Brevet FR2716040A1 — publié le 19950811

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 élevée (PRF), de grande puissance. Description de l'art antérieur: D'une manière générale, les commandes de laser semi- conducteur présentent une impédance de circuit très élevée. A cause d'une importante désadaptation d'impédance entre la commande laser présentant une impédance élevée et un laser semi- conducteur ayant une impédance extrêmement faible, la plus grande partie de l'énergie électrique est perdue sous la forme de chaleur, au lieu d'être utilisée pour faire fonctionner le laser semi-conducteur. Pour le fonctionnement de la commande de laser à semi-conducteur de grande puissance, on doit fournir à la commande de laser à semi- conducteur un courant supérieur à un niveau de seuil. L'énergie perdue doit être compensée. Par conséquent, une telle commande classique de laser pulsée et de grande puissance est conçue avec une puissance maximale très élevée, prenant en compte l'énergie perdue aussi bien que l'énergie nécessaire pour faire fonctionner le laser. Dans la commande pulsée, de grande puissance classique, comme l'énergie perdue augmente, la puissance maximale croit fortement. Il en résulte que les performances de la commande de 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 que la taille et le poids de la commande augmentent fortement. Pour résoudre de tels problèmes rencontrés dans la commande de laser classique, on propose une commande de diode laser pulsée, à fréquence de répétition d'impulsion (PRF) et puissance élevées. Cette commande de diode laser est divulguée dans la demande de brevet coréen No. 94- 2144 déposée par le présent demandeur. I0 Cette commande de diode laser utilise une structure de microbande à basse impédance et non uniforme comme sa capacité de stockage d'énergie pour obtenir un circuit de commande de diode laser à haut rendement. En outre, dans une situation d'adaptation d'impédance, le temps de transition d'onde aller-retour de la structure de microbande d'impédance non uniforme devient la largeur d'impulsion des impulsions de sortie du laser de grande puissance. Donc, en concevant de façon appropriée la capacité de stockage d'énergie, on obtient des impulsions de sortie de laser présentant une largeur d'impulsion de seulement quelques nanosecondes. Cependant, à cause de raisons pratiques telles que la sécurité oculaire, la distance effective, la précision et les communications de données à grande vitesse, il est hautement souhaitable de produire des impulsions laser de grande puissance crête ayant une largeur d'impulsion très inférieure à quelques nanosecondes. Pour générer les impulsions laser de grande puissance crête avec une largeur d'impulsion de quelques nanosecondes, l'utilisation de la structure de microbande d'impédance non uniforme comme capacité de stockage d'énergie est une voie très efficace. Dans des conditions de fonctionnement idéales, la largeur d'impulsion laser de sortie la plus courte, obtenue à partie d'une structure de microbande non uniforme, est environ égale au temps de transit d'onde aller-retour dans cette capacité de stockage d'énergie. Donc, lorsque la longueur de la microbande d'impédance non uniforme raccourcit, la largeur d'impulsion des impulsions de sortie laser devient par conséquent étroites. De cette façon, les impulsions lumineuses de sortie présentant une largeur d'impulsion de quelques nanosecondes sont obtenues en réduisant simplement la longueur physique de la capacité de stockage d'énergie jusqu'à ce que le temps de transit d'onde aller-retour de cette capacité devienne égal à quelques nanosecondes. Mais pour la génération des impulsions de laser de sortie présentant une largeur d'impulsion inférieure à quelques nanosecondes, la chose n'est pas si simple. Une simple miniaturisation de la longueur physique de la capacité de stockage d'énergie ne produira pas une largeur d'impulsion ultra-étroite. Il existe une limite. Une microbande excessivement miniaturisée qui est une condition nécessaire pour obtenir une largeur d'impulsion ultra-étroite (largeur d'impulsion inférieure à quelques nanosecondes) pourrait conduire à une capacitance trop petite pour stocker l'énergie électrostatique nécessaire dans la capacité de stockage d'énergie. Par ailleurs, une inductance de fuite affectera négativement les propriétés des impulsions de sortie. Donc, une nouvelle technique doit être envisagée. RESUME DE L'INVENTION Un objectif est donc de fournir une commande de diode laser, pulsée, de fréquence de répétition élevée et de grande puissance, comportant un commutateur semi- conducteur à trois pôles activé optiquement, capable de générer des impulsions lumineuses de grande puissance crête avec une largeur d'impulsion ultra-étroite à grande fréquence de répétition d'impulsion. Selon la présente invention, cet objectif peut être accompli 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 de cette façon 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 commande et de source lumineuse de déclenchement pour générer une lumière laser optique de faible puissance lorsque de 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 une matrice 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 à émettre, dans laquelle lesdits moyens de commutation semi- conducteurs activés optiquement comprennent un commutateur à trois pôles composé de trois électrodes. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres objectifs et aspects de l'invention apparaîtront dans 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; - la figure 2a est une vue plane illustrant une unité de commutation semi- conductrice activée optiquement selon la présente invention; - les figures 2b et 2c sont des vues en coupe prises respectivement le long de la ligne A-A et de la ligne B-B de la figure 2a; - les figures 3a et 3b sont des vues schématiques illustrant respectivement une source lumineuse de déclenchement et une unité de commande selon la présente invention; - la figure 4 est un schéma-bloc illustrant une unité de stockage d'énergie, l'unité de commutation semi- conductrice activée optiquement, une impédance d'adaptation et une matrice laser selon la présente invention; et - les figures 5a à 5c sont des diagrammes de forme d'onde illustrant respectivement les séquences graphiques du flux d'énergie de la commande laser selon la présente invention. DESCRIPTION DETAILLEE DES FORMES DE REALISATION PREFEREES La figure 1 est un schéma-bloc d'une commande de diode laser pulsée, compacte, de fréquence de répétition élevée et de grande puissance, selon la présente invention. Comme cela est représenté en 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 commande et de source lumineuse de déclenchement 400, une unité de commutation semi-conductrice activée optiquement 500, et une matrice laser de grande puissance 600. L'unité de contrôle 100 contrôle un signal introduit depuis un étage d'entrée et envoie le signal commandé à l'unité de conditionnement de puissance électrique et de charge impulsionnelle 200. L'unité de contrôle 100 applique également un signal à l'unité de commande et de source lumineuse de déclenchement 400. L'unité de conditionnement de puissance électrique et de charge impulsionnelle 200 conditionne l'énergie électrique primaire obtenue soit à partir d'une ligne de puissance alternative, soit à partir 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 la puissance électrique et de charge impulsionnelle 200 envoie également une certaine énergie à l'unité de commande et de source lumineuse de déclenchement 400. L'unité de stockage d'énergie 300 comporte une capacité de faible impédance ayant une structure de microbande non uniforme et stocke l'énergie reçue à partir de l'unité de conditionnement de puissance électrique et de charge impulsionnelle 200. L'unité de commande et de source lumineuse de déclenchement 400 est constituée d'une diode laser de puissance moyenne ou légèrement plus élevée munie de deux torons de fibres optiques. L'unité de commande et de source lumineuse de déclenchement 400 sert à émettre de la lumière laser optique de faible ou moyenne puissance tout en étant alimentée lors de la réception du signal de commande issu 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 est un commutateur à trois pôles composé de trois électrodes. L'unité de commutation 500 est commandée en mode passant par la lumière laser reçue de l'unité de commande et de source lumineuse de déclenchement 400 pour convertir l'énergie électrostatique chargée capacitivement en l'impulsion de courant élevé. Le réseau laser de grande puissance 600 émet l'impulsion de courant élevé convertie dans l'unité de commutation semi-conductrice activée optiquement 500 sous la forme d'une impulsion optique de grande puissance. Au moyen d'un signal provenant de l'unité de contrôle 100, l'énergie électrique primaire, issue soit d'une ligne de puissance alternative soit d'une batterie, est conditionnée et ensuite utilisée pour charger capacitivement l'unité de stockage d'énergie 300. Comme les lumières optiques issues de la source de déclenchement optique, délivrées par deux torons de fibres optiques de l'unité de commande et de source lumineuse de déclenchement 400, sont introduites dans l'unité de commutation semi-conductrice activée optiquement 500, l'énergie électrostatique chargée capacitivement est convertie en l'impulsion de courant élevé. La largeur d'impulsion de la lumière laser de sortie est déterminée par l'intervalle de temps, Èt, entre deux impulsions de lumière optique de déclenchement consécutives. En particulier, une combinaison réussie de la capacité de stockage d'énergie de faible impédance et de la diode laser de puissance moyenne ou sensiblement grande déclenchée par un commutateur semi-conducteur à trois pôles conduit à une commande de diode laser pulsée et compacte capable de générer des impulsions de lumière de puissance crête élevée avec une largeur d'impulsion ultra-étroite à une fréquence de répétition d'impulsion élevée. Comme cela est représenté sur les figures 2a à 2c, l'unité de commutation semi-conductrice activée optiquement 500 comprend un commutateur à trois pôles. Ce commutateur à trois pôles est composé de trois électrodes: une électrode 1, une électrode 2 et une électrode 3. Le premier commutateur, réalisé par les électrodes 1 et 2, présente une structure n-i-p, représentée en figure 2b. Le second commutateur, réalisé par les électrodes 2 et 3, présente une structure p-i-p, représentée en figure 2c. La fonction principale de ces commutateurs est de commander la durée du flux d'énergie électrique dans la matrice laser de grande puissance par l'impulsion de lumière laser. Initialement (sans l'illumination de lumière laser de déclenchement), les deux commutateurs maintiennent un circuit ouvert (commutateur bloqué). Lorsque les impulsions de lumière laser de déclenchement (ayant une longueur d'onde appropriée avec une puissance optique suffisante) sont introduites dans les zones de commutation actives, les conditions des deux commutateurs sont modifiées d'une haute résistivité (commutateur bloqué) à une haute conductivité (commutateur passant). (De cette façon, les lumières de déclenchement sont introduites dans les zones de commutation actives, situées entre deux électrodes, soit à partir de la face supérieure, soit à partir du fond). Cependant, les fonctions de ces commutateurs sont tout à fait différentes. L'activation du premier commutateur par l'impulsion de lumière laser initie le flux d'énergie électrique de la capacité de stockage d'énergie vers le réseau laser de grande puissance. Mais la commutation en mode passant du second commutateur par l'impulsion de lumière retardée temporellement par rapport à la première impulsion de lumière crée un court- circuit à travers le réseau laser de grande puissance de sorte que le flux d'énergie dans le réseau laser de grande puissance est interrompu de force. Comme cela est représenté sur les figures 3a et 3b, l'unité de commande et de source lumineuse de déclenchement 400 est constituée de la diode laser de puissance moyenne (ou sensiblement plus grande) avec deux torons de fibres optiques. L'impulsion de lumière issue de la diode laser de déclenchement est couplée dans les torons de fibres optiques. La différence de longueur physique, ÈL, entre deux torons de fibre représentée sur la figure 3a résulte dans l'intervalle de temps St, entre deux impulsions de lumière consécutives, comme représentée sur la figure 3b. La formule mathématique gouvernant la relation entre la longueur de câble de fibre optique, L, et le temps t de transport de l'impulsion de lumière dans ce câble est donnée de la façon suivante: t = (4aTx L)/(3 x 10+10cm) secondes (1) o L est la longueur du câble de fibre optique en cm et EY est la constante diélectrique de l'âme centrale du câble de fibre optique. Ainsi, l'intervalle de temps, St, associée à la longueur du câble de fibre optique supplémentaire, ÈL, est donnée de la façon suivante: 8t= {(AEix L)/30} x 10-9 secondes (2) Donc, lorsque la différence de longueur physique, ÈL, décroît, l'intervalle de temps, St, entre deux impulsions de lumière consécutives devient courte de sorte qu'on obtient une largeur d'impulsion ultra-étroite des impulsions laser de grande puissance. L'action de la commande commence avec l'envoi de l'instruction de fonctionnement à l'unité de contrôle 100 qui initie 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 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 +V, l'unité de commande et de source lumineuse de déclenchement 400 est activée par le signal de commande provenant de l'unité de contrôle 100, comme cela est représenté sur les figures 3a et 3b. L'unité de commande et de source lumineuse de déclenchement 400 génère une impulsion optique à temps de montée rapide à une fréquence de répétition d'impulsion très élevée. L'impulsion optique générée, est couplée dans les torons de fibres optiques, délivrée à travers les torons de fibres optiques, et utilisée pour activer l'unité de commutation semiconductrice 500. Une fois que la lumière optique de déclenchement a pénétré dans la zone active de l'unité de commutation semi-conductrice 500, elle produit des nombres suffisants de paires électron-trou générées par photon de sorte que l'état du commutateur change d'un état complètement ouvert (non conducteur) à un état complètement fermé (conducteur). Lorsque le premier commutateur, ,réalisé par les électrodes 1 et 2 de l'unité de commutation semi- conductrice activée optiquement 500, représenté en figure 2b, est commuté en mode passant par l'impulsion de lumière de déclenchement (délivrée à travers le câble de fibre optique de longueur L) , l'énergie électrostatique stockée dans la capacité commence à s'écouler dans le réseau laser de grande puissance. Immédiatement après que le premier commutateur a été commuté en mode passant, le second commutateur, réalisé par les électrodes 2 et 3 de l'unité de commutation semi- conductrice activée optiquement 500, représenté en figure 2c, est commuté en mode passant par l'impulsion optique de déclenchement (délivrée à travers le câble de fibre optique de longueur L + 6L pour créer un canal de mise en court-circuit à travers le réseau laser de grande puissance). Une fois que le court-circuit est établi, l'écoulement d'énergie électrique dans le réseau laser de grande puissance est brutalement interrompu. Dans le cas d'une grave désadaptation d'impédance, la largeur d'impulsion de la lumière laser de sortie devient large et son temps de descente est lent. Ceci est principalement dû aux réflexions multiples de l'onde de propagation, causées par l'impédance désadaptée de façon importante. Cependant, dans une situation d'impédance bien adaptée, la largeur d'impulsion de la lumière laser de sortie est environ égale au temps de transit d'onde aller-retour dans la capacité de stockage d'énergie de l'unité de stockage d'énergie 300. La figure 4 est un schéma-bloc illustrant l'unité de stockage d'énergie, l'unité de commutation semi- conductrice activée optiquement, l'impédance d'adaptation et le réseau laser. Par ailleurs, les figures 5a à 5c sont des diagrammes de forme d'onde illustrant respectivement les séquences graphiques de l'écoulement d'énergie de la commande laser. En premier lieu, la capacité de stockage d'énergie, représentée en figure 4, est polarisée impulsionnellement à la tension +V, comme cela est représenté en figure 5a (sous une tension de polarisation impulsionnelle +V, le premier commutateur devient polarisé en inverse). Le premier commutateur, représenté en figure 2b, est commuté en mode passant par illumination de la zone de commutation active avec une impulsion de lumière de déclenchement, délivrée à travers le câble de fibre optique de longueur L. Lorsque le premier commutateur est commuté en mode passant, l'énergie électrostatique stockée dans la capacité commence à s'écouler vers le réseau laser de grande puissance, comme représenté en figure 5b. Le second commutateur, représenté en figure 2c, est activé par introduction d'une impulsion de lumière de déclenchement, délivrée à travers la longueur de câble de fibre optique, L + ÈL. Aussitôt que le second commutateur est commuté en mode passant, un canal de mise en courtcircuit est créé à travers la réseau laser de grande puissance de sorte que l'écoulement d'énergie électrique dans le réseau laser de grande puissance est brutalement interrompu, comme cela est représenté en figure 5c. Comme il apparaît de la description ci-dessus, la présente invention procure une commande de diode laser pulsée, à fréquence de répétition d'impulsion (PRF) élevée et de grande puissance, utilisant un commutateur semi-conducteur à trois pôles activé optiquement capable de commander la durée de l'écoulement d'énergie dans le réseau laser de grande puissance. En déterminant de façon appropriée l'intervalle de temps, Èt, entre deux torons de fibres optiques, des impulsions optiques présentant une largeur d'impulsion ultra-étroite peuvent être produites. Selon la présente invention, la commande est capable de générer des impulsions de sortie laser de grande puissance avec un temps de montée rapide et un temps de descente rapide à fréquence de répétition d'impulsion (PRF) élevée, en générant une impulsion optique à temps de montée rapide à partir de la diode laser de puissance moyenne (ou légèrement plus élevée), en couplant dans deux torons de fibres optiques, en les utilisant comme lumières de déclenchement et en commandant l'écoulement d'énergie électrique dans le réseau laser de grande puissance. L'effet géométrique de la structure de microbande non uniforme selon la présente invention permet la conception d'une capacité de stockage d'énergie compacte avec une très faible impédance. Cette capacité de faible impédance réduit de façon importante la perte d'énergie pendant le transfert d'énergie depuis la capacité vers le réseau laser. A la différence de la commande laser pulsée et de grande puissance, la commande pulsée résultante qui est très efficace élimine le besoin d'une commande de grande puissance aussi bien que le besoin d'un ventilateur d'extraction de chaleur. De la sorte, la commande de laser pulsée, à largeur de bande ultra-étroite utilisant une capacité de faible impédance devient d'un bon rendement, très compacte et très légère. 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, additions et substitutions sont possibles, sans se départir de l'objet et de l'esprit de l'invention telle que divulguée dans les revendications jointes. 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 de cette façon 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 commande et de source de lumière de déclenchement 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 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 puissance élevée destinée à être émise, dans laquelle lesdits moyens de commutation semi-conducteurs activés optiquement comprennent un commutateur à trois pôles composé de trois électrodes. 2. Commande de laser semi-conducteur selon la revendication 1, dans laquelle ledit commutateur à trois pôles comprend un premier commutateur réalisé par deux desdites trois électrodes pour avoir une structure n-i-p et un second commutateur réalisé par une desdites deux électrodes dudit premier commutateur et celle restante desdites trois électrodes pour avoir une structure p-i-p. 3. Commande de laser semi-conducteur selon la revendication 1, dans laquelle les deux commutateurs servent à maintenir un circuit ouvert dans un état initial dans lequel aucune lumière laser de déclenchement n'est émise et changent leurs conditions d'une condition de haute résistivité à une condition de haute conductivité dans un état dans lequel des impulsions de lumière laser de déclenchement sont introduites dans des zones de commutation actives des commutateurs.