Definición: LÁSER es un acrónimo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Un diodo láser emite radiación de una sola longitud de onda o, a veces, una banda estrecha de longitud de onda muy espaciada.

Emite luz debido a la emisión estimulada, en esto cuando un fotón incidente golpea un átomo semiconductor, los electrones a un nivel de energía más alto se recombinan con un agujero de nivel de energía más bajo. Debido a esto, se emiten dos fotones, un fotón incidente y otro se emite debido a la recombinación de electrones y agujeros.

Los LED también funcionan con el mismo principio, pero la principal diferencia es la arquitectura interna. Un diodo láser se forma a partir de canales estrechos y actúa como guía de ondas para la luz. Pero los LED se componen de canales anchos.

Debido a su estructura, el diodo láser emite una luz monocromática & coherente (de un solo color). La luz emitida por el diodo láser consiste en una sola longitud de onda, mientras que los LED emiten luz que consta de una amplia banda de longitudes de onda. Por lo tanto, la luz emitida por el LED es incoherente.

Construcción de diodo láser

El diodo láser se compone de dos capas de semiconductores, es decir, tipo P y tipo N. Las capas de semiconductores se componen de GaAs dopados con materiales como selenio, aluminio o silicio. La construcción es la misma que la del LED, excepto que los canales utilizados en el láser son estrechos para producir un solo haz de luz.

Y una diferencia más en un diodo láser es que también está presente una capa intrínseca de GaAs (no dopado). Esta capa se llama capa activa. La capa activa está encerrada por capas de menor índice de refracción. Estos actúan como reflectores ópticos.

Estas capas, junto con la capa activa, forman una guía de ondas para que la luz pueda viajar solo en un único camino en una dirección única y fija. El haz de luz se produce en esta sección. Los contactos metálicos se proporcionan para facilitar el sesgo.

Trabajo de diodo láser

El diodo láser funciona según el principio de que cada átomo en su estado excitado puede emitir fotones si los electrones a un nivel de energía más alto están provistos de una fuente externa de energía.

Básicamente hay tres fenómenos por los cuales un átomo puede emitir energía de luz y que son Absorción, Emisión espontánea & Emisión estimulada.

Absorción

En la absorción, los electrones en niveles de energía más bajos saltan a un nivel de energía más alto, p. ej. de banda de valencia a banda de conducción cuando los electrones están provistos de una fuente externa de energía. Ahora, hay agujeros a un nivel de energía más bajo, es decir, banda de valencia, y electrones a un nivel de energía más alto, es decir, banda de conducción.

Emisión espontánea

Ahora, si los electrones en un nivel de energía más alto son inestables, tenderán a moverse al nivel de energía más bajo para lograr estabilidad. Pero si se mueven de un nivel de energía más alto a niveles de energía más bajos, definitivamente liberarán la energía que será la diferencia de energía entre estos dos niveles. La energía liberada será en forma de luz y, por lo tanto, se emitirán fotones. Este proceso se denomina emisión espontánea.

Emisión estimulada

En la emisión estimulada, los fotones golpean electrones a un nivel de energía más alto y estos fotones se suministran desde una fuente de energía de luz externa. Cuando estos fotones golpean los electrones, los electrones ganan energía y se recombinan con agujeros y liberan un fotón extra. Por lo tanto, un fotón incidente estimula la liberación de otro fotón. Por lo tanto, este proceso se llama emisión estimulada.

Inversión de población

La densidad de electrones a niveles de energía es la población de electrones y está más en la banda de valencia o banda de energía más baja y menos en la banda de conducción o nivel de energía más alto. Si la población de electrones aumenta a un nivel de energía más alto o la vida útil de los estados de energía más altos es larga, entonces la emisión estimulada aumentará. Este aumento de la población a un nivel de energía más alto se denomina inversión de la población.

Y este es el estado requerido para el diodo láser. Más inversión de población más serán los electrones en un estado más alto y meta estable y más será la emisión estimulada. Los fotones emitidos están en la misma fase que los fotones incidentes. Y estos fotones viajan como un solo haz de luz y por lo tanto producen coherencia.

Categorías principales de Diodo láser

Hay dos categorías principales de Diodo láser, es decir, Diodo láser de inyección & Diodo láser semiconductor con bombeo óptico.

1. Diodo láser de inyección: La operación es similar al LED, excepto que los LED están formados por canales anchos de semiconductores, mientras que los diodos láser se forman a partir de canales estrechos. Ya hemos discutido esto en la construcción de diodos láser. En esto, el haz de luz viaja en la guía de onda y el diodo en sí actúa como una guía de onda. El haz de luz se amplifica por emisión estimulada repetida.
2. Láser semiconductor con bombeo óptico: En el láser con bombeo óptico, el diodo láser de inyección actúa como una bomba externa. Los materiales semiconductores del grupo III & V actúan como base. Y la amplificación se logra mediante emisión estimulada.

Ofrece varias ventajas, como la prevención de interferencias causadas por la estructura del electrodo. Además, también proporciona una ventaja de selección de longitud de onda.

Diodo láser Características L-I

La energía de la luz aumenta con el aumento de la corriente del láser, pero depende de la temperatura. Es evidente a partir de la curva que la energía de la luz aumenta después de una corriente láser de umbral particular. Este valor umbral de corriente láser aumenta exponencialmente con la temperatura.

Por lo tanto, a una temperatura más alta, el valor umbral de la corriente láser hasta el cual se genera energía de luz también aumenta. Por lo tanto, es necesario operar el diodo láser hasta el valor umbral de la corriente láser porque por encima de este valor no hay energía de luz. Para tener un funcionamiento confiable, es necesario determinar el valor umbral de la corriente del láser.

Características V-I del diodo láser

El voltaje delantero del diodo láser generalmente es de alrededor de 1,5 V. Aunque el voltaje delantero depende de la temperatura de funcionamiento. La varianza de la corriente en el diodo con el voltaje se puede entender con la ayuda del diagrama siguiente.

Ventajas del diodo láser

1. Dispositivo de bajo consumo de energía.
2. Económico, ya que su costo de fabricación y operación es bajo.
3. Se puede operar durante mucho tiempo.
4. Portátil debido a su pequeño tamaño y arquitectura interna.
5. Altamente confiable y altamente eficiente.

Las desventajas del diodo láser

1. Dependen de la temperatura y, por lo tanto, su funcionamiento se ve afectado por el cambio de temperatura de funcionamiento.
2. No es adecuado para aplicaciones de alta potencia.

Aplicaciones de diodo láser

1. Sistema de comunicación de fibra óptica.
2. Lectores de códigos de barras.
3. Impresión y escaneo láser.
4. Telémetros.
5. En el campo de la medicina en instrumentos quirúrgicos.
6. En reproductores de CD y grabadoras de DVD.

Estas son algunas de las aplicaciones significativas del diodo LÁSER. Entre todas estas aplicaciones, el ámbito más crucial en el que el diodo láser encuentra su aplicación es el sistema de comunicación de fibra óptica.