Module LED Laser

On va rester dans les diodes avec ce premier module. Jusqu’ici nous avons vu quelques composants. Cette fois c’est un module « clé en main » dont je vais vous parler : un module LASER.

[stextbox id=’warning’ caption=’ATTENTION’]C’est une vraie diode LASER (light amplification by stimulated emission of radiation). Cela représente un risque réel lors de l’utilisation. Même si la puissance est réduite, il est impératif de ne pas diriger le faisceau vers les yeux. Des dommages irréversibles peuvent être causés aux différentes partie du globe oculaire (cornée, cristallin et/ou rétine). Il vous revient de prendre toutes les dispositions pour que le faisceau direct ou réfléchi ne puisse atteindre l’œil. Le port de lunettes de protection spéciales, adaptées à la longueur d’onde du LASER est recommandé. Ne pas diriger le LASER vers les véhicules terrestres ou aériens. L’utilisation de LASER de classe supérieure à 2 n’est autorisée que dans des cas précis, dont les capteurs font partie. [/stextbox]

NE LAISSEZ EN AUCUN CAS DES ENFANTS
MANIPULER SEULS CE GENRE DE MATÉRIEL !

Framboise314 ne pourra en aucun cas être tenu responsable pour les dégâts directs ou indirects causés par l’utilisation de la diode LASER. Son utilisation engage votre responsabilité personnelle. En l’utilisant vous reconnaissez être au courant des risques et vous renoncez à toute action contre framboise314 ou un des auteurs du blog.

Définition

Une diode laser est un composant opto-électronique à base de matériaux semi-conducteurs. Elle émet de la lumière monochromatique cohérente (une puissance optique) destinée, entre autres, à transporter un signal contenant des informations sur de longue distances ou à apporter de l’énergie lumineuse pour le pompage de certains lasers et amplificateurs optiques.
La diode laser est un composant essentiel des lecteurs et graveurs de disques optiques, dans ce cas elle émet le faisceau lumineux dont la réflexion sur le disque est détectée par une photodiode ou un phototransistor.
Elle trouve également son application dans les dispositifs électroniques de mesure de distance, de vitesse, de guidage et de pointage précis.

Principe

[caption id="attachment_26550" align="aligncenter" width="600"] Cliquez pour lancer la vidéo[/caption]

Pour voir cette animation qui présente le principe de fonctionnement du laser, cliquez sur l’image ci-dessus. (Source Wikipedia)

Une source d’énergie augmente le niveau d’excitation des atomes. Les atomes excités reviennent à leur état non excité en libérant un photon, mais cela se produit à n’importe quel moment…  Lorsqu’un atome libère un photon, celui-ci se déplace et quand il rencontre un atome lui aussi excité, il provoque la libération du photon et ce sont alors 2 photons qui se déplacent en phase (ensemble). La réaction en chaîne provoque l’émission de très nombreux photons. Ceux qui ne sont pas dans l’axe du laser partent vers l’extérieur et sont absorbés par les parois. Ceux qui sont dans l’axe sont réfléchis sur les parois qui sont des miroirs parfaits. Très rapidement une grande quantité de photons fait des aller-retours entre les deux miroirs. Ils ont tous la même fréquence et se déplacent en phase (tous ensemble). Une des parois est un peu moins réfléchissante et laisse sortir le faisceau laser.

C’est le fait que tous les photons aient la même longueur d’onde (la même couleur) et qu’ils sont en phase (ensemble) qui confère son énergie au faisceau laser.

On pourrait comparer la lumière d’une ampoule électrique « classique » à un jet de confettis. Les photons ont des couleurs différentes et arrivent… quand ils veulent.

A l’inverse, les photons du laser voyagent « groupés » et tous en phase. Ici on a plutôt affaire à une « enclume » de lumière qui apporte toute son énergie en un seul point… Je vous laisse imaginer 😉

Sensibilité de l’œil

Cette courbe issue d’un document très complet sur les diodes  (source Institut d’Optique) montre la sensibilité de l’œil en fonction de la longueur d’onde (couleur) de la lumière. Elle montre que la sensibilité de l’oeil est maximum dans les verts et jaunes. Notre laser à 650 nm se situe dans une zone moins sensible. La lumière semble moins vive, mais cela n’enlève rien à la dangerosité du faisceau.

Technologie

La diode LASER est constituée comme une diode classique ou une diode LED de deux zones, une positive et une négative. Chaque côté de la diode est poli comme un miroir et réfléchit les photons pour mettre en œuvre « l’amplification » de lumière. Les photons voyagent entre ces deux miroirs. Une petite partie parvient à s’échapper car une des surfaces est partiellement réfléchissante. C’est le faisceau Laser. De l’autre côté une (faible) lumière résiduelle est émise.

La diode LASER est montée dans un boîtier fermé par un couvercle transparent (pour laisser passer le faisceau LASER). La diode est fixée sur un support qui sert à amener le courant mais aussi à évacuer la chaleur produite lors du fonctionnement de la diode. 
Une photodiode PIN reçoit la lumière résiduelle émise à l’opposé du faisceau LASER. La photodiode mesure la puissance optique produite par le laser. Cette mesure peut être utilisée par un système de régulation de la puissance de sortie optique sur des périodes prolongées, indépendamment de la température ou des changements de performance au fur et à mesure que le laser vieillit. Dans notre cas, nous faisons une utilisation minimaliste de la diode LASER. Il n’y a pas de régulation du courant fourni à la diode LASER, et cette photodiode n’est pas utilisée.

Le modèle de diode LASER utilisé pour le livre est un modèle simple et bas de gamme. Il ne comporte pas de photodiode PIN pour la régulation et n’a que deux pattes.

Photos de diodes LASER

Module LED Laser

Présentation

Ce module LASER est un Keyes KY-008 ou équivalent (je n’ai pas dit clone 😉 ). Il comporte une LED LASER fonctionnant sous 5v. Il est prévu à l’origine pour Arduino.

Sa consommation sous 5v est aux environs de 30mA, et la lumière a une longueur d’onde de 650nm pour une puissance nominale de 5mW. Ce laser est de classe 3A, la puissance de sortie est inférieure ou égale à 5 mW, ce qui limite la puissance atteignant la rétine à 1 mW lorsque la pupille est dilatée au maximum (ouverture estimée à 7 mm). Par conséquent, l’exposition accidentelle à un laser de classe 3A ne devrait pas être plus dangereuse que l’exposition à un laser de classe 2. En cas d’exposition, le réflexe naturel de cligner des yeux et de détourner la tête suffit à protéger du risque de lésion. Cependant, une exposition oculaire prolongée intentionnelle peut entraîner un éblouissement et une vision momentanément altérée. Afin d’éviter tout risque, il est impératif de ne pas diriger le faisceau laser vers les yeux. (voir Wikipedia et Uvex-safety)

Connexion du module laser

Rien de bien sorcier pour cette connexion. Débranchez le Raspberry Pi complètement de l’alimentation. Arrêter le système ne suffit pas car le Raspberry Pi reste sous tension. Reliez ensuite relier la broche – à la masse (fil noir) et la broche S au +5v (fil rouge). Aidez vous de l’image du GPIO pour vous guider.

Vérifiez plutôt deux fois qu’une votre connexion. Si vous branchez dans le mauvais sens, ce sera destructif !! Lorsque vous êtes sûr(e) de vous, rebranchez l’alimentation (prise micro USB) sur le Raspberry Pi.

[stextbox id=’alert’ caption=’Attention !’]Lorsque vous reconnectez l’alimentation, le LASER s’allume immédiatement. Ne regardez pas dans la direction du LASER quand vous connectez la prise d’alimentation ![/stextbox]

Le LASER en action

Dès la mise sous tension le module LASER fonctionne. Ne dirigez pas le faisceau vers vos yeux. Attention aux réflexions !

Le faisceau projeté sur une surface proche. Il est efficace et visible sur un mur à plus de 10 mètres, en plein jour.

Un éclairage LASER du plus bel effet. Remarquez à l’arrière de la diode, le faisceau de lumière résiduelle, émis vers l’arrière, éclaire l’intérieur de la plaquette de circuit imprimé.

En réduisant la lumière on observe bien le faisceau et les réflexions à la sortie du boîtier. Voyez aussi la plaquette de circuit imprimé légèrement éclairée.

C’est quoi ces petits grains ?

Dans la tâche de lumière produite par le faisceau LASER, on observe de petits grains sombres. On appelle cela speckle (chatoiement). C’est dû à la nature ondulatoire de la lumière (interférence). La lumière provenant d’un laser ne présente pas de tache. Le chatoiement se produit parce que la lumière laser est cohérente dans le temps et est diffusée sur une surface aléatoire. Cette surface produit un grand nombre d’ondelettes qui se chevauchent dans l’espace, chaque ondelette ayant une relation de phase aléatoire avec toutes les autres.
Lorsque votre œil reçoit ces ondes qui se chevauchent, il en résulte un motif tacheté dans l’œil.

Si vous êtes myope et que vous déplacez votre tête vers la gauche tout en regardant un faisceau laser sur une surface comme un mur, le motif des taches semblera se déplacer vers la droite. Si vous êtes hypermétrope, le motif se déplacera vers la gauche avec votre tête. Si vos yeux sont parfaits, le motif sera presque immobile. Ce motif, formé dans le système optique de l’observateur, est souvent appelé motif subjectif. Il est différent pour chaque caméra et chaque observateur.

Le speckle est causé par une combinaison d’interférences et de diffraction. La figure à droite montre comment se forme le speckle direct ou objectif. La surface de réflexion est fictive et ne représente pas exactement les surfaces réelles qui cumulent habituellement une combinaison de réflexion, de diffusion volumique et de réfraction.
Le speckle peut être un véritable casse-tête dans les applications d’éclairage laser et d’imagerie. Il limite la qualité des images que l’on peut obtenir avec la lumière laser.
La lumière provenant d’une source cohérente (LASER) se réfléchit sur la micro-structure de la surface. Les ondes réfléchies atteignent le capteur (ou l’œil) avec des phases différentes, en raison de la différence de longueur de chaque trajet. Les interférences provoquées par ces décalages contribuent à donner l’intensité de chaque point.