Fonctionnement du laser à base de semi conducteur

Fonctionnement du laser à base de semi conducteur (appelé laser à injection - ILD)
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Il s’agit d’une source monochromatique cohérente (spectre étroit, puissance élevée, cohérence importante).
Contrairement au LED (diode électroluminescente).
Les concepts de base sont basés sur la mécanique quantique :
Les atomes procèdent des états d’énergie distinct l’absorption et l’émission de lumière les fait passé d’un état
d’énergie à l’autre. Le passage d’un état quantique à l’autre est caractérisé par l’émission d’un photon de fréquence
donné par la relation de plank.
Il existe 3 types de mécanisme qui sont toujours présent :
1. L’absorption
Un atome de niveau d’énergie E1 peut absorber le photon incident ce qui provoque la transition vers le
niveau 2
2. L’émission spontanée
Atome est à un niveau d’énergie supérieure, il se désexcite en émettant de un photon de fréquence f0.
Quand un grand nombre d’atome avec un niveau d’énergie supérieur est présent, les phases des ondes
rayonné sont indépendante les une des autres.
3. L’émission stimulée (principe à la base du fonctionnement du laser)
Un atome de niveau d’énergie supérieure va se désexciter sous l’action d’un photon incident en émettant un
photon de même fréquence et de même phase que le photon incident.
Comment la lumière peut être amplifiée :
Soit N1 atomes au niveau d’énergie bas et N2 atomes au niveau d’énergie haut. Le rapport entre le nombre N1 et N2
est donné à l’équilibre thermique par la distribution de boltzman.
A l’équilibre thermodynamique, l’émission spontanée est le phénomène le plus fréquent.
Pour produire de la lumière cohérente, on a besoin d’inverser la population d’électron, c'est-à-dire faire passé l’atome
d’un état d’énergie E1 à un état d’énergie E2. Pour se faire, nous devons utiliser une source externe dite de pompage.
En effet quand il y a inversion de population, le nombre de photon émis par émission stimulé est supérieure au
nombre de photon absorbé. Et l’intensité de la lumière incidente (celle qui a permis le pompage donc de crée
l’inversion de population) est donc accrue.
En générale comme le montre le slide suivant, on utilise des composer qui ont 3 ou 4 niveaux :
Pour avoir un effet laser => besoin d’un processus de réaction :
Un semi-conducteur de type p (inversions de population à été réalisée par pompage) est situé entre 2 miroirs. Une
émission spontanée va émettre un photon (si pas de miroir => on ne peut avoir que de l’émission spontané), ces
photons vont se propager vers les miroirs et vont être amplifié par émission stimulé. Après réflexion sur les 2 miroirs,
les ondes vont revenir a leur position d’origine. Ainsi pourvu que la puissance absorbée par le milieu d’amplification
et les miroirs ne dépasse pas la puissance fournie par l’émission stimulée, l’effet d’amplification peut commencer à
fonctionner.
Pendant le fonctionnement du laser, une onde stationnaire se forme la condition pour avoir une onde stationnaire est :
λ
q= L avec L longueur de la cavité et q un nombre entier.
2∗n
Donc une cavité de longeur L bcp plus grand que la longueur d’onde d’émission fonctionne ds un grd nombre de
mode de propagation ayant chacun une longueur d’onde différente des autres. => Mode longitudinaux
Mode transversaux : mode ayant une structure différente dans une direction normale à celle de propagation.
Condition à respecter pour avoir oscillation laser :
Pour que l’oscillation laser puisse commencer, il faut la perte partielle d’énergie soit égale au gain net à chaque trajet
par longueur unitaire produit par émission stimulé.
Voir expréssion de gth sur le slide, le premier terme représente la perte par abscoption dans le milieu laser et le
deuxième existe parceque la réflectivité des miroirs est inférieure à 1.
Pour expliquer le fonctionnement des lasers a semi conducteur => physique des semiconducteurs :
Interaction entre atomes dans les solides => formation de bande d’énergie.
La il explique le fonctionnement de la jonction pn : il faut le lire juste pour se rappellé
Fonctionnement du laser a semi-conducteur à double hétérojonction :
En gros ce qui faut en tirer des 2 slides :
La structure s’appelle structure à double hétérojonction car, des semi-conducteur ayant des bandes interdites
différentes sont en contact avec la région active (région on l’émission des photons se produit et donc la ou il y a
génération de la lumière cohérente). L’indice de réfraction des zones qui entoure la région active est plus faible donc
on a un confinement du faisceau laser crée et on a ainsi un guide d’onde dièlectrique.
La région active est de type p => il faut une jonction pn pour injecté des porteurs minoritaires dans cette région. On
utilise donc une polarition (voir les slide sur la jonction pn mais en sa va baissé la barrière de potentiel qui existe
entre les deux niveau et donc ainsi les electrons pourrons plus facilement se rendre ds la région p)
A gauche de la région active on a un autre semi conducteur de type p mais celui la il a une bande d’energie plus élévé
donc les electrions seront confiné dans la premirère zone de type p (la zone active) a cause de la barrière de potentiel.
Donc grace à cette structure, on obtient plus facilement une inverssion de population et la luminescence est amplifié
Les laser à semiconducteur on un spectre d’électroluminescence d’une larguer de 4nm.
Si on augmente le courant de polarisation=> de plus en plus de mode sur une gamme plus étendue de longeur
d’onde satisfont a la condition d’oscillation et commence a fonctionner et il est donc logique de voir sur les
graphique ci-dessous une puissance de sortie qui augmente lorsque le courant augmente.
La puissance de sortie augmente rapidement au dela d’un certain seuil de courant de polarisation,