Un diodo láser ( LD , también diodo láser de inyección o ILD o láser semiconductor 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 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 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 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 va desde el infrarrojo hasta el espectro ultravioleta (UV). Los diodos láser son el tipo de láser más común que se produce, con una amplia gama de usos que incluyen comunicaciones por fibra óptica , lectores de códigos de barras , punteros láser , lectura/grabación de discos CD / DVD / Blu-ray , impresión láser , escaneo láser e iluminación con haz de luz . Con el uso de un fósforo como el que se encuentra en los LED blancos , los diodos láser se pueden utilizar 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 a esa región desde las regiones N y P respectivamente. Si bien la investigación inicial del láser de diodo se realizó 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 regular, 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 comenzando 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 generalmente consta de pozos cuánticos , que proporcionan una corriente de umbral más baja 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. Los huecos se inyectan desde el semiconductor dopado p al semiconductor dopado n , y los electrones viceversa. (Una región de agotamiento , desprovista de cualquier portador de carga, se forma 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 dos 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. Los OPSL ofrecen varias ventajas sobre los ILD, particularmente en la selección de longitud de onda y la falta de interferencia de las estructuras de electrodos internos. [2] [3] Otra ventaja de los OPSL es la invariancia de los parámetros del haz (divergencia, forma y apuntamiento) a medida que varía la potencia de bombeo (y, por lo tanto, la potencia de salida), 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 el estado original del electrón y el estado del hueco. (En un diodo de unión semiconductor convencional, la energía liberada de la recombinación de electrones y huecos se transporta como fonones , es decir, vibraciones reticulares, 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 emisores de fotones son los denominados 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 denominados semiconductores compuestos, tienen estructuras cristalinas prácticamente idénticas al silicio o al germanio, pero utilizan disposiciones alternadas 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 alternado crea la propiedad crítica de banda prohibida directa . 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 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 en proximidad unos de otros, sin recombinarse, durante un tiempo determinado, denominado tiempo de vida del estado superior o tiempo de recombinación (alrededor de 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 causar 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 causará 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 diodos láser.
Al igual que en otros láseres, la región de ganancia está rodeada de una cavidad óptica para formar un láser. En la forma más simple de diodo láser, se hace una guía de ondas óptica en la superficie de ese cristal, de modo que la luz se confina a una línea relativamente estrecha. Los dos extremos del cristal se cortan para formar bordes perfectamente lisos y paralelos, 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 cara del 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 por reflexión incompleta desde las facetas del extremo. 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 único 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 multimodo transversales son adecuados en 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 láseres.
En aplicaciones donde se necesita un haz pequeño y enfocado, la guía de ondas debe ser 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 emitir láser 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 se producirá 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 emitirán láser con mayor intensidad. El ancho de la curva de ganancia determinará la cantidad de modos laterales adicionales que también pueden emitir láser, según 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 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 único modo longitudinal. Estos láseres de diodo de frecuencia única presentan 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).
Debido a la difracción , el haz diverge (se expande) rápidamente después de salir del chip, típicamente a 30 grados verticalmente por 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 láseres de modo espacial único, que utilizan lentes simétricas, el haz colimado termina teniendo 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 forma un ángulo recto con el plano del chip.
El diodo simple descrito anteriormente se ha modificado considerablemente en los últimos años para adaptarse a la tecnología moderna, lo que ha dado lugar a una variedad de tipos de diodos láser, como se describe a continuación.
Tras los trabajos teóricos de MG Bernard, G. Duraffourg y William P. Dumke a principios de los años 1960, en 1962 dos grupos estadounidenses dirigidos por Robert N. Hall en el centro de investigación de General Electric [5] y por Marshall Nathan en el Centro de investigación TJ Watson de IBM demostraron la emisión de luz coherente de un diodo semiconductor de arseniuro de galio (un diodo láser). [6] 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 de General Electric que obtuvo y presentó sus resultados antes; también fueron más allá e hicieron una cavidad resonante para su diodo. [7] Inicialmente, Ben Lax, del MIT, y otros físicos destacados especularon que se podría utilizar silicio o germanio 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; utilizó 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 superponer los cristales de la más alta calidad de composiciones variadas, permitió demostrar la calidad de los materiales láser semiconductores de heterojunción durante muchos años. La LPE fue adoptada por todos los laboratorios líderes del mundo y utilizada durante muchos años. Finalmente, fue reemplazada en la década de 1970 por la epitaxia de haz molecular y la deposición química en fase de vapor organometálica .
Los láseres de diodo de esa época operaban con densidades de corriente umbral de 1000 A/cm2 a temperaturas de 77 K. Este rendimiento permitió demostrar la emisión láser continua 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 durante el resto de la década de 1960 fue obtener una densidad de corriente umbral baja a 300 K y, por lo tanto, demostrar la emisión láser de onda continua a temperatura ambiente a partir de un láser de diodo.
Los primeros láseres de diodo eran diodos de homojunción. Es decir, el material (y por lo tanto el intervalo de banda) 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 heterojunciones. Las heteroestructuras consisten en capas de cristal semiconductor que tienen un intervalo de banda y un índice de refracción variables. Herbert Kroemer había reconocido que las heterojunciones (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 heterojunción. En 1963 propuso el láser de doble heteroestructura .
Los primeros láseres de diodo de heterojunción eran láseres de heterojunción 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 mediante LPE. Una mezcla de aluminio reemplazó al galio en el cristal semiconductor y aumentó la banda prohibida del inyector de tipo p sobre la de las capas de tipo n que se encontraban debajo. Funcionó; las corrientes de umbral de 300 K se redujeron en 10 veces hasta 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 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 era mover rápidamente la oblea en el aparato LPE entre diferentes fundidos de arseniuro de galio y aluminio ( tipo p y n ) y un tercer fundido de arseniuro de galio. Tenía que hacerse rápidamente ya que la región del núcleo de arseniuro de galio necesitaba tener un espesor significativamente menor a 1 μm. El primer diodo láser que logró el funcionamiento de onda continua fue una heteroestructura doble demostrada en 1970 esencialmente de manera 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, es ampliamente aceptado que Zhores I. Alferov y su equipo alcanzaron el hito primero. [10]
Por su logro y el de sus colaboradores, Alferov y Kroemer compartieron el Premio Nobel de Física del año 2000.
La estructura simple del diodo láser, descrita anteriormente, es ineficiente. Estos dispositivos requieren tanta energía que solo pueden lograr un funcionamiento pulsado sin sufrir daños. Aunque históricamente son 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 de uso común 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 homojunción , para contrastar con estos dispositivos más populares.
La ventaja de un láser DH es que la región donde existen simultáneamente electrones y huecos libres (la región activa ) está confinada en la fina capa intermedia. Esto significa que muchos más pares electrón-hueco pueden contribuir a la amplificación, y no quedan tantos fuera en la periferia, que no amplifica bien. Además, la luz se refleja dentro de la heterojunción, por lo que queda confinada en la región donde tiene lugar la amplificación.
Si la capa intermedia se hace lo suficientemente delgada, actúa como un pozo cuántico . Esto significa que la variación vertical de la función de onda del electrón , y por lo tanto un componente de su energía, se cuantifica. 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 . Los pozos cuánticos múltiples 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 de 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 láser en lugar del intervalo de banda. Esto permite la acción del láser en longitudes de onda relativamente largas , que se pueden ajustar simplemente modificando el espesor de la capa. Son láseres de heterojunción.
Un láser en cascada interbanda (ICL) es un tipo de diodo láser que puede producir radiación coherente en una gran parte de la región infrarroja media 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 eficazmente la luz. Para compensar, se agregan 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. 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 requerida ]
Un láser reflector de Bragg distribuido (DBR) es un tipo de diodo láser de frecuencia única. [11] Se caracteriza por una cavidad óptica que consiste en 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 la ganancia se favorece en un solo modo longitudinal, lo que da como resultado la emisión láser a una sola frecuencia resonante. El espejo de banda ancha generalmente está recubierto con un revestimiento de baja reflectividad para permitir la emisión. El espejo selectivo en longitud de onda es una rejilla de difracción estructurada periódicamente con alta reflectividad. La rejilla de difracción se encuentra 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 de emisión 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.
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, haciendo que una sola 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 reflexión de las facetas. Por lo tanto, al menos una faceta de un DFB está recubierta de antirreflejo . 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.
La corriente umbral de este láser DFB, basada en su característica estática, es de alrededor de 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 mediante la inserción de un láser de desplazamiento de una fase (1PS) o de desplazamiento de fase múltiple (MPS) en la rejilla de Bragg uniforme. [12] Sin embargo, los láseres DFB de desplazamiento de fase múltiple representan la solución óptima porque tienen la combinación de una mayor relación de supresión de modo lateral y una quema de huecos espacial reducida.
Los láseres de cavidad vertical con emisión superficial (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 hacerlo desde su borde, como se muestra en la figura. Los reflectores en los extremos de la cavidad son espejos dieléctricos hechos de multicapas de un cuarto de onda de espesor con índices de refracción altos y bajos alternados.
Estos espejos dieléctricos proporcionan un alto grado de reflectancia selectiva en función de la longitud de onda en la longitud de onda de la 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 conduce a la interferencia constructiva de todas las ondas parcialmente reflejadas en las interfaces. Pero existe una desventaja: debido a las altas reflectividades de los espejos, los VCSEL tienen potencias de salida más bajas en comparación con los láseres de emisión por el borde.
La producción de láseres VCSEL presenta varias ventajas en comparación con el proceso de producción de láseres de emisión por los bordes. Los láseres de emisión por los bordes no se pueden probar hasta el final del proceso de producción. Si el láser de emisión por los bordes no funciona, ya sea por malos contactos o por una mala calidad del crecimiento del material, se habrán desperdiciado el tiempo de producción y los materiales de procesamiento.
Además, debido a que los VCSEL emiten el haz perpendicularmente a la región activa del láser en lugar de hacerlo en paralelo como en el caso de 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 de emisión superficial con cavidad externa vertical, o VECSEL , son similares a los VCSEL. En los VCSEL, los espejos se desarrollan normalmente de forma epitaxial como parte de la estructura del diodo, o se desarrollan 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 hasta el 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. En contraste, un láser semiconductor convencional en el plano implica la propagación de la luz a distancias de entre 250 μm y 2 mm o más. La importancia de la corta distancia de propagación es que hace que se minimice el efecto de las no linealidades antiguiadas 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 por el borde").
Varios trabajadores demostraron que los VECSEL bombeados ópticamente siguen desarrollándose para muchas aplicaciones, incluidas las fuentes de alta potencia para su uso en el mecanizado industrial (corte, punzonado, etc.) debido a su potencia y eficiencia inusualmente altas cuando se bombean mediante barras láser de diodo 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 requerida ]
También se han demostrado los VECSEL bombeados eléctricamente. Las aplicaciones de los VECSEL bombeados eléctricamente incluyen pantallas de proyección, alimentadas por la duplicación de la 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 doble heteroestructura del tipo Al x Ga (1-x) As. Los primeros láseres de diodo de cavidad externa utilizaban etalones intracavitarios [13] y rejillas de Littrow de sintonización simple. [14] Otros diseños incluyen rejillas en configuración de incidencia rasante, configuraciones de rejilla de prismas múltiples y configuración de láser de diodo transducido piezoeléctricamente. [15] [16]
Los diodos láser presentan los mismos problemas de fiabilidad y fallos 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 la fiabilidad de los láseres de diodo de los últimos 20 años siguen siendo propiedad de sus desarrolladores. La ingeniería inversa no siempre es capaz de revelar las diferencias entre los productos de láser de diodo más fiables y los menos fiables.
Los láseres semiconductores pueden ser láseres de emisión superficial, como los VCSEL, o láseres de emisión de borde en el plano. En el caso de los láseres de emisión de borde, el espejo de faceta de borde se forma a menudo cortando la oblea semiconductora para formar un plano de reflexión especular. [1] : 24 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 clivaje se alteran en comparación con sus propiedades en masa dentro del cristal por la terminación de la red perfectamente periódica en ese plano. Los estados de superficie en el plano de clivaje 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 clivaje 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 de la superficie donde se convierte en calor por interacciones fonón - electrón . Esto calienta el espejo clivado. Además, el espejo puede calentarse simplemente porque el borde del láser de diodo, que se bombea eléctricamente, está en contacto menos que perfecto con el soporte que proporciona un camino para la eliminación del calor. El calentamiento del espejo hace que la banda prohibida del semiconductor se contraiga en las áreas más cálidas. La contracción de la banda prohibida hace que más transiciones electrónicas de banda a banda se alineen 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, conocida 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 entre 0,630 μm y 1 μm (menos 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 la reflexión en la superficie. Esto alivió el calentamiento y la DQO en la faceta.
Desde entonces, se han empleado otros refinamientos. Un enfoque consiste en crear un espejo no absorbente (NAM), de modo que los últimos 10 μm aproximadamente antes de que la luz se emita desde la faceta cortada no absorban la luz en la longitud de onda de interés.
A principios de los años 90, SDL, Inc. comenzó a suministrar láseres de diodo de alta potencia con buenas características de fiabilidad. El director ejecutivo Donald Scifres y el director técnico David Welch presentaron nuevos datos de rendimiento de fiabilidad en, por ejemplo, las conferencias SPIE Photonics West de la época. Los métodos utilizados por SDL para vencer la COD se consideraban altamente confidenciales y todavía no se habían revelado públicamente en junio de 2006.
A mediados de los años 90, IBM Research (Ruschlikon, Suiza ) anunció que había ideado su llamado proceso E2 , que confería una resistencia extraordinaria a la DQO en láseres basados en GaAs. Este proceso tampoco se había revelado hasta junio de 2006.
La fiabilidad de las barras de bombeo de láseres de diodo de alta potencia (que se utilizan para bombear láseres de estado sólido) sigue siendo un problema difícil en diversas aplicaciones, a pesar de estos avances patentados. De hecho, la física de las fallas de los láseres de diodo todavía se está estudiando y la investigación sobre este tema sigue activa, aunque es patentada.
La prolongación 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 unas ventas en 2004 de aproximadamente 733 millones de unidades, [17] en comparación con 131.000 de otros tipos de láseres. [18]
Los diodos láser se utilizan ampliamente en telecomunicaciones como fuentes de luz fácilmente modulables y acoplables para la comunicación por fibra óptica . Se utilizan en varios instrumentos de medición, como telémetros . Otro uso común es en lectores de códigos de barras . Los láseres visibles , típicamente rojos pero más tarde también verdes , son comunes como punteros láser . Tanto los diodos de baja como de alta potencia se utilizan ampliamente en la industria de la impresión, tanto como fuentes de luz para escanear (entrada) de imágenes como para la fabricación de placas de impresión (salida) de muy alta velocidad y alta resolución. Los diodos láser infrarrojos y rojos son comunes en reproductores de CD , CD-ROM y tecnología de DVD . Los láseres violetas se utilizan en tecnología HD DVD y Blu-ray . Los láseres de diodo también han encontrado muchas aplicaciones en espectrometría de absorción láser (LAS) para evaluación o monitoreo de alta velocidad y bajo costo de la concentración de varias 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 láseres de estado sólido bombeados por diodos .
Los usos de los diodos láser se pueden clasificar de varias maneras. La mayoría de las aplicaciones se pueden realizar con láseres de estado sólido de mayor tamaño u osciladores paramétricos ópticos, pero el bajo coste de los láseres de diodo producidos en serie los hace esenciales para aplicaciones de 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 los láseres de diodo hacen uso principalmente de la propiedad de energía dirigida de un haz óptico. En esta categoría, se pueden 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 de energía inalámbrica (como transmisión de energía) y las armas 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. [19] [20] [21] [22] [23] [24] El tamaño y el costo cada vez menores [25] 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 varían de 810 a 1100 nm , son poco absorbidas por los tejidos blandos y no se utilizan para cortar o ablación . [26] [27] [28] [29] El tejido blando no es cortado por el haz del láser, sino que se corta por contacto con una punta de vidrio carbonizado caliente. [28] [29] La irradiación del láser se absorbe altamente en el extremo distal de la punta y la calienta hasta 500 °C a 900 °C. [28] Debido a que la punta está tan caliente, se puede utilizar para cortar tejido blando y puede causar hemostasia a través de cauterización y carbonización . [28] [29] Los láseres de diodo, cuando se utilizan en tejidos blandos, pueden causar daños térmicos colaterales importantes en el tejido circundante. [28] [29]
Como la luz del rayo láser es inherentemente coherente , ciertas aplicaciones utilizan la coherencia de los diodos láser, como la medición de distancias interferométricas, la holografía, las comunicaciones coherentes y el control coherente de reacciones químicas.
Los diodos láser se utilizan por sus estrechas propiedades espectrales en las áreas de determinación de distancia, 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 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 de generar pulsos de luz ultracortos mediante la técnica conocida como bloqueo de modo . Las áreas de uso incluyen la distribución de reloj para circuitos integrados de alto rendimiento, fuentes de alta potencia de pico 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 sistemas de acceso múltiple por división de código óptico para comunicación segura.
Los diodos láser se utilizan como fuente de luz para la fotolitografía sin máscara .
