Láser azul

Un láser azul emite radiación electromagnética con una longitud de onda entre 400 y 500 nanómetros , que el ojo humano ve en el espectro visible como azul o violeta . ^[1]

Los láseres azules se pueden producir mediante:

• Láseres semiconductores de diodo inorgánico directo basados ​​en pozos cuánticos de nitruro de galio (III) a 380-417 nm ^{[2] [3]} o nitruro de indio y galio a 450 nm
• Láseres infrarrojos de estado sólido bombeados por diodos con duplicación de frecuencia a 408 nm
• Conversión ascendente de láseres semiconductores de diodo directo a través de fibras dopadas con tulio o praseodimio a 480 nm ^[4]
• Láseres de gas ionizado de vapor metálico de helio-cadmio a 442 nm y 10–200 mW ^[5]
• Láseres de iones de argón a 458 y 488 nm ^[5]

Los láseres que emiten longitudes de onda inferiores a 445 nm parecen violetas, pero también se los llama láseres azules. La longitud de onda corta de 405 nm de la luz violeta, en el espectro visible, provoca fluorescencia en algunas sustancias químicas, como la radiación del espectro ultravioleta (" luz negra ") (longitudes de onda inferiores a 400 nm).

Antes de la década de 1960 y hasta finales de la década de 1990, los láseres de gas y de iones de argón eran comunes y adolecían de baja eficiencia (0,01 %) y grandes tamaños. ^[4]

En la década de 1960, los avances en la creación de zafiro ^[6] permitieron a los investigadores depositar GaN sobre una base de zafiro para crear láseres azules, pero un desajuste reticular entre las estructuras de nitruro de galio y zafiro creó muchos defectos o dislocaciones , lo que llevó a vidas útiles cortas (<10 horas) y baja eficiencia (<1%).

Además, la construcción de capas de cristal de nitruro de galio (GaN) resultó difícil de fabricar ya que el material requiere altas presiones y temperaturas de gas nitrógeno, similares al entorno para crear diamantes sintéticos .

En 1992, el inventor japonés Shuji Nakamura , mientras trabajaba en Nichia Chemicals , inventó el primer LED semiconductor azul utilizando una región activa de InGaN, una guía óptica de GaN y un revestimiento de AlGaN, y cuatro años más tarde, el primer láser azul de baja potencia; finalmente recibió el Premio de Tecnología del Milenio otorgado en 2006, y un Premio Nobel de Física junto con el Profesor Isamu Akasaki y Hiroshi Amano ^{[7] [8] [3] [9]} en 2014 por esta invención. ^[10] Los defectos del medio de ganancia todavía seguían siendo demasiado altos (10 ⁶ –10 ¹⁰ defectos/cm ² ), lo que resultó en un láser de baja potencia con una vida útil corta, < 300 horas, utilizando excitación pulsada . ^{[11] [12]}

A finales de los años 1990, el Dr. Sylwester Porowski , del Instituto de Física de Alta Presión de la Academia Polaca de Ciencias en Varsovia ( Polonia ), desarrolló una tecnología para crear monocristales de nitruro de galio con alta calidad estructural utilizando dopaje de magnesio para crear menos de 100 defectos/cm ² —al menos 10.000 veces mejor que los intentos anteriores. ^[13] En 1999, Nakamura utilizó cristales de GaN producidos en Polonia, creando láseres con el doble de rendimiento y diez veces la vida útil de sus diseños originales; 3.000 horas a 30 mW.

En la década de 2000, los fabricantes japoneses dominaron la producción de un láser azul con 60 mW de potencia y una larga vida útil, lo que los hizo aplicables a dispositivos que leen un flujo de datos denso (debido a la corta longitud de onda del azul) de alta velocidad de Blu-ray , BD-R y BD-RE. Los láseres semiconductores permitieron el desarrollo de láseres azules, violetas y ultravioleta ( UV ) pequeños, convenientes y de bajo precio , que anteriormente no estaban disponibles, lo que abrió la puerta a muchas aplicaciones.

En la actualidad, los láseres semiconductores azules utilizan un sustrato de zafiro (utilizado principalmente por Nichia , que utiliza un fabricante contratado: Sony ) o un sustrato monocristalino de GaN (utilizado principalmente por TopGaN ^{[14] ), ambos cubiertos con capas de nitruro de galio. La capa de guía óptica de GaN de los dispositivos Nichia se forma a partir de} pozos cuánticos o puntos cuánticos de InGaN de la región activa de forma espontánea mediante autoensamblaje .

La tecnología polaca se considera más barata que la japonesa, pero tiene una cuota de mercado menor. Otra empresa polaca fabrica cristales de GaN para su uso en diodos azules, Ammono, ^{[15] [16]} pero no produce láseres azules.

Los láseres semiconductores de diodo directo azul se pueden construir utilizando nitruro de galio inorgánico (GaN) o medio de ganancia InGaN , sobre el cual se colocan muchas (docenas o más) capas de átomos para formar la parte activa del láser que genera fotones a partir de pozos cuánticos . Los láseres infrarrojos construidos sobre semiconductores de arseniuro de galio ( GaAs ) utilizan técnicas de fabricación similares. Para contener los fotones en el medio de ganancia, se construye un revestimiento de AlGaN. Utilizando métodos similares a los desarrollados para semiconductores de silicio como la inclusión de materiales dopantes (como el magnesio), el sustrato se puede construir libre del tipo de defecto conocido como dislocaciones y con una distribución uniforme de portadores, lo que permite que los átomos del medio de ganancia se coloquen en capas de tal manera que las distancias entre los átomos que forman la tierra y los de los pozos cuánticos sean uniformemente iguales.

Los láseres de diodo directos azules también se pueden fabricar con semiconductores InGaN (445 nm a 465 nm). ^[17] Los dispositivos InGaN se perciben como significativamente más brillantes que los láseres de diodo directos GaN (405) nm, ya que las longitudes de onda más largas están más cerca de la sensibilidad máxima del ojo humano. ^[18]

El uso de diodos emisores de luz orgánicos azules de diodo directo fosforescente para láseres es poco práctico debido a su corta vida útil (<200 horas). ^[19]

Se pueden incorporar diodos Zener al circuito para minimizar fallas por ESD . ^[20]

Los láseres semiconductores pueden funcionar mediante pulsos o mediante ondas continuas. ^[21]

Los láseres semiconductores pueden configurarse para emitir fotones perpendiculares u horizontales a las capas del medio láser dependiendo del uso final.

Los láseres semiconductores infrarrojos de diodo directo, fácilmente disponibles desde la década de 1960, generalmente como fuente de bombeo para láseres de telecomunicaciones, pueden duplicarse en frecuencia al rango azul mediante cristales no lineales comunes ( BBO o KTP ). ^[22] Se puede alcanzar una potencia superior a 1 W cuando la duplicación de frecuencia se mejora con resonador, lo que da como resultado fuentes de clase Watt que abarcan todo el espectro visible, incluido un láser azul de 400 nm con 2,6 W de potencia de salida. ^[23]

Los punteros láser DPSS violeta (120 mW a 405 nm) utilizan un láser de diodo infrarrojo directo de arseniuro de galio (1 W a 808 nm) que se duplica directamente, sin un láser de estado sólido bombeado por diodo de onda más larga interpuesto entre el láser de diodo y el cristal duplicador, lo que da como resultado una mayor potencia.

Los punteros láser azules DPSS , que se comercializaron inicialmente en torno a 2006, tienen la misma construcción básica que los láseres verdes DPSS . Normalmente emiten luz a 473 nm, que se produce duplicando la frecuencia de la radiación láser de 946 nm de un cristal Nd:YAG o Nd:YVO4 bombeado por diodos . ^[24] Los cristales dopados con neodimio suelen producir una longitud de onda principal de 1064 nm, pero con el revestimiento reflectante adecuado también se pueden fabricar espejos para que emitan láser en otras longitudes de onda de neodimio no principales, como la transición de 946 nm que se utiliza en aplicaciones de láser azul. Para una alta potencia de salida se utilizan cristales BBO como duplicadores de frecuencia; para potencias inferiores, se utiliza KTP . Las potencias de salida disponibles son de hasta 5000 mW. La eficiencia de conversión para producir radiación láser de 473 nm es baja y algunos de los mejores resultados producidos en laboratorio tienen una eficiencia del 10 al 15 % en la conversión de la radiación láser de 946 nm a radiación láser de 473 nm. ^[25] Debido a la baja eficiencia de conversión, el uso de un diodo IR de 1000 mW produce como máximo 150 mW de luz láser DPSS azul visible, pero en la práctica 120 mW.

Los láseres de gas azul son instrumentos grandes y costosos que dependen de la inversión de población en mezclas de gases raros que utilizan corrientes altas y un enfriamiento alto debido a su baja eficiencia: 0,01 %. ^{[4] Los rayos azules se pueden producir utilizando} láseres de gas helio-cadmio a 441,6 nm o láseres de iones de argón a 458 y 488 nm.

El láser violeta de 405 nm (ya sea construido directamente a partir de diodos láser de GaN o de GaAs de frecuencia duplicada) no es de hecho azul, sino que aparece a simple vista como violeta, un color para el cual el ojo humano tiene una sensibilidad muy limitada. Cuando se apunta a muchos objetos blancos (como papel blanco o ropa blanca que se ha lavado con ciertos detergentes), la apariencia visual del punto láser cambia de violeta a azul, debido a la fluorescencia de los tintes abrillantadores .

Para aplicaciones de visualización que deben tener una apariencia "azul real", se requiere una longitud de onda de 445 a 450 nm. Con los avances en la producción en serie, los diodos láser InGaN de 445 nm han bajado de precio, convirtiéndose en una solución óptima para los proyectores de fósforo láser. ^[26]

Las áreas de aplicación del láser azul incluyen:

• Comunicación con submarinos ^[27]
• Proyectores DLP y 3LCD
• Equipos electrónicos
• Monitoreo ambiental
• Proyectores y pantallas portátiles
• Reproductores de Blu-ray de alta definición , grabación de Blu-ray
• Tecnologías de la información
• Grabadores y cortadores láser ^{[25] [28]}
• Proyectores láser
• Diagnóstico médico
  • Citometría de flujo ^[29]
• Procedimientos médicos ^[30]
• Cirugía láser ^[31]
  • Laringología
  • Fonocirugía
  • Otología
  • Rinología
• Almacenamiento de datos optoelectrónicos de alta densidad
• Telecomunicaciones

• LED azul
• Lista de artículos sobre láser