Brevet FR2716041A1 — publié le 19950811

p COMMANDE DE DIODE LASER PULSEE, COMPACTE, A FREQUENCE DE REPETITION D'IMPULSION ELEVEE ET DE GRANDE PUISSANCE ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Domaine de l'invention La présente invention concerne une commande de diode laser et plus particulièrement une commande de diode laser pulsée, à fréquence de répétition d'impulsion élevée et de grande puissance. Description de l'art antérieur: D'une manière générale, les commandes de laser sont principalement classées en commandes pour lasers à gaz, pour lasers monolithiques et pour lasers semi- conducteurs. Bien que générant une puissance de sortie élevée, les lasers à gaz et les lasers monolithiques sont encombrants, lourds et coûteux. En outre, ils présentent une détérioration du rendement. Par ailleurs, les lasers semi-conducteurs sont compacts, légers, bon marché et de très bon rendement. En vertu de tels avantages, l'utilisation des lasers semi-conducteurs a connu récemment une évolution croissante. La commande classique de laser pulsé de grande puissance présente une impédance de circuit très élevée. Du fait de l'importante désadaptation d'impédance entre le circuit de commande (haute impédance) et le réseau laser (impédance extrêmement basse), une grande partie de l'énergie électrique est perdue sous forme de chaleur au lieu d'être utilisée pour faire fonctionner le réseau laser. Cependant, pour le fonctionnement du laser semi- conducteur de grande puissance, on doit fournir à celui- ci un courant supérieur au niveau de seuil. Donc, l'énergie perdue sous forme de chaleur doit être compensée en augmentant la tension de polarisation d'impulsion. Par conséquent, la commande pulsée de grande puissance classique est conçue avec une puissance maximale très élevée. Ceci nécessite un commutateur semi- conducteur de puissance encore plus élevée. Dans la commande pulsée classique de grande puissance, lorsque l'énergie perdue est augmentée, la - 2 - puissance maximale nécessaire du commutateur semi- conducteur croît fortement. Il en résulte que les performances de la commande laser telles que les temps de montée et de descente, la largeur d'impulsion et la fréquence de répétition d'impulsion (PRF) de l'impulsion laser de sortie se détériorent rapidement, tandis qu'augmentent fortement la taille et le poids de la commande. Un paramètre critique dans le fonctionnement de la diode laser semiconductrice est le niveau de courant fourni. A des niveaux de courant faibles, à savoir, au- dessous du niveau de courant de seuil, les diodes laser génèrent une certaine émission spontanée sans sortie laser (lumière laser). Lorsque le niveau de courant augmente, les diodes laser franchissent un seuil au delà duquel la population dans le milieu de la diode laser s'inverse et o l'effet laser commence. Donc, en dessous du courant de seuil, très peu de lumière laser est émise et son rendement d'émission est très bas. Une fois que le niveau de courant franchit le seuil, la sortie de lumière croît fortement. Les diodes laser de grande puissance, appelées bandes de diodes laser ou réseaux laser, sont produites par fabrication d'un grand nombre de diodes laser sur un substrat unique. Le niveau de puissance de sortie laser est proportionnel au nombre de diodes laser dans le réseau laser. Des avantages évidents de cette technique de fabrication sont un faible coût de fabrication, une production de masse, une miniaturisation, et une grande fiabilité. L'inconvénient en est une résistance de dispositif à l'état passant extrêmement basse (très inférieure à 1 ohm). Parce que les réseaux laser sont fabriqués en connectant de nombreux dispositifs de jonction p-n polarisés en direct, à savoir, des diodes laser, en parallèle, la résistance à l'état passant des réseaux laser décroît à mesure que le nombre de diodes laser dans le réseau augmente. Typiquement, la résistance à l'état passant des réseaux laser de grande puissance est comprise dans une gamme allant de quelques ohms à moins de 0.01 ohm. Pendant ce temps, lorsque le niveau de puissance de sortie des réseaux laser augmente (le nombre de diodes laser dans le réseau devient plus grand), le niveau de courant de seuil pour ces lasers croît fortement. Le procédé de modulation pour le fonctionnement d'un laser pulsé de grande puissance est une modulation directe dans laquelle la lumière laser est modulée en contrôlant la circulation de courant dans le réseau laser. Pour le fonctionnement d'un laser pulsé, à fréquence de répétition d'impulsion élevée et de grande puissance, une impulsion de courant très élevé à fréquence de répétition d'impulsion élevée doit être générée par la commande laser et délivrée à une charge d'impédance extrêmement basse (réseau laser). Les performances de commandes classiques de laser pulsé de grande puissance dépendent essentiellement des possibilités des commutateurs semi-conducteurs de grande puissance (tels que le redresseur contrôlé à silicium (SCR), le transistor à effet de champ de puissance (FET de puissance), le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) et le transistor bipolaire de puissance). La commande classique de laser pulsé de grande puissance, utilisant une topologie de circuit dans laquelle la capacité à haute tension est polarisée de manière impulsionnelle et l'énergie électrique est ensuite déchargée en commutant en mode passant le commutateur semi-conducteur de puissance, présente une impédance de circuit très élevée. Du fait de l'importante désadaptation entre le circuit de commande (à haute impédance) et le réseau laser (impédance extrêmement basse), une grande partie de l'énergie électrique est perdue sous forme de chaleur au lieu d'être utilisée pour faire fonctionner le réseau laser. Les quantités de chaleur générée sont si grandes qu'un ventilateur doit être installé pour évacuer cette chaleur hors de la commande. En outre, (du fait que le fonctionnement d'un réseau laser nécessite un certain niveau de courant), l'énergie perdue doit être compensée en augmentant la tension de polarisation. Lorsque la puissance maximale admissible de la commande laser classique croît, d'autres performances (telles que les temps de montée et de descente, la largeur d'impulsion et la fréquence de répétition d'impulsion de l'impulsion laser de sortie) de la commande laser se détériorent rapidement, tandis - 4 - qu'augmentent fortement la taille et le poids de la commande. Il en résulte que les commandes pulsées classiques de grande puissance sont lourdes et très encombrantes, en comparaison avec les réseaux laser, et leurs performances telles que le temps de montée, le temps de descente et la fréquence de répétition d'impulsion sont sévèrement limitées. Outre la puissance maximale de sortie laser crête, d'autres paramètres importants et critiques de la commande laser pulsée sont la vitesse de modulation (fréquence de répétition d'impulsion élevée), la largeur d'impulsion, le rendement, le poids et la compacité. Il n'existe pas de commande laser pulsée disponible produisant une impulsion de lumière de grande puissance crête à une fréquence de répétition d'impulsion élevée tout en maintenant un rendement élevé, un poids léger et une compacité. RESUME DE L'INVENTION Un but de l'invention est donc de procurer une commande de diode laser pulsée de grande puissance maintenant un rendement élevé, un poids faible et une compacité en mettant en oeuvre une capacité de stockage d'énergie d'une structure de microbande non uniforme avec une faible impédance. Selon la présente invention, ce but peut être atteint par une commande de laser semi-conducteur comprenant des moyens de contrôle pour contrôler un signal de commande d'entrée, des moyens de conditionnement de puissance électrique et de charge impulsionnelle pour recevoir ledit signal de commande contrôlé dans lesdits moyens de contrôle et générer ainsi une énergie électrique, des moyens de stockage d'énergie pour recevoir ladite énergie électrique provenant desdits moyens de conditionnement de puissance électrique et de charge impulsionnelle et pour stocker l'énergie électrique reçue, des moyens de source lumineuse de déclenchement et de commande pour générer une lumière laser optique de faible puissance quand l'énergie électrique a été stockée dans les moyens de stockage d'énergie, des moyens de commutation semi- conducteurs activés optiquement pour convertir l'énergie électrique chargée capacitivement en une impulsion de courant élevé, et un réseau laser de grande puissance pour convertir ladite impulsion de courant élevé reçue desdits moyens de commutation semi-conducteurs activés optiquement en une impulsion optique de grande puissance destinée à être émise, dans laquelle lesdits moyens de stockage d'énergie comprennent une capacité de stockage d'énergie présentant une très faible impédance. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres buts et aspects de l'invention apparaîtront à la lumière de la description de formes de réalisation donnée ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma-bloc d'une commande de diode laser selon la présente invention; - les figures 2a et 2b sont respectivement une vue plane et une vue en coupe illustrant une capacité de stockage d'énergie présentant une structure de microbande non uniforme en forme d'éventail; - les figures 3a et 3b sont respectivement une vue plane et une vue en coupe illustrant une capacité de stockage d'énergie présentant une structure de microbande non uniforme en forme de bandes concentriques; - la figure 4 est un schéma-bloc illustrant une coopération entre la capacité de stockage d'énergie selon la présente invention et un réseau laser; et - les figures 5a à 5c sont respectivement des graphes illustrant des séquences de l'écoulement d'énergie dans cette commande. DESCRIPTION DETAILLEE DES FORMES DE REALISATION PREFEREES La figure 1 est un schéma-bloc d'une commande de diode laser pulsée, compacte, à fréquence de répétition élevée et de grande puissance selon l'invention, comme représenté sur la figure 1. La commande de diode laser pulsée comprend une unité de contrôle 100, une unité de conditionnement de puissance électrique et de charge impulsionnelle 200, une unité de stockage d'énergie 300, une unité de source et de commande de lumière de 6 - déclenchement 400, une unité de commutation semi- conductrice activée optiquement 500, et un réseau laser de grande puissance 600. L'unité de contrôle 100 contrôle un signal introduit à partir d'un étage d'entrée et envoie le signal contrôlé à l'unité de conditionnement de puissance électrique et de charge impulsionnelle 200. L'unité de contrôle 100 applique un signal à l'unité de source et de commande de lumière de déclenchement 400. L'unité de conditionnement de puissance électrique et de charge impulsionnelle 200 conditionne la puissance électrique primaire provenant soit d'une ligne de puissance alternative, soit d'une batterie, au moyen du signal issu de l'unité de contrôle 100 et envoie ensuite une certaine énergie à l'unité de stockage d'énergie 300. L'unité de conditionnement de puissance électrique et de charge impulsionnelle 200 envoie aussi une certaine énergie à l'unité de source et de commande de lumière de déclenchement 400. L'unité de stockage d'énergie 300 comporte une capacité de faible impédance présentant une structure de microbande non uniforme et stocke l'énergie reçue de l'unité de conditionnement de puissance électrique et de charge impulsionnelle 200. L'unité de source et de commande de lumière de déclenchement 400 comporte une source de lumière de déclenchement servant à émettre de la lumière laser optique de faible (ou moyenne) puissance tout en étant commandée sur réception du signal de contrôle provenant de l'unité de contrôle 100 lorsque le stockage d'énergie dans l'unité de stockage d'énergie 300 est terminé. L'unité de commutation semi-conductrice activée optiquement 500 appartient aux types de commutateurs activés optiquement telles que les thyristors, les commutateurs p-i-n, les gros commutateurs AsGa, les gros commutateurs Si, les gros commutateurs InP, etc... L'unité de commutation 500 est commutée en mode passant par la lumière reçue de l'unité de source et de commande de lumière de déclenchement 400 pour convertir l'énergie électrostatique chargée capacitivement en l'impulsion de courant élevé. Lorsque la lumière optique provenant de l'unité de source et de commande optique de déclenchement 400 est - 7 introduite dans l'unité de commutation semi-conductrice activée optiquement 500, l'énergie électrostatique chargée capacitivement est convertie sous la forme d'une impulsion de courant élevé. Ensuite le réseau laser de grande puissance 600 produit des impulsions optiques de puissance élevée. Le circuit de commande pulsée de grande puissance proposé utilise des éléments de circuit innovants et un principe de fonctionnement radicalement différent. Plutôt que d'utiliser une capacité à haute tension et un commutateur semi-conducteur de grande puissance pour moduler les réseaux laser, la structure en microbande non uniforme utilisée comme capacité de stockage d'énergie procure une flexibilité de conception, un rendement de circuit élevé, un poids faible et une compacité. En particulier, avec cette structure de microbande, la conception d'une capacité de stockage d'énergie présentant une très faible impédance de circuit devient très facile. En utilisant le commutateur semi-conducteur déclenché par diode laser, les limitations critiques des commutateurs semi-conducteurs de puissance telles que les temps de montée et de descente lents, une faible fréquence de répétition d'impulsion et une grande largeur d'impulsion, sont facilement surmontées. Une combinaison réussie de la capacité de stockage d'énergie à faible impédance et du commutateur semi-conducteur déclenché par diode laser de faible (ou moyenne) puissance conduit à une commande de diode laser pulsée compacte capable de générer des impulsions de lumière de puissance crête élevée avec une largeur d'impulsion étroite à fréquence de répétition d'impulsion élevée. L'unité de stockage d'énergie 300 est faite de structures de microbande d'impédance non uniformes telles que des structures en forme d'éventail ou en forme de bandes concentriques, comme le montrent respectivement les figures 2a et 2b, et 3a et 3b. La capacitance et l'impédance caractéristique de la microbande sont données par les relations suivantes: C = %o&A/t, Farad (F) Zo = (377 x t) / ( xW), ohms (Q) - 8 - o, respectivement, C est la capacitance, A est la surface d'électrode de la capacité, cO est la permittivité du vide, t est l'épaisseur du milieu diélectrique, & est la constante diélectrique du milieu diélectrique, Zo est l'impédance caractéristique de la microbande et w est la largeur de l'électrode de la microbande. En exploitant les effets géométriques de la structure de microbande non uniforme, on réalise une capacité de stockage d'énergie avec une très faible impédance. Quand l'énergie électrique est transférée de la capacité de faible impédance vers le réseau laser de grande puissance, la plupart de cette énergie est utilisée pour faire fonctionner le réseau laser. Par conséquent, la capacité de faible impédance réduit considérablement la perte d'énergie pendant le transfert d'énergie de la capacité vers le réseau laser. La fonction principale de l'unité de stockage d'énergie 300 est de garder temporairement l'énergie électrique sous la forme d'énergie électrostatique. Cependant, lorsque le commutateur de blocage d'énergie est commuté en mode passant, la condition de frontière de la capacité de stockage d'énergie sur la zone de contact avec le commutateur est changée de l'état ouvert à l'état fermé. Dès que la condition de frontière est changée, l'énergie électrostatique stockée dans la capacité devient une onde progressive et commence à s'écouler vers la charge à travers le commutateur. En particulier, quand la capacité de stockage d'énergie est connectée dans l'impédance de charge adaptée, comme le montre la figure 4, cette dernière agit comme ligne de transmission. Au lieu d'avoir des formes d'onde déchargées avec une courbe de décroissance de constante de temps RC, on produit des impulsions de courant présentant des temps de montée et de descente courts. La largeur de ces impulsions est environ le temps de transit d'onde aller-retour de la capacité de stockage d'énergie. Et l'amplitude de l'impulsion de courant est plus grande que l'amplitude de courant obtenue à partir de la microbande d'impédance uniforme à cause du facteur de gain associé à la transformation d'impédance. L'amplitude du courant généré est donnée par la relation suivante: - 9 - I = {(g/(Ron+Rm)} xV {(Ron+Rm)/(Zin+Ron+Rm)}, Ampere(A) o, respectivement, g est le facteur de gain dû à la transformation d'impédance entre les impédances caractéristiques intérieure et extérieure de la structure de microbande non uniforme (la valeur du coefficient g est dans une gamme comprise entre 1 et 2), Rm est l'impédance externe adaptée incluant l'impédance à l'état passant du réseau laser), V est la tension polarisée impulsionnelle, Zin est l'impédance caractéristique interne de la microbande, et Ron est l'impédance à l'état passant du commutateur semi-conducteur. Dans un cas idéal d'impédance adaptée, dans lequel Ron est négligeable et Zin et Rm sont identiques, les impulsions de courant générées deviennent ainsi: I = (g/Rm) x (V/2), Ampere(A) Ceci est presque équivalent au cas bien défini d'une microbande uniforme adaptée, excepté le facteur de gain g. Le facteur de gain g procure une amélioration supplémentaire du rendement du circuit. Donc, l'utilisation de la structure de microbande de faible impédance, non uniforme, comme capacité de stockage d'énergie, conduit à un rendement du circuit extrêmement éleve. Le fonctionnement de la commande débute par l'envoi de l'instruction de fonctionnement à l'unité de contrôle 100 qui entreprend une suite d'actions. En premier lieu, l'unité de conditionnement de puissance électrique et de charge impulsionnelle 200 est activée. La puissance primaire provenant soit d'une ligne de puissance alternative, soit d'une batterie, est conditionnée par l'unité de conditionnement de puissance électrique et de charge impulsionnelle 200 et utilisée pour charger impulsionnellement la capacité de l'unité de stockage d'énergie 300. A l'instant o la tension de polarisation impulsionnelle de la capacité atteint la tension crête, l'unité de source et de commande de lumière de déclenchement 400 est activée par le signal de contrôle issu de l'unité de contrôle 100. - 10 - L'unité de source et de commande de lumière de déclenchement 400 génère une impulsion optique à temps de montée rapide à une fréquence de répétition d'impulsion très élevée et l'envoie à l'unité de commutation semi- conductrice activée optiquement 500. L'impulsion optique générée issue de l'unité de source et de commande de lumière de déclenchement 400 est couplée dans le toron de fibres optiques, délivrée à travers le toron de fibres optiques, et utilisée pour activer l'unité de commutation semi-conductrice 500. Après cela, la lumière optique de déclenchement passe à travers la zone active du commutateur semi-conducteur. Une fois que la lumière optique de déclenchement a pénétré dans la zone active du commutateur semi- conducteur, elle produit un nombre suffisant de paires électron-trou générés par photon de sorte que l'état du commutateur change d'un état complètement ouvert (non conducteur) à un état complètement fermé (conducteur). Quand le commutateur est commuté en mode passant, l'énergie électrostatique stockée dans la capacité de l'unité de stockage d'énergie 300 est déchargée sous la forme d'impulsions de courant étroites. Comme les impulsions de courant, bien au dessus du niveau de seuil, sont écoulées sur le réseau laser 600, des impulsions de lumière laser de grande puissance sont générées avec des temps de montée et de descente rapides. Les séquences graphiques de l'écoulement d'énergie de cette commande sont données sur les figures 5a, 5b et 5c. Quand le commutateur semi-conducteur est déclenché, la forme d'impulsion optique générée est très semblable à la forme d'impulsion du courant de commande, excepté le fait que le temps de montée de l'impulsion laser de sortie est plus rapide que le temps de montée de l'impulsion de courant de commande. Cependant, la largeur des impulsions de courant générées est déterminée par la largeur des impulsions optiques de déclenchement aussi bien que par le temps de transit d'onde dans la capacité de stockage d'énergie. Dans le cas d'une impédance bien adaptée, la largeur d'impulsion de la lumière laser de sortie sera environ égale au temps de transit d'onde aller-retour dans la capacité de stockage d'énergie, comme l'exprime l'équation suivante: - il - po = 2 x eY x (Yout-Yin)/(3 x 1010) secondes Dans le cas d'une désadaptation d'impédance importante, la largeur d'impulsion de la lumière laser de sortie sera très semblable à la largeur d'impulsion de l'impulsion optique de déclenchement. Ceci est principalement dû aux réflexions multiples de l'onde progressive, causées par l'impédance fortement désadaptée. Pour le commutateur semi-conducteur de puissance, lorsque la puissance maximale du semi-conducteur de puissance augmente, à la fois le temps de montée et le temps de descente du commutateur ralentissent et le temps de commutation à l'état passant s'allonge. En conséquence, la performance en fréquence de répétition d'impulsion du commutateur semi-conducteur de puissance diminue rapidement alors que la puissance maximale de ces commutateurs croît lentement. Plutôt que de produire une impulsion de courant au moyen du commutateur semi-conducteur de puissance en générant une impulsion optique à temps de montée rapide à partir de la diode laser de faible (ou moyenne) puissance et de l'utiliser comme lumière de déclenchement, la commande de laser semi-conducteur est capable de générer des impulsions de courant élevé avec des temps de montée rapides. Par conséquent, l'effet géométrique de la structure de microbande non uniforme permet la conception d'une capacité de stockage d'énergie compacte présentant une impédance très faible. Cette capacité à très faible impédance réduit considérablement la perte d'énergie pendant le transfert d'énergie de la capacité vers le réseau laser. A la différence de la commande classique de laser pulsé de grande puissance, la commande pulsée résultante qui présente un rendement élevé élimine la nécessité d'avoir une alimentation électrique de grande puissance et un ventilateur d'évacuation de chaleur. Comme le montre la description ci-dessus, la présente invention procure une commande de laser pulsé de grande puissance comportant une capacité de stockage d'énergie ayant une structure de microbande non uniforme avec une - 12 - très faible impédance. En conséquence, il est possible de réduire considérablement la perte d'énergie électrique du réseau laser tout en maintenant un rendement élevé, un poids faible et une compacité. Bien que les formes de réalisation préférées de l'invention aient été divulguées à des fins d'illustration, l'homme du métier comprendra que diverses modifications, ajouts et substitutions sont possibles sans se départir de la portée et de l'esprit de l'invention telle que divulguées dans les revendications jointes. - 13 - REVENDICATIONS 1. Commande de laser semi-conducteur comprenant des moyens de contrôle pour contrôler un signal de commande d'entrée, des moyens de conditionnement de puissance électrique et de charge impulsionnelle pour recevoir ledit signal de commande contrôlé dans lesdits moyens de contrôle et générer ainsi une énergie électrique, des moyens de stockage d'énergie pour recevoir ladite énergie électrique provenant desdits moyens de conditionnement de puissance électrique et de charge impulsionnelle et stocker l'énergie électrique reçue, des moyens de source lumineuse de déclenchement et de commande pour générer une lumière laser optique de faible puissance quand l'énergie électrique a été stockée dans les moyens de stockage d'énergie, des moyens de commutation semi- conducteurs activés optiquement pour convertir l'énergie électrique chargée capacitivement en une impulsion de courant élevé, et un réseau laser de grande puissance pour convertir ladite impulsion de courant élevé reçue desdits moyens de commutation semi-conducteurs activés optiquement en une impulsion optique de grande puissance destinée à être émise, dans laquelle lesdits moyens de stockage d'énergie comprennent une capacité de stockage d'énergie présentant une très faible impédance. 2. Commande de laser semi-conducteur selon la revendication 1, dans laquelle ladite capacité de stockage d'énergie a une structure de microbande d'impédance non uniforme.