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diodo láser

El chip del diodo láser se extrajo y se colocó en el ojo de una aguja para comparar el tamaño. Un diodo láser con la carcasa recortada. El chip del diodo láser es el pequeño chi...

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El chip del diodo láser se extrajo y se colocó en el ojo de una aguja para comparar el tamaño.
Un diodo láser con la carcasa recortada. El chip del diodo láser es el pequeño chip negro que se ve en la parte frontal; un fotodiodo en la parte posterior se utiliza para controlar la potencia de salida.
Imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM ) de un diodo láser comercial con su carcasa y ventana recortadas. La conexión del ánodo de la derecha se rompió accidentalmente durante el proceso de recorte de la carcasa.

Un diodo láser ( LD , también llamado diodo láser de inyección , ILD , láser semiconductor 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

Impulsada por voltaje, la transición p-n dopada permite la recombinación de un electrón con un hueco . Debido a la caída del electrón de un nivel de energía superior a uno inferior, se genera radiación en forma de un fotón emitido. Esto se conoce como emisión espontánea. La emisión estimulada se produce cuando el proceso continúa y genera 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 abarca desde el infrarrojo (IR) hasta el ultravioleta (UV). Los diodos láser son el tipo de láser más común, con una amplia gama de aplicaciones que incluyen comunicaciones por fibra óptica , lectores de códigos de barras , punteros láser , lectura y grabación de discos CD / DVD / Blu-ray , impresión láser , escaneo láser e iluminación mediante haces de luz . Mediante el uso de un fósforo similar al de los LED blancos , los diodos láser pueden utilizarse para iluminación general.

Teoría

Láseres semiconductores (de abajo hacia arriba: 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 se encuentra 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 sobre láseres de diodo se realizó con diodos P-N simples, todos los láseres modernos utilizan la implementación de doble heteroestructura, donde los portadores y los fotones se confinan para maximizar sus posibilidades de recombinación y generación de luz. A diferencia de un diodo convencional, 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 una de las técnicas de crecimiento de cristales , generalmente comenzando con un sustrato dopado con N , y cultivando la capa activa I (sin dopar), seguida del revestimiento dopado con P y una capa de contacto. La capa activa suele consistir en pozos cuánticos , que proporcionan una corriente umbral más baja y una mayor eficiencia. [ 1 ]

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 provoca que los dos tipos de portadores de carga ( huecos y electrones ) se inyecten desde lados opuestos de la unión PIN hacia la región de agotamiento. Los huecos se inyectan desde el semiconductor dopado con tipo p hacia el semiconductor no dopado (i), y los electrones viceversa. (Una región de agotamiento , desprovista de portadores de carga, se forma como resultado de la diferencia de potencial eléctrico entre los semiconductores de tipo n y p dondequiera que estén en contacto físico). Debido al uso de la inyección de carga para alimentar la mayoría de los láseres de diodo, esta clase de láseres a veces se denomina láseres de inyección o diodos láser de inyección (ILD). Como los láseres de diodo son dispositivos semiconductores, también pueden clasificarse como láseres semiconductores. Cualquiera de estas designaciones distingue a los láseres de diodo de los láseres de estado sólido .

Otro método para alimentar algunos láseres de diodo es el bombeo óptico . Los láseres semiconductores bombeados ópticamente (OPSL) utilizan un chip semiconductor III-V como medio de ganancia y otro láser (a menudo otro láser de diodo) como fuente de bombeo. Los OPSL ofrecen varias ventajas sobre los ILD, particularmente en la selección de longitud de onda y la ausencia de interferencia de las estructuras de electrodos internos. [ 2 ] [ 3 ] Otra ventaja de los OPSL es la invariancia de los parámetros del haz (divergencia, forma y dirección) a medida que se varía la potencia de bombeo (y por lo tanto la potencia de salida), incluso en una relación de potencia de salida de 10:1. [ 4 ]

Generación de emisiones espontáneas

Cuando un electrón y un hueco se encuentran en la misma región, pueden recombinarse o aniquilarse produciendo una emisión espontánea ; es decir, el electrón puede volver a ocupar el estado energético del hueco, emitiendo un fotón con una energía igual a la diferencia entre el estado original del electrón y el del hueco. (En un diodo de unión semiconductor convencional, la energía liberada por la recombinación de electrones y huecos se disipa como fonones (vibraciones de la red) en lugar de como fotones). La emisión espontánea por debajo del umbral de láser produce propiedades similares a las de un LED . La emisión espontánea es necesaria para iniciar la oscilación del láser, pero es una de las diversas fuentes de ineficiencia una vez que el láser está oscilando.

Semiconductores de banda prohibida directa e indirecta

La diferencia entre un láser semiconductor emisor de fotones y un diodo de unión semiconductor convencional emisor de fonones (no emisor de luz) radica en el tipo de semiconductor utilizado, cuya estructura física y atómica confiere la posibilidad de emisión de fotones. Estos semiconductores emisores de fotones son los denominados semiconductores de " banda prohibida directa ". Las propiedades del silicio y el germanio , que son semiconductores de un solo elemento, presentan bandas prohibidas que no se alinean de la manera necesaria para permitir la emisión de fotones y, por lo tanto, no se consideran directas . Otros materiales, los denominados semiconductores compuestos, tienen estructuras cristalinas prácticamente idénticas a las del silicio o el germanio, pero utilizan disposiciones alternas 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 alternado crea la propiedad crítica de banda prohibida directa . El arseniuro de galio , el fosfuro de indio , el antimoniuro de galio y el nitruro de galio son ejemplos de materiales semiconductores compuestos que pueden utilizarse para crear diodos de unión que emiten luz.

Diagrama de un diodo láser simple, como el que se muestra arriba; sin escala.
Un diodo láser simple y de baja potencia encapsulado en metal.

Generación de emisión estimulada

En ausencia de condiciones de emisión estimulada (p. ej., láser), los electrones y los huecos pueden coexistir cerca unos de otros, sin recombinarse, durante un cierto tiempo, denominado tiempo de vida del estado superior o tiempo de recombinación (aproximadamente un nanosegundo para los materiales típicos de los láseres de diodo), antes de que se recombinen. Un fotón cercano con energía igual a la energía de recombinación puede provocar la recombinación por emisión estimulada . Esto genera otro fotón de la misma frecuencia, polarización y fase , que viaja en la misma dirección que el primer fotón. Esto significa que la emisión estimulada producirá una 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 semiconductores de banda prohibida directa que en semiconductores de banda prohibida indirecta ; por lo tanto, el silicio no es un material común para diodos láser.

Cavidad óptica y modos 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 crea una guía de onda óptica en la superficie del cristal, de modo que la luz se confina a una línea relativamente estrecha. Los dos extremos del cristal se cortan para formar bordes perfectamente lisos y paralelos, formando un resonador Fabry-Pérot . Los fotones emitidos en un modo de la guía de onda viajan a lo largo de ella y se reflejan varias veces en cada cara del extremo antes de salir. A medida que una onda de luz pasa a través de la cavidad, se amplifica por emisión estimulada , pero también se pierde luz debido a la absorción y a la reflexión incompleta en las facetas del extremo. Finalmente, si la amplificación supera la pérdida, el diodo comienza a emitir láser .

Algunas propiedades importantes de los diodos láser están determinadas por la geometría de la cavidad óptica. Generalmente, la luz se encuentra confinada 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 onda es ancha en comparación con la longitud de onda de la luz, puede admitir múltiples modos ópticos transversales , y el láser se conoce como multimodo . Estos láseres multimodo transversales son adecuados en casos donde se necesita una gran cantidad de potencia, pero no un haz TEM00 pequeño limitado por difracción , como en impresión, activación de productos químicos, microscopía o bombeo de otros tipos de láseres.

En aplicaciones donde se requiere un haz pequeño y enfocado, la guía de ondas debe ser estrecha, del orden de la longitud de onda óptica. De esta manera, solo se admite un modo transversal y se obtiene un haz limitado por difracción. Estos dispositivos de modo espacial único se utilizan para almacenamiento óptico, punteros láser y fibra óptica. Estos láseres pueden admitir múltiples modos longitudinales y, por lo tanto, emitir láser en múltiples longitudes de onda simultáneamente. La longitud de onda emitida es función de la banda prohibida del material semiconductor y de los modos de la cavidad óptica. En general, la ganancia máxima se produce para fotones con energía ligeramente superior a la energía de la banda prohibida, y los modos más cercanos al pico de la curva de ganancia emitirán láser con mayor intensidad. El ancho de la curva de ganancia determinará la cantidad de modos laterales adicionales que también pueden emitir láser, dependiendo de las condiciones de operación. Los láseres de modo espacial único que pueden admitir múltiples modos longitudinales se denominan láseres Fabry-Pérot (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 emisión láser en un láser FP suele ser inestable y puede fluctuar debido a cambios en la corriente o la temperatura.

Los láseres de diodo de modo espacial único pueden diseñarse para operar en un solo modo longitudinal. Estos láseres de diodo de frecuencia única presentan una alta estabilidad y se utilizan en espectroscopia, metrología y como referencias de frecuencia. Los láseres de diodo de frecuencia única se clasifican en láseres de retroalimentación distribuida (DFB) o láseres de reflector de Bragg distribuido (DBR).

Formación del haz láser

Debido a la difracción , el haz diverge (se expande) rápidamente tras salir del chip, típicamente a 30 grados verticalmente y 10 grados lateralmente. Se debe utilizar una lente para formar un haz colimado como el producido por un puntero láser. Si se requiere un haz circular, se utilizan lentes cilíndricas y otros componentes ópticos. En el caso de láseres de modo espacial único, al usar lentes simétricas, el haz colimado adquiere una forma elíptica debido a la diferencia en las divergencias vertical y lateral. Esto se observa fácilmente con un puntero láser rojo . El eje mayor de la elipse es perpendicular al plano del chip.

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

Historia

Nick Holonyak , inventor del primer diodo láser semiconductor de longitud de onda visible.

Tras los tratamientos teóricos de MG Bernard, G. Duraffourg y William P. Dumke a principios de la década de 1960, la emisión coherente de luz de un diodo semiconductor de arseniuro de galio (GaAs) (un diodo láser) fue demostrada en 1962 por dos grupos estadounidenses liderados por Robert N. Hall en el centro de investigación de General Electric [ 5 ] y por Marshall Nathan en el Centro de Investigación IBM TJ Watson . [ 6 ] Ha habido un debate continuo 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 , NY. La prioridad se le da al grupo de General Electric, que presentó sus resultados antes; además, fueron más allá y crearon una cavidad resonante para su diodo. [ 7 ] Inicialmente, Ben Lax del MIT , entre otros físicos destacados, especuló 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 el arseniuro de galio como un buen candidato. El primer diodo láser de longitud de onda visible fue demostrado por Nick Holonyak, Jr. más tarde en 1962; él usó fosfuro de arseniuro de galio . [ 8 ]

Otros equipos del Laboratorio Lincoln del MIT , Texas Instruments y RCA Laboratories también participaron y recibieron el reconocimiento por sus históricas demostraciones iniciales de emisión de luz eficiente y láser en diodos semiconductores en 1962 y años posteriores. Los láseres de GaAs también fueron producidos a principios de 1963 en la Unión Soviética por el equipo dirigido por Nikolay Basov . [ 9 ]

A principios de la década de 1960, Herbert Nelson, de los Laboratorios RCA, inventó la epitaxia en fase líquida (EFL). Mediante la superposición de cristales de la más alta calidad y de composición variable, permitió demostrar durante muchos años la calidad de los materiales semiconductores para láseres de heteroestructura . La EFL fue adoptada por los principales laboratorios del mundo y se utilizó durante muchos años. Finalmente, en la década de 1970, fue reemplazada por la epitaxia de haces moleculares y la deposición química de vapor organometálico .

Los láseres de diodo de aquella época operaban con densidades de corriente umbral de 1000 A/cm² a 77 K. Este rendimiento permitió demostrar la emisión láser continua en sus inicios. Sin embargo, al operar a temperatura ambiente, unos 300 K, las densidades de corriente umbral eran dos órdenes de magnitud mayores, alcanzando los 100 000 A/cm² , en los mejores dispositivos. El principal reto durante el resto de la década de 1960 fue obtener una baja densidad de corriente umbral a 300 K y, de este modo, demostrar la emisión láser continua a temperatura ambiente con un láser de diodo.

Los primeros láseres de diodo fueron diodos de homounión. Es decir, el material (y por lo tanto la banda prohibida) de la capa central de la guía de ondas y la de las capas de revestimiento circundantes eran idénticas. Se reconoció que existía una oportunidad, particularmente gracias al uso de la epitaxia en fase líquida con arseniuro de galio y aluminio , para introducir heterouniones. Las heteroestructuras consisten en capas de cristal semiconductor con banda prohibida e índice de refracción variables. Herbert Kroemer , mientras trabajaba en los Laboratorios RCA a mediados de la década de 1950, reconoció que las heterouniones (formadas a partir de heteroestructuras) presentaban ventajas únicas para varios tipos de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos, incluidos los láseres de diodo. La epitaxia en fase líquida (LPE) proporcionó la tecnología para fabricar láseres de diodo de heterounión. En 1963, propuso el láser de doble heteroestructura .

Los primeros láseres de diodo de heteroestructura fueron láseres de heteroestructura simple. Estos láseres utilizaban inyectores de arseniuro de galio y aluminio de tipo p situados sobre capas de arseniuro de galio de tipo n cultivadas en el sustrato mediante LPE. Una mezcla de aluminio sustituyó al galio en el cristal semiconductor y elevó la banda prohibida del inyector de tipo p por encima de la de las capas de tipo n subyacentes. Funcionó; las corrientes umbral a 300 K se redujeron diez veces, hasta 10 000 A/cm² . Desafortunadamente, esto aún no se encontraba dentro del rango requerido, y estos láseres de diodo de heteroestructura simple no funcionaban en operación de onda continua a temperatura ambiente.

La innovación que superó el desafío de la temperatura ambiente fue el láser de doble heteroestructura. El truco consistía en mover rápidamente la oblea en el aparato LPE entre diferentes fundidos de arseniuro de galio y aluminio ( tipo p y n ) y un tercer fundido de arseniuro de galio. Esto debía hacerse rápidamente, ya que la región central de arseniuro de galio debía tener un  espesor significativamente inferior a 1 μm. El primer diodo láser en lograr el funcionamiento en onda continua fue una doble heteroestructura demostrada en 1970 prácticamente de forma simultánea por Zhores Alferov y colaboradores (entre ellos Dmitri Z. Garbuzov ) de la Unión Soviética , y Morton Panish e Izuo Hayashi, que trabajaban en Estados Unidos. Sin embargo, se acepta generalmente que Alferov y su equipo alcanzaron este hito primero. [ 10 ]

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

Tipos

La sencilla estructura de diodo láser descrita anteriormente es ineficiente. Estos dispositivos requieren tanta energía que solo pueden funcionar en modo pulsado sin sufrir daños. Si bien son importantes desde el punto de vista histórico y fáciles de explicar, no resultan prácticos.

láseres de doble heteroestructura

Diagrama de la vista frontal de un diodo láser de doble heteroestructura; sin escala.

En estos dispositivos, una capa de material de banda prohibida baja se intercala entre dos capas de banda prohibida alta. Un par de materiales comúnmente utilizado es el arseniuro de galio (GaAs) con el arseniuro de galio y aluminio (Al x Ga (1-x) As). Cada una de las uniones entre materiales con bandas prohibidas diferentes se denomina heteroestructura , de ahí el nombre de láser de doble heteroestructura (DH). El tipo de diodo láser descrito en la primera parte del artículo puede denominarse láser de homounión , para diferenciarlo de estos dispositivos más populares.

La ventaja de un láser DH radica en que la región donde coexisten electrones y huecos libres —la región activa— se encuentra confinada a la delgada capa intermedia. Esto significa que muchos más pares electrón-hueco pueden contribuir a la amplificación, en lugar de que queden tantos en la periferia, donde la amplificación es menor. Además, la luz se refleja dentro de la heterounión; por lo tanto, se confina a la región donde tiene lugar la amplificación.

láseres de pozos cuánticos

Diagrama de la vista frontal de un diodo láser de pozo cuántico simple; sin escala.

Si la capa intermedia es lo suficientemente delgada, actúa como un pozo cuántico . Esto significa que la variación vertical de la función de onda del electrón , y por lo tanto un componente de su energía, está cuantizada. La eficiencia de un láser de pozo cuántico es mayor que la de un láser convencional porque la función de densidad de estados de los electrones en el sistema de pozo cuántico presenta un borde abrupto que concentra los electrones en estados de energía que contribuyen a la acción láser.

Los láseres que contienen más de una capa de pozo cuántico se conocen como láseres de pozos cuánticos múltiples . Los pozos cuánticos múltiples mejoran la superposición de la región de ganancia con el modo de guía de onda óptica .

También se han demostrado mejoras adicionales en la eficiencia del láser al reducir la(s) capa(s) de pozos cuánticos a una o varias capas con nanocables cuánticos y, especialmente, con puntos cuánticos .

láseres 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 láser en lugar de la banda prohibida. Esto permite la acción láser a longitudes de onda relativamente largas , que se pueden ajustar simplemente modificando el grosor de la capa. Se trata de láseres de heteroestructura.

láseres de cascada interbanda

Un láser de cascada interbanda (ICL, por sus siglas en inglés) 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 separado

Diagrama de la vista frontal de un diodo láser de pozo cuántico de heteroestructura de confinamiento separado; sin escala.

El problema del diodo de pozo cuántico simple descrito anteriormente es que la capa delgada es demasiado pequeña para confinar la luz eficazmente. Para compensarlo, se añaden dos capas adicionales, además de las tres primeras. Estas capas tienen un índice de refracción menor que las capas centrales y, por lo tanto, confinan la luz eficazmente. 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.

Láseres reflectores de Bragg distribuidos

Un láser de reflector de Bragg distribuido (DBR) es un tipo de diodo láser de frecuencia única. [ 11 ] Se caracteriza por una cavidad óptica que consiste en 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 es selectivo en longitud de onda, de modo que la ganancia se favorece en un único modo longitudinal, lo que resulta en la emisión láser a una única frecuencia resonante. El espejo de banda ancha suele estar recubierto con una capa de baja reflectividad para permitir la emisión. El espejo selectivo en longitud de onda es una rejilla de difracción estructurada periódicamente con alta reflectividad. La rejilla de difracción se encuentra dentro de una región no bombeada, o pasiva, 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 de emisión lateral o VCSEL . Las arquitecturas híbridas alternativas que comparten la misma topología incluyen láseres de diodo de cavidad extendida y láseres de rejilla de Bragg volumétrica, pero estos no se denominan propiamente láseres DBR.

Láseres de retroalimentación distribuida

Un láser de retroalimentación distribuida (DFB) es un tipo de diodo láser de frecuencia única. [ 11 ] 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 p - n del diodo. Esta rejilla actúa como un filtro óptico, lo que provoca que una única longitud de onda se retroalimente a la región de ganancia y genere el láser. Dado que la rejilla proporciona la retroalimentación necesaria para la emisión láser, no se requiere reflexión en las facetas. Por lo tanto, al menos una faceta de un DFB está recubierta con una capa antirreflectante . El láser DFB tiene una longitud de onda estable que se establece durante la fabricación mediante 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.

La corriente umbral de este láser DFB, según su característica estática, es de aproximadamente 11 mA. La corriente de polarización adecuada en régimen lineal podría tomarse en el punto medio de la característica estática (50 mA). Se han propuesto varias técnicas para mejorar el funcionamiento monomodo en este tipo de láseres mediante la inserción de un desplazamiento de fase (1PS) o un desplazamiento de fase múltiple (MPS) en la rejilla de Bragg uniforme. [ 12 ] Sin embargo, los láseres DFB de desplazamiento de fase múltiple representan la solución óptima porque tienen la combinación de una mayor relación de supresión de modos laterales y una reducción del quemado de agujeros espaciales.

Láser de emisión superficial de cavidad vertical

Diagrama de una estructura VCSEL simple; sin escala

Los láseres de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL) tienen el eje de la cavidad óptica alineado con la dirección del flujo de corriente, en lugar de perpendicular a este, 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 fabricados con multicapas de un cuarto de longitud de onda de alto y bajo índice de refracción alternados.

Estos espejos dieléctricos proporcionan una alta reflectancia selectiva en longitud de onda a la longitud de onda superficial 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 , lo que conduce a la interferencia constructiva de todas las ondas parcialmente reflejadas en las interfaces. Pero existe una desventaja: debido a la alta reflectividad de los espejos, los VCSEL tienen potencias de salida más bajas en comparación con los láseres de emisión lateral.

La producción de VCSEL presenta varias ventajas en comparación con el proceso de fabricación de láseres de emisión lateral. Los emisores laterales no se pueden probar hasta el final del proceso de producción. Si un emisor lateral no funciona, ya sea por malos contactos o por una calidad deficiente del material, se habrá desperdiciado tiempo de producción y materiales de procesamiento.

Además, dado que los VCSEL emiten el haz perpendicularmente a la región activa del láser, en lugar de paralelamente como en el caso de un emisor de borde, se pueden procesar decenas de miles de VCSEL simultáneamente en una oblea de arseniuro de galio de tres pulgadas. Asimismo, si bien el proceso de producción de VCSEL requiere más mano de obra y materiales, el rendimiento se puede controlar para obtener un resultado más predecible. Sin embargo, normalmente presentan un nivel de potencia de salida menor.

láser de emisión superficial de cavidad externa vertical

Los láseres de emisión superficial de cavidad externa vertical ( VECSEL ) son similares a los VCSEL. En los VCSEL, los espejos suelen cultivarse epitaxialmente como parte de la estructura del diodo, o bien 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 se encuentra fuera de la estructura del diodo. Como resultado, la cavidad incluye una región de espacio libre. La distancia típica entre el diodo y el espejo externo es de 1  cm.

Una de las características más interesantes de cualquier VECSEL es el reducido espesor de la región de ganancia del semiconductor en la dirección de propagación, inferior a 100  nm. En contraste, un láser semiconductor convencional en el plano implica la propagación de la luz a distancias que van desde 250  μm hasta 2  mm o más. La importancia de esta corta distancia de propagación radica en que minimiza el efecto de las no linealidades de antiguiado en la región de ganancia del láser de diodo. El resultado es un haz óptico monomodo de gran sección transversal, inalcanzable con los láseres de diodo en el plano (de emisión lateral).

Varios investigadores han demostrado el funcionamiento de los VECSEL bombeados ópticamente, y su desarrollo continúa para diversas aplicaciones, incluyendo fuentes de alta potencia para el mecanizado industrial (corte, punzonado, etc.), debido a su excepcional potencia y eficiencia al ser bombeados por barras láser de diodo multimodo. Sin embargo, debido a la ausencia de uniones p - n , los VECSEL bombeados ópticamente no se consideran láseres de diodo , sino que se clasifican como láseres semiconductores.

También se han demostrado dispositivos VECSEL con bombeo eléctrico. Entre las aplicaciones de estos dispositivos se incluyen las pantallas de proyección, que utilizan la duplicación de frecuencia de emisores VECSEL de infrarrojo cercano para producir luz azul y verde.

láseres de diodo de cavidad externa

Los láseres de diodo de cavidad externa (ECDL) son láseres sintonizables que utilizan una cavidad óptica resonante para realimentar la luz al láser. Los primeros láseres de diodo de cavidad externa empleaban etalones intracavitarios [ 13 ] y rejillas de Littrow de sintonización simple [ 14 ] . Otros diseños incluyen rejillas en configuración de incidencia rasante, configuraciones de rejilla de prismas múltiples y configuración de láser de diodo transducido piezoeléctrico [ 15 ] [ 16 ] .

Fiabilidad

Los diodos láser presentan los mismos problemas de fiabilidad y fallos que los diodos emisores de luz . Además, son susceptibles a sufrir daños ópticos catastróficos (COD, por sus siglas en inglés) cuando se utilizan a mayor potencia.

Muchos de los avances en la fiabilidad de los láseres de diodo en los últimos 20 años siguen siendo propiedad intelectual de sus desarrolladores. La ingeniería inversa no siempre permite descubrir las diferencias entre los productos láser de diodo más y menos fiables.

Los láseres semiconductores pueden ser láseres de emisión superficial, como los VCSEL , o láseres de emisión de borde en el plano. Para los láseres de emisión de borde, el espejo de la faceta del borde se suele formar cortando la oblea semiconductora para formar un plano de reflexión 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 los otros planos.

Los estados atómicos en el plano de clivaje se ven alterados en comparación con sus propiedades volumétricas dentro del cristal debido a la terminación de la red perfectamente periódica en dicho plano. Los estados superficiales en el plano de clivaje presentan niveles de energía dentro de la banda prohibida del semiconductor. Por lo tanto, cuando la luz se propaga a través del plano de clivaje y pasa al espacio libre desde el interior del cristal semiconductor, una fracción de la energía luminosa es absorbida por los estados superficiales, donde se convierte en calor mediante interacciones fonón - electrón . Esto calienta el espejo clivado. Además, el espejo puede calentarse simplemente porque el borde del láser de diodo —que se bombea eléctricamente— no está en contacto perfecto con el soporte que proporciona una vía para la disipación del calor.

El calentamiento del espejo provoca que la banda prohibida del semiconductor se reduzca en las zonas más calientes. Esta reducción de la banda prohibida alinea más transiciones electrónicas entre bandas con la energía del fotón, lo que genera una mayor absorción. Este fenómeno se conoce como descontrol térmico , una forma de retroalimentación positiva , y puede provocar la fusión de la faceta, lo que se denomina daño óptico catastrófico (DOC).

En la década de 1970, se identificó este problema, que resulta particularmente molesto para los láseres basados ​​en GaAs que emiten entre 0,630  μm y 1 μm (en menor medida para los láseres basados ​​en InP utilizados para las telecomunicaciones  de larga distancia , que emiten entre 1,3 μm y 2 μm).  

Michael Ettenberg, investigador y posteriormente 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 se elige el espesor adecuado del óxido de aluminio, este actúa como un recubrimiento antirreflectante , reduciendo la reflexión en la superficie. Esto mitigó el calentamiento y la DQO en la faceta.

Desde entonces, se han empleado diversas mejoras. Un método consiste en crear un espejo denominado no absorbente (NAM, por sus siglas en inglés) de manera que los últimos 10  μm aproximadamente, antes de que la luz se emita desde la faceta de clivaje, resulten no absorbentes a 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 fiabilidad. El director ejecutivo, Donald Scifres, y el director de tecnología, David Welch, presentaron nuevos datos de rendimiento de fiabilidad en eventos como las conferencias SPIE Photonics West de la época. Los métodos utilizados por SDL para evitar la detección de defectos de circuito abierto (COD , por sus siglas en inglés) se consideraban altamente confidenciales y, en junio de 2006, seguían sin hacerse públicos.

A mediados de la década de 1990, IBM Research - Ruschlikon, Suiza, anunció que había desarrollado su llamado proceso E2 , que confería una extraordinaria resistencia a la corrosión bajo tensión (COD) en láseres basados ​​en GaAs . Este proceso tampoco se había divulgado hasta junio de 2006.

A pesar de los avances tecnológicos, la fiabilidad de las barras de bombeo de láseres de diodo de alta potencia (utilizadas para bombear láseres de estado sólido) sigue siendo un problema complejo en diversas aplicaciones. De hecho, la física de las fallas en los láseres de diodo aún se está investigando, y la investigación en este campo continúa activa, aunque bajo propiedad intelectual.

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

Aplicaciones

Los diodos láser pueden agruparse para producir potencias de salida muy altas, tanto en onda continua como pulsada. Estas agrupaciones pueden utilizarse para bombear eficientemente láseres de estado sólido para perforación o combustión de alta potencia media y para fusión por confinamiento inercial .

Los diodos láser son numéricamente el tipo de láser más común, con ventas en 2004 de aproximadamente 733 millones de unidades, [ 17 ] en comparación con 131 000 de otros tipos de láseres. [ 18 ]

Telecomunicaciones, escaneo y espectrometría

Los diodos láser se utilizan ampliamente en telecomunicaciones como fuentes de luz fácilmente modulables y acoplables para la comunicación por fibra óptica . Se emplean en diversos instrumentos de medición, como telémetros . Otro uso común es en lectores de códigos de barras . Los láseres visibles , generalmente rojos , pero también verdes , se utilizan habitualmente como punteros láser .

Tanto los diodos de baja como de alta potencia se utilizan ampliamente en la industria de la impresión, tanto como fuentes de luz para el escaneo (entrada) de imágenes como para la fabricación de planchas de impresión de muy alta velocidad y alta resolución (salida).

Los diodos láser infrarrojos y rojos son comunes en reproductores de CD , CD-ROM y tecnología DVD . Los láseres violetas se utilizan en la tecnología HD DVD y Blu-ray . Los láseres de diodo también han encontrado numerosas aplicaciones en la espectrometría de absorción láser (LAS) para la evaluación o el monitoreo de alta velocidad y bajo costo de la concentración de diversas especies en fase gaseosa.

Los diodos láser de alta potencia se utilizan en aplicaciones industriales como el tratamiento térmico, el revestimiento, la soldadura por costura y para el bombeo de otros láseres, como los láseres de estado sólido bombeados por diodos .

Los usos de los diodos láser se pueden clasificar de diversas maneras. Si bien la mayoría de las aplicaciones podrían cubrirse con láseres de estado sólido de mayor tamaño u osciladores paramétricos ópticos, el bajo costo de los diodos láser producidos en masa los convierte en esenciales para aplicaciones de consumo masivo. Los diodos láser se pueden utilizar en una gran variedad de campos; dado que la luz posee muchas propiedades diferentes (potencia, longitud de onda, calidad espectral y del haz, polarización, etc.), resulta útil clasificar las aplicaciones según estas propiedades básicas.

Muchas aplicaciones de los láseres de diodo utilizan principalmente la propiedad de energía dirigida del haz óptico. En esta categoría, se podría incluir:

Algunas de las aplicaciones mencionadas anteriormente 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. [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] La reducción del tamaño y el costo [ 25 ] de las unidades y su creciente facilidad de uso las hacen muy atractivas para los clínicos para procedimientos menores de tejidos blandos.

Las longitudes de onda de los diodos varían de 810 a 1100 nm , son poco absorbidas por los tejidos blandos y no se utilizan para cortar ni ablacionar . [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] El tejido blando no se corta con el haz del láser, sino por contacto con una punta de vidrio carbonizada caliente. [ 28 ] [ 29 ] La irradiación del láser se absorbe en gran medida en el extremo distal de la punta y la calienta hasta 500–900 °C. [ 28 ] Debido a que la punta está tan caliente, se puede utilizar para cortar tejido blando y puede causar hemostasia mediante cauterización y carbonización . [ 28 ] [ 29 ] Los láseres de diodo, cuando se utilizan en tejido blando, pueden causar un daño térmico colateral extenso al tejido circundante. [ 28 ] [ 29 ]

Dado que la luz láser es inherentemente coherente , ciertas aplicaciones aprovechan la coherencia de los diodos láser. Entre ellas se incluyen la medición interferométrica de distancias, la holografía , las comunicaciones coherentes y el control coherente de reacciones químicas.

Los diodos láser se utilizan por sus estrechas propiedades espectrales en áreas como la medición de distancias, las telecomunicaciones, las contramedidas infrarrojas, la detección espectroscópica , la generación de ondas de radiofrecuencia o terahercios, la preparación de estados de relojes atómicos, la criptografía de clave cuántica, la duplicación y conversión de frecuencia, la purificación de agua (en el UV) y la terapia fotodinámica (donde una longitud de onda de luz específica haría que una sustancia como la porfirina se volviera químicamente activa como agente anticancerígeno solo cuando el tejido está iluminado por la luz).

Los diodos láser se utilizan por su capacidad para generar pulsos de luz ultracortos mediante la técnica conocida como bloqueo de modos . Sus aplicaciones incluyen la distribución de reloj para circuitos integrados de alto rendimiento, fuentes de alta potencia pico para la detección por espectroscopia de ruptura inducida por láser, generación de formas de onda arbitrarias para ondas de radiofrecuencia, muestreo fotónico para la conversión analógica-digital y sistemas de acceso múltiple por división de código óptico para comunicaciones seguras.

Fotolitografía sin máscara

Los diodos láser se utilizan como fuente de luz para la fotolitografía sin máscara .

longitudes de onda comunes

Luz visible

Infrarrojo

Véase también

Referencias

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  3. ↑ "Láser semiconductor bombeado ópticamente (OPSL)" , Preguntas frecuentes sobre láseres de Sam.
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Lecturas adicionales

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  • Introducción a los diodos láser
  • Descripción general de los láseres de diodo monomodo disponibles
  • Vídeo que muestra el proceso de ensamblaje de la barra láser. Archivado el 18 de febrero de 2018 en Wayback Machine.
  • Preguntas frecuentes sobre láseres de Sam, por Samuel M. Goldwasser
  • Control de láseres de diodo. EuroPhotonics, agosto de 2004. Archivado el 24 de abril de 2021 en Wayback Machine.
  • Guía de Britney Spears sobre física de semiconductores: Láseres de emisión lateral
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