Diodo láser

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Diodo láser

Un diodo láser empaquetado que se muestra con un centavo por escala
Tipo	semiconductor , diodo emisor de luz
Principio de funcionamiento	semiconductor , generación y recombinación de portadores
Inventado	Robert N. Hall , 1962 Nick Holonyak, Jr. , 1962
Configuración de pines	Ánodo y cátodo

Arriba: un diodo láser empaquetado que se muestra con un centavo por escala. Abajo: el chip de diodo láser se retira del paquete anterior y se coloca en el ojo de una aguja para escalar.

Un diodo láser con la carcasa cortada. El chip de diodo láser es el pequeño chip negro en la parte delantera; un fotodiodo en la parte posterior se utiliza para controlar la potencia de salida.

Imagen SEM ( microscopio electrónico de barrido ) de un diodo láser comercial con su caja y ventana cortadas. La conexión del ánodo de la derecha se ha roto accidentalmente debido al proceso de corte de la carcasa.

Un diodo láser , ( LD ), diodo láser de inyección ( 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 láser en la unión del diodo . ^{[1] : 3} diodos láser pueden convertir directamente la energía eléctrica en luz. Impulsada por voltaje, la transición pn dopada permite la recombinación de un electrón con un agujero.. 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 una 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. Los diodos láser son el tipo más común de láser producidos, con una amplia gama de usos que incluyen comunicaciones de fibra óptica , los lectores de códigos de barras , punteros láser , CD / DVD / Blu-ray disco de lectura / grabación, impresión láser , escaneo láser y haz de luz de iluminación . 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 del funcionamiento del diodo simple

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Láseres semiconductores (660 nm, 635 nm, 532 nm, 520 nm, 445 nm, 405 nm)

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 PN 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 uno de los cristales de crecimientotécnicas, generalmente partiendo 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 consiste con mayor frecuencia en pozos cuánticos , que proporcionan un umbral de corriente más bajo y una mayor eficiencia. ^{[1] [ página necesaria ]}

Bombeo eléctrico y óptico

Los diodos láser forman un subconjunto de la clasificación más amplia de diodos de unión p - n semiconductores . La polarización eléctrica directa a través del diodo láser hace que las dos especies de portadores de carga , huecos y electrones , sean "inyectadas" desde lados opuestos de la unión p - n en la región de agotamiento. Los agujeros se inyectan desde el semiconductor dopado p y los electrones desde el semiconductor dopado n . (Una región de agotamiento , desprovista de portadores de carga, se forma como resultado de la diferencia en el potencial eléctrico entre n - y p-semiconductores de tipo donde sea 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 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 de bombeo óptico (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 la 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 puntería), 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]

Generación de emisión espontánea

Cuando un electrón y un agujero 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 agujero, emitiendo un fotón con energía igual a la diferencia entre el estado original del electrón y el estado del agujero. (En un diodo de unión semiconductor convencional, la energía liberada por 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.

Semiconductores bandgap 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, uno cuya estructura física y atómica confiere la posibilidad de emisión de fotones. Estos semiconductores emisores de fotones son los llamados "bandgap directo"semiconductores. Las propiedades del silicio y el germanio, que son semiconductores de un solo elemento, tienen bandgaps que no se alinean de la forma necesaria para permitir la emisión de fotones y no se consideran "directos". Otros materiales, los llamados semiconductores compuestos, tienen estructuras cristalinas virtualmente idénticas como el 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 propiedad crítica de " banda prohibida directa ". Arseniuro de galio , fosfuro de indio , antimonuro de galio y nitruro de galio son todos ejemplos de materiales semiconductores compuestos que se pueden utilizar para crear diodos de unión que emiten luz.

Diagrama de un diodo láser simple, como se muestra arriba; no escalar

Un diodo láser encerrado en metal simple y de baja potencia

Generación de emisión estimulada

En ausencia de condiciones de emisión estimulada (p. Ej., Láser), los electrones y los huecos pueden coexistir uno cerca del otro, sin recombinarse, durante un cierto tiempo, denominado "tiempo de vida del estado superior" o "tiempo de recombinación" (aproximadamente 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 producirá 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 con banda prohibida directa que en los semiconductores con banda prohibida indirecta ; por lo tanto, el silicio no es un material común para los diodos láser.

Modos de cavidad óptica y 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 hace 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 cortan 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. Cuando 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 al reflejo incompleto de las facetas finales. Por último, si hay más de amplificación de la pérdida, el diodo comienza a " lase".

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 solo admite 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 transversalmente multimodo son adecuados en los casos en que se necesita una gran cantidad de potencia, pero no un pequeño haz TEM00 de difracción limitada ; por ejemplo, en la 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 más estrecha, del orden de la longitud de onda óptica. De esta manera, solo se admite un único modo transversal y uno termina con un haz de difracción limitado. 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 emitir láseres 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 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 más fuertes. El ancho de la curva de ganancia determinará el número de "modos laterales" adicionales que también pueden ser láser,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.

Pueden diseñarse láseres de diodo de modo espacial único para que funcionen 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 (se expande) rápidamente después de dejar el chip, típicamente a 30 grados verticalmente por 10 grados lateralmente. Se debe usar una lente para formar un rayo colimado como el producido por un puntero láser. Si se requiere un haz circular, se utilizan lentes cilíndricos y otras ópticas. Para los láseres de modo espacial único, utilizando lentes simétricos, el haz colimado termina siendo de forma elíptica, debido a la diferencia en las divergencias verticales y laterales. Esto se puede observar fácilmente con un puntero láser rojo .

El diodo simple descrito anteriormente se ha modificado en gran medida en los últimos años para adaptarse a la tecnología moderna, lo que da como resultado una variedad de tipos de diodos láser, como se describe a continuación.

Tipos

La estructura de diodo láser simple, descrita anteriormente, es ineficaz. Dichos dispositivos requieren tanta energía que solo pueden lograr un funcionamiento por pulsos sin sufrir daños. Aunque históricamente importantes y fáciles de explicar, estos dispositivos no son prácticos.

Láseres de doble heteroestructura

Diagrama de la vista frontal de un diodo láser de doble heteroestructura; no escalar

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 "láser de doble heteroestructura" o láser 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 los electrones libres y los huecos existen simultáneamente (la región activa) está confinada a la delgada capa intermedia. Esto significa que muchos más pares de electrones y huecos pueden contribuir a la amplificación; no muchos quedan fuera en la periferia de escasa 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

Artículo principal: láser de pozo cuántico

Diagrama de la vista frontal de un diodo láser de pozo cuántico simple; no escalar

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 tanto, un componente de su energía. La eficiencia de un láser de pozo cuántico es mayor que la de un láser a granel 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 pozos cuánticos 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 ondas óptica .

También se han demostrado mejoras adicionales en la eficiencia del láser al reducir la capa del pozo cuántico a un cable cuántico oa un "mar" de puntos cuánticos .

Láseres cuánticos en cascada

Artículo principal: láser de cascada cuántica

En un láser de cascada cuántica , la diferencia entre los niveles de energía de los pozos cuánticos 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 se pueden ajustar simplemente alterando el grosor de la capa. Son láseres de heterounión.

Láseres en cascada entre bandas

Artículo principal: láser en cascada entre bandas

Un láser en cascada entre bandas (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 separados

Diagrama de la vista frontal de un diodo láser de pozo cuántico de heteroestructura de confinamiento separado; no escalar

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 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 ]}

Láseres reflectores de Bragg distribuidos

Un láser reflector de Bragg distribuido ( DBR ) es un tipo de diodo láser de frecuencia única. ^[5] 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 el láser en una sola frecuencia resonante. El espejo de banda ancha suele estar revestido con un revestimiento 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 está 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 estos no se denominan correctamente láseres DBR.

Láseres de retroalimentación distribuida

Artículo principal: láser de retroalimentación distribuida

Un láser de retroalimentación distribuida (DFB) es un tipo de diodo láser de frecuencia única. ^{[5] Los} DFB son el tipo de transmisor más común en los sistemas DWDM . Para estabilizar la longitud de onda láser, se graba una rejilla de difracción cerca de la unión pn del diodo. Esta rejilla actúa como un filtro óptico, lo que hace que una sola longitud de onda se retroalimente a la región de ganancia y al láser. Dado que la rejilla proporciona la retroalimentación que se requiere 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 apropiada en un régimen lineal podría tomarse en el medio de la característica estática (50 mA). Se han propuesto varias técnicas para mejorar la operación monomodo en este tipo de láseres insertando un cambio monofásico (1PS ) o cambio de fase múltiple (MPS) en la rejilla uniforme de Bragg. ^[6] Sin embargo, los láseres DFB de desplazamiento 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

Artículo principal: láser emisor de superficie de cavidad vertical

Diagrama de una estructura VCSEL simple; no escalar

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 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 su borde, como se muestra en la figura. Los reflectores en los extremos de la cavidad son espejos dieléctricos hechos de multicapas alternas de alto y bajo índice de refracción de un cuarto de onda de espesor.

Dichos espejos dieléctricos proporcionan un alto grado de reflectancia selectiva de longitud de onda a 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 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 que emiten desde el borde.

Hay varias ventajas en la producción de VCSEL en comparación con el proceso de producción de láseres emisores de bordes. 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 de crecimiento del material, el tiempo de producción y los materiales de procesamiento se han desperdiciado.

Además, debido a que los VCSEL emiten el rayo perpendicular a la región activa del láser en lugar de paralelo como con un emisor de borde, decenas de miles de VCSEL se pueden procesar simultáneamente en una oblea de arseniuro de galio de tres pulgadas. Además, aunque el proceso de producción de VCSEL es más intensivo en mano de obra y material, 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

Artículo principal: Láser emisor de superficie de cavidad externa vertical

Los láseres verticales emisores de superficie de cavidad externa, o VECSEL , son similares a los VCSEL. En los VCSEL, los espejos se cultivan típicamente de forma epitaxial como parte de la estructura del diodo, o se cultivan 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 espesor de la región de ganancia del semiconductor en la dirección de propagación, menos de 100 nm. Por el contrario, un láser semiconductor en plano convencional implica la propagación de la luz a distancias de 250 µm hacia arriba a 2 mm o más. La importancia de la distancia de propagación corta es que hace que se minimice el efecto de no linealidad "anticuada" en la región de ganancia del láser de diodo. El resultado es un haz óptico monomodo de sección transversal grande que no se puede obtener con láseres de diodo en el plano ("emisores de borde").

Varios trabajadores demostraron VECSEL con bombeo óptico, y continúan desarrollándose 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 diodo multimodo. . Sin embargo, debido a su falta de unión pn, los VECSEL bombeados ópticamente no se consideran "láseres de diodo" y se clasifican como láseres semiconductores. ^{[ cita requerida ]}

También se han demostrado VECSEL con bombeo eléctrico. Las aplicaciones para VECSEL con bombeo eléctrico incluyen pantallas de proyección, servidas por la duplicación de frecuencia de los emisores VECSEL de infrarrojos cercanos 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 Al _x Ga _(1-x) As. Los primeros láseres de diodo de cavidad externa utilizaron etalones intracavitarios ^[7] y rejillas de Littrow de ajuste simple. ^[8] Otros diseños incluyen rejillas en configuración de incidencia rasante y configuraciones de rejilla de prismas múltiples. ^[9]

Mecanismos de falla

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Los diodos láser tienen los mismos problemas de confiabilidad y falla 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 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 los productos láser de diodo más fiables y los menos fiables.

Los láseres semiconductores pueden ser láseres emisores de superficie, como los VCSEL, o láseres emisores de bordes en el plano. Para los láseres emisores de bordes, el espejo de la faceta del borde se forma a menudo cortando la oblea semiconductora para formar un plano reflectante 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 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 otra manera prohibida) del semiconductor.

Como resultado, cuando la luz se propaga a través del plano de escisión y transita al 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 por las 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, está en contacto menos que 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 contraiga en las áreas más cálidas. La contracción de la banda prohibida trae más transiciones electrónicas de banda a banda para alinearse con la energía del fotón, lo que provoca aún más absorción. Esto es una fuga térmica , una forma deretroalimentación positiva , y el resultado puede ser el derretimiento 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 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). . Michael Ettenberg, investigador y luego 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 de 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 varios otros refinamientos. Un enfoque consiste en crear un llamado espejo no absorbente (NAM) de modo que los 10 µm finales más o menos antes de que la luz emitida 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 COD se consideraron altamente patentados y aún no se divulgaron públicamente en junio de 2006.

A mediados de la década de 1990, 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 reveló en 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 desarrollando y la investigación sobre este tema permanece activa, si es que está patentada.

La extensión de la vida útil de los diodos láser es fundamental para su adaptación continua a una amplia variedad de aplicaciones.

Aplicaciones

Los diodos láser se pueden configurar para producir salidas de muy alta potencia, de onda continua o pulsada. Tales matrices pueden usarse para bombear de manera eficiente láseres de estado sólido para perforación, combustión o fusión por confinamiento inercial de alta potencia promedio .

Los diodos láser son numéricamente el tipo de láser más común, con ventas en 2004 de aproximadamente 733 millones de unidades, ^[10] en comparación con 131.000 de otros tipos de láseres. ^[11]

Telecomunicaciones, escaneo y espectrometría

Los diodos láser encuentran un amplio uso 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 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 . Tanto los diodos de baja como 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 (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 DVD . Los láseres violetas se utilizan en 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 varias especies en fase gaseosa. Los diodos láser de alta potencia se utilizan en aplicaciones industriales como el tratamiento térmico, el revestimiento, la soldadura de uniones 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 formas. 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 por 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 pueden incluir las impresoras láser , lectores de códigos de barras, escaneo de imágenes , iluminadores, designadores, registro de datos ópticos, encendido por combustión , cirugía láser , clasificación industrial, mecanizado industrial y 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. ^{[12] [13] [14] [15]} La reducción del tamaño y el costo ^[16] 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 de los diodos oscilan entre 810 y 1100 nm , los tejidos blandos las absorben mal y no se utilizan para cortes o ablación . ^{[17] [18] [19] [20]} El rayo láser no corta el tejido blando, sino que lo corta por contacto con una punta de vidrio carbonizado en caliente. ^{[19] [20]}La irradiación del láser se absorbe mucho en el extremo distal de la punta y la calienta entre 500 ° C y 900 ° C. ^[19] Debido a que la punta está tan caliente, puede usarse para cortar tejidos blandos y puede causar hemostasia mediante cauterización y carbonización . ^{[19] [20] Los} láseres de diodo cuando se utilizan en tejidos blandos pueden causar daños térmicos colaterales extensos al tejido circundante. ^{[19] [20]}

Como la luz del rayo láser es inherentemente 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 sus propiedades "espectrales estrechas" en las áreas de búsqueda de distancias, telecomunicaciones, contramedidas infrarrojas , detección espectroscópica , generación de ondas de radiofrecuencia o terahercios, preparación del estado del reloj atómico, criptografía de clave cuántica, duplicación de frecuencia y conversión, purificación de agua (en UV) y terapia fotodinámica (donde una longitud de onda de luz particular haría que una sustancia como la porfirina se volviera químicamente activa como agente anticanceroso solo cuando el tejido está iluminado por 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 formas de onda arbitrarias para ondas de radiofrecuencia, muestreo fotónico para conversión de analógico a digital y código óptico. sistemas de división de acceso múltiple para una comunicación segura.

Usos y longitudes de onda comunes

Luz visible

• 405 nm : láser azul violeta InGaN , en unidades de Blu-ray Disc y HD DVD
• 445–465 nm : diodo multimodo láser azul InGaN introducido recientemente (2010) para su uso en proyectores de datos de alto brillo sin mercurio
• 510–525 nm : diodos InGaN Green desarrollados recientemente (2010) por Nichia y OSRAM para proyectores láser. ^[21]
• 635 nm - AlGaInP mejores punteros láser rojos, misma potencia subjetivamente dos veces más brillante que 650 nm
• 650–660 nm - Unidades de CD y DVD GaInP / AlGaInP , punteros láser rojos económicos
• 670 nm : lectores de códigos de barras AlGaInP , primeros punteros láser de diodo (ahora obsoletos, reemplazados por DPSS de 650 nm y 671 nm más brillantes)

Infrarrojos

• 760 nm - Detección de gas AlGaInP : O
  ₂
• 785 nm : unidades de disco compacto GaAlAs
• 808 nm - Bombas GaAlAs en láseres DPSS Nd: YAG (p. Ej., En punteros láser verdes o como matrices en láseres de mayor potencia)
• 848 nm - ratones láser
• 980 nm - Bomba InGaAs para amplificadores ópticos , para láseres Yb: YAG DPSS
• 1.064 nm - Comunicación de fibra óptica AlGaAs , frecuencia de bomba láser DPSS
• 1310 nm - Comunicación de fibra óptica InGaAsP , InGaAsN
• 1.480 nm - Bomba InGaAsP para amplificadores ópticos
• 1,512 nm - Detección de gas InGaAsP : NH
  ₃
• 1,550 nm - Comunicación de fibra óptica InGaAsP , InGaAsNSb
• 1,625 nm - comunicación por fibra óptica InGaAsP , canal de servicio
• 1,654 nm - Detección de gas InGaAsP : CH
  ₄
• 1.877 nm - Detección de gas GaInAsSb : H
  ₂O
• 2.004 nm - Detección de gas GaInAsSb : CO
  ₂
• 2,330 nm - Detección de gas GaInAsSb : CO
• 2680 nm - Detección de gas GaInAsSb : CO
  ₂
• 3,030 nm - Detección de gas GaInAsSb : C
  ₂H
  ₂
• 3.330 nm - Detección de gas GaInAsSb : CH
  ₄

Historia

Ya en 1953, John von Neumann describió el concepto de láser semiconductor en un manuscrito inédito. ^{[ cita requerida ]} En 1957, el ingeniero japonés Jun-ichi Nishizawa presentó una patente para el primer láser semiconductor . ^{[22] [23]} Fue un avance de sus inventos anteriores, el diodo PIN en 1950 y el máser de estado sólido en 1955. ^[23]

Siguiendo los tratamientos teóricos de MG 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 el centro de investigación de General Electric ^[24] y por Marshall Nathan en el Centro de Investigación IBM TJ Watson. ^[25]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 con anterioridad; también fueron más allá e hicieron una cavidad resonante para su diodo. ^[26] Inicialmente se especuló, por Ben Lax del MIT, entre otros físicos destacados, 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 arseniuro de galio como un buen candidato. El primer diodo láser GaAs de longitud de onda visible fue demostrado por Nick Holonyak, Jr.más tarde en 1962. ^[27]

Nick Holonyak

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 . ^[28]

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 utilizado 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 / cm ² a temperaturas de 77 K. Este rendimiento permitió demostrar el láser continuo en los primeros días. Sin embargo, cuando se opera 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 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 el láser de onda continua a temperatura ambiente con 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 del núcleo de la guía de ondas y el de las capas de revestimiento circundantes eran idénticos. Se reconoció que existía una oportunidad, particularmente ofrecida 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 intervalo de banda e 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 laláser 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 debajo. Funcionó; las corrientes de umbral de 300 K se redujeron en 10 × 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 funcionaron en operación de onda continua a temperatura ambiente.

La innovación que enfrentó el desafío de la temperatura ambiente fue el láser de doble heteroestructura. El truco consistía en mover rápidamente la oblea en el aparato de LPE entre diferentes "fundidos" de arseniuro de aluminio y galio (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 debía tener un espesor significativamente inferior a 1 µm. El primer diodo láser en lograr una operación de onda continua fue una heteroestructura doble demostrada en 1970 esencialmente simultáneamente por Zhores Alferov y colaboradores (incluido Dmitri Z. Garbuzov ) de la Unión Soviética , y Morton Panish yIzuo Hayashi trabajando en Estados Unidos. Sin embargo, es ampliamente aceptado que Zhores I. Alferov y su equipo alcanzaron el hito primero. ^[29]

Por su logro y el de sus compañeros de trabajo, Alferov y Kroemer compartieron el Premio Nobel de Física 2000.

Ver también

• Lente colimadora
• Seguridad del láser : explica el antiguo sistema de clasificación de láser utilizando números romanos (I II III IV) y el sistema revisado según lo especificado por la norma IEC 60825-1.
• Lista de artículos láser
• Diodo superluminiscente

Referencias

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2. Arrigoni, M. et. Alabama. (2009-09-28) "Láseres semiconductores con bombeo óptico: OPSL verdes preparados para entrar en el mercado científico de bombas láser" , Laser Focus World
3. "Láser semiconductor bombeado ópticamente (OPSL)" , Preguntas frecuentes sobre láser de Sam.
4. Libro blanco coherente (2018-05) "Ventajas de los láseres semiconductores bombeados ópticamente: propiedades de haz invariable"
5. Hecht, Jeff (1992). The Laser Guidebook (Segunda edición). Nueva York: McGraw-Hill, Inc. p. 317. ISBN 0-07-027738-9.
6. Bouchene, Mohammed Mehdi, Rachid Hamdi y Qin Zou. "Análisis teórico de un láser semiconductor monolítico totalmente activo de tres secciones". Cartas fotónicas de Polonia 9.4 (2017): 131-133.
7. Voumard, C. (1977). "Láseres de diodo Cw GaA1As de banda estrecha de 32 MHz controlados por cavidad externa". Letras de óptica . 1 (2): 61–3. Código Bibliográfico : 1977OptL .... 1 ... 61V . doi : 10.1364 / OL.1.000061 . PMID 19680331 . 
8. Fleming, MW; Mooradian, A. (1981). "Características espectrales de láseres semiconductores controlados por cavidad externa". IEEE J. Quantum Electron . 17 : 44–59. Código bibliográfico : 1981IJQE ... 17 ... 44F . doi : 10.1109 / JQE.1981.1070634 .
9. Zorabedian, P. (1995). "8". En FJ Duarte (ed.). Manual de láseres sintonizables . Prensa académica. ISBN 0-12-222695-X.
10. Steele, Robert V. (2005). "El mercado del láser de diodo crece a un ritmo más lento" . Mundo de enfoque láser . 41 (2). Archivado desde el original el 8 de abril de 2006.
11. Kincade, Kathy; Anderson, Stephen (2005). "Laser Marketplace 2005: Las aplicaciones de consumo impulsan las ventas de láser en un 10%" . Mundo de enfoque láser . 41 (1). Archivado desde el original el 28 de junio de 2006.
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20. Vitruk, PP (2015). "Espectros de eficacia ablativa y coagulativa con láser de tejido blando oral" . Práctica de implantes EE . UU . 7 (6): 19-27.
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22. La tercera revolución industrial ocurrió en Sendai , Oficina Internacional de Patentes Soh-VEHE, Asociación de Abogados de Patentes de Japón
23. Jun-ichi Nishizawa: ingeniero, profesor especial de la Universidad de Sophia Archivado el 21 de julio de 2018 en la Wayback Machine (entrevista), revisión de calidad de Japón , 2011
24. Hall, Robert N .; Fenner, GE; Kingsley, JD; Soltys, TJ; Carlson, RO (noviembre de 1962). "Emisión de luz coherente de las uniones de GaAs". Cartas de revisión física . 9 (9): 366–368. Código bibliográfico : 1962PhRvL ... 9..366H . doi : 10.1103 / PhysRevLett.9.366 .
25. Nathan, Marshall I .; Dumke, William P .; Burns, Gerald; Eneldo, Frederick H .; Lasher, Gordon (1962). "Emisión estimulada de radiación de uniones pn de GaAs" (PDF) . Letras de Física Aplicada . 1 (3): 62. Código Bibliográfico : 1962ApPhL ... 1 ... 62N . doi : 10.1063 / 1.1777371 . Archivado desde el original (PDF) el 2011-05-03.
26. Transcripción de historia oral - Dr. Marshall Nathan , Instituto Americano de Física
27. "Después de Glow". Revista de Antiguos Alumnos de Illinois. Mayo-junio de 2007.
28. "Nicolay G. Basov" . Nobelprize.org . Consultado el 6 de junio de 2009 .
29. Chatak, Ajoy (2009). Óptica . Educación de Tata McGraw-Hill. pag. 1,14. ISBN 978-0-07-026215-7.

Lectura adicional

• B. Principios de dispositivos semiconductores de Van Zeghbroeck (para intervalos de banda directos e indirectos)
• Saleh, Bahaa EA y Teich, Malvin Carl (1991). Fundamentos de la fotónica . Nueva York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-83965-5 . (Para emisión estimulada) 
• Koyama et al., Fumio (1988), "Operación cw a temperatura ambiente del láser emisor de superficie de cavidad vertical de GaAs", Trans. IEICE, E71 (11): 1089–1090 (para VCSELS)
• Iga, Kenichi (2000), "Láser emisor de superficie: su nacimiento y generación de un nuevo campo de optoelectrónica", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 6 (6): 1201-1215 (para VECSELS)
• Duarte, FJ (2016), "Láseres semiconductores de cavidad externa dispersivos ampliamente sintonizables", en Aplicaciones de láser sintonizable . Nueva York: CRC Press. ISBN 9781482261066 . pp. 203–241 (para láseres de diodo de cavidad externa). 

Enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con láseres de diodo .

• Introducción a los diodos láser
• Descripción general de los láseres de diodo monomodo disponibles
• Video que muestra el proceso de ensamblaje de la barra láser
• Preguntas frecuentes sobre Sam's Laser por Samuel M. Goldwasser
• Conducción de láseres de diodo (EuroPhotonics - 08/2004)
• Britney Spears Guide to Semiconductor Physics Láseres emisores de bordes
• Notas técnicas y de aplicación que explican el control de corriente y temperatura de los diodos láser
• Aplicación que explica cómo diseñar y probar un controlador láser [1]