Les diodes laser des lecteurs DWD-RW peuvent couper et brûler ! Un circuit simple pilote la diode laser et contrôle la puissance de sortie. Connectez une diode laser double fréquence 40.

Malgré la domination totale des lecteurs flash, il reste encore de nombreux lecteurs graveurs de DVD. Beaucoup d'entre eux traînent et ne fonctionnent pas - c'est dommage de les jeter, mais on ne sait pas où les utiliser... Eh bien, fabriquez au moins un laser fait maison de 1 watt, avec lequel vous pouvez allumer des allumettes pas pire que d'utiliser les plus chers d'Aliexpress. Mais vous ne pouvez pas simplement connecter une diode laser à une batterie - vous avez besoin d'un pilote (un générateur de tension correct).

Circuit pilote de puissance laser

Un circuit source de courant commandé en tension peut être utilisé pour contrôler le flux constant de courant à travers une diode laser. Ce pilote linéaire simple fournit une puissance plus propre à la diode laser que le PWM classique (PWM).

Réglages de l'appareil

• Alimentation cellulaire - 3,3 VCC
• Courant de charge jusqu'à 300 mA (lors du passage du circuit à 1 A)
• Réglage fluide de la puissance laser à l'aide d'une variable

Le courant de la diode laser entraîne une chute de tension mesurée différentiellement aux bornes d'une résistance shunt (RSHUNT) en série avec la diode laser. Le débit de la sortie est contrôlé par l'entrée de tension (VIN) qui provient du régulateur Pr1 qui l'équilibre.

Si nécessaire, le courant de sortie peut être augmenté plusieurs fois en remplaçant le transistor par un transistor plus puissant (fournissant un dissipateur thermique) et en abaissant la résistance de la résistance shunt. Vous pouvez télécharger le dessin du tableau.

On vous prévient : si vous vous brûlez les yeux à cause de votre bêtise, ce n'est pas de notre faute !

Lors de la génération d'un rayonnement laser, ce n'est pas le courant de la diode laser qui est le plus important, mais sa tension. Au moment où un potentiel positif est appliqué à l’anode, la jonction p-n commence à se déplacer vers l’avant. Cela commence l’injection de trous de la bande p dans le n et une injection similaire d’électrons dans la direction opposée. La proximité des électrons et des trous déclenche leur recombinaison. Cette action s'accompagne de la génération de photons d'une certaine longueur d'onde

Ce phénomène physique est appelé émission spontanée et, appliqué aux diodes laser, est considéré comme la principale méthode de génération de rayonnement laser.

Le cristal semi-conducteur d’une diode laser est une fine plaque rectangulaire. La division en parties p et n s'effectue ici selon le principe non pas de gauche à droite, mais de haut en bas. Autrement dit, au sommet du cristal se trouve une région p et en dessous se trouve une région n.

Par conséquent, la zone de la jonction pn est assez grande. Les extrémités de la diode laser sont polies, car pour former un résonateur optique (Fabry-Perot), il est nécessaire d'avoir des plans parallèles d'une douceur maximale. Un photon dirigé perpendiculairement à l'un d'eux se déplacera le long de tout le guide d'onde optique, se réfléchissant périodiquement depuis les extrémités latérales jusqu'à ce qu'il quitte le résonateur.

Au cours d'un tel mouvement, le photon provoquera plusieurs actes de recombinaison forcée, c'est-à-dire la génération de photons similaires et augmentant ainsi le rayonnement laser. Au moment où le gain suffit à couvrir les pertes, le laser commence.

La principale caractéristique qui distingue les LED des diodes laser est la largeur du spectre d'émission. Les LED ont un large spectre de rayonnement, tandis que les lasers ont un spectre très étroit.

Le principe de fonctionnement des deux sources semi-conductrices est basé sur le phénomène d'électroluminescence - l'émission de lumière par un matériau à travers lequel circule un courant électrique, provoquée par un champ électrique. L'émission due à l'électroluminescence se caractérise par un spectre relativement étroit d'une largeur de 0,1 à 3 nm pour les diodes laser et de 10 à 50 nm pour les LED.

Pour connecter une diode laser, un circuit électronique spécial appelé pilote de diode laser est requis. À l'aide d'un exemple pratique ci-dessous, nous montrerons comment assembler de vos propres mains un simple pilote de diode laser basé sur le régulateur de tension LM317.

Le driver est un circuit de connexion spécial qui sert à limiter le courant puis à le fournir à la diode laser afin qu'elle fonctionne correctement et ne grille pas la première fois qu'elle est allumée, si nous la connectons directement à l'alimentation.

Si le courant est faible, la LED laser ne s'allumera pas en raison du manque de niveau de puissance requis. Ainsi, le circuit pilote est conçu pour fournir le courant nominal correct auquel la diode laser entrera dans son état de fonctionnement. Pour une simple LED, une résistance ordinaire suffira à limiter le courant, mais dans le cas d'un laser, on aura besoin d'un circuit de connexion pour limiter et réguler le courant. Le microassemblage est parfait à ces fins.

Le microcircuit LM317 à trois broches est un stabilisateur de tension typique. A sa sortie, il peut produire une tension de 1,25 à 37 volts. L'apparence du LM317 avec les broches étiquetées est illustrée dans l'image ci-dessus.

Le microcircuit est un excellent stabilisateur réglable, en d'autres termes, vous pouvez facilement modifier la valeur de la tension de sortie en fonction des besoins de sortie du circuit, à l'aide de deux résistances externes connectées à la ligne Ajuster. Ces deux résistances agissent comme un diviseur de tension utilisé pour réduire le niveau de tension de sortie.

Le design peut être assemblé sur une maquette en cinq minutes. Le schéma fonctionne comme ceci. Lorsqu'une tension de 9 volts commence à sortir de la batterie, elle traverse d'abord un condensateur céramique (0,1 µF). Cette capacité est utilisée pour filtrer le bruit haute fréquence de la source CC et fournit le signal d'entrée au stabilisateur. Un potentiomètre (10 KΩ) et des résistances (330 Ω) connectés à la ligne de réglage sont utilisés comme circuit de limitation de tension. La tension de sortie dépend entièrement de la valeur de ces résistances. La tension de sortie du stabilisateur va au filtre du deuxième condensateur. Cette capacité agit comme un équilibreur de puissance en filtrant les signaux fluctuants. En conséquence, vous pouvez modifier l'intensité du rayonnement laser en tournant le bouton du potentiomètre.

L'invention de la diode laser à semi-conducteur est considérée à juste titre comme l'une des meilleures réalisations dans le domaine de la physique de la seconde moitié du siècle dernier. Les développements indépendants réalisés il y a plus d'un demi-siècle par des scientifiques soviétiques et américains dans le domaine du rayonnement optique des matériaux solides, montrent aujourd'hui leur efficacité dans les domaines domestique, industriel et militaire.
Contrairement aux diodes électroluminescentes, dont le fonctionnement est basé sur l'émission spontanée de photons, les diodes laser ont un principe de fonctionnement et une structure cristalline plus complexes.

Principe d'opération

Pour comprendre d'où viennent les photons, considérons le processus de recombinaison (la disparition d'une paire de porteurs libres - un électron et un trou). Lorsqu'une tension continue est appliquée à la jonction p-n de la diode, une injection se produit, c'est-à-dire une forte augmentation de la concentration de porteurs hors équilibre. Au cours du processus d'injection, les électrons et les trous se rassemblant se recombinent, libérant de l'énergie sous la forme d'une particule - un photon et d'une quasi-particule - un phonon. C’est ainsi que se produit l’émission spontanée observée dans les LED.

Dans le cas d'une diode laser, au lieu d'une diode spontanée, il faut lancer le mécanisme d'émission stimulée de photons avec les mêmes paramètres. Pour ce faire, un résonateur optique est formé à partir du cristal, traversé par lequel un photon d'une fréquence donnée oblige les porteurs électroniques à se recombiner, ce qui contribue à l'émergence de nouveaux photons de même polarisation et phase. On les appelle cohérents.

Dans ce cas, l'effet laser n'est possible qu'en présence d'un nombre trop important de porteurs d'électrons au niveau d'énergie supérieur, libérés suite à l'injection. Pour ce faire, utilisez un courant de pompe d’une intensité telle qu’il provoque une inversion des populations électroniques. Ce phénomène fait référence à un état dans lequel le niveau supérieur est beaucoup plus peuplé d'électrons que le niveau inférieur. L’émission de photons cohérents est ainsi stimulée.

De plus, ces photons sont réfléchis à plusieurs reprises depuis les bords du résonateur optique, déclenchant le lancement d’une rétroaction positive. Ce phénomène s'apparente à une avalanche, à la suite de laquelle un faisceau laser apparaît. Ainsi, la création de tout générateur optique, notamment une diode laser, nécessite la réalisation de deux conditions :

• présence de photons cohérents ;
• organisation du retour optique positif (POF).

Pour éviter que le faisceau formé ne se diffuse par diffraction, l'appareil est équipé d'une lentille collectrice. Le type de lentille installée dépend du type de laser.

Types de diodes laser

Au fil des années de développement, le dispositif à diode laser a subi de nombreux changements. Sa conception a été améliorée, en grande partie grâce à l'avènement des équipements de haute technologie. La plus haute précision de dopage et de polissage du cristal semi-conducteur, ainsi que la création d'un modèle hétérostructural, sont les facteurs qui ont assuré un coefficient de réflexion élevé à l'interface cristal-air et la formation d'un rayonnement cohérent.

La première diode laser (diode à homostructure) possédait une jonction p-n et pouvait fonctionner exclusivement en mode pulsé en raison de la surchauffe rapide du cristal. Il n’a qu’une signification historique et n’est pas utilisé dans la pratique.

Une diode laser à double hétérostructure (diode DHS) s'est avérée plus efficace. Son cristal repose sur deux hétérostructures. Chaque hétérostructure est un matériau (arséniure de gallium et arséniure d'aluminium et de gallium) à faible bande interdite, situé entre des couches à bande interdite plus grande. L'avantage d'une diode laser GVD est une augmentation significative de la concentration de porteurs de pôles opposés dans une couche mince, ce qui accélère considérablement la manifestation d'une rétroaction positive. De plus, la réflexion des photons depuis les hétérojonctions entraîne une diminution de leur concentration dans la région à faible gain, et augmente donc l'efficacité de l'ensemble du dispositif.

Une diode laser à puits quantique est conçue sur le principe d'une diode GVD, mais avec une région active plus fine. Cela signifie que les particules élémentaires tombant dans un tel puits de potentiel commencent à se déplacer dans le même plan. L'effet de quantification remplace dans ce cas la barrière de potentiel et sert de générateur de rayonnement.

L'efficacité insuffisante du confinement du flux lumineux dans les diodes DGS a conduit à la création d'un laser à hétérostructure à confinement séparé. Dans ce modèle, le cristal est en outre recouvert d'une couche de matériau sur chaque face. Malgré l'indice de réfraction inférieur de ces couches, elles retiennent en toute confiance les particules, agissant comme un guide de lumière. La technologie SCH occupe une position de leader dans la production de lasers à diodes.

La diode laser à rétroaction distribuée (DFB) fait partie des équipements optiques dans le domaine des systèmes de télécommunications. La longueur d'onde du laser DFB est constante, ce qui est obtenu en appliquant une encoche transversale au semi-conducteur dans la région de la jonction pn. L'encoche remplit la fonction d'un réseau de diffraction, renvoyant ainsi les photons avec une seule longueur d'onde (spécifiée) au résonateur. Ces photons cohérents participent à l'amplification.

Une diode laser à émission de surface avec un résonateur vertical ou un laser à émission verticale VCSEL, contrairement aux dispositifs évoqués précédemment, émet un faisceau de lumière perpendiculaire à la surface du cristal. La conception du VCSEL est basée sur la méthode d'utilisation de microcavités optiques verticales avec des miroirs, ainsi que sur la réalisation des techniques GVD et de puits quantiques. L'avantage de la technologie VCSEL est la stabilité en température et aux radiations, la possibilité de production groupée de cristaux et leur test directement au stade de la fabrication.

Une modification du VCSEL est un VCSEL avec un résonateur externe (VECSEL). Les deux diodes laser sont positionnées comme des dispositifs à haut débit capables de fournir une transmission future de données à des vitesses allant jusqu'à 25 Gbit/s via des communications par fibre optique.

Types de cas

La popularisation des diodes laser a obligé les fabricants à développer de manière indépendante de nouveaux types de boîtiers. Compte tenu de leur objectif spécifique, les entreprises ont produit de plus en plus de nouveaux types de protection et de refroidissement du cristal, ce qui a conduit à un manque d'unification. Actuellement, il n’existe aucune norme internationale régissant les boîtiers de diodes laser.
Tentant de rétablir l'ordre, les grands constructeurs concluent entre eux un accord sur l'unification des bâtiments. Cependant, avant d'utiliser concrètement une diode laser inconnue, vous devez toujours clarifier le but des broches et la longueur d'onde du rayonnement, quel que soit le type de boîtier familier. Parmi les lasers à semi-conducteurs produits dans le commerce, les plus courants sont deux types avec les packages suivants.
1 Appareils à canal optique ouvert :

• TO-can (boîtier métallique à transistor hors ligne). Le boîtier est en métal et est utilisé dans la fabrication de transistors ;
• monture C ;
• Monture D.

2 appareils avec sortie fibre :

• DIL (double en ligne);
• DBUT (double papillon) ;
• SBUT (un seul papillon).

Application

Chaque type de diode laser a des applications pratiques en raison de ses caractéristiques uniques. Le coût des échantillons de faible puissance a considérablement diminué, comme en témoigne leur utilisation dans les jouets et les pointeurs pour enfants. Ils sont équipés de rubans à mesurer télémétriques laser, qui permettent à une seule personne de mesurer les distances et les calculs associés. Les lasers rouges sont utilisés pour faire fonctionner les lecteurs de codes-barres, les claviers d'ordinateur et les lecteurs DVD. Certains types sont utilisés dans la recherche scientifique et pour pomper d’autres lasers. Les diodes laser sont les plus demandées pour la transmission de données dans les réseaux à fibre optique. Les nouveaux modèles VCSEL offrent des vitesses de 10 Gbit/s, ce qui ouvre des opportunités supplémentaires pour une gamme de services de télécommunications, notamment :

• contribuer à augmenter la vitesse d’Internet ;
• améliorer les communications téléphoniques et vidéo ;
• améliorer la qualité de la réception télévisée.

L'amélioration de la diode laser a permis d'augmenter sa durée de vie, qui est désormais comparable au temps moyen entre pannes des diodes électroluminescentes. La réduction du courant de pompe a augmenté la fiabilité des appareils et leur contribution au développement du progrès technique n'est pas moindre que celle des autres composants électroniques.

Chacun de nous tenait un pointeur laser dans ses mains. Malgré son usage décoratif, il contient un véritable laser, assemblé sur la base d'une diode semi-conductrice. Les mêmes éléments sont installés sur les niveaux laser et.

Le prochain produit populaire assemblé sur un semi-conducteur est le lecteur graveur de DVD de votre ordinateur. Il contient une diode laser plus puissante dotée d’un pouvoir destructeur thermique.

Cela vous permet de graver une couche du disque, en y déposant des pistes contenant des informations numériques.

Comment fonctionne un laser à semi-conducteur ?

Les appareils de ce type sont peu coûteux à produire et leur conception est assez répandue. Le principe des diodes laser (semi-conductrices) repose sur l'utilisation d'une jonction p-n classique. Cette transition fonctionne de la même manière que dans les LED conventionnelles.

La différence réside dans l'organisation du rayonnement : les LED émettent « spontanément », tandis que les diodes laser émettent « forcée ».

Le principe général de la formation de ce qu’on appelle la « population » de rayonnement quantique se réalise sans miroirs. Les bords du cristal sont ébréchés mécaniquement, produisant un effet réfractif aux extrémités, semblable à une surface de miroir.

Pour obtenir différents types de rayonnement, on peut utiliser une « homojonction », lorsque les deux semi-conducteurs sont identiques, ou une « hétérojonction », avec des matériaux de transition différents.


La diode laser elle-même est un composant radio accessible. Vous pouvez l'acheter dans les magasins vendant des composants radio ou l'extraire d'un ancien lecteur DVD-R (DVD-RW).

Important! Même le simple laser utilisé dans les pointeurs lumineux peut causer de graves dommages à la rétine de l’œil.

Des installations plus puissantes, avec un faisceau brûlant, peuvent priver la vision ou provoquer des brûlures de la peau. Par conséquent, soyez extrêmement prudent lorsque vous travaillez avec de tels appareils.

Avec une telle diode à votre disposition, vous pouvez facilement fabriquer un laser puissant de vos propres mains. En fait, le produit peut être totalement gratuit, ou il vous coûtera une somme ridicule.

Laser DIY à partir d'un lecteur de DVD

Tout d’abord, vous devez vous procurer le lecteur lui-même. Il peut être retiré d’un vieil ordinateur ou acheté dans un marché aux puces pour une somme modique.

Ce circuit, assez précis et ne nécessitant pas beaucoup de composants, est conçu pour piloter une diode laser et est conçu pour répondre aux exigences des équipements médicaux. L'appareil fait actuellement l'objet d'essais cliniques. Les performances des diodes laser sont sujettes à une dérive à court et à long terme en raison de la température et du vieillissement. Ils sont généralement alimentés en courant continu, leur puissance de sortie optique est donc surveillée et le courant est ajusté en fonction des changements de puissance.

Le corps de la conception est mis à la terre, de sorte que la configuration de la source CC est conçue pour inclure un transistor de puissance dans le bras supérieur du laser, plutôt que l'option opposée plus simple. De plus, pour éviter de « tatouer » le patient, le courant doit être limité dans un premier temps.

Dans un circuit +5 V à alimentation unique, la résistance de détection et de limitation de courant R1 et le MOSFET Q1 à canal P forment la source suiveuse (Figure 1). La tension de grille du MOSFET est légèrement supérieure à la tension de source, donc le transistor est partiellement passant et le courant de la diode laser crée une chute de tension aux bornes de la résistance R1. Dans le pire des cas, lorsque Q1 est complètement ouvert, le courant laser maximum est donné par

R DS(SAT) = 25 mOhm - résistance à canal ouvert du transistor MOS,
V LASER = 2,0 V - tension sur la diode laser.

Les valeurs R DS(SAT) et V LASER ont été tirées respectivement des fiches techniques des transistors et des diodes laser. Le choix de la résistance R1 est déterminé par les exigences du courant laser (dans ce cas, 250 mA) en tenant compte de la correction introduite par la tension directe de la diode laser, dont une valeur typique est de 2,0 V. Résolution de l'équation pour R1, on obtient :

où je LASER = 250 mA.

La résistance R DS(SAT) est si petite qu'elle peut être ignorée. Avec des valeurs connues de R1 et du courant maximum de la diode laser, la puissance dissipée par R1 peut être calculée à l'aide de la formule

ce qui signifie qu'une résistance avec une puissance dissipée admissible de 800 mW fournira une petite marge supplémentaire.

Le courant laser est réglé à l'aide d'un DAC dont la tension de sortie est réglée de manière ratiométrique. La tension source de +5 V est utilisée ici comme référence, de sorte que la sortie du DAC suit toutes les fluctuations de puissance. Pendant le fonctionnement, la valeur requise de la tension de commande est réglée à la sortie ADC. Les diviseurs R2, R3 mettent à l'échelle ce paramètre par rapport à l'alimentation nominale +5 V.

Par exemple, si la tension de sortie du DAC est réglée sur demi-échelle, c'est-à-dire +2,5 V, la tension entre R2 et R3 (ou à l'entrée non inverseuse de l'ampli-op IC1) sera de +3,5 V. Inclus dans la boucle de rétroaction, IC1 régule la tension à la grille de Q1 et, respectivement, le courant circulant à travers R1, Q1 et la diode laser. Le mode circuit est stabilisé lorsque la tension de retour devient égale à +3,5 V. Dans cet état stable, 5 V - 3,5 V = 1,5 V chute aux bornes de la résistance R1 et le courant est de 125 mA, c'est-à-dire au milieu de l'échelle. . De même, si la sortie DAC est réglée sur une valeur minimale de 0 V, la tension à l'entrée non inverseuse de IC1 sera de +2 V. IC1 augmentera la tension à la porte de Q1 jusqu'à ce que la chute de tension aux bornes de R1 atteigne 3 V, et le courant en conséquence jusqu'à 250 mA. Il s'agit du point de saturation où Q1 est complètement activé et la tension directe aux bornes de la diode laser est de +5 V moins la chute de tension aux bornes de R1.

Le circuit complet doit comprendre les éléments R4 et C1, assurant la stabilité de la boucle de régulation et ayant une fréquence de coupure f égale à

Une attention particulière doit être accordée au processus qui se produit dans le circuit lors d'un changement brusque de la tension de commande, au cours duquel l'amplificateur opérationnel, qui fonctionnait auparavant comme un additionneur de tension de consigne et de rétroaction, devient un suiveur de tension et un échelon. a tendance à apparaître à sa sortie. A cet égard, dans notre exemple, le condensateur C2 est ajouté, formant un filtre basse fréquence pour la tension de consigne avec une fréquence de coupure

où R2||R3 = 12 kOhm.

Si la fréquence de coupure de ce filtre est bien inférieure à la bande passante de la boucle de rétroaction, l'ampli opérationnel sera capable de suivre les changements de point de consigne avec un dépassement minimal lors de la commutation du DAC.

R5 fournit une certaine polarisation à l'ampli opérationnel en garantissant qu'une petite quantité de courant circule toujours à travers la résistance R1. Lorsque la sortie DAC est réglée sur +5 V pleine échelle, le courant laser piloté par l'ampli opérationnel sera toujours légèrement supérieur au réglage. Par conséquent, la sortie de l'ampli-op, en essayant de désactiver Q1, entrera en saturation. Sans R5, la tension de décalage d'entrée de l'ampli opérationnel pourrait être perçue comme un faux point de consigne et provoquer l'activation de Q1 pour rétablir l'équilibre.

C'est l'une des principales raisons pour lesquelles la commutation ratiométrique DAC est utilisée. Si la tension de référence du DAC était fixe, la programmation de faibles courants serait pratiquement impossible. Si la tension à la sortie du DAC est réglée légèrement en dessous de la valeur exacte de +5 V, même avec de petites fluctuations de la tension d'alimentation +5 V, la tension de commande changera de manière assez significative. Cependant, dans un circuit ratiométrique, le DAC suit les modifications de la tension d'alimentation +5 V et la tension de commande relative à sa sortie reste stable.

Le prix à payer pour pouvoir régler avec précision des courants faibles est un mauvais coefficient de suppression d'ondulation de l'alimentation électrique. Cependant, dans l'application médicale pour laquelle le laser est destiné, la boucle de régulation de courant fait elle-même partie de la boucle de régulation de puissance, et l'ondulation de l'alimentation électrique y est minime. Si nécessaire, vous pouvez ajouter un petit stabilisateur de tension à la carte et, au prix d'une légère augmentation du nombre de composants, vous obtiendrez une puissance laser stable et à faible bruit.