TP " DIODE LASER (Etude des propriétés électriques et optiques)" Thèmes abordés Matériels nécessaires Courbe courant/tension d’une diode laser. Mesure de la puissance optique en fonction du courant de la photodiode interne de la diode (courant de moniteur). Calcul du taux de conversion (mA/mW). Courbe de puissance optique/courant d’injection. Calcul du rendement électrique-optique. Détermination du seuil d’oscillation. Changement de l’état de polarisation de la lumière. Etude de la variation du seuil d’oscillation avec la T°, de la variation de la puissance optique avec la T°. Analyse de la variation de longueur d’onde avec le courant d’alimentation et la T°. Mesure de la divergence du faisceau émis. Détermination des dimensions de la zone émettrice. Mesure du taux de polarisation en fonction de la puissance optique. Asservissement en température, en courant, en puissance. Banc optique (prismatique 1 m) avec jeu de pieds Cavalier standard pour banc prismatique Cavalier pour banc prismatique longueur 100mm Cavalier pour banc prismatique déplacement 60 mm -Z 40 mm Diode Laser (650 nm – 7 mW) et son support de régulation de T° Alimentation et Contrôleur numérique pour Diode Laser Dispositif de préréglage et d'accouplement Porte objectif sur tige avec réglage X,Y = 1,5 mm Objectif de microscope 10x / ON 0,2 Porte lame mince sur tige Réseau de diffraction (600 tr/mm) Polariseur en verre avec monture rotative de précision Mesureur de puissance portable (400-1100 nm / 0-40 mW) Ecran numérique (support, webcam, écran, logiciel) Lunette d'alignement et protection laser 633 nm jusque 10 mW Cours, Texte de TP, Notice de résultats 1 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 Spectromètre (option) 1 Principes et objectifs Une diode laser est d’un point de vue électronique une diode à semi-conducteur. Elle possède une caractéristique ILD = f (ULD) (courant de la diode en fonction de la tension à ses bornes) de même allure qu’une diode normale. Cette caractéristique présente donc un seuil au delà duquel le courant va pouvoir traverser la diode, puis une forte pente faisant augmenter rapidement le courant en fonction de la tension. Les techniques d’alimentation des diodes lasers sont abordées dans ce TP, notamment par l’utilisation d’un contrôleur de diode laser. Il est ainsi possible de mener des études en température, de contrôler le courant d’injection et de mesurer le courant de moniteur ou encore la tension aux bornes de la diode. L’étude des caractéristiques optiques est également abordée par le biais d’outil de visualisation, d’acquisition et de traitement performant. Photo1 : Montage expérimental du TP Diode Laser " Ce TP est très riche en expériences et permet d’étudier à la fois les caractéristiques électriques et optiques des Diodes lasers." 03 82 20 81 07 [email protected] http://www.didaconcept.com Théorie et résultats Le boîtier de la diode laser inclut à la fois la diode laser et une photodiode de contre-réaction. Cette dernière reçoit la puissance optique émise par la face arrière de la diode laser. La photodiode fournit donc un courant noté IM (I Monitoring, Moniteur ou courant de contrôle) proportionnel à la puissance optique émise. Le faisceau émis est clairement elliptique. Dans un semi-conducteur, l’émission de la lumière s’effectue par la tranche de ce dernier. Ce phénomène est observé sur un écran puis enregistré par le biais d’une Webcam. Des mesures de dimensions sont également réalisées. 7,0 T15C T30C T40C 6,5 Puissance Optique Popt (mW) 6,0 5,5 Etalonnage photodiode interne 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 Fig. 3 : Observation et mesure de la divergence 1,5 1,0 0,5 0,0 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 Courant de moniteur IM (µA) Fig. 1 : Détermination du facteur de conversion ou de calibration Le contrôleur de courant utilisé en mode puissance constante mesure ce courant IM et agit par contre-réaction sur le courant direct de la diode laser IDL. Le courant de contrôle IM assure ainsi la stabilité de la puissance émise. Le contrôleur utilisé autorise ces deux types de fonctionnement. Il permet également : - un réglage (mode courant) de l’intensité IDL fournie à la diode daser - un réglage (mode puissance) de la puissance optique via le courant IM - une mesure directe de la tension UDL aux bornes de la diode laser A partir des valeurs des divergences, il est possible d’en déduire la taille de la surface émettrice, ici : wz ≈1,3µm et wy ≈ 3,6 µm L’utilisation d’un réseau de diffraction et de l’écran numérique oVisio permet de mettre en évidence et de mesurer les variations de longueur d’onde de la source en fonction de la température ou du courant. Fig. 4 : Mise en évidence de la dérive en longueur d’onde de la source Une variation de ∆T de 40°C a engendré une variation ∆λ0 de 6,5 nm. Le facteur dλ/dT est d’environ 0,16 nm/°C. Fig. 5 : Utilisation du spectromètre Spectrovio Fig. 2 : Détermination du courant de seuil La température joue un rôle important au niveau de tous les composants à semi-conducteurs. Il est ainsi possible de mettre en évidence une augmentation du courant de seuil en fonction de la température. 03 82 20 81 07 [email protected] Remarques et commentaires Ce TP est très riche pédagogiquement puisqu’il couvre différents domaines et que les phénomènes observés peuvent être analysés de manière plus ou moins approfondie. La version actuelle de l’alimentation diode laser dispose d’un écran LCD rétroéclairé affichant les différentes grandeurs nécessaires à l’étude. Une option proposée consiste à ajouter une carte électronique à l’alimentation de la diode Laser. Il est alors possible de commander la température par voie externe et d’acquérir les différents paramètres (courant, tension de la diode, courant de moniteur) via un ordinateur. Ce TP peut alors être orienté vers de la programmation ou du traitement de données ! http://www.didaconcept.com