Électronique de commande pour les diodes laser pulsées
Les sources laser destinées aux équipements de mesure optoélectroniques portatifs deviennent de plus en plus petites et abordables. Cela concerne par exemple des applications comme la télémétrie, la mesure de la vitesse, les scanners laser ou la technologie médicale et militaire. Le cœur de chaque émetteur est la diode laser. Afin d’obtenir des performances optimales avec les diodes laser haute puissance ou les diodes laser pulsées, une électronique de commande adéquate est cependant nécessaire.
Mesure du temps de transit
Principe de fonctionnement
Voilà qui aurait dû être une présentation de produit réussie. Le client potentiel a beau eu appuyer sur le bouton du télémètre laser, rien ne s’est passé ! Aucune mesure n’a été effectuée, l’écran est resté noir. Il s’est avéré par la suite qu’un courant trop important avait détruit la diode laser. Le résultat : un client déçu et une opportunité commerciale manquée. Dans d’autres situations, des montages erronés peuvent avoir des conséquences bien plus graves. Il suffit de penser aux systèmes de sécurité et aux équipements médicaux !
Les capteurs optiques permettent de mesurer des distances allant de quelques mètres jusqu’à un nombre important de kilomètres. Ils fonctionnent en règle générale selon la méthode du temps de vol (time of flight, TOF). Le principe de base est simple : une impulsion lumineuse à durée modulée est émise, très concentrée grâce à l’optique d’émission. Lorsque cette lumière rencontre un obstacle, elle est réfléchie et captée par le détecteur. Le laps de temps écoulé entre les deux est le temps de vol Δt. La vitesse de la lumière c permet de calculer la distance l. Étant donné que la lumière parcourt le trajet deux fois, le résultat doit être divisé par deux. L’indice de réfraction n du milieu ambiant réduit la vitesse de propagation de la lumière dans le milieu.
Étant donné que rien n’est plus rapide que la vitesse de la lumière (env. 3·108 m/s), le défi inhérent à ce procédé réside dans les intervalles extrêmement courts. Pour le double d’une distance de 1,5 m, le temps de vol est de 10 ns, pour 15 cm, il n’est plus que de 1 ns. Pour mesurer une distance de 1,5 cm, il faudrait une résolution de 100 ps. La télémétrie avec une résolution au mètre voire au centimètre requiert par conséquent des séries d’impulsions lumineuses très courtes. Habituellement, on utilise pour la plupart des applications des diodes laser pulsées (PLD) puissantes qui émettent dans la gamme infrarouge proche (NIR) à 905 nm. La puissance optique de pointe dépend alors de la distance à mesurer et de l’optique utilisée. Elle commence à quelques watts et culmine à plus de 100 W pour les ceilomètres spéciaux destinés à mesurer la hauteur des nuages. Afin de générer de telles puissances de pointe, des courants allant jusqu’à 50 A sont cependant nécessaires.
Diodes laser pulsées
La puissance de sortie des diodes laser se règle en premier lieu par le biais de la tension de fonctionnement appliquée. À une résistance définie, il en résulte le courant de fonctionnement. Le rendement des PLD à émetteur individuel NIR se situe typiquement à 1 W/A. Les PLD obtenues par croissance épitaxiale avec trois diodes individuelles réunies en une seule puce (PLD à jonctions multiples) atteignent des valeurs nettement supérieures allant de 3 à 3,5 W/A avec le même courant. La tension de polarisation de la puce de la diode laser (sans tenir compte des inductances) est très faible, de quelques volts seulement (figure 1). Ces spécifications figurent dans les fiches techniques des diodes laser et se rapportent en règle générale à des durées d’impulsion entre 100 et 200 ns. Les fabricants promettent que les PLD peuvent être surmodulées avec des courants jusqu’à quatre fois supérieurs en cas d’impulsions plus courtes. Le rapport cyclique, soit la part de la durée de fonctionnement par rapport à la durée totale de la période, se situe dans une plage de 0,04 à 0,1 %. De ce fait, la fréquence effective des impulsions de 10 ns est limitée à 40 ou à 100 kHz. En « mode rafale », des récurrences d’impulsions de l’ordre du MHz sont toutefois possibles.
Figure 1 :
Courbe courant/puissance typique (en haut) et tension directe de la diode émettrice pour les diodes pulsées à plusieurs lasers émettant à 905 nm (code couleurs : trois tailles d’émetteur différentes)
Commandes pour diodes laser
Figure 2 : Montage PLD pour l’étage de sortie de puissance avec utilisation d’un transistor à avalanche
Étant donné que les durées d’impulsion sont de l’ordre de la nanoseconde et que les puissances optiques de pointe requièrent des courants de plusieurs ampères, il doit être garanti que ces courants élevés soient commutés de manière fiable à des intervalles aussi courts. Parallèlement, le facteur de forme du montage entier et des composants intégrés doit être aussi réduit que possible afin de pouvoir fabriquer des télémètres laser légers et maniables pour les chasseurs, les sportifs ou les golfeurs. Cela peut rapidement devenir un défi vu que la taille des composants s’accroît généralement à mesure que les tensions ou les courants augmentent.
Lors de la conception d’un montage de laser pulsé compact ou d’un module laser pulsé (PLM) complet, c’est par conséquent surtout la combinaison de la puissance d’impulsion, de la durée d’impulsion et de la fréquence de répétition qui est déterminante, doublée de flancs d’impulsion raides.
Au plus simple, une impulsion laser est déclenchée par l’activation et la désactivation de la tension de fonctionnement. Lorsque le commutateur est activé, une quantité définie de courant circule alors de la source d’énergie jusqu’à la diode laser qui génère une certaine puissance laser. Ce commutateur peut par exemple être un transistor ou un circuit logique. Pour exciter l’étage final de puissance dans lequel la PLD est intégrée, une commande doit cependant être intercalée comme interface. Selon le temps de croissance et la durée d’impulsion requis, on utilise soit des MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) soit des transistors à avalanche ou GaN pour l’étage final de puissance. La figure 2 illustre un montage PLD typique pour un étage final de puissance avec un transistor à avalanche.
La conception du montage varie en fonction de la PLD utilisée. Elle dépend entre autres du courant maximal autorisé à traverser la PLD aux puissances de pointe ainsi que de la puissance moyenne maximale admissible Pave sous le seuil de destruction. Pave se calcule sous forme de produit :
Pave = P0 · tw · prr
avec P0 étant la puissance de pointe, tw la largeur d’impulsion et frr la fréquence de répétition. Le condensateur C2 sert d’accumulateur pour le courant d’impulsion Ip et est chargé pendant l’intervalle entre deux impulsions via la résistance R3. Le transistor à avalanche génère ensuite l’impulsion en déchargeant entièrement ce condensateur. La durée du courant d’impulsion traversant la PLD est déterminée par la tension d’alimentation VCC et la capacité de C2.
La capacité du condensateur de charge se calcule approximativement comme suit :
C · V = IP · tw
Une capacité supérieure du condensateur entraîne également un courant d’impulsion IP supérieur et une largeur d’impulsion tw supérieure. En appliquant une tension d’alimentation VCC supérieure, l’amplitude de l’impulsion de courant augmente. En pratique, la largeur d’impulsion est légèrement réduite en parallèle étant donné que la résistance de passage du transistor baisse.
Inductance, capacité et temps de croissance
Afin d’obtenir des durées d’impulsion courtes, les inductances parasites dans le montage doivent être réduites à un minimum. Cela est possible grâce à l’utilisation de condensateurs HF à faibles pertes. Outre l’inductance interne du boîtier, il convient de prendre en compte le fait que chaque centimètre de fil de raccordement inutile occasionne une inductance supplémentaire d’environ 8 nH.
Cela signifie qu’une montée de courant Δi/Δt de 20 A/10 ns produit par ex. une tension transitoire L⋅ Δi/Δt de 16 V par cm de longueur de fil. Un fait primordial, puisque le temps de croissance pour une tension d’alimentation donnée se dégrade considérablement en présence d’inductances importantes. Une valeur approximative pour le temps de croissance peut être calculée comme suit :
avec Lstray étant l’inductance [nH] de la diode laser, IPeak le courant de pointe de l’impulsion [A] et Vmax [V] la tension d’alimentation maximale disponible de la commande de la diode laser.
La figure 3 spécifie les inductances des différents boîtiers. Lorsqu’un montage PLD peut par ex. fournir une tension d’alimentation maximale de 100 V, il en résulte les temps de croissance suivants :
et
Étant donné que les conductions de courant inutiles doivent être réduites à un minimum, il est aussi particulièrement important de couper les ergots de la diode laser aussi courts que possible. Un mauvais raccordement avec des ergots ou des fils trop longs peut, comme décrit ci-dessus, entraîner un temps de croissance accru.
Les capacités parasites augmentent également les temps de retard, de croissance et de décroissance. La figure 4 montre quelques exemples typiques de formes d’impulsion en fonction du type de raccordement.
8/32 Coax 11nH
TO-9 6.8nH
TO-18 5.2nH
TO-56 5.0nH
Céramique
Figure 3 :
Différents types de boîtiers PLD et leurs inductances correspondantes.
Transistor à avalanche ou MOSFET de puissance
Les paramètres d’impulsion souhaitées par le client, notamment la forme de l’impulsion et la durée d’impulsion, déterminent si le montage requiert un transistor à avalanche ou un MOSFET de puissance. Lors du choix, il convient de tenir compte du fait que le transistor doit résister sans dommages au courant de fonctionnement de la diode laser pulsée. Ce courant ne circule cependant pas en permanence entre la source (entrée) et le drain (sortie), mais seulement par impulsions de quelques nanosecondes. Parmi les autres exigences concernant le transistor, on trouve les temps de retard, de croissance et de décroissance réduits, ce qui limite fortement le choix de transistors adaptés. Les temps de retard réduits s’opposent alors à un courant de drain important. Enfin, la tension inverse du transistor doit impérativement être supérieure à la tension de charge du condensateur (voir C2 dans la figure 2).
En pratique, les MOSFET de puissance sont utilisés pour commuter des impulsions de courant de plus de 100 A en l’espace de quelques dizaines de nanosecondes. Cela entraîne des impulsions avec des temps de croissance et de décroissance de plusieurs nanosecondes. Ces transistors abordables et très compacts permettent de générer des impulsions rectangulaires très bien formées dès une tension de charge maximale de 60 V (figure 5).
Les transistors à avalanche sont parfaits pour la génération d’impulsions très courtes et intenses avec des temps de croissance < 1 ns et des courants de pointe > 100 A. Cela nécessite toutefois une tension élevée à trois chiffres. La figure 6 montre la tension minimale requise pour le fonctionnement à avalanche pour différents courants de commande en fonction de la capacité. Les courants IB indiqués dans le diagramme sont des courants permanents ; les courants impulsés en cas d’impulsions plus courtes peuvent atteindre 60 A (à 20 ns) ou plus. Si ces courants et ces tensions élevés doivent être commutés avec plusieurs dizaines ou centaines de kilohertz, la prudence est de mise lors de la conception de l’alimentation électrique. Sachant que tous les concepteurs ne sont pas familiarisés avec la commutation de tels courants et de telles tensions, des cartes de commande entièrement équipées ou des modules laser pulsés complets sont également proposés.
PLD reliée directement à la commande
Temps de croissance du courant d’env. 3,5 ns
PLD reliée par câble plat
Temps de croissance du courant d’env. 7 ns
PLD dans un boîtier en plastique et avec de longs ergots
Temps de croissance du courant d’env. 12 ns
PLD reliée par fils tressés (longueur : 100 mm)
Temps de croissance du courant d’env. <130 ns
Figure 4 :
Formes d’impulsion typiques en fonction du type de liaison entre la commande et la PLD (Vop=100 V, Iop=50 A)
Figure 5 :
Forme typique d’une impulsion de courant générée par un MOSFET de courant (à droite) et un transistor à avalanche.
Résumé
Les diodes laser pulsées abordables sont aujourd’hui devenues des composants standard pour la télémétrie laser selon la méthode du temps de vol (time of flight). Pour obtenir une résolution adaptée, même avec de petits capteurs portatifs, le montage doit satisfaire à des exigences particulières. Ainsi, les fils de raccordement occasionnent par ex. des inductances parasites et doivent donc être aussi courts que possible pour que des impulsions laser rapides et précises puissent être générées à l’aide de MOSFET de puissance ou de transistors à avalanche.
Références
[1] A. Kilpela, Pulsed time-of-flight laser range finder techniques for fast, high precision measurement applications,
Department of Electrical and Information Engineering, University of Oulu, Finland
[2] S. Ch. Tischler, Die Entwicklung eines Pulslasermoduls, ser. no. 2458, Hochschule München,
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
[3] Acam mess electronic, Laserentfernungsmessung mit TDCs, Applikationsschrift Nr. 1
[4] PicoLAS, Application Note # 02: Impedance of Laser Diodes, Inductive Behaviour,
Application Note # 03: LD-Connections
[5] Zetex, The ZTX415 Avalanche Mode Transistor, Application Note 8, Issue 2, January 1996
Produits
Electroniques de Pilotage « Plug & Play » pour diodes lasers pulsées
Electronique de pilotage utilisée pour commander les diodes laser de fortes puissances
Mono-émetteur à 850 nm 13 W
Emetteurs simples, blocs et diodes laser pulsées et à jonctions multiples allant jusqu’à 650 W.
Diodes laser fonctionnant à 1550 nm jusqu’à 50 W
Diodes laser pulsées avec pigtail fibre. Versions à 950 nm et 1550 nm disponibles.
L’électronique de la diode laser pulsée est directement intégrée dans les modules.
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