Pointeur laser

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Contexte

Le pointeur laser est un laser portable à faible coût qui peut être porté à la main. Il est conçu pour être utilisé pendant les présentations pour signaler les zones de la diapositive ou de l'image présentée, remplaçant un bâton en bois tenu à la main ou un pointeur métallique extensible. Il est supérieur aux pointeurs plus anciens car il peut être utilisé à plusieurs centaines de mètres dans une zone sombre et parce qu'il produit un point lumineux précisément là où l'utilisateur le souhaite. Il est également devenu un outil de pointage polyvalent et est devenu si courant que des lois ont été adoptées pour restreindre son utilisation.

Historique

Techniquement, le mot laser est un acronyme qui signifie « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement », mais le terme est devenu si couramment utilisé qu'il n'est plus en majuscule. Le rayonnement est la lumière émise par le laser; cette lumière peut être visible ou invisible à l'œil humain. Techniquement, seuls certains lasers utilisent l'amplification de la lumière, mais le nom laser est toujours utilisé pour un appareil qui produit un rayonnement monochromatique (toutes une seule couleur ou longueur d'onde), cohérent (les ondes lumineuses sont suffisamment similaires pour se déplacer dans une direction).

Tous les lasers ont un milieu laser, une source d'énergie et un résonateur. Le milieu laser est un matériau qui peut être pompé (énergisé) par une source d'énergie (telle que la lumière ou l'électricité) vers un état énergétique supérieur. Après avoir été pompé, le milieu laser peut libérer cette énergie sous forme de rayonnement monochromatique. Le résonateur est une zone qui permet à l'énergie libérée de s'accumuler avant d'être libérée. Un résonateur de base est une paire de miroirs à chaque extrémité du milieu laser. Un miroir est complètement réfléchissant de sorte que toute la lumière qui le frappe se reflète dans le milieu laser ; l'autre est partiellement réfléchissant de sorte qu'une partie de la lumière qui la frappe se réfléchit dans le milieu laser et qu'une partie de la lumière le traverse pour sortir du laser. La paire de miroirs fait réfléchir la lumière dans les deux sens à travers le milieu laser et s'aligne dans une direction, ce qui produit la cohérence de la lumière.

La théorie utilisée pour produire des lasers a été publiée en 1958 par des chercheurs des Bell Labs. Le premier laser, construit en 1960 à Hughes Aircraft, utilisait un morceau de rubis comme support laser, de la lumière comme source d'énergie et des miroirs pour produire un résonateur. Le laser à semi-conducteur a été inventé en 1962. Il utilisait un matériau semi-conducteur, similaire aux matériaux utilisés dans les transistors et les circuits intégrés pour un milieu laser. Il utilisait également l'électricité à courant continu (CC), le courant produit par les batteries, comme source d'énergie. Il utilisait encore des miroirs à résonateur. Les premiers lasers à semi-conducteur produisaient un rayonnement infrarouge non visible. Les lasers à semi-conducteur actuels peuvent également produire de la lumière visible, le rouge étant le type de laser à semi-conducteur le moins cher et le vert, le bleu et le violet étant de plus en plus chers. Les lasers à semi-conducteur utilisés dans les pointeurs laser sont également connus sous le nom de lasers à diode, car ils sont un type de diode à semi-conducteur. Une diode laisse passer l'électricité facilement dans un sens; les diodes électroluminescentes et les diodes laser produisent de la lumière lorsque l'électricité les traverse. L'électronique à semi-conducteurs est devenue moins chère à produire depuis la fin des années 1950. Ils sont également devenus plus petits et nécessitent moins d'énergie. Ils sont devenus suffisamment bon marché pour être utilisés dans les appareils électroniques grand public tels que les pointeurs laser dans les années 1980. Les diodes laser actuelles ont la taille d'une cellule sanguine. Ils produisent une lumière qui est moins collimatée (se déplaçant tous dans une direction) que la plupart des lasers en raison de la brièveté de l'espace du résonateur. Pour cette raison, ils ont besoin d'une sorte d'optique externe (lentilles) pour concentrer la lumière dans un faisceau plus étroit. Les diodes laser, comme de nombreux dispositifs à semi-conducteurs, sont délicates et doivent être protégées de l'environnement et des surtensions. Les circuits de commande de puissance, qui comprennent généralement une photodiode (une diode qui produit de l'électricité lorsque la lumière la frappe) pour surveiller la sortie de la diode laser, empêchent la diode de recevoir trop ou trop peu de puissance. La diode est protégée de l'environnement par un boîtier en plastique, de sorte qu'elle ressemble à la plupart des autres dispositifs à semi-conducteurs utilisés sur les circuits imprimés.

Les premiers pointeurs laser coûtaient des centaines de dollars, mais la demande et les méthodes de fabrication améliorées ont entraîné un prix inférieur à cinq dollars pour les types les moins chers. Il existe également plusieurs articles qui intègrent des pointeurs laser, ou au moins des composants, tels que des viseurs laser pour armes à feu et des projecteurs avec pointeurs laser intégrés.

Matières premières

Une diode laser est moins compliquée que de nombreux types d'équipements électroniques grand public. Il se compose d'une diode laser, d'un circuit imprimé, d'un boîtier, d'une optique et d'un boîtier. Certains des composants électriques de la carte de circuit imprimé et de la diode laser sont constitués de matériaux semi-conducteurs, de métaux et de céramiques. Les matériaux semi-conducteurs comprennent des composés (matériaux constitués de plus d'un élément pur) constitués d'aluminium, de gallium, d'arsenic, de phosphore, d'indium et d'éléments similaires. Ces composés sont utilisés dans une variété de produits semi-conducteurs. Les semi-conducteurs contiennent également des métaux tels que l'aluminium, l'or et le tantale.

La carte de circuit imprimé est généralement constituée d'une résine (plastique) telle que de l'époxy avec des fibres de verre pour la renforcer. L'électricité est acheminée vers les divers composants du circuit imprimé avec des lignes de métal telles que l'aluminium et le cuivre. Les composants individuels placés sur le circuit imprimé comprennent les diodes, la diode laser, les condensateurs et les résistances. Les pièces semi-conductrices, telles que les diodes, sont encapsulées dans du plastique avec des fils métalliques qui sont connectés à des plots métalliques sur la carte de circuit imprimé avec de la soudure (un alliage métallique traditionnellement composé d'étain et de plomb, mais contenant désormais moins de plomb et d'autres métaux comme substituts). Les pièces non semi-conductrices, telles que les résistances et les condensateurs, sont constituées d'une variété de métaux, de plastiques et de céramiques (y compris le verre).

L'optique de collimation peut être en verre, mais des plastiques acryliques moins chers sont utilisés dans la plupart des pointeurs laser. Le boîtier peut être fait de n'importe quel matériau, comme le métal, le plastique ou même le bois. Il contient des contacts métalliques (généralement en laiton) pour les batteries.

Conception

La conception du pointeur laser dépend des exigences électriques de la diode laser, de la durée de vie souhaitée de l'alimentation et de la volonté de produire des produits de consommation plus petits. Les plus petits pointeurs laser mesurent moins de deux pouces de longueur, mais certains pointeurs laser sont conçus pour ressembler à des stylos. Les pointeurs laser plus longs peuvent contenir des piles AAA ou AA, qui fournissent une alimentation plus durable que les piles de montre utilisées dans les pointeurs laser plus courts. La plupart des pointeurs laser utilisent deux ou trois piles.

Le processus de fabrication

Le pointeur laser rouge est le pointeur laser le plus courant. D'autres pointeurs laser utilisent des assemblages de diodes laser différents, mais sont produits de la même manière, c'est pourquoi le processus et le schéma de fabrication du pointeur laser rouge sont utilisés dans cet article.

La diode laser

• 1 La diode laser est produite dans une usine de semi-conducteurs (une usine où les matériaux semi-conducteurs sont produits dans des conditions très propres et soigneusement contrôlées). Le substrat est le matériau de base sur lequel d'autres matériaux seront déposés. Une tranche du substrat est produite, nettoyée et préparée. Ensuite, il passe par plusieurs étapes où des couches de matériau sont déposées dessus. Certaines de ces couches n'ont que quelques atomes d'épaisseur. Ces couches peuvent être conductrices (métaux tels que l'aluminium et l'or) ou semi-conductrices (comme décrit ci-dessus). Ces couches peuvent également être altérées par l'exposition à d'autres produits chimiques. Une fois tous les matériaux ajoutés à la plaquette, il 1. Cap. 2. Anneau d'amortissement électriquement isolant. 3. Piles. 4. Canon en métal. 5. Ressort en métal. 6. Bouton. 7. Commutateur. 8. Plaque à ressort. 9. Trou laser. 10. Canon en métal. 11. Canon d'objectif. 12. Module laser. 14. Cadre de positionnement. 15. Plaque électriquement isolante. est découpé en dés (découpé, généralement en sections rectangulaires) en diodes individuelles. Les diodes sont testées soit sur la plaquette soit après séparation, et celles qui ne fonctionnent pas sont mises au rebut (jetées). Les diodes laser fonctionnelles sont ensuite emballées dans un conteneur en plastique avec des fils métalliques pour la connexion électrique.

Le circuit imprimé

• 2 Le circuit imprimé contient les circuits qui font fonctionner le pointeur laser. Il contient le commutateur, la diode laser et les composants du circuit de commande, généralement une photodiode, des diodes, des résistances et des condensateurs. Ces pièces sont placées sur le circuit imprimé, parfois avec un adhésif, puis sont soudées en place. La soudure est un processus où deux objets métalliques sont mis en contact et la soudure est fondue autour d'eux de sorte que lorsqu'elle refroidit, elle les entoure tous les deux et les maintient ensemble. La soudure est utilisée à la place de la colle parce qu'elle adhère au métal et parce qu'elle conduit la chaleur et l'électricité.

L'optique de collimation

• 3 L'optique de collimation d'un pointeur laser se compose d'une seule lentille qui focalise le cône de lumière sortant de la diode laser en un faisceau plus étroit qui produit un point plus étroit sur une plus longue distance. Les lentilles en plastique sont moulées par injection, un processus dans lequel le plastique fondu est forcé dans un moule. Le plastique refroidit et se solidifie, puis le moule est démonté et la lentille est retirée. Il est meulé et poli pour obtenir une surface lisse afin que la lumière de la diode laser ne rebondisse pas sur les imperfections de la surface.

L'ensemble diode laser

• 4 La diode laser et l'optique de collimation sont assemblées avec un support en plastique pour former l'ensemble diode laser. La plupart des ensembles de diodes laser ont un ressort métallique fixé à l'arrière. Ce ressort entre en contact avec les piles de la diode laser et fait partie du circuit qui tire l'électricité des piles.

Construction du boîtier et assemblage
final

• 5 Le boîtier est un tube avec un espace pour l'ensemble diode laser et les piles. L'ensemble diode laser est poussé ou vissé dans une extrémité du boîtier. L'intérieur du boîtier est en laiton ou comporte une bande de laiton (collée ou rivetée) qui descend dans l'espace de la batterie. La pièce d'extrémité de l'espace de batterie a également une zone en laiton exposée ou est en laiton. Lorsque cet embout est poussé ou vissé dans le boîtier, il entre en contact avec l'autre côté des batteries pour compléter le circuit électrique qui permet à l'électricité de circuler des batteries vers l'ensemble diode laser.
• 6 Le boîtier dispose également d'un bouton de commutation (un morceau de plastique passant à travers un trou découpé sur le côté du boîtier) qui doit être enfoncé et maintenu pour que le pointeur laser fonctionne. Lorsque ce bouton est enfoncé, l'interrupteur sur la carte de circuit imprimé se ferme, l'électricité circule des piles vers l'ensemble pointeur laser et le pointeur laser produit un faisceau de lumière.
• 7 Une fois le pointeur laser assemblé et testé, une étiquette de sécurité est ajoutée. Cette étiquette décrit l'évaluation du laser en termes de puissance de sortie, indique les réglementations qui régissent son utilisation et avertit l'utilisateur d'éviter l'exposition directe des yeux.

Contrôle qualité

Un fabricant de semi-conducteurs utilise des processus hautement contrôlés qui ont été développés dans des laboratoires puis transférés à l'installation de fabrication. Les diodes laser sont testées pour s'assurer qu'elles fonctionnent également après la fabrication. Chaque autre composant est également testé pour s'assurer qu'il fonctionne. La plupart des usines de fabrication testeront leurs produits au hasard et utiliseront des méthodes de contrôle statistique pour fournir des produits de qualité.

Lorsque l'assemblage de la diode laser ou le pointeur laser est finalement assemblé, il sera alimenté et testé avec un dispositif de détection de lumière, tel qu'une photodiode, pour mesurer sa puissance de sortie. Les pointeurs laser sont des dispositifs laser de type IIIA et doivent produire 5 mW (milliwatt, un millième de watt) de puissance ou moins pour le marché des États-Unis. Les pointeurs laser destinés au marché européen sont généralement des dispositifs laser de classe II et doivent produire moins de 1 mW. Ces restrictions sont pour des raisons de sécurité.

Sous-produits/Déchets

Les pointeurs laser contiennent des métaux, des plastiques et des pièces électroniques. Chacune de ces industries a des sous-produits de déchets spécifiques (solvants, gaz halocarbonés, plomb, produits chimiques), mais l'assemblage du pointeur laser n'a pas de déchets spécifiques jusqu'à ce que le pointeur laser soit éliminé. Un pointeur laser contient de petites quantités de matières dangereuses, telles que le plomb et certains semi-conducteurs toxiques. Comme d'autres assemblages électroniques, il peut être plus sûr pour l'environnement à long terme de recycler les composants, bien que cela soit coûteux et qu'il existe peu de programmes en place pour recycler ou réutiliser les composants électroniques. Cela peut changer à l'avenir.

Le futur

Les pointeurs laser rouges sont les moins chers et les plus courants aujourd'hui. Les pointeurs laser verts ont des assemblages de diodes laser plus compliqués et coûtent des centaines de dollars. Les pointeurs laser bleu et violet seront bientôt disponibles à un prix plus élevé. Le prix des nouveaux types de diodes laser baisse à mesure que les volumes de production augmentent afin de répondre à la demande et à mesure que les processus de production s'améliorent. Les lois qui restreignent l'utilisation des pointeurs laser peuvent contrecarrer cette tendance en provoquant une baisse de la demande car les pointeurs laser sont interdits dans les lieux publics.

Où en savoir plus

Livres

Gibilisco, Stan. Comprendre les lasers. Sommet de Blue Ridge, Pennsylvanie :Tab Books, Inc., 1989.

Autre

Page Web CORD. Décembre 2001. .

Page Web mondiale de Laser Focus. Décembre 2001. .

André Dawson