombinent avec les trous dans la zone de
recombinaison. Cela engendre l’émission de photons, dont la nature dépend des
caractéristiques des matériaux constituant la jonction.
I.2 Caractéristiques intrinsèques des LED
Une LED est un composant polarisé, ce qui implique qu’en fonction du sens du courant
électrique i, qui la traverse, elle se situera dans le cas d’une polarisation inverse ou directe.
Dans son fonctionnement normal, une LED s’utilise en polarisation directe, c’est-à-dire lorsque
le courant circule de l’anode à la cathode. Dans cette configuration elle a deux modes de
fonctionnement : un mode bloqué et un mode passant. Cela s’observe lorsque l’on trace sa
caractéristique courant-tension. Cette caractéristique indique qu’il faut atteindre une valeur
minimale de tension directe d’alimentation - que l’on nomme tension de seuil - aux bornes de
la LED avant qu’un courant direct d’alimentation la traverse. Pour qu’une LED émette de la
lumière il faut donc l’alimenter avec une tension minimale
Figue(1) Symbole d’une LED
I.3 Les matériaux utilisées
➢ Substrats et matériau actif
Les éléments de base du composant est le substrat sur lequel la jonction va être
construite. Les matériaux les plus souvent L’équation du rendement quantique (2,3)
montre que plus le nombre de recombinaisons radiatives
Augmente, plus le rendement chute. Le rendement quantique d’une LED en
fonction du niveau de Courant qui la traverse part de zéro à niveau de courant
très faible pour atteindre un maximum avant de chuter à nouveau en fonction
de l’élévation du niveau de courant. Bien que la plupart du temps, c’est plutôt
le rendement lumineux qui est évalué, l’efficacité lumineuse et le rendement
quantique sont aussi des indicateurs permettant de comprendre le
comportement d’une LED. utilisés sont l’arséniure de gallium pour les longueur
d’ondes de 570 et 760nm et majoritairement le Saphir les longueurs d’ondes
400et 500 nm
I.4 La création de LEDs émettant de la lumière bleue
Les premières LEDs émettant de la lumière bleue ont été faites à base de Séléniure de Zinc
(ZnSe) et de Carbure de Silicium (SiC) présentant chacune des gaps indirects élevés. Toutefois,
comme l’efficacité d’émission de lumière n’était pas satisfaisante, ces pistes ont été
abandonnées. Le premier matériau présentant des performances plus intéressantes pour le
développement de LEDs bleues a été le Nitrure de Gallium (GaN). Cependant, il y a eu un
verrou important pour avoir une reproductibilité à grande échelle dans la fabrication
industrielle des cristaux de GaN en vue d’obtenir un matériau homogène et ayant des
performances constantes. Ceci a pu être obtenu à la fin des années 1960 et l’utilisation de la
technique épitaxie en phase vapeur Hydrure (HVPE) [69]. Cependant cette technique ne
permettait pas de contrôler la rugosité des surfaces. Le problème restait donc entier vis-à-vis
du rôle de l’hydrogène qui ne pouvait pas être intégré dans l’ensemble du matériau de
manière homogène et restait principalement en surface [70]. Dans les années 1970, avec
l’aide de nouvelles techniques de croissance cristalline comme l’épitaxie par faisceau
moléculaire (MBE) [71] ou l’épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (MOVPE) [72], la
croissance du GaN s’est progressivement améliorée [73]. À la fin des années 1980, grâce à la
technique d’analyse utilisant le microscope électronique à balayage offrant des
agrandissements de meilleure qualité, A. Amano et H. Akasaki ont observé que lorsque l’on
dopait une couche de GaN avec du Zinc (Zn), ce composant pouvait augmenter son taux
d’émission de lumière [74]. En fait le zinc apportait un meilleur dopage de type P. D’une
manière similaire, l’utilisation du Magnésium (Mg) apportait également de meilleurs résultats
sur le dopage P et donc l’émission de lumière [75]. Ce fut une percée importante ouvrant la
voie à la constitution de jonctions PN à base de GaN dédiées aux applications lumineuses.
I.5 Création de LEDs émettant de la lumière blanche
L’émission de lumière blanche par une LED ou un ensemble de LEDs a été mise au point pour
la première fois dans les années 1990 pour le rétroéclairage dans les applications automobiles.
C’était alors des LEDs de très faible puissance d’émission. Aujourd’hui, il existe deux manières
de produire de la lumière blanche avec des LEDs. La première et la plus ancienne méthode
pour reconstruire cette lumière s’effectue par la synthèse additive des trois couleurs primaires
qui sont le rouge, le vert et le bleu comme dans les métiers de l’art. Cette méthode a pu être
effective lorsque les LEDs émettant dans le spectre bleu ont été améliorées et dont certaines
technologies ont pu être reproduites à grande échelle. Cependant, la faible largeur spectrale
de chaque LEDs selon la lumière émise ne permet souvent pas d’obtenir de très bons résultats
une fois groupées pour la création de la lumière blanche dans un luminaire. Ce type de
mélange nommé RGB (de l’anglais, Red – Green – Blue) reste ainsi utilisé pour la création de
couleurs particulières ou les animations colorées et très peu pour la production de lumière
blanche dédiée à l’éclairage. Un autre frein à cette technique pour qu’elle soit utilisée dans
l’éclairage vient des technologies utilisées dans les semi-conducteurs qui sont différentes
selon chaque type de couleur émise et dont l’association est rendue difficile parce qu’elles
n’ont finalement pas le même comportement vis-à-vis des conditions de fonctionnement
notamment la température et l’alimentation en courant. Cela peut parfois entrainer des
dérives chromatiques ou des diminutions du flux lumineux pouvant être perceptibles à l’œil
nu. La seconde méthode de production de la lumière blanche consiste à émettre des
radiations avec l’aide d’un semi-conducteur dans une gamme spectrale donnée et avec cette
lumière, exciter un matériau luminophore déposé sur un filtre (substance qui, lorsqu’elle subit
une excitation, émet de la lumière dans une autre gamme spectrale). Par exemple, une
solution très répandue est de faire traverser une radiation visible (généralement le bleu ou le
violet) à travers un luminophore qui peut être simple ou multicouche
Figure (2) : Production de lumière
blanche [76]
Figure (3) : Effet Stokes pour la production de
lumière [76]
Le principe de constitution est que le matériau semi-conducteur de la LED est choisi pour
pouvoir émettre une radiation bleue autour de 440 nm. Le luminophore choisi pour émettre
une lumière blanche/jaune/orangée est déposé directement sur la puce jouant également en
partie le rôle de filtre absorbant de la radiation bleu. Le résultat est une lumière à tendance
blanche qui est le mélange du bleu non complètement absorbé et du jaune émis par le
luminophore. Ce principe d’absorption des courtes longueurs d’onde et la réémission vers des
longueurs supérieures furent découverts par G. Stokes en lien avec l’émission de lumière par
fluorescence [80]. Une autre possibilité est d’utiliser des LEDs qui émettent des radiations
dans le domaine des UV et de les ramener dans le spectre visible avec un luminophore adapté
[77 - 78]. Une autre technologie basée sur un concept similaire est d’utiliser une diode laser à
la place d’un semi-conducteur. Selon Nakamura [79], cette technique avec des diodes laser
représente le futur par rapport à la précédente pour les applications de l’éclairage pour ses
avantages sur les systèmes LEDs, Soldes ou OLET. Le fait d’utiliser une diode laser offre un
meilleur contrôle en température (beaucoup moins d’emballement thermique). De plus, à
puissance équivalente, les diodes laser ont besoin de moins d’énergie. Ou encore, elles ont
une meilleure stabilité chromatique. Elles ont commencé à remplacer les systèmes d’éclairage
automobile actuels [80].
Qautres types d’éclairage. En effet, elles couvrent une gamme de longueurs d’onde très large
et ont la possibilité de constituer de nombreux types de luminaires. Comme l’indique la figure
sous dessus, le taux d’émission selon les raies spectrales peut ainsi être réglé
Figure (4) : Proportion d’émission de "bleu" dans des LEDs chaude et
froide.
La lumière peut ainsi être qualifiée de chaude ou de froide suivant les matériaux composant
la LED émettrice et le luminophore. Pour les LEDs actuelles produisant la lumière blanche, le
matériau constituant le luminophore est souvent du grenat d’aluminium et d’yttrium (YAG).
Bien que des efficacités lumineuses impressionnantes de 300 lm/W aient été démontrées en
laboratoire [55], les LED blanches que l’on peut aujourd’hui trouver dans le commerce sont
autour des 100 lm/W. La société CREE, qui fabrique des LEDs depuis 1989, affiche une valeur
de 134 lm/W [81] pour un courant de 350 mA et une température de fonctionnement de 85
°C pour la LED référencée XHP50. Malgré les évolutions constantes, il reste actuellement des
problèmes intrinsèques aux LEDs élémentaires et aux luminaires utilisant ces LEDs qui les
empêchent de fonctionner de manière optimale. L’une des améliorations mises en œuvre est
l’ajout de puits quantiques multiple afin d’augmenter le rendement de la LED [82]. Une autre
manière d’améliorer les LEDs est l’extraction de la lumière à partir de la puce au centre du
composant. Le GaN est un matériau qui favorise les recombinaisons radiatives et donc
l’émission de lumière, cependant il a aussi un fort indice optique (typiquement n =2,45). Cela
entraine en conséquence le piégeage de la lumière dans celui-ci. Pour cela, des travaux ont
été effectué [83], montrant qu’il est possible par exemple, en ajoutant une couche en métal
en face arrière afin de réfléchir la lumière, ou en changeant la forme de la puce LED. Les
résultats ont montré qu’il était possible d’obtenir des améliorations de l’extraction de la
lumière pouvant passer de 30 % à 80 %. Un des aspects est souvent négligé dans la recherche
d’un meilleur rendement lumineux est le rendu des couleurs. Or en travaillant avec des
luminophores YAG conventionnels et en introduisant une quantité de nitrure, il est possible
d’augmenter l’indice de rendu des couleurs de 75 % en moyenne à 95 % [76].
I.6 Critères d’évaluation des performances d’une LED
Les performances des LEDs afin de concevoir des alimentations plus dédiées, nous avons fait
le choix de faire plusieurs de tests sur les performances électriques et lumineuses de LEDs
élémentaires. L’idée est de mieux connaître les points d’optimisation possibles, car il existe
déjà beaucoup de produits sur le marché bien que les performances sont encore à améliorer
et la fiabilité n’est pas toujours au rendez-vous
I.7 Notions permettant d’évaluer les performances d’une LED
Pour qualifier les performances d’une LED, il existe trois notions qui se recoupent
partiellement.
La première grandeur correspond à l’efficacité lumineuse 𝐸𝑓𝑓𝑙 qui en toute rigueur pour une
LED (ou d’une source) correspond au rapport entre le flux lumineux visible et la puissance
radiative totale de la source (en lm/W). Elle se définit par l’équation suivante :
Avec : V(λ) : l’efficacité lumineuse spectrale F(λ) : le flux énergétique de la source de lumière
(W)
P : la puissance électrique injectée (W)
La dernière grandeur est le rendement quantique interne EQE d’une LED qui désigne le
rapport du nombre de photons émis par le ou les puits quantiques sur le nombre d’électrons
injectés. Ce rendement dépend de
la
qualité de la jonction et des matériaux utilisés
principalement. Cependant, ce rendement n’étant pas simple à évaluer, les LEDs sont plus
souvent comparées par rapport à leur rendement lumineux décrit précédemment notamment
dans la littérature [84-85]. Le rendement quantique EQE est défini par :
EQE=
(𝐵𝑛)²
𝐴𝑛+𝐵𝑛2 +𝐶𝑛²
Avec : n : la densité du courant (A/cm²), B : le nombre de recombinaisons radiatives, A et C :
les nombres de recombinaisons non radiatives.
En fonction du niveau de courant d’alimentation, l’efficacité définie par l’équation 2.1 et les
deux rendements présentent un maximum à faible densité de courant injectée et décroissent
plus ou moins selon les LEDs en fonction du niveau de courant et selon les besoins en éclairage.
Ce problème est connu sous la terminologie « efficiency droop » [86].
Figure (5) : Rendement quantique interne en fonction de la densité de courant à 22 °C [86]
C’est une caractéristique universelle liée au matériau composant la LED. Toutefois, ce
phénomène est encore plus flagrant lorsqu’il concerne des LEDs devant émettre des longueurs
d’onde proches du vert. Ce problème en outre, entraine un ralentissement pour la
généralisation de l’emploi des sources de lumière solide. Plusieurs mécanismes sont en cause
pour cette chute d’efficacité, il peut y avoir les défauts cristallins [87-88], la recombinaison
entrainant une dislocation [89], l’expulsion des porteurs hors de la zone active [90-91], la
faible injection de trou [92], l’effet Auger [93 - 98] ou bien encore une combinaison de
plusieurs phénomènes [99]. Toutefois, l’effet Auger est le plus problématique, car c’est un
processus de recombinaison non-radiatif intrinsèque au matériau.
Figure (6) : Exemple d’efficacité quantique typique normalisée en fonction de la densité de
courant dans une LED [84]
L’équation du rendement quantique (2,3) montre que plus le nombre de recombinaisons
radiatives augmente, plus le rendement chute. Le rendement quantique d’une LED en fonction
du niveau de courant qui la traverse part de zéro à niveau de courant très faible pour atteindre
un maximum avant de chuter à nouveau en fonction de l’élévation du niveau de courant. Bien
que la plupart du temps, c’est plutôt le rendement lumineux qui est évalué, l’efficacité
lumineuse et le rendement quantique sont aussi des indicateurs permettant de comprendre
le comportement d’une LED.
CONCLUSION
la source émet des photons d’énergie différente, sans direction privilégiée, et sans relation de
phase. L’œil, qui est sensible à l’énergie lumineuse, perçoit un effet lumineux moyen. La
lumière générée par un laser est concentrée et dirigée en faisceau. Ce qui le différencie des
autres sources d’émission de la lumière. Cependant il a plusieurs applications et t’importance
dans le monde d’aujourd’hui. Par contre ils n’ont pas moins de dangers et de risques pour
lesquels des mesures sont prises . Le laser a aussi des dérivée comme les LEDS qui sont
énormément importantes.
Bibliographie
[1] Le laser : Fondamentaux - Optique pour l'ingénieur [en ligne] http://www.optiqueingenieur.org cours › pdf Consulté le 15/12/2021
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674 pages
[3] Les Lasers principe, fonctionnement et application [en ligne] http://david.home.free.fr ›
pdf› PS10 - Do... Briand. Semestre Automne 1998. Florent Amoravin.27 pages consulté le
07/01/2022
[4]
Encadré par : Anissa Ghlaimi., La fascinante beauté des LEDs [en ligne]
ttp://national.udppc.asso.fr › Memoires_OdPF consulté le 23/12/2021
[5] HAL Open science, Etude de la fiabilité de modules à base de LEDs blanches pour
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consulté le 08/01/2022
