Diodo láser

<p>Definición: Un dispositivo semiconductor que genera luz coherente de alta intensidad se conoce como diodo láser. LÁSER es una abreviatura de Lderecho Aamplificación por Sestimulado mimisión de Radicion Emision estimulada es la base del funcionamiento de un diodo láser.

El diodo láser es similar al LED, sin embargo, a diferencia del LED, la unión PN del diodo láser produce una radiación coherente. Radiación coherente significa que las ondas de luz generadas por el dispositivo tienen la misma frecuencia y fase.

Construcción de diodo láser.

La siguiente figura muestra la construcción básica de un diodo láser:

Se forma dopando aluminio o silicio con material de arseniuro de galio para generar una capa de tipo n y tipo p. Junto con esto, se coloca una capa activa adicional de GaAs sin dopar entre las dos capas.

El espesor de esta capa activa es de unos pocos nanómetros. El objetivo de intercalar esta capa entre las capas de tipo p y n es aumentar el área de combinación de electrones y huecos. Aumentando resultantemente la radiación emitida. La salida del láser se toma de la región activa del diodo láser.

En los diodos láser, se realiza un pulido en los dos extremos de la unión para proporcionar una superficie similar a un espejo. A través de la reflexión de esta superficie, se produce más par de electrones y huecos. Como resultado, eso produce más radiación a través del dispositivo.

Trabajo de diodo láser

El funcionamiento de un diodo láser involucra 3 procesos: absorción, emisión espontánea y emisión estimulada.

Entendamos primero el proceso de absorción.

Considere 2 niveles de energía E1 y E2. Para simplificar, supongamos que E1 es el nivel de energía más bajo y E2 es el nivel de energía más alto.

Inicialmente, se supone que el átomo está en el estado de menor energía, es decir, E1. Para tener una transición de un nivel de energía más bajo a uno más alto, el átomo requiere superar la diferencia de energía entre los dos niveles, dada por E2 – E1.

Entonces, se proporciona algún estímulo externo al átomo presente en el estado fundamental. Por lo tanto, se proporciona una onda electromagnética de frecuencia ν al átomo a nivel del suelo. Esta onda proporciona suficiente energía al electrón para compensar la diferencia de energía y tener una transición de E1 a E2. Este proceso se conoce como absorción.

Avanzando más ahora, comprenda el proceso de emisión espontánea.

Debido a la absorción, el átomo está presente en el nivel de energía E2. Entonces, a medida que la vida útil del átomo expira, ahora regresa al nivel del suelo desde el nivel de energía más alto. Al regresar al nivel del suelo, el átomo emite la diferencia de energía de los dos niveles de energía, es decir, E2 – E1.

Esta energía es emitida por el átomo en forma de onda electromagnética, generando un fotón de energía. Este proceso se denomina emisión espontánea.

Este fenómeno de emisión de radiación se suele observar en dispositivos optoelectrónicos como los LED.

Comprendamos ahora el proceso de emisión estimulada.

Supongamos que después de la absorción, el átomo está presente en el nivel de energía superior antes del agotamiento de su vida útil. Entonces, se proporciona al átomo una onda electromagnética de frecuencia igual a la frecuencia del átomo emitido espontáneamente.

Esto hace que el átomo realice una transición de E2 a E1. Ahora bien, esta vez el átomo liberará la energía de dos fotones en esta transición.

Como hemos incorporado todo el conjunto de unión con un espejo parcialmente reflectante. Por lo tanto, esto provocará un movimiento de ida y vuelta del átomo. Como resultado, esto generará más fotones.

Tan pronto como se alcance el umbral, los fotones escaparán de la superficie del espejo y el dispositivo emitirá una radiación coherente brillante.

Como en el momento de la emisión estimulada estamos proporcionando una energía fotónica al átomo. Entonces, los fotones emitidos estarán en la misma fase que los fotones incidentes. Así, generando una luz brillante monocromática.

Características del diodo láser

La siguiente figura muestra la curva característica de un diodo láser:

Aquí, la línea horizontal denota corriente y la línea vertical muestra la potencia óptica de la luz producida. Se puede ver claramente en la figura que se nota un aumento gradual en la potencia hasta que se alcanza un punto de umbral.

Después del valor umbral, se nota un rápido aumento de la potencia incluso para un pequeño aumento de la corriente. La potencia producida por el diodo láser también depende de la temperatura asociada con el dispositivo.

Propiedad de la luz láser

Una luz láser emitida por un diodo láser tiene la siguiente propiedad:

• Coherencia: Es una propiedad crucial del láser, que existe debido a la emisión estimulada. Simplemente denota que la longitud de onda de las ondas de luz emitida está en fase. Cuando hablamos de la fuente de luz ordinaria, por ejemplo LED, entonces no muestra la propiedad de coherencia porque se genera debido al proceso de emisión espontánea de un fotón.
• Monocromaticidad: La luz emitida por el diodo láser es de naturaleza monocromática, lo que significa que tiene una sola longitud de onda. Las ondas que tienen una sola longitud de onda indican que la radiación emitida es de un solo color.
• Brillo: El brillo de una luz está determinado básicamente por la potencia por unidad de superficie por unidad de ángulo sólido. Debido a los reflejos continuos, el diodo láser produce una luz de alta intensidad y más potencia. Como resultado, permite la generación de luz brillante a través del dispositivo.
• Direccionalidad: Una luz láser es altamente direccional, esto significa que la luz emitida por un diodo láser no muestra mucha divergencia. La direccionalidad en un diodo láser se logra porque los fotones emitidos experimentan múltiples reflejos a través del espejo. Cada vez que la luz se desvía de su eje, se salta. Por lo tanto, solo se logra un haz de luz altamente enfocado.

Ventajas del diodo láser

1. La potencia operativa en el caso de los diodos láser es menor en comparación con otros dispositivos emisores de luz.
2. Es de tamaño pequeño por lo que permite un mejor manejo.
3. Los diodos láser generan luz de alta eficiencia.

Desventajas del diodo láser

1. Como proporciona una luz de alta densidad, a veces tiene efectos adversos en los ojos.
2. Es caro.

Aplicaciones del diodo láser

Los diodos láser se utilizan ampliamente en las industrias de telecomunicaciones y de defensa. La comunicación por fibra óptica también utiliza un rayo láser para la transmisión de señales, ya que las fibras ópticas requieren un rayo altamente enfocado. También es muy utilizado en impresoras láser.

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