Los láseres semiconductores son generadores cuánticos basados en un medio semiconductor activo en el que la amplificación óptica se crea mediante emisión estimulada durante una transición cuántica entre niveles de energía con una alta concentración de portadores de carga en la zona libre.
Láser semiconductor: principio de funcionamiento
En el estado normal, la mayoría de los electrones se encuentran en el nivel de valencia. Cuando los fotones suministran energía que excede la energía de la zona de discontinuidad, los electrones del semiconductor entran en estado de excitación y, habiendo superado la zona prohibida, pasan a la zona libre, concentrándose en su borde inferior. Simultáneamente, los huecos formados en el nivel de valencia ascienden hasta su límite superior. Los electrones en la zona libre se recombinan con los huecos, irradiando una energía igual a la energía de la zona de discontinuidad en forma de fotones. La recombinación se puede mejorar mediante fotones con niveles de energía suficientes. La descripción numérica corresponde a la función de distribución de Fermi.
Dispositivo
Dispositivo láser semiconductores un diodo láser bombeado con la energía de los electrones y los agujeros en la zona de unión p-n, el punto de contacto de los semiconductores con conductividad de tipo p y n. Además, existen láseres semiconductores con suministro de energía óptica, en los que el haz se forma absorbiendo fotones de luz, así como láseres de cascada cuántica, cuyo funcionamiento se basa en transiciones dentro de las bandas.
Composición
Las conexiones estándar utilizadas tanto en láseres semiconductores como en otros dispositivos optoelectrónicos son las siguientes:
- arseniuro de galio;
- fosfuro de galio;
- nitruro de galio;
- fosfuro de indio;
- arseniuro de indio y galio;
- arseniuro de galio y aluminio;
- nitruro de arseniuro de galio-indio;
- fosfuro de galio-indio.
Longitud de onda
Estos compuestos son semiconductores de separación directa. La luz indirecta (silicio) no emite con suficiente fuerza y eficiencia. La longitud de onda de la radiación láser de diodo depende del grado de aproximación de la energía del fotón a la energía de la zona de discontinuidad de un compuesto particular. En compuestos semiconductores de 3 y 4 componentes, la energía de la zona de discontinuidad puede variar continuamente en un amplio rango. Para AlGaAs=AlxGa1-xAs, por ejemplo, un aumento en el contenido de aluminio (un aumento en x) resulta en un aumento en el energía de la zona de discontinuidad.
Si bien los láseres semiconductores más comunes funcionan en el infrarrojo cercano, algunos emiten colores rojo (fosfuro de indio y galio), azul o violeta (nitruro de galio). La radiación del infrarrojo medio es producida por láseres semiconductores (seleniuro de plomo) y láseres de cascada cuántica.
Semiconductores orgánicos
Además de los compuestos inorgánicos mencionados anteriormente, también se pueden utilizar compuestos orgánicos. La tecnología correspondiente aún está en desarrollo, pero su desarrollo promete reducir significativamente el costo de producción de los generadores cuánticos. Hasta el momento, solo se han desarrollado láseres orgánicos con suministro de energía óptica y aún no se ha logrado un bombeo eléctrico altamente eficiente.
Variedades
Se han creado muchos láseres semiconductores, que difieren en los parámetros y el valor aplicado.
Los diodos láser pequeños producen un haz de radiación de borde de alta calidad, cuya potencia oscila entre varios y quinientos milivatios. El cristal del diodo láser es una delgada placa rectangular que sirve como guía de ondas, ya que la radiación se limita a un pequeño espacio. El cristal está dopado en ambos lados para crear una unión p-n de un área grande. Los extremos pulidos crean un resonador óptico Fabry-Perot. Un fotón que pasa a través del resonador causará una recombinación, la radiación aumentará y comenzará la generación. Se utiliza en punteros láser, reproductores de CD y DVD y comunicaciones por fibra óptica.
Los láseres monolíticos de baja potencia y los generadores cuánticos con un resonador externo para formar pulsos cortos pueden producir un bloqueo de modo.
Láseressemiconductor con un resonador externo consiste en un diodo láser, que desempeña el papel de un medio amplificador en la composición de un resonador láser más grande. Son capaces de cambiar de longitud de onda y tienen una banda de emisión estrecha.
Los láseres de semiconductores de inyección tienen una región de emisión en forma de banda ancha, pueden generar un haz de baja calidad con una potencia de varios vatios. Consisten en una delgada capa activa ubicada entre la capa p y n, formando una doble heterounión. No existe un mecanismo para mantener la luz en la dirección lateral, lo que da como resultado una elipticidad de haz alto y corrientes de umbral inaceptablemente altas.
Las potentes barras de diodos, que consisten en una matriz de diodos de banda ancha, son capaces de producir un haz de calidad mediocre con una potencia de decenas de vatios.
Los potentes conjuntos bidimensionales de diodos pueden generar energía de cientos y miles de vatios.
Los láseres emisores de superficie (VCSEL) emiten un haz de luz de alta calidad con una potencia de varios milivatios perpendicular a la placa. Los espejos resonadores se aplican sobre la superficie de radiación en forma de capas de ¼ de longitud de onda con diferentes índices de refracción. Se pueden fabricar varios cientos de láseres en un solo chip, lo que abre la posibilidad de producción en masa.
Los láseres VECSEL con fuente de alimentación óptica y un resonador externo son capaces de generar un haz de buena calidad con una potencia de varios vatios en modo de bloqueo.
El funcionamiento de un láser semiconductor cuántico-el tipo de cascada se basa en las transiciones dentro de las zonas (a diferencia de las interzonas). Estos dispositivos emiten en la región del infrarrojo medio, a veces en el rango de los terahercios. Se utilizan, por ejemplo, como analizadores de gases.
Láseres semiconductores: aplicación y aspectos principales
Los potentes láseres de diodo con bombeo eléctrico de alta eficiencia a voltajes moderados se utilizan como medio para alimentar láseres de estado sólido de alta eficiencia.
Los láseres de semiconductores pueden funcionar en un amplio rango de frecuencias, que incluye las partes del espectro visible, infrarrojo cercano e infrarrojo medio. Se han creado dispositivos que también permiten cambiar la frecuencia de emisión.
Los diodos láser pueden cambiar y modular rápidamente la potencia óptica, lo que encuentra aplicación en los transmisores de fibra óptica.
Tales características han hecho que los láseres semiconductores sean tecnológicamente el tipo más importante de generadores cuánticos. Se aplican:
- en sensores de telemetría, pirómetros, altímetros ópticos, telémetros, miras, holografía;
- en sistemas de fibra óptica de transmisión óptica y almacenamiento de datos, sistemas de comunicación coherentes;
- en impresoras láser, videoproyectores, punteros, escáneres de códigos de barras, escáneres de imágenes, reproductores de CD (DVD, CD, Blu-Ray);
- en sistemas de seguridad, criptografía cuántica, automatización, indicadores;
- en metrología óptica y espectroscopia;
- en cirugía, odontología, cosmetología, terapia;
- para tratamiento de agua,procesamiento de materiales, bombeo láser de estado sólido, control de reacciones químicas, clasificación industrial, ingeniería industrial, sistemas de encendido, sistemas de defensa aérea.
Salida de pulsos
La mayoría de los láseres semiconductores generan un haz continuo. Debido al corto tiempo de residencia de los electrones a nivel de conducción, no son muy adecuados para generar pulsos de conmutación de Q, pero el modo de funcionamiento casi continuo permite un aumento significativo de la potencia del generador cuántico. Además, los láseres semiconductores se pueden utilizar para generar pulsos ultracortos con bloqueo de modo o cambio de ganancia. La potencia media de los pulsos cortos suele limitarse a unos pocos milivatios, con la excepción de los láseres VECSEL bombeados ópticamente, cuya salida se mide mediante pulsos de picosegundos de varios vatios con una frecuencia de decenas de gigahercios.
Modulación y estabilización
La ventaja de la corta permanencia de un electrón en la banda de conducción es la capacidad de los láseres semiconductores para la modulación de alta frecuencia, que para los láseres VCSEL supera los 10 GHz. Ha encontrado aplicación en transmisión óptica de datos, espectroscopia, estabilización láser.
