Un diodo láser ( LD , también diodo láser de inyección o ILD o láser semiconductor o diodo láser ) es un dispositivo semiconductor similar a un diodo emisor de luz en el que un diodo bombeado directamente con corriente eléctrica puede crear condiciones láser en la unión del diodo . [1] : 3
Impulsada por 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 superior a uno inferior, se genera radiación en forma de fotón emitido. Esta es una emisión espontánea. Se puede producir una emisión estimulada cuando el proceso continúa y genera 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 abarca desde el espectro infrarrojo hasta el ultravioleta (UV). Los diodos láser son el tipo más común de láser producido, 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 y haz de luz. iluminación. Con el uso de un fósforo como el que se encuentra en los LED blancos , se pueden utilizar diodos láser para iluminación general.
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 con láser de diodo se realizó con 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 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 del revestimiento dopado con P y una capa de contacto. La capa activa suele consistir en pozos cuánticos , que proporcionan un umbral de corriente más bajo y una mayor eficiencia. [1]
Los diodos láser forman un subconjunto de la clasificación más amplia de diodos semiconductores de unión p – n . La polarización eléctrica directa a través del diodo láser hace que las dos especies de portadores de carga ( huecos y electrones ) se inyecten desde lados opuestos de la unión p - n en la región de agotamiento. Se inyectan huecos desde el semiconductor dopado con p al semiconductor 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 dondequiera que estén en contacto físico). Debido al uso de inyección de carga para alimentar la mayoría de los láseres de diodo, Esta clase de láseres a veces se denomina láseres de inyección o diodos láser de inyección (ILD). Como los láseres de diodo son dispositivos semiconductores, también pueden clasificarse como láseres semiconductores. Cualquiera de las designaciones distingue 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. Los OPSL ofrecen varias ventajas sobre los ILD, particularmente en la selección de longitud de onda y la falta de interferencia de las estructuras internas de los electrodos. [2] [3] Una ventaja adicional de los OPSL es la invariancia 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. [4]
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 energético del hueco, emitiendo un fotón con energía igual a la diferencia entre las energías del electrón. estado original y estado del agujero. (En un diodo de unión semiconductor convencional, la energía liberada por la recombinación de electrones y huecos se transporta en forma de fonones , es decir, vibraciones de red, en lugar de fotones). La emisión espontánea por debajo del umbral láser produce propiedades similares a las de un LED . La emisión espontánea es necesaria para iniciar la oscilación del láser, pero es una entre varias fuentes de ineficiencia una vez que el láser está oscilando.
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, uno cuya estructura física y atómica confiere la posibilidad de emisión de fotones. Estos semiconductores que emiten fotones son los llamados semiconductores de "banda prohibida directa" . 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 utilizan disposiciones alternas 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 propiedad crítica de banda prohibida directa . El arseniuro de galio , el fosfuro de indio , el antimonuro de galio y el nitruro de galio son ejemplos de materiales semiconductores compuestos que se pueden utilizar para crear diodos de unión que emiten luz.
En ausencia de condiciones de emisión estimulada (por ejemplo, láser), los electrones y los huecos pueden coexistir cerca unos de otros, sin recombinarse, durante un tiempo determinado, denominado vida útil del estado superior o tiempo de recombinación (aproximadamente un nanosegundo para los materiales típicos de láser de diodo). ), antes de que se recombinen. Un fotón cercano con energía igual a la energía de recombinación puede provocar recombinación por emisión estimulada . Esto genera otro fotón de la misma frecuencia, polarización y fase , que viaja 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 los semiconductores de banda prohibida directa que en los semiconductores de banda prohibida indirecta ; por lo tanto , el silicio no es un material común para los diodos 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 fabrica una guía de ondas óptica en la superficie de ese cristal, de modo que la luz se limita a una línea relativamente estrecha. Los dos extremos del cristal se escinden para formar bordes paralelos perfectamente lisos, formando un resonador de 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. Cuando una onda de luz pasa a través de la cavidad, se amplifica mediante 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 emitir láser .
Algunas propiedades importantes de los diodos láser están determinadas por la geometría de la cavidad óptica. Generalmente, la luz está contenida dentro de una capa muy delgada y la estructura admite solo un modo óptico 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 con difracción limitada ; por ejemplo, en impresión, activación de productos químicos, microscopía o bombeo de otros tipos de láseres.
En aplicaciones donde se necesita un haz pequeño enfocado, la guía de ondas debe hacerse estrecha, del orden de la longitud de onda óptica. De esta manera, solo se admite un único modo transversal y se termina con un haz limitado por difracción. Estos 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 funcionar con múltiples longitudes de onda simultáneamente. La longitud de onda emitida es función de la banda prohibida del material semiconductor y de los modos de la cavidad óptica. En general, la ganancia máxima se producirá para fotones con energía ligeramente por encima de 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 laterales adicionales que también pueden activarse, dependiendo de las condiciones de funcionamiento. Los láseres de modo espacial único que pueden admitir múltiples modos longitudinales se denominan láseres de Fabry Perot (FP). Un láser FP disparará en múltiples modos de cavidad dentro del ancho de banda de ganancia del medio láser. La cantidad 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 pueden diseñarse para funcionar 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 de Bragg distribuido (DBR).
Debido a la difracción , el haz diverge (se expande) rápidamente después de salir del chip, normalmente a 30 grados verticalmente y 10 grados lateralmente. Se debe utilizar 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 de modo espacial único, que utilizan lentes simétricas, el haz colimado termina teniendo forma elíptica, debido a la diferencia en las divergencias vertical y lateral. Esto es fácilmente observable con un puntero láser rojo . El eje mayor de la elipse forma ángulo recto con el plano del chip.
El diodo simple descrito anteriormente ha sido modificado en gran medida en los últimos años para adaptarse a la tecnología moderna, lo que ha dado como resultado una variedad de tipos de diodos láser, como se describe a continuación.
Siguiendo los tratamientos teóricos de MG Bernard, G. Duraffourg y William P. Dumke a principios de la década de 1960, dos grupos estadounidenses dirigidos por Robert N. Hall demostraron en 1962 la emisión de luz coherente de un diodo semiconductor (un diodo láser) de arseniuro de galio (GaAs). en el centro de investigación General Electric [5] y por Marshall Nathan en el Centro de Investigación IBM TJ Watson. [6] Ha habido un debate continuo 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 ha obtenido y presentado sus resultados antes; También fueron más allá e hicieron una cavidad resonante para su diodo. [7] 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. Nick Holonyak, Jr. demostró el primer diodo láser de longitud de onda visible más tarde en 1962; Usó una aleación de arseniuro de galio y fosfuro. [8]
Otros equipos del Laboratorio Lincoln del MIT , Texas Instruments y los Laboratorios RCA 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 de GaAs también fueron producidos a principios de 1963 en la Unión Soviética por el equipo dirigido por Nikolay Basov . [9]
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 y de diversas 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 utilizado durante muchos años. Finalmente fue suplantada en la década de 1970 por la epitaxia por haz molecular y la deposición química de vapor organometálico .
Los láseres de diodo de esa época funcionaban con densidades de corriente umbral de 1000 A/cm 2 a temperaturas de 77 K. Este rendimiento permitió demostrar el uso de 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/cm 2 en los mejores dispositivos. El desafío dominante durante el resto de la década de 1960 fue obtener un umbral de densidad de corriente bajo a 300 K y así demostrar el láser de onda continua a temperatura ambiente a partir de un láser de diodo.
Los primeros láseres de diodo fueron diodos de homounión. Es decir, el material (y por tanto la banda prohibida) de la capa central de la guía de ondas y el de las capas de revestimiento circundantes eran idénticos. Se reconoció que existía una oportunidad, particularmente brindada por el uso de epitaxia en fase líquida utilizando 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. Herbert Kroemer , mientras trabajaba en los Laboratorios RCA a mediados de la década de 1950, había reconocido que las heterouniones (formadas a partir de heteroestructuras) tenían 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 fueron láseres de heterounión simple. Estos láseres utilizaron inyectores de tipo p de arseniuro de galio y aluminio situados sobre capas de arseniuro de galio de tipo n cultivadas sobre el sustrato mediante 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 que se encuentran debajo. Funcionó; las corrientes 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 única no funcionaban en funcionamiento 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 galio y aluminio ( 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 espesor significativamente inferior a 1 µm. El primer diodo láser que logró un funcionamiento de onda continua fue una heteroestructura doble demostrada en 1970 esencialmente simultáneamente por Zhores Alferov y sus colaboradores (incluido Dmitri Z. Garbuzov ) de la Unión Soviética , y Morton Panish e Izuo Hayashi que trabajaban en los Estados Unidos. Sin embargo, es ampliamente aceptado que Zhores I. Alferov y su equipo alcanzaron el hito primero. [10]
Por sus logros y los de sus compañeros de trabajo, Alferov y Kroemer compartieron el Premio Nobel de Física de 2000.
La estructura simple de diodo láser, descrita anteriormente, es ineficaz. Estos dispositivos requieren tanta energía que sólo pueden funcionar por impulsos sin sufrir daños. Aunque son históricamente importantes y fáciles de explicar, estos dispositivos no son prácticos.
En estos dispositivos, una capa de material de banda prohibida baja se intercala entre dos capas de banda prohibida alta. Un par de materiales comúnmente utilizado es el arseniuro de galio (GaAs) con arseniuro de galio y aluminio (Al x Ga (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 (DH). 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 existen simultáneamente electrones libres y huecos (la región activa ) está confinada a la delgada capa intermedia. Esto significa que muchos más pares electrón-hueco pueden contribuir a la amplificación; no muchos quedan fuera de la periferia de mala amplificación. Además, la luz se refleja dentro de la heterounión; por tanto, la luz se limita a la región donde tiene lugar la amplificación.
Si la capa intermedia se adelgaza lo suficiente, actúa como un pozo cuántico . Esto significa que la variación vertical de la función de onda del electrón y, por tanto, un componente de su energía, está cuantificada. 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 pozo cuántico múltiple . Múltiples pozos cuánticos mejoran la superposición de la región de ganancia con el modo de guía de ondas óptica .
También se han demostrado mejoras adicionales en la eficiencia del láser reduciendo la capa del pozo cuántico a un cable cuántico o a un mar de puntos cuánticos .
En un láser de cascada cuántica , la diferencia entre los niveles de energía del pozo cuántico se utiliza 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 sintonizarse simplemente alterando el grosor de la capa. Son láseres de heterounión.
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.
El problema con el diodo de pozo cuántico simple descrito anteriormente es que la capa delgada es simplemente demasiado pequeña para confinar efectivamente la luz. 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 tanto, confinan la luz de forma eficaz. Este 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. [ cita necesaria ]
Un láser reflector de Bragg distribuido (DBR) es un tipo de diodo láser de frecuencia única. [11] 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 único modo longitudinal, lo que da como resultado un láser a una única 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 estructurada periódicamente con alta reflectividad. La rejilla de difracción se encuentra dentro de una región pasiva o no bombeada 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 bordes 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 no se denominan propiamente láseres DBR.
Un láser de retroalimentación distribuida (DFB) es un tipo de diodo láser de frecuencia única. [11] 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 hace que una sola longitud de onda sea retroalimentada 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 mediante 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 es fundamental una longitud de onda precisa y estable.
La corriente umbral de este láser DFB, según su característica estática, es de aproximadamente 11 mA. La corriente de polarización adecuada en un régimen lineal podría tomarse en el medio de la característica estática (50 mA). Se han propuesto varias técnicas para mejorar el funcionamiento monomodo en este tipo de láseres insertando un desplazamiento de una fase (1PS ) o cambio de fase múltiple (MPS) en la rejilla uniforme de Bragg. [12] 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 reducción de la quema de agujeros espaciales.
Los láseres de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL) tienen el eje de la cavidad óptica a lo largo de la dirección del flujo de corriente en lugar de 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, de modo que la radiación emerge de la superficie de la cavidad en lugar de desde su borde, como se muestra en la figura. Los reflectores en los extremos de la cavidad son espejos dieléctricos hechos de multicapa alterna de un cuarto de onda de alto y bajo índice de refracción de espesor.
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 d 1 y d 2 con índices de refracción n 1 y n 2 son tales que n 1 d 1 + n 2 d 2 = λ/2, lo que provoca una interferencia constructiva de todas las ondas parcialmente reflejadas en las interfaces. Pero hay una desventaja: debido a las altas reflectividades de los espejos, los VCSEL tienen potencias de salida más bajas en comparación con los láseres que emiten bordes.
La producción de VCSEL tiene varias ventajas en comparación con el proceso de producción de láseres de emisión de bordes. Los emisores de borde no se pueden probar hasta el final del proceso de producción. Si el emisor de bordes no funciona, ya sea por malos contactos o por una mala calidad del crecimiento del material, se habrá desperdiciado el tiempo de producción y los materiales de procesamiento.
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 potencia de salida más bajo.
Los láseres verticales de emisión superficial de cavidad externa, 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 desde el diodo al espejo externo sería de 1 cm.
Una de las características más interesantes de cualquier VECSEL es el pequeño espesor de la región de ganancia del semiconductor en la dirección de propagación, inferior a 100 nm. Por el contrario, un láser semiconductor en el plano convencional implica la propagación de la luz a distancias que van desde 250 µm hasta 2 mm o más. La importancia de la corta distancia de propagación es que hace que se minimice el efecto de las no linealidades antiguía en la región de ganancia del láser de diodo. 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 los VECSEL bombeados ópticamente, y se siguen desarrollando para muchas aplicaciones, incluidas fuentes de alta potencia para su uso en mecanizado industrial (corte, punzonado, etc.) debido a su potencia y eficiencia inusualmente altas cuando se bombean mediante barras láser de diodos multimodo. . 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. [ cita necesaria ]
También se han demostrado VECSEL bombeados eléctricamente. Las aplicaciones de los VECSEL con bombeo eléctrico incluyen pantallas de proyección, servidas por la duplicación de frecuencia de los emisores VECSEL de infrarrojo cercano para producir luz azul y verde.
Los láseres de diodo de cavidad externa son láseres sintonizables que utilizan principalmente diodos de heteroestructura doble del tipo Al x Ga (1-x) As. Los primeros láseres de diodo de cavidad externa utilizaron etalones intracavidad [13] y rejillas de Littrow de ajuste simple. [14] Otros diseños incluyen rejillas en configuración de incidencia rasante y configuraciones de rejilla de múltiples prismas. [15]
Los diodos láser tienen los mismos problemas de confiabilidad y fallas que los diodos emisores de luz . Además, están sujetos a daños ópticos catastróficos (DQO) cuando se utilizan a mayor potencia.
Muchos de los avances en confiabilidad de los láseres de diodo en los últimos 20 años siguen siendo propiedad de sus desarrolladores. La ingeniería inversa no siempre es capaz de revelar las diferencias entre productos láser de diodo más y menos fiables.
Los láseres semiconductores pueden ser láseres que emiten en superficie, como los VCSEL, o láseres que emiten bordes en el plano. Para los láseres que emiten bordes, el espejo de facetas de borde a menudo se forma escindiendo la oblea semiconductora para formar un plano reflectante especular. [1] : 24 Este enfoque se ve facilitado por la debilidad del plano cristalográfico [110] en cristales semiconductores III-V (como GaAs , InP , GaSb , etc.) en comparación con otros planos.
Los estados atómicos en el plano de escisión 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 superficie en el plano escindido 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 escisión y transita hacia el espacio libre desde el interior del cristal semiconductor, una fracción de la energía luminosa es absorbida por los estados de la superficie donde se convierte en calor mediante interacciones fonón - electrón . Esto calienta el espejo cortado. Además, el espejo puede calentarse simplemente porque el borde del láser de diodo, que se bombea eléctricamente, no está en 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 zonas más cálidas. La reducción de la banda prohibida alinea más transiciones electrónicas de banda a banda con la energía del fotón, lo que provoca aún más absorción. Esto es una fuga térmica , una forma de retroalimentación positiva , y el resultado puede ser la fusión de la faceta, lo que se conoce como daño óptico catastrófico o DQO.
En la década de 1970, se identificó este problema, que es particularmente molesto para los láseres basados en GaAs que emiten longitudes de onda de entre 0,630 µm y 1 µm (menos aún para los láseres basados en InP utilizados para telecomunicaciones de larga distancia que emiten entre 1,3 µm y 2 µm). . Michael Ettenberg, investigador y más tarde vicepresidente del Centro de Investigación David Sarnoff de RCA Laboratories 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 un revestimiento antirreflectante , reduciendo los reflejos en la superficie. Esto alivió el calentamiento y la DQO en la faceta.
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 aproximadamente antes de que la luz se emita desde la faceta 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 la DQO se consideraban altamente patentados y aún no se habían hecho públicos en junio de 2006.
A mediados de la década de 1990, IBM Research (Ruschlikon, Suiza ) anunció que había ideado el llamado proceso E2 , que confería una extraordinaria resistencia a la DQO a los láseres basados en GaAs. Este proceso tampoco fue revelado en junio de 2006.
La confiabilidad de las barras de bombeo de láseres 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 del fallo del láser de diodo todavía se está resolviendo y la investigación sobre este tema sigue activa, aunque sea patentada.
La extensión de la vida útil de los diodos láser es fundamental para su adaptación continua a una amplia variedad de aplicaciones.
Los diodos láser son numéricamente el tipo de láser más común, con ventas en 2004 de aproximadamente 733 millones de unidades, [16] en comparación con 131.000 de otros tipos de láseres. [17]
Los diodos láser se utilizan ampliamente en telecomunicaciones como fuentes de luz fácilmente modulables y acoplables para comunicaciones por fibra óptica . Se utilizan en diversos instrumentos de medición, como los telémetros . Otro uso común es en lectores de códigos de barras . Los láseres visibles , normalmente rojos , pero más tarde también verdes , son habituales como punteros láser . Tanto los diodos de baja como los de alta potencia se utilizan ampliamente en la industria de la impresión como fuentes de luz para escanear (entrada) de imágenes y para la fabricación de planchas de impresión (salida) de muy alta velocidad y alta resolución. Los diodos láser infrarrojos y rojos son comunes en los reproductores de CD , CD-ROM y tecnología 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 seguimiento 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 tratamientos térmicos, revestimientos, soldadura de costuras y para bombear otros láseres, como los láseres de estado sólido bombeados por diodos .
Los usos de los diodos láser se pueden clasificar de varias maneras. La mayoría de las aplicaciones podrían ser atendidas por láseres de estado sólido u osciladores ópticos paramétricos más grandes, pero el bajo costo de los láseres de diodo producidos en masa los hace esenciales para 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.), resulta útil clasificar las aplicaciones según estas propiedades básicas.
Muchas aplicaciones de los láseres de diodo utilizan principalmente la propiedad de energía dirigida 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 óptico de datos, el encendido por combustión , la cirugía láser , la clasificación industrial, el mecanizado industrial, la transferencia inalámbrica de energía (como transmisión de energía) y el armamento de energía dirigida. . Algunas de estas aplicaciones están bien establecidas mientras que otras están surgiendo.
Medicina láser : la medicina y especialmente la odontología han encontrado muchos usos nuevos para los láseres de diodo. [18] [19] [20] [21] [22] [23] El tamaño cada vez menor y el costo [24] de las unidades y su creciente facilidad de uso las hacen muy atractivas para los médicos para procedimientos menores de tejidos blandos. Las longitudes de onda de los diodos oscilan entre 810 y 1100 nm , son poco absorbidos por los tejidos blandos y no se utilizan para cortes ni ablación . [25] [26] [27] [28] El tejido blando no se corta con el rayo láser, sino que se corta mediante el contacto con una punta de vidrio carbonizada caliente. [27] [28] La irradiación del láser se absorbe altamente en el extremo distal de la punta y lo calienta hasta 500 °C a 900 °C. [27] Debido a que la punta está tan caliente, se puede usar para cortar tejido blando y puede causar hemostasia mediante cauterización y carbonización . [27] [28] Los láseres de diodo, cuando se utilizan en tejidos blandos, pueden causar daños térmicos colaterales extensos al tejido circundante. [27] [28]
Como la luz del rayo láser es inherentemente coherente , determinadas 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 sus estrechas propiedades espectrales en los campos de la telemetría, las telecomunicaciones, las contramedidas infrarrojas, la detección espectroscópica, la generación de ondas de radiofrecuencia o de terahercios, la preparación del estado del reloj atómico, la criptografía de clave cuántica, la duplicación y conversión de frecuencia, purificación de agua (en los rayos UV) y terapia fotodinámica (donde una longitud de onda de luz particular causaría que una sustancia como la porfirina se volviera químicamente activa como agente anticancerígeno solo cuando el tejido está iluminado por la luz).
Los diodos láser se utilizan por su capacidad de 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 formas de onda arbitrarias para ondas de radiofrecuencia, muestreo fotónico para conversión de analógico a digital y código óptico. Sistemas de división y acceso múltiple para una comunicación segura.
Los diodos láser se utilizan como fuente de luz para la fotolitografía sin máscara .
