Diodo láser
Un diodo láser (LD, también diodo láser de inyección o ILD, o láser de diodo ) es un dispositivo semiconductor similar a un diodo emisor de luz en el que un diodo bombeado directamente con corriente eléctrica puede crear condiciones de emisión de láser en la unión del diodo.
Impulsada por el voltaje, la transición p-n dopada permite la recombinación de un electrón con un hueco. Debido a la caída del electrón de un nivel de energía más alto a uno más bajo, se genera radiación en forma de fotón emitido. Esta es la emisión espontánea. La emisión estimulada se puede producir cuando el proceso continúa y genera más luz con la misma fase, coherencia y longitud de onda.
La elección del material semiconductor determina la longitud de onda del haz emitido, que en los diodos láser actuales van desde el espectro infrarrojo hasta el ultravioleta (UV). Los diodos láser son el tipo más común de láseres producidos, con una amplia gama de usos que incluyen comunicaciones de fibra óptica, lectores de códigos de barras, punteros láser, lectura/grabación de discos CD/DVD/Blu-ray, impresión láser, escaneo láser e iluminación de haz de luz.. Con el uso de un fósforo como el que se encuentra en los LED blancos, los diodos láser se pueden usar para iluminación general.
Teoría
Un diodo láser es eléctricamente un diodo PIN. La región activa del diodo láser está en la región intrínseca (I), y los portadores (electrones y huecos) se bombean hacia esa región desde las regiones N y P respectivamente. Si bien la investigación inicial del láser de diodo se llevó a cabo en diodos P-N simples, todos los láseres modernos utilizan la implementación de doble heteroestructura, donde los portadores y los fotones están confinados para maximizar sus posibilidades de recombinación y generación de luz. A diferencia de un diodo normal, el objetivo de un diodo láser es recombinar todos los portadores en la región I y producir luz. Por lo tanto, los diodos láser se fabrican utilizando semiconductores de banda prohibida directa. La estructura epitaxial del diodo láser se cultiva utilizando una de las técnicas de crecimiento de cristales, generalmente a partir de un sustrato dopado con N y haciendo crecer la capa activa dopada con I, seguida por el revestimiento dopado con P y una capa de contacto. La capa activa consiste con mayor frecuencia en pozos cuánticos, que proporcionan un umbral de corriente más bajo y una mayor eficiencia.
Bombeo eléctrico y óptico
Los diodos láser forman un subconjunto de la clasificación más amplia de diodos de unión semiconductores p–n. La polarización eléctrica directa a través del diodo láser hace que las dos especies de portadores de carga (huecos y electrones) sean "inyectados" desde lados opuestos de la unión p–n hacia la región de agotamiento. Los agujeros se inyectan desde el semiconductor dopado con p al dopado con n y los electrones viceversa. (Se forma una región de agotamiento, desprovista de portadores de carga, como resultado de la diferencia de potencial eléctrico entre los semiconductores de tipo n y p siempre que estén en contacto físico.) Debido al uso de inyección de carga en la alimentación de la mayoría de los láseres de diodo, esta clase de láseres a veces se denomina "láseres de inyección" o "diodo láser de inyección" (ILD). Dado que los láseres de diodo son dispositivos semiconductores, también pueden clasificarse como láseres semiconductores. Cualquiera de las designaciones distingue a los láseres de diodo de los láseres de estado sólido.
Otro método para alimentar algunos láseres de diodo es el uso de bombeo óptico. Los láseres semiconductores bombeados ópticamente (OPSL) utilizan un chip semiconductor III-V como medio de ganancia y otro láser (a menudo otro láser de diodo) como fuente de bombeo. OPSL ofrece varias ventajas sobre los ILD, particularmente en la selección de longitud de onda y la falta de interferencia de las estructuras de electrodos internos. Otra ventaja de los OPSL es la invariabilidad de los parámetros del haz (divergencia, forma y orientación) ya que la potencia de la bomba (y, por lo tanto, la potencia de salida) varía, incluso en una relación de potencia de salida de 10:1.
Generación de emisión espontánea
Cuando un electrón y un hueco están presentes en la misma región, pueden recombinarse o "aniquilarse" produciendo una emisión espontánea, es decir, el electrón puede volver a ocupar el estado de energía del hueco, emitiendo un fotón con energía igual a la diferencia entre el estado original del electrón y el estado del hueco. (En un diodo de unión de semiconductores convencional, la energía liberada de la recombinación de electrones y huecos se transporta como fonones, es decir, vibraciones de red, en lugar de fotones). La emisión espontánea por debajo del umbral de emisión láser produce propiedades similares a las de un LED. La emisión espontánea es necesaria para iniciar la oscilación del láser, pero es una de varias fuentes de ineficiencia una vez que el láser está oscilando.
Semiconductores de banda prohibida directos e indirectos
La diferencia entre el láser semiconductor emisor de fotones y un diodo de unión semiconductor emisor de fonones (no emisor de luz) convencional radica en el tipo de semiconductor utilizado, cuya estructura física y atómica confiere la posibilidad de emisión de fotones. Estos semiconductores emisores de fotones son los llamados "banda prohibida directa" semiconductores Las propiedades del silicio y el germanio, que son semiconductores de un solo elemento, tienen bandas prohibidas que no se alinean de la forma necesaria para permitir la emisión de fotones y no se consideran "directas". Otros materiales, los llamados semiconductores compuestos, tienen estructuras cristalinas prácticamente idénticas a las del silicio o el germanio, pero usan arreglos alternos de dos especies atómicas diferentes en un patrón similar a un tablero de ajedrez para romper la simetría. La transición entre los materiales en el patrón alterno crea la crítica "banda prohibida directa" propiedad. El arseniuro de galio, el fosfuro de indio, el antimoniuro de galio y el nitruro de galio son ejemplos de materiales semiconductores compuestos que se pueden usar para crear diodos de unión que emiten luz.
Generación de emisión estimulada
En ausencia de condiciones de emisión estimulada (p. ej., emisión de láser), los electrones y los huecos pueden coexistir uno cerca del otro, sin recombinarse, durante un tiempo determinado, lo que se denomina "tiempo de vida del estado superior"; o "tiempo de recombinación" (alrededor de un nanosegundo para materiales típicos de láser de diodo), antes de que se recombinen. Un fotón cercano con energía igual a la energía de recombinación puede causar recombinación por emisión estimulada. Esto genera otro fotón de la misma frecuencia, polarización y fase, viajando en la misma dirección que el primer fotón. Esto significa que la emisión estimulada provocará una ganancia en una onda óptica (de la longitud de onda correcta) en la región de inyección, y la ganancia aumenta a medida que aumenta el número de electrones y huecos inyectados a través de la unión. Los procesos de emisión espontánea y estimulada son mucho más eficientes en semiconductores de banda prohibida directa que en semiconductores de banda prohibida indirecta; por lo tanto, el silicio no es un material común para los diodos láser.
Cavidad óptica y modos láser
Como en otros láseres, la región de ganancia está rodeada por una cavidad óptica para formar un láser. En la forma más simple de diodo láser, se crea una guía de ondas ópticas en la superficie de ese cristal, de modo que la luz se limita a una línea relativamente estrecha. Los dos extremos del cristal están cortados para formar bordes paralelos perfectamente lisos, formando un resonador Fabry-Pérot. Los fotones emitidos en un modo de la guía de ondas viajarán a lo largo de la guía de ondas y se reflejarán varias veces desde cada extremo antes de salir. A medida que una onda de luz pasa a través de la cavidad, se amplifica por emisión estimulada, pero la luz también se pierde debido a la absorción y a la reflexión incompleta de las facetas finales. Finalmente, si hay más amplificación que pérdida, el diodo comienza a "lase".
Algunas propiedades importantes de los diodos láser están determinadas por la geometría de la cavidad óptica. En general, la luz está contenida dentro de una capa muy delgada y la estructura admite solo un modo óptico único en la dirección perpendicular a las capas. En la dirección transversal, si la guía de ondas es ancha en comparación con la longitud de onda de la luz, entonces la guía de ondas puede admitir múltiples modos ópticos transversales y el láser se conoce como "multimodo". Estos láseres transversalmente multimodo son adecuados en los casos en los que se necesita una gran cantidad de potencia, pero no un pequeño haz TEM00 limitado por difracción; por ejemplo, en impresión, activación de productos químicos, microscopía o bombeo de otros tipos de láser.
En aplicaciones donde se necesita un pequeño haz enfocado, la guía de ondas debe hacerse estrecha, del orden de la longitud de onda óptica. De esta forma, solo se admite un único modo transversal y uno termina con un haz de difracción limitada. Dichos dispositivos de modo espacial único se utilizan para almacenamiento óptico, punteros láser y fibra óptica. Tenga en cuenta que estos láseres aún pueden admitir múltiples modos longitudinales y, por lo tanto, pueden disparar en múltiples longitudes de onda simultáneamente. La longitud de onda emitida es una función de la banda prohibida del material semiconductor y los modos de la cavidad óptica. En general, la ganancia máxima ocurrirá para los fotones con energía ligeramente superior a la energía de la banda prohibida, y los modos más cercanos al pico de la curva de ganancia serán los más fuertes. El ancho de la curva de ganancia determinará el número de "modos secundarios" que también puede latir, dependiendo de las condiciones de funcionamiento. Los láseres de modo espacial único que pueden admitir múltiples modos longitudinales se denominan láseres Fabry Perot (FP). Un láser FP emitirá láser en múltiples modos de cavidad dentro del ancho de banda de ganancia del medio láser. El número de modos de láser en un láser FP suele ser inestable y puede fluctuar debido a cambios en la corriente o la temperatura.
Los láseres de diodo de modo espacial único se pueden diseñar para operar en un modo longitudinal único. Estos láseres de diodo de frecuencia única exhiben un alto grado de estabilidad y se utilizan en espectroscopia y metrología, y como referencias de frecuencia. Los láseres de diodo de frecuencia única se clasifican como láseres de retroalimentación distribuida (DFB) o láseres de reflector Bragg distribuido (DBR).
Formación de rayo láser
Debido a la difracción, el haz diverge (expande) rápidamente después de salir del chip, generalmente a 30 grados verticalmente por 10 grados lateralmente. Se debe usar una lente para formar un haz colimado como el producido por un puntero láser. Si se requiere un haz circular, se utilizan lentes cilíndricas y otras ópticas. Para los láseres monomodo espacial, que utilizan lentes simétricas, el haz colimado termina teniendo una forma elíptica, debido a la diferencia en las divergencias verticales y laterales. Esto es fácilmente observable con un puntero láser rojo. El eje largo de la elipse está en ángulo recto con el plano del chip.
El diodo simple descrito anteriormente se modificó mucho en los últimos años para adaptarse a la tecnología moderna, lo que dio como resultado una variedad de tipos de diodos láser, como se describe a continuación.
Historia
Ya en 1953, John von Neumann describió el concepto de láser semiconductor en un manuscrito inédito.
Después de los tratamientos teóricos de M.G. Bernard, G. Duraffourg y William P. Dumke a principios de la década de 1960. La emisión de luz coherente de un diodo semiconductor de arseniuro de galio (GaAs) (un diodo láser) fue demostrada en 1962 por dos grupos estadounidenses dirigidos por Robert N. Hall en la investigación de General Electric. centro y por Marshall Nathan en el IBM T.J. Centro de Investigación Watson. Ha habido un debate en curso sobre si IBM o GE inventaron el primer diodo láser, que se basó en gran medida en el trabajo teórico de William P. Dumke en el Laboratorio Kitchawan de IBM (actualmente conocido como el Centro de Investigación Thomas J. Watson) en Yorktown. Heights, Nueva York. Se da prioridad al grupo General Electric que haya obtenido y presentado sus resultados antes; también fueron más allá e hicieron una cavidad resonante para su diodo. Inicialmente, Ben Lax del MIT, entre otros físicos destacados, especuló que el silicio o el germanio podrían usarse para crear un efecto láser, pero los análisis teóricos convencieron a William P. Dumke de que estos materiales no funcionarían. En cambio, sugirió el arseniuro de galio como un buen candidato. El primer diodo láser de longitud de onda visible fue demostrado por Nick Holonyak, Jr. más tarde en 1962; usó una aleación de fosfuro de arseniuro de galio.
Otros equipos del MIT Lincoln Laboratory, Texas Instruments y RCA Laboratories también participaron y recibieron crédito por sus históricas demostraciones iniciales de emisión de luz eficiente y láser en diodos semiconductores en 1962 y posteriormente. Los láseres GaAs también fueron producidos a principios de 1963 en la Unión Soviética por el equipo dirigido por Nikolay Basov.
A principios de la década de 1960, Herbert Nelson de RCA Laboratories inventó la epitaxia en fase líquida (LPE). Al colocar capas de cristales de la más alta calidad de diferentes composiciones, permitió la demostración de materiales láser semiconductores de heterounión de la más alta calidad durante muchos años. LPE fue adoptado por todos los laboratorios líderes en todo el mundo y se utilizó durante muchos años. Finalmente fue suplantado en la década de 1970 por la epitaxia de haz molecular y la deposición de vapor químico organometálico.
Los láseres de diodo de esa época funcionaban con densidades de corriente umbral de 1000 A/cm2 a temperaturas de 77 K. Tal rendimiento permitió demostrar el láser continuo en los primeros días. Sin embargo, cuando se operaba a temperatura ambiente, alrededor de 300 K, las densidades de corriente umbral eran dos órdenes de magnitud mayores, o 100 000 A/cm2 en los mejores dispositivos. El desafío dominante para el resto de la década de 1960 fue obtener una densidad de corriente de umbral bajo a 300 K y, por lo tanto, demostrar la emisión de láser de onda continua a temperatura ambiente desde un láser de diodo.
Los primeros láseres de diodo eran diodos de homounión. Es decir, el material (y por lo tanto la banda prohibida) de la capa central de la guía de ondas y el de las capas revestidas circundantes eran idénticos. Se reconoció que había una oportunidad, particularmente brindada por el uso de epitaxia en fase líquida usando arseniuro de aluminio y galio, para introducir heterouniones. Las heteroestructuras consisten en capas de cristal semiconductor que tienen una banda prohibida y un índice de refracción variables. Las heterouniones (formadas a partir de heteroestructuras) habían sido reconocidas por Herbert Kroemer, mientras trabajaba en RCA Laboratories a mediados de la década de 1950, por tener ventajas únicas para varios tipos de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos, incluidos los láseres de diodo. LPE proporcionó la tecnología para fabricar láseres de diodo de heterounión. En 1963 propuso el láser de doble heteroestructura.
Los primeros láseres de diodo de heterounión eran láseres de heterounión simple. Estos láseres utilizaban inyectores de tipo p de arseniuro de galio y aluminio situados sobre capas de arseniuro de galio de tipo n cultivadas en el sustrato por LPE. Una mezcla de aluminio reemplazó al galio en el cristal semiconductor y elevó la banda prohibida del inyector de tipo p sobre la de las capas de tipo n debajo. Funcionó; las corrientes de umbral de 300 K se redujeron 10 veces a 10 000 amperios por centímetro cuadrado. Desafortunadamente, esto todavía no estaba en el rango necesario y estos láseres de diodo de heteroestructura simple no funcionaron en operación de onda continua a temperatura ambiente.
La innovación que superó el desafío de la temperatura ambiente fue el láser de doble heteroestructura. El truco consistía en mover rápidamente la oblea en el aparato LPE entre diferentes "fundiciones" de arseniuro de aluminio y galio (tipo p y n) y una tercera fusión de arseniuro de galio. Tenía que hacerse rápidamente, ya que la región del núcleo de arseniuro de galio debía tener un grosor significativamente inferior a 1 µm. El primer diodo láser en lograr una operación de onda continua fue una heteroestructura doble demostrada en 1970 esencialmente de forma simultánea por Zhores Alferov y colaboradores (incluido Dmitri Z. Garbuzov) de la Unión Soviética, y Morton Panish e Izuo Hayashi trabajando en los Estados Unidos. Sin embargo, se acepta ampliamente que Zhores I. Alferov y su equipo alcanzaron el hito primero.
Por su logro y el de sus compañeros de trabajo, Alferov y Kroemer compartieron el Premio Nobel de Física 2000.
Tipos
La estructura de diodo láser simple, descrita anteriormente, es ineficiente. Dichos dispositivos requieren tanta energía que solo pueden lograr una operación pulsada sin daño. Aunque históricamente importante y fácil de explicar, tales dispositivos no son prácticos.
Láseres de doble heteroestructura
En estos dispositivos, una capa de material de banda prohibida baja se intercala entre dos capas de banda prohibida alta. Un par de materiales de uso común es el arseniuro de galio (GaAs) con el arseniuro de aluminio y galio (AlxGa(1-x)As). Cada una de las uniones entre diferentes materiales de banda prohibida se denomina heteroestructura, de ahí el nombre de "láser de doble heteroestructura" o DH láser. El tipo de diodo láser descrito en la primera parte del artículo puede denominarse láser de homounión, en contraste con estos dispositivos más populares.
La ventaja de un láser DH es que la región donde los electrones libres y los huecos existen simultáneamente (la región activa) está confinada a la delgada capa intermedia. Esto significa que muchos más de los pares electrón-hueco pueden contribuir a la amplificación; no quedan tantos en la periferia con poca amplificación. Además, la luz se refleja dentro de la heterounión; por lo tanto, la luz se limita a la región donde tiene lugar la amplificación.
Láseres de pozo cuántico
Si la capa intermedia se hace lo suficientemente delgada, actúa como un pozo cuántico. Esto significa que se cuantifica la variación vertical de la función de onda del electrón y, por lo tanto, un componente de su energía. La eficiencia de un láser de pozo cuántico es mayor que la de un láser masivo porque la función de densidad de estados de los electrones en el sistema de pozo cuántico tiene un borde abrupto que concentra los electrones en estados de energía que contribuyen a la acción del láser.
Los láseres que contienen más de una capa de pozo cuántico se conocen como láseres de pozos cuánticos múltiples. Múltiples pozos cuánticos mejoran la superposición de la región de ganancia con el modo de guía de onda óptica.
También se han demostrado mejoras adicionales en la eficiencia del láser al reducir la capa del pozo cuántico a un cable cuántico o a un "mar" de puntos cuánticos.
Láseres cuánticos en cascada
En un láser de cascada cuántica, la diferencia entre los niveles de energía del pozo cuántico se usa para la transición del láser en lugar de la banda prohibida. Esto permite la acción del láser en longitudes de onda relativamente largas, que pueden ajustarse simplemente alterando el grosor de la capa. Son láseres de heterounión.
Láseres en cascada entre bandas
Un láser en cascada interbanda (ICL) es un tipo de diodo láser que puede producir radiación coherente en una gran parte de la región del infrarrojo medio del espectro electromagnético.
Láseres de heteroestructura de confinamiento separado
El problema con el diodo de pozo cuántico simple descrito anteriormente es que la capa delgada es simplemente demasiado pequeña para confinar la luz de manera efectiva. Para compensar, se añaden otras dos capas, fuera de las tres primeras. Estas capas tienen un índice de refracción más bajo que las capas centrales y, por lo tanto, confinan la luz de manera efectiva. Tal diseño se denomina diodo láser de heteroestructura de confinamiento separado (SCH).
Casi todos los diodos láser comerciales desde la década de 1990 han sido diodos de pozo cuántico SCH.
Láseres reflectores de Bragg distribuidos
Un láser reflector de Bragg distribuido (DBR) es un tipo de diodo láser de frecuencia única. Se caracteriza por una cavidad óptica que consta de una región de ganancia bombeada eléctrica u ópticamente entre dos espejos para proporcionar retroalimentación. Uno de los espejos es un reflector de banda ancha y el otro espejo es selectivo en longitud de onda, de modo que se favorece la ganancia en un solo modo longitudinal, lo que da como resultado una emisión de láser a una sola frecuencia resonante. El espejo de banda ancha suele estar recubierto con una capa de baja reflectividad para permitir la emisión. El espejo selectivo de longitud de onda es una rejilla de difracción periódicamente estructurada con alta reflectividad. La rejilla de difracción está dentro de una región no bombeada o pasiva de la cavidad. Un láser DBR es un dispositivo monolítico de un solo chip con la rejilla grabada en el semiconductor. Los láseres DBR pueden ser láseres emisores de borde o VCSEL. Las arquitecturas híbridas alternativas que comparten la misma topología incluyen láseres de diodo de cavidad extendida y láseres de rejilla de Bragg de volumen, pero estos no se denominan propiamente láseres DBR.
Láseres de retroalimentación distribuidos
Un láser de retroalimentación distribuido (DFB) es un tipo de diodo láser de frecuencia única. Los DFB son el tipo de transmisor más común en los sistemas DWDM. Para estabilizar la longitud de onda del láser, se graba una rejilla de difracción cerca de la unión p-n del diodo. Esta rejilla actúa como un filtro óptico, lo que provoca que una única longitud de onda se retroalimente a la región de ganancia y al láser. Dado que la rejilla proporciona la retroalimentación necesaria para el láser, no se requiere la reflexión de las facetas. Por lo tanto, al menos una faceta de un DFB tiene un revestimiento antirreflectante. El láser DFB tiene una longitud de onda estable que se establece durante la fabricación por el paso de la rejilla y solo se puede ajustar ligeramente con la temperatura. Los láseres DFB se utilizan ampliamente en aplicaciones de comunicación óptica donde una longitud de onda precisa y estable es fundamental.
El umbral de corriente de este láser DFB, basado en su característica estática, es de alrededor de 11 mA. La corriente de polarización adecuada en un régimen lineal podría tomarse en medio de la característica estática (50 mA). Se han propuesto varias técnicas para mejorar la operación monomodo en este tipo de láseres mediante la inserción de un cambio de fase (1PS) o cambio de fase múltiple (MPS) en la rejilla uniforme de Bragg. Sin embargo, los láseres DFB de cambio de fase múltiple representan la solución óptima porque tienen la combinación de una relación de supresión de modo lateral más alta y una quema de agujeros espacial reducida.
Láser emisor de superficie de cavidad vertical
Los láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL) tienen el eje de la cavidad óptica a lo largo de la dirección del flujo de corriente en lugar de ser perpendicular al flujo de corriente como en los diodos láser convencionales. La longitud de la región activa es muy corta en comparación con las dimensiones laterales, por lo que la radiación emerge de la superficie de la cavidad en lugar de su borde, como se muestra en la figura. Los reflectores en los extremos de la cavidad son espejos dieléctricos hechos de capas múltiples alternas de espesor de cuarto de onda de alto y bajo índice de refracción.
Dichos espejos dieléctricos proporcionan un alto grado de reflectancia selectiva de longitud de onda en la longitud de onda de superficie libre requerida λ si los espesores de las capas alternas d1 y d2 con índices de refracción n1 y n2 son tales que n1d1 + n2d2 = λ/2 que luego conduce a la interferencia constructiva de todas las ondas parcialmente reflejadas en las interfaces. Pero hay una desventaja: debido a las altas reflectividades del espejo, los VCSEL tienen potencias de salida más bajas en comparación con los láseres emisores de borde.
Hay varias ventajas en la producción de VCSEL en comparación con el proceso de producción de láseres de emisión de borde. Los emisores de borde no se pueden probar hasta el final del proceso de producción. Si el emisor de borde no funciona, ya sea debido a malos contactos o mala calidad del crecimiento del material, el tiempo de producción y los materiales de procesamiento se han desperdiciado.
Además, debido a que los VCSEL emiten el haz perpendicular a la región activa del láser en lugar de paralelo como con un emisor de borde, se pueden procesar decenas de miles de VCSEL simultáneamente en una oblea de arseniuro de galio de tres pulgadas. Además, aunque el proceso de producción de VCSEL requiere más mano de obra y materiales, el rendimiento se puede controlar para obtener un resultado más predecible. Sin embargo, normalmente muestran un nivel de salida de potencia más bajo.
Láser emisor de superficie de cavidad externa vertical
Los láseres emisores de superficie de cavidad externa vertical, o VECSEL, son similares a los VCSEL. En los VCSEL, los espejos generalmente crecen epitaxialmente como parte de la estructura del diodo, o crecen por separado y se unen directamente al semiconductor que contiene la región activa. Los VECSEL se distinguen por una construcción en la que uno de los dos espejos es externo a la estructura del diodo. Como resultado, la cavidad incluye una región de espacio libre. Una distancia típica del diodo al espejo externo sería de 1 cm.
Una de las características más interesantes de cualquier VECSEL es el pequeño grosor de la región de ganancia del semiconductor en la dirección de propagación, inferior a 100 nm. Por el contrario, un láser de semiconductor en el plano convencional implica la propagación de la luz en distancias que van desde 250 µm hacia arriba hasta 2 mm o más. La importancia de la corta distancia de propagación es que provoca el efecto de "antiguía" las no linealidades en la región de ganancia del láser de diodo deben minimizarse. El resultado es un haz óptico monomodo de gran sección transversal que no se puede obtener con láseres de diodo en el plano ('emisores de borde').
Varios trabajadores demostraron VECSEL bombeados ópticamente, y continúan desarrollándose para muchas aplicaciones, incluidas fuentes de alta potencia para uso en mecanizado industrial (corte, punzonado, etc.) debido a su potencia y eficiencia inusualmente altas cuando se bombean con multimodo. barras láser de diodo. Sin embargo, debido a su falta de unión p-n, los VECSEL bombeados ópticamente no se consideran "láseres de diodo" y se clasifican como láseres semiconductores.
También se han demostrado VECSEL bombeados eléctricamente. Las aplicaciones para los VECSEL bombeados eléctricamente incluyen pantallas de proyección, servidas por la duplicación de frecuencia de los emisores VECSEL de infrarrojo cercano para producir luz azul y verde.
Láseres de diodo de cavidad externa
Los láseres de diodo de cavidad externa son láseres sintonizables que utilizan principalmente diodos de heteroestructuras dobles del tipo AlxGa(1-x)As. Los primeros láseres de diodo de cavidad externa utilizaron intracavidad etalons y rejillas de Littrow de afinación simple. Otros diseños incluyen rejillas en configuración de incidencia rasante y configuraciones de rejilla de múltiples prismas.
Confiabilidad
Los diodos láser tienen los mismos problemas de confiabilidad y fallas que los diodos emisores de luz. Además, están sujetos a daños ópticos catastróficos (COD) cuando funcionan a mayor potencia.
Muchos de los avances en la confiabilidad de los láseres de diodo en los últimos 20 años siguen siendo propiedad de sus desarrolladores. La ingeniería inversa no siempre puede revelar las diferencias entre productos de láser de diodo más confiables y menos confiables.
Los láseres semiconductores pueden ser láseres emisores de superficie, como VCSEL, o láseres emisores de bordes en el plano. Para los láseres emisores de borde, el espejo de la cara del borde a menudo se forma cortando la oblea semiconductora para formar un plano de reflexión especular. Este enfoque se ve facilitado por la debilidad del plano cristalográfico [110] en los cristales semiconductores III-V (como GaAs, InP, GaSb, etc.) en comparación con otros planos.
Los estados atómicos en el plano de división se alteran en comparación con sus propiedades generales dentro del cristal por la terminación de la red perfectamente periódica en ese plano. Los estados de la superficie en el plano dividido tienen niveles de energía dentro de la banda prohibida (de otro modo prohibida) del semiconductor.
Como resultado, cuando la luz se propaga a través del plano de división y transita hacia el espacio libre desde el interior del cristal semiconductor, una fracción de la energía de la luz es absorbida por los estados superficiales donde se convierte en calor mediante interacciones fonón-electrón. Esto calienta el espejo partido. Además, el espejo puede calentarse simplemente porque el borde del láser de diodo, que se bombea eléctricamente, no tiene un contacto perfecto con la montura que proporciona un camino para la eliminación del calor. El calentamiento del espejo hace que la banda prohibida del semiconductor se reduzca en las áreas más cálidas. La reducción de la brecha de banda trae más transiciones electrónicas de banda a banda alineadas con la energía del fotón causando aún más absorción. Esto es una fuga térmica, una forma de retroalimentación positiva, y el resultado puede ser el derretimiento de la faceta, conocido como daño óptico catastrófico o COD.
En la década de 1970, este problema, que es particularmente molesto para los láseres basados en GaAs que emiten entre 0,630 µm y 1 µm de longitud de onda (menos para los láseres basados en InP utilizados para telecomunicaciones de larga distancia que emiten entre 1,3 µm y 2 µm), fue identificado. Michael Ettenberg, investigador y luego vicepresidente de RCA Laboratories' El Centro de Investigación David Sarnoff en Princeton, Nueva Jersey, ideó una solución. Se depositó una fina capa de óxido de aluminio sobre la faceta. Si el espesor del óxido de aluminio se elige correctamente, funciona como una capa antirreflectante, reduciendo los reflejos en la superficie. Esto alivió el calentamiento y el DQO en el costado.
Desde entonces, se han empleado varios otros refinamientos. Un enfoque es crear un llamado espejo no absorbente (NAM) de modo que los últimos 10 µm más o menos antes de que la luz se emita desde la cara escindida se vuelvan no absorbentes en la longitud de onda de interés.
A principios de la década de 1990, SDL, Inc. comenzó a suministrar láseres de diodo de alta potencia con buenas características de confiabilidad. El CEO Donald Scifres y el CTO David Welch presentaron nuevos datos de rendimiento de confiabilidad en, por ejemplo, las conferencias SPIE Photonics West de la época. Los métodos utilizados por SDL para derrotar a COD se consideraron altamente patentados y aún no se habían revelado públicamente en junio de 2006.
A mediados de la década de 1990, IBM Research (Ruschlikon, Suiza) anunció que había ideado su llamado "proceso E2" lo que confirió una extraordinaria resistencia a la DQO en láseres basados en GaAs. Este proceso tampoco fue revelado hasta junio de 2006.
La confiabilidad de las barras de bombeo de láser de diodo de alta potencia (utilizadas para bombear láseres de estado sólido) sigue siendo un problema difícil en una variedad de aplicaciones, a pesar de estos avances patentados. De hecho, la física de la falla del láser de diodo aún se está resolviendo y la investigación sobre este tema permanece activa, si es patentada.
La extensión de la vida útil de los diodos láser es fundamental para su continua adaptación a una amplia variedad de aplicaciones.
Aplicaciones
Los diodos láser son numéricamente el tipo de láser más común, con ventas en 2004 de aproximadamente 733 millones de unidades. en comparación con 131.000 de otros tipos de láseres.
Telecomunicaciones, escaneo y espectrometría
Los diodos láser se utilizan ampliamente en las telecomunicaciones como fuentes de luz fácilmente modulables y fácilmente acoplables para la comunicación por fibra óptica. Se utilizan en varios instrumentos de medición, como los telémetros. Otro uso común es en lectores de códigos de barras. Los láseres visibles, típicamente rojos pero luego también verdes, son comunes como punteros láser. Los diodos de alta y baja potencia se utilizan ampliamente en la industria de la impresión como fuentes de luz para el escaneo (entrada) de imágenes y para la fabricación (salida) de planchas de impresión de muy alta velocidad y alta resolución. Los diodos láser infrarrojos y rojos son comunes en los reproductores de CD, CD-ROM y tecnología de DVD. Los láseres violetas se utilizan en la tecnología HD DVD y Blu-ray. Los láseres de diodo también han encontrado muchas aplicaciones en la espectrometría de absorción láser (LAS) para la evaluación o el control de alta velocidad y bajo costo de la concentración de diversas especies en fase gaseosa. Los diodos láser de alta potencia se utilizan en aplicaciones industriales como tratamiento térmico, revestimiento, soldadura de costura y para bombear otros láseres, como los láseres de estado sólido bombeados por diodos.
Los usos de los diodos láser se pueden categorizar de varias maneras. La mayoría de las aplicaciones podrían ser atendidas por láseres de estado sólido más grandes u osciladores paramétricos ópticos, pero el bajo costo de los láseres de diodo producidos en masa los hace esenciales para las aplicaciones del mercado masivo. Los láseres de diodo se pueden utilizar en muchos campos; Dado que la luz tiene muchas propiedades diferentes (potencia, longitud de onda, calidad espectral y del haz, polarización, etc.), es útil clasificar las aplicaciones según estas propiedades básicas.
Muchas aplicaciones de láseres de diodo utilizan principalmente la "energía dirigida" Propiedad de un haz óptico. En esta categoría, se podrían incluir las impresoras láser, los lectores de códigos de barras, el escaneo de imágenes, los iluminadores, los designadores, el registro de datos ópticos, la ignición por combustión, la cirugía láser, la clasificación industrial, el mecanizado industrial, la transferencia de energía inalámbrica (como transmisión de energía) y el armamento de energía dirigida.. Algunas de estas aplicaciones están bien establecidas, mientras que otras están surgiendo.
Usos médicos
Medicina láser: la medicina y especialmente la odontología han encontrado muchos usos nuevos para los láseres de diodo. El tamaño y el costo decrecientes de las unidades y su facilidad de uso cada vez mayor las hace muy atractivas para los médicos para procedimientos menores de tejidos blandos. Las longitudes de onda del diodo oscilan entre 810 y 1100 nm, los tejidos blandos las absorben poco y no se utilizan para cortes o ablaciones. El tejido blando no se corta con el rayo láser, sino que se corta por contacto con una punta de vidrio carbonizado caliente. La irradiación del láser se absorbe en gran medida en el extremo distal de la punta y la calienta hasta 500 °C a 900 °C. Debido a que la punta está tan caliente, se puede usar para cortar tejido blando y puede causar hemostasia mediante cauterización y carbonización. Los láseres de diodo, cuando se utilizan en tejidos blandos, pueden causar daños térmicos colaterales extensos en el tejido circundante.
Como la luz del rayo láser es intrínsecamente coherente, ciertas aplicaciones utilizan la coherencia de los diodos láser. Estos incluyen medición de distancia interferométrica, holografía, comunicaciones coherentes y control coherente de reacciones químicas.
Los diodos láser se utilizan por su "espectral estrecho" propiedades en las áreas de búsqueda de rango, telecomunicaciones, contramedidas infrarrojas, detección espectroscópica, generación de ondas de radiofrecuencia o de terahercios, preparación del estado del reloj atómico, criptografía de clave cuántica, duplicación y conversión de frecuencia, purificación de agua (en UV) y terapia fotodinámica (donde una longitud de onda particular de la luz haría que una sustancia como la porfirina se volviera químicamente activa como agente anticancerígeno solo cuando el tejido es iluminado por la luz).
Los diodos láser se utilizan por su capacidad para generar pulsos de luz ultracortos mediante la técnica conocida como "bloqueo de modo". Las áreas de uso incluyen distribución de reloj para circuitos integrados de alto rendimiento, fuentes de potencia de pico alto para detección de espectroscopia de ruptura inducida por láser, generación de forma de onda arbitraria para ondas de radiofrecuencia, muestreo fotónico para conversión de analógico a digital y código óptico. sistemas de división-acceso múltiple para comunicaciones seguras.
Fotolitografía sin máscara
Los diodos láser se utilizan en la fotolitografía sin máscara.
Longitudes de onda comunes
Luz visible
- 405 nm: láser azul-violeta InGaN, en discos Blu-ray Disc y discos DVD HD
- 445-465 nm: InGaN blue láser multimode diode recently introduced (2010) for use in mercury-free high-brightness data projectors
- 488 nm: láser verde-azul InGaN; se puso ampliamente disponible a mediados de 2018.
- 505 nm: láser verde azulado InGaN; también fue ampliamente disponible a mediados de 2018.
- 510-525 nm: InGaN Green diodes recently (2010) desarrollado por Nichia y OSRAM para proyectores láser.
- 635 nm: AlGaInP mejores punteros láser rojos, el mismo poder subjetivamente dos veces más brillante que 650 nm
- 650–660 nm: GaInP/AlGaInP CD y DVD drives, punteros láser rojos baratos
- 670 nm: lectores de código de barras AlGaInP, primeros punteros láser diodo (ahora obsoletos, reemplazados por 650 nm y 671 nm DPSS)
Infrarrojos
- 760 nm: Sensing de gas AlGaInP: O
2 - 785 nm: GaAlAs Compact Disc drives
- 808 nm: GaAlAs bombea en DPSS Nd:YAG láseres (por ejemplo, en punteros láser verdes o como arrays en láseres de mayor potencia)
- 848 nm: ratones láser
- 980 nm: Bomba InGaAs para amplificadores ópticos, para láser Yb:YAG DPSS
- 1.064 nm: AlGaAs comunicación de fibra óptica, frecuencia de la bomba láser DPSS
- 1,310 nm: InGaAsP, InGaAsN fibra óptica
- 1,480 nm: Bomba InGaAsP para amplificadores ópticos
- 1,512 nm: InGaAsP sensing gas: NH
3 - 1,550 nm: InGaAsP, InGaAsNSb comunicación de fibra óptica
- 1,625 nm: InGaAsP comunicación de fibra óptica, canal de servicio
- 1,654 nm: InGaAsP gas sensing: CH
4 - 1,877 nm: Sensing de gas GaInAsSb: H
2O - 2,004 nm: Sensing de gas GaInAsSb: CO
2 - 2.330 nm: Sensing de gas GaInAsSb: CO
- 2,680 nm: Sensing de gas GaInAsSb: CO
2 - 3.030 nm: Sensing de gas GaInAsSb: C
2H
2 - 3,330 nm: Sensing de gas GaInAsSb: CH
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