¿Qué es un diodo láser? Su funcionamiento, construcción, tipos y usos

¿Qué es un diodo láser? Su funcionamiento, construcción, tipos y usos

 

¿Qué es un diodo láser?

 Imágenes de diodo láser 1

Un diodo láser es un dispositivo semiconductor similar a un emisor de luz diodo (LED). Utiliza la unión p-n para emitir luz coherente en la que todas las ondas están en la misma frecuencia y fase. Esta luz coherente es producida por el diodo láser usando un proceso denominado “Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación”, que se abrevia como LASER. Y dado que una unión p-n se utiliza para producir luz láser, este dispositivo recibe el nombre de diodo láser. Antes de aprender más sobre el proceso de trabajo de un diodo láser, veamos cómo la luz láser es diferente de otros tipos de luz y sus ventajas.

 Imágenes de diodo láser 2

La luz del sol o de la mayoría de las fuentes de luz artificial contiene ondas de múltiples longitudes de onda y están desfasadas juntos. Las ondas de luz de fuentes de luz monocromáticas como el bulbo incandescente tampoco están en fase entre sí. A diferencia de las fuentes de luz anteriores, los diodos láser producen un rayo estrecho de luz láser en el que todas las ondas de luz tienen longitudes de onda similares y viajan juntas con sus picos alineados. Esta es la razón por la cual los rayos láser son muy brillantes y pueden enfocarse en un punto muy pequeño.

De todos los dispositivos que producen luz láser, los diodos láser o los láseres semiconductores son los más eficientes y vienen en paquetes más pequeños.. Por lo tanto, se utilizan ampliamente en diversos dispositivos como impresoras láser, lectores de códigos de barras, sistemas de seguridad, vehículos autónomos (LIDAR), comunicaciones de fibra óptica, etc.

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¿Cómo funciona un diodo láser?

El funcionamiento de un diodo láser se lleva a cabo en tres pasos principales:

Absorción de energía

El diodo láser consiste en una unión pn donde agujeros y electrones existe. (Aquí, un agujero significa la ausencia de un electrón). Cuando se aplica un cierto voltaje en la unión p-n, los electrones absorben energía y hacen la transición a un nivel de energía más alto. Los agujeros se forman en la posición original del electrón excitado. Los electrones permanecen en este estado de excitación sin recombinarse con agujeros durante un período de tiempo muy pequeño, denominado “tiempo de recombinación” o “# 8220; estado superior de vida” & # 8221 ;. El tiempo de recombinación es de aproximadamente un nanosegundo para la mayoría de los diodos láser.

 Imágenes de diodo láser 3

Emisión espontánea

Después de la vida del estado superior de los electrones excitados, se recombinan con los agujeros. A medida que los electrones caen del nivel de energía más alto a un nivel de energía más bajo, la diferencia de energía se convierte en fotones o radiación electromagnética. Este mismo proceso se usa para producir luz en LED. La energía del fotón emitido está dada por la diferencia entre los dos niveles de energía.

 Imágenes de diodo láser 4

Emisión estimulada

Necesitamos fotones más coherentes del diodo láser que los emitidos a través del proceso de espontánea emisión. Se usa un espejo parcialmente reflectante a cada lado del diodo para que los fotones liberados de la emisión espontánea queden atrapados en la unión p-n hasta que su concentración alcance un valor umbral. Estos fotones atrapados estimulan a los electrones excitados a recombinarse con agujeros incluso antes de su tiempo de recombinación. Esto da como resultado la liberación de más fotones que están en fase exacta con los fotones iniciales y así la salida se amplifica. Una vez que la concentración de fotones supera un umbral, escapan de los espejos parcialmente reflectantes, lo que resulta en una luz coherente monocromática brillante.

 Imágenes de diodo láser 5

Construcción de un diodo láser

Un diodo láser de semiconductor simple se compone de las siguientes partes en orden:

  • Contacto de metal
  • Material de tipo P
  • Región activa/intrínseca ( Material de tipo N)
  • Material de tipo N
  • Contacto de metal

 Imágenes de diodo láser 6

Los terminales de entrada están conectados a placas de metal que están intercaladas con el tipo n y capas tipo p. Este tipo de diodo láser también se denomina “Diodo láser de homojunción”. La región intrínseca entre el tipo p y el material de tipo n se usa para aumentar el volumen de la región activa, de modo que se puede acumular más cantidad de agujeros y electrones en la unión. Esto permite que más números de electrones se recombinen con agujeros en cualquier instante de tiempo, lo que resulta en una mejor potencia de salida. La luz láser se emite desde la región elíptica. Este haz del diodo láser se puede enfocar aún más usando una lente óptica. Esta disposición completa del diodo PIN (tipo P, intrínseca, tipo N) está encerrada normalmente en una carcasa de metal.

Tipos de diodos láser

Diodo láser de heterogestión doble

En este tipo de diodos láser, una capa de confinamiento adicional de un material diferente se intercala entre los dos materiales de tipo p y tipo n. Cada una de las uniones entre diferentes materiales se llama heteroestructura. Debido a la presencia de dos heteroestructuras, este tipo de diodo láser se denomina diodo láser de doble heteroestructura (DH). La ventaja de este diodo láser DH es que la región activa está confinada a una capa delgada que proporciona una mejor amplificación óptica.

Diodo láser de pozo cuántico

El diodo láser de pozo cuántico tiene una capa intermedia muy delgada, que actúa como un pozo cuántico. Los electrones podrán usar niveles de energía cuántica cuando pasen del nivel de energía más alto al nivel de energía más bajo. Esto proporciona una mejor eficiencia para este tipo de diodo láser.

Separación de la heterostructura del diodo láser

La fina capa intermedia del diodo láser del pozo cuántico es muy pequeña para confinar la luz emitida con eficacia. Para compensar esto, en el diodo láser de heteroestructura de confinamiento separado, se agregan otras dos capas sobre las tres capas iniciales. Estas capas tienen un índice de refracción más bajo y ayudan a confinar la luz emitida efectivamente.

Diodo láser de emisión de superficie de cavidad vertical (VCSEL)

Todos los diodos láser discutidos anteriormente, la cavidad óptica se coloca perpendicular al flujo de corriente. Sin embargo, en los diodos láser que emiten la superficie de la cavidad vertical, la cavidad óptica está a lo largo del eje del flujo de corriente. Los espejos parcialmente reflectantes se colocan cerca de los extremos de la cavidad óptica.

Otros tipos

  • Diodo láser en cascada Quantum
  • Diodo láser en cascada Interband
  • Reflector distribuido de Bragg Diodo láser
  • Diodo láser de retroalimentación distribuida
  • Láser de diodo de cavidad externa
  • Diodo láser de emisión de superficie de cavidad externa vertical (VCSEL)

Características del diodo láser PI

El siguiente diagrama es un gráfico de la potencia óptica de salida en el eje y y la entrada de corriente al diodo láser en el eje x.

Láser Diodo Images 7

Como nosotros aumenta el flujo de corriente al diodo láser, la potencia óptica de la luz de salida aumenta gradualmente hasta un cierto umbral. Hasta este punto, la mayor parte de la luz emitida se debe a la emisión espontánea. Por encima de esta corriente umbral, el proceso de emisión estimulada aumenta. Esto hace que la potencia de la luz de salida aumente mucho incluso para incrementos más pequeños en la corriente de entrada. La potencia óptica de salida también depende de la temperatura y se reduce con la disminución de la temperatura.

¿Cómo hacer un circuito de controlador de diodo láser?

Los diodos láser requieren circuitos complejos que involucran circuitos de retroalimentación al medir la potencia óptica de salida, la temperatura, el voltaje y la corriente de entrada. Pero para controlar un diodo láser utilizado en aplicaciones donde no se requiere alta precisión, se puede construir un circuito de controlador de diodo láser simple usando el IC del regulador de voltaje LM317. A continuación se muestra el diagrama.

 Imágenes de diodo láser 8

El LM317 está configurado para funcionar como una fuente de corriente constante. La corriente de salida depende del valor de resistencia entre Vout y Vadj de LM317 (Pin2 y Pin1). Entonces, ajustar el potenciómetro 100R cambiará la corriente de salida que fluye al diodo láser. La resistencia 10R se usa para evitar que corrientes grandes fluyan cuando el valor del potenciómetro 100R está en cero. El condensador de 47uF se utiliza para absorber cualquier pico de voltaje de la batería.

Aplicaciones de un diodo láser

Los módulos de diodo láser se utilizan en todas las áreas principales de la electrónica que van desde

  • Productos electrónicos de consumo: reproductores de CD/DVD, impresoras láser, comunicación de fibra óptica, lectores de códigos de barras, etc.
  • Máquinas médicas: los diodos láser son utilizado en máquinas utilizadas para eliminar tejidos no deseados, eliminando células cancerosas, cirugías no invasivas y de cataratas, etc.
  • Vehículos autónomos: la tecnología de diodo láser se utiliza para hacer que los sistemas LIDAR se implementen conducción
  • Scientific Instrumentation: los láseres se utilizan en dispositivos utilizados para mediciones sin contacto remotas, espectrometría, telémetros, etc.
  • Aplicaciones industriales : Los diodos láser se utilizan como fuente de haz láser de alta intensidad para el corte preciso de materiales. También se usan en impresión 3D para suavizar el sustrato.

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