Le d\u00e9veloppement de diodes laser \u00e0 haute performance dans le spectre visible repr\u00e9sente l'une des r\u00e9alisations les plus importantes dans le domaine de la physique des solides. Pour un int\u00e9grateur OEM, le choix entre une diode laser \u00e0 haute performance et une diode laser \u00e0 haute performance est un d\u00e9fi. Diode laser 520nm<\/strong>, a Laser 488nm<\/strong>, ou un diode laser uv<\/strong> n'est pas un simple choix de couleur ; il s'agit d'une s\u00e9lection de d\u00e9fis \u00e9pitaxiaux distincts. L'industrie des semi-conducteurs classe ces dispositifs principalement en fonction de leurs syst\u00e8mes de mat\u00e9riaux - typiquement le nitrure d'indium et de gallium (InGaN) pour la gamme des UV au vert et le phosphure d'aluminium et de gallium (AlGaInP) pour la gamme des rouges.<\/p>\n\n\n\n Au c\u0153ur de la 520 nm<\/a><\/strong> est le d\u00e9calage de r\u00e9seau entre les couches actives InGaN et le substrat GaN. Pour faire passer l'\u00e9mission du bleu \u201cnaturel\u201d du GaN au vert de l'InGaN, il est n\u00e9cessaire de mettre en place un syst\u00e8me de contr\u00f4le de l'\u00e9mission de l'InGaN. laser 520 nm<\/a><\/strong>, la fraction molaire d'indium doit \u00eatre augment\u00e9e pour atteindre environ 20% \u00e0 25%. Cette forte concentration d'indium introduit une importante d\u00e9formation par compression. Cette d\u00e9formation, associ\u00e9e \u00e0 la structure cristalline non centrosym\u00e9trique du GaN wurtzite, g\u00e9n\u00e8re une d\u00e9formation massive du GaN. Champs internes induits par la polarisation<\/strong>. Ces champs provoquent une s\u00e9paration spatiale des fonctions d'onde des \u00e9lectrons et des trous - l'effet Stark quantiquement confin\u00e9 (QCSE) - qui r\u00e9duit consid\u00e9rablement le taux de recombinaison radiative et augmente la densit\u00e9 de courant de seuil ($J_{th}$).<\/p>\n\n\n\n Le Laser 488nm<\/a><\/strong> sert de pont critique entre les diodes bleues \u00e0 450 nm, tr\u00e8s efficaces, et les diodes vertes \u00e0 520 nm, plus difficiles \u00e0 utiliser. Pendant des d\u00e9cennies, 488 nm a \u00e9t\u00e9 le domaine exclusif des lasers \u00e0 gaz \u00e0 argon-ion, appr\u00e9ci\u00e9s pour la qualit\u00e9 de leur faisceau mais d\u00e9test\u00e9s pour leur efficacit\u00e9 de 0,01% et leurs besoins massifs en refroidissement. La transition vers un laser \u00e0 semi-conducteur Laser 488nm<\/strong> a n\u00e9cessit\u00e9 la ma\u00eetrise des concentrations interm\u00e9diaires d'indium o\u00f9 le QCSE est pr\u00e9sent mais g\u00e9rable.<\/p>\n\n\n\n Pour un fabricant, la longueur d'onde de 488 nm est particuli\u00e8rement sensible aux \u201cfluctuations de l'indium\u201d. \u00c0 cette concentration sp\u00e9cifique d'indium, l'alliage a tendance \u00e0 subir une s\u00e9paration de phase au cours du processus de croissance par d\u00e9p\u00f4t chimique en phase vapeur m\u00e9tal-organique (MOCVD). Si les atomes d'indium se regroupent, ils cr\u00e9ent des puits de potentiel localis\u00e9s qui \u00e9largissent le spectre d'\u00e9mission et augmentent la sensibilit\u00e9 \u00e0 la lumi\u00e8re. Coefficients de recombinaison auger<\/strong>. Ce m\u00e9canisme de perte non radiative, o\u00f9 l'\u00e9nergie d'une recombinaison \u00e9lectron-trou est transf\u00e9r\u00e9e \u00e0 un troisi\u00e8me porteur plut\u00f4t qu'\u00e0 un photon, est la principale raison pour laquelle les diodes cyan de haute puissance n\u00e9cessitent une gestion thermique sup\u00e9rieure afin de maintenir un mode longitudinal stable.<\/p>\n\n\n\n En entrant dans le r\u00e9gime ultraviolet (UV), typiquement entre 375 nm et 405 nm<\/a>, La physique passe de la gestion de la contrainte \u00e0 la gestion de l'\u00e9nergie des photons. A diode laser uv<\/a><\/strong> fonctionne pr\u00e8s de la bande interdite fondamentale du GaN. Le principal obstacle technique est le dopage de type p. Lorsque la teneur en aluminium (Al) est augment\u00e9e pour obtenir des longueurs d'onde plus courtes (de 405 nm \u00e0 375 nm), l'\u00e9nergie d'activation du dopant magn\u00e9sium (Mg) augmente. Cela conduit \u00e0 de faibles concentrations de trous, \u00e0 une r\u00e9sistance s\u00e9rie \u00e9lev\u00e9e et \u00e0 un \u00e9chauffement par effet Joule excessif.<\/p>\n\n\n\n En outre, la facette de sortie d'un diode laser uv<\/strong> est soumis \u00e0 des conditions extr\u00eames. Les photons UV ont suffisamment d'\u00e9nergie pour faciliter la dissociation de la vapeur d'eau ambiante et des hydrocarbures, ce qui entra\u00eene le d\u00e9p\u00f4t de mat\u00e9riaux carbon\u00e9s sur la facette. Cette \u201csuie optique\u201d augmente l'absorption, ce qui d\u00e9clenche une augmentation localis\u00e9e de la temp\u00e9rature, acc\u00e9l\u00e9rant encore l'oxydation du cristal semi-conducteur. Les diodes UV haut de gamme doivent utiliser un rev\u00eatement de facette UHV (ultra-vide) et des empilements di\u00e9lectriques sp\u00e9cialis\u00e9s (g\u00e9n\u00e9ralement $Al_2O_3$ ou $SiO_2$) pour \u00e9viter les dommages optiques catastrophiques (COD).<\/p>\n\n\n\n Le Laser 650nm<\/a><\/strong> repr\u00e9sente l'apog\u00e9e du syst\u00e8me de mat\u00e9riaux AlGaInP sur des substrats GaAs. Contrairement aux lasers verts et UV \u00e0 base de GaN, les lasers rouges \u00e0 base d'AlGaInP repr\u00e9sentent le summum de la technologie. Laser 650nm<\/strong> est limit\u00e9e par le \u201cconfinement des porteurs\u201d. Le d\u00e9calage de bande entre le puits quantique et les couches de recouvrement dans l'AlGaInP est relativement faible. Lorsque le dispositif chauffe, les \u00e9lectrons peuvent facilement \u201cd\u00e9border\u201d de la r\u00e9gion active et s'\u00e9chapper dans la couche de recouvrement p.<\/p>\n\n\n\n Cette fuite de porteurs explique pourquoi les diodes rouges pr\u00e9sentent une temp\u00e9rature caract\u00e9ristique ($T_0$) beaucoup plus basse que les diodes bleues ou vertes. Pour un acheteur industriel, cela signifie qu'une Laser 650nm<\/strong> doit \u00eatre con\u00e7u avec un chemin thermique extr\u00eamement efficace. M\u00eame une augmentation de 5\u00b0C de la temp\u00e9rature de jonction peut entra\u00eener une baisse de 15% de l'efficacit\u00e9 de la pente. Pour rem\u00e9dier \u00e0 ce probl\u00e8me, les fabricants de pr\u00e9cision utilisent des structures \u00e0 \u201cbarri\u00e8res multiquantitatives\u201d (MQB) - une s\u00e9rie de couches minces qui cr\u00e9ent un filtre d'interf\u00e9rence pour les \u00e9lectrons, augmentant ainsi la hauteur effective de la barri\u00e8re sans modifier la composition du mat\u00e9riau.<\/p>\n\n\n\n Pour toutes ces diodes \u00e0 spectre visible, l'obtention d'un niveau \u00e9lev\u00e9 d'\u00e9missions de CO Dominance du mode \u00e9lectrique transverse (TE)<\/strong> est essentielle pour les applications impliquant des optiques sensibles \u00e0 la polarisation, telles que les \u00e9crans holographiques ou l'interf\u00e9rom\u00e9trie. En raison de la d\u00e9formation par compression dans les puits quantiques InGaN, la transition entre la bande de conduction et la bande de valence \u201cHeavy-Hole\u201d est favoris\u00e9e, ce qui favorise naturellement la polarisation TE.<\/p>\n\n\n\n Toutefois, \u00e0 mesure que la teneur en indium augmente pour un Diode laser 520nm<\/a><\/strong>, la structure de la bande de valence devient complexe. Si la d\u00e9formation n'est pas parfaitement \u00e9quilibr\u00e9e, les bandes \u201cLight-Hole\u201d ou \u201cCrystal-Field Split-Off\u201d peuvent interf\u00e9rer, entra\u00eenant une d\u00e9gradation du rapport d'extinction de polarisation (PER). Une classe mondiale Usine chinoise de diodes laser<\/a><\/strong> doit effectuer une cartographie rigoureuse de la polarisation pour s'assurer que le rapport TE\/TM est sup\u00e9rieur \u00e0 100:1, ce qui garantit la compatibilit\u00e9 du composant avec les trains optiques de haute pr\u00e9cision.<\/p>\n\n\n\n Le tableau ci-dessous d\u00e9taille les caract\u00e9ristiques de performance qui d\u00e9terminent les exigences en mati\u00e8re d'\u00e9lectronique de commande et de refroidissement pour les diff\u00e9rentes diodes de longueur d'onde.<\/p>\n\n\n\n Historique de la client\u00e8le :<\/p>\n\n\n\n Une entreprise de biotechnologie sp\u00e9cialis\u00e9e dans le s\u00e9quen\u00e7age de nouvelle g\u00e9n\u00e9ration (NGS) avait besoin d'un moteur d'\u00e9clairage \u00e0 haute puissance et \u00e0 longueurs d'onde multiples. Le dispositif devait fournir une excitation \u00e0 488 nm (pour les colorants FAM) et 520 nm (pour les colorants HEX\/VIC). L'exigence critique \u00e9tait la \u201cstabilit\u00e9 de la puissance \u00e0 basse fr\u00e9quence\u201d (fluctuation < 0,1% sur 1 heure) et un faisceau parfaitement circularis\u00e9 pour maximiser le d\u00e9bit dans la cellule d'\u00e9coulement.<\/p>\n\n\n\n D\u00e9fis techniques :<\/p>\n\n\n\n Le principal probl\u00e8me \u00e9tait la \u201cdiaphonie thermique\u201d. La diode de 520 nm, \u00e9tant la moins efficace, g\u00e9n\u00e9rait une chaleur importante. Cette chaleur a provoqu\u00e9 un d\u00e9calage de la longueur d'onde dans le canal 488 nm, ce qui a \u00e9loign\u00e9 le pic d'excitation du maximum d'absorption du colorant, entra\u00eenant une perte du signal de fluorescence. En outre, la diode laser UV utilis\u00e9e pour \u201cnettoyer\u201d p\u00e9riodiquement les faces de la cellule d'\u00e9coulement provoquait une d\u00e9gradation par l'ozone des adh\u00e9sifs optiques internes.<\/p>\n\n\n\n Param\u00e8tres techniques et r\u00e9glages :<\/strong><\/p>\n\n\n\n Solution de contr\u00f4le qualit\u00e9 et d'ing\u00e9nierie :<\/p>\n\n\n\n L'\u00e9quipe d'ing\u00e9nieurs a mis au point un \u201cbanc optique isol\u00e9 thermiquement\u201d. La diode laser de 520 nm a \u00e9t\u00e9 mont\u00e9e sur un sous-TEC (refroidisseur thermo\u00e9lectrique) d\u00e9di\u00e9 afin de d\u00e9coupler sa charge thermique du reste du collecteur. Pour le laser 488 nm, nous avons mis en \u0153uvre un circuit \u201cNoise-Eater\u201d - un modulateur acousto-optique (AOM) avec une boucle de r\u00e9troaction \u00e0 grande vitesse - afin de supprimer le bruit 1\/f inh\u00e9rent aux diodes InGaN de haute puissance.<\/p>\n\n\n\nLe laser 488nm : Combler le foss\u00e9 cyan<\/h3>\n\n\n\n
Diode laser UV : Physique des facettes et d\u00e9fis de l'AlGaN<\/h3>\n\n\n\n
Le laser \u00e0 650 nm : AlGaInP et fuite de porteurs<\/h3>\n\n\n\n
Ing\u00e9nierie pour la dominance du mode \u00e9lectrique transverse (TE)<\/h3>\n\n\n\n
Comparaison technique des param\u00e8tres du spectre visible<\/h3>\n\n\n\n
Param\u00e8tre<\/strong><\/td> UV (375 nm)<\/strong><\/td> Cyan (488 nm)<\/strong><\/td> Vert (520 nm)<\/strong><\/td> Rouge (650 nm)<\/strong><\/td><\/tr><\/thead> Syst\u00e8me de mat\u00e9riaux<\/strong><\/td> AlGaN \/ GaN<\/td> InGaN \/ GaN<\/td> InGaN \/ GaN<\/td> AlGaInP \/ GaAs<\/td><\/tr> Typique $V_f$ (V)<\/strong><\/td> 4.5 - 5.5<\/td> 4.0 - 5.0<\/td> 4.8 - 6.0<\/td> 2.2 - 2.8<\/td><\/tr> Efficacit\u00e9 de la pente (W\/A)<\/strong><\/td> 0.8 - 1.2<\/td> 1.0 - 1.4<\/td> 0.4 - 0.8<\/td> 0.9 - 1.1<\/td><\/tr> Max $T_j$ (\u00b0C)<\/strong><\/td> 80<\/td> 100<\/td> 85<\/td> 60<\/td><\/tr> D\u00e9calage de la longueur d'onde (nm\/K)<\/strong><\/td> 0.05<\/td> 0.04<\/td> 0.03<\/td> 0.23<\/td><\/tr> Divergence du faisceau (FWHM)<\/strong><\/td> 10\u00b0 x 30\u00b0<\/td> 8\u00b0 x 25\u00b0<\/td> 12\u00b0 x 35\u00b0<\/td> 9\u00b0 x 28\u00b0<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n \u00c9tude de cas : Module multi-longueurs d'onde ultra-stable pour le s\u00e9quen\u00e7age de l'ADN<\/h3>\n\n\n\n
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