Los láseres semiconductores son cuánticosgeneradores basados en un medio activo semiconductor, en el que la amplificación óptica se crea por emisión estimulada durante una transición cuántica entre niveles de energía a una alta concentración de portadores de carga en la banda libre.
Láser semiconductor: cómo funciona
En el estado normal, la mayoría de los electronessituado a nivel de valencia. Cuando los fotones suministran energía que excede la energía de la zona de discontinuidad, los electrones semiconductores entran en estado de excitación y, habiendo superado la zona prohibida, pasan a la zona libre, concentrándose en su borde inferior. Al mismo tiempo, los agujeros formados en el nivel de valencia se elevan hasta su límite superior. Los electrones en la zona libre se recombinan con huecos, emitiendo energía igual a la energía de la zona de discontinuidad en forma de fotones. La recombinación puede potenciarse mediante fotones con niveles de energía suficientes. La descripción numérica corresponde a la función de distribución de Fermi.
Dispositivo
El dispositivo láser semiconductor representaes un diodo láser, bombeado por la energía de los electrones y los agujeros en la zona de unión pn, el lugar 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 mediante la absorción de 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 brecha directa.No emite luz de separación indirecta (silicio) con suficiente fuerza y eficiencia. La longitud de onda de la radiación del láser de diodo depende del grado de aproximación de la energía del fotón a la energía de la zona de rotura de un compuesto en particular. En los compuestos semiconductores de 3 y 4 componentes, la energía de la zona de intersticio se puede variar continuamente en un amplio rango. AlGaAs = Alcon elGeorgia1-xComo, por ejemplo, un aumento en el contenido de aluminio (un aumento en x) da como resultado un aumento en la energía de la zona de ruptura.
Mientras que el más comúnLos láseres semiconductores funcionan en la parte del espectro de infrarrojos cercanos, algunos emiten colores rojo (fosfuro de galio-indio), 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 antes mencionados,También se puede utilizar orgánico. La tecnología correspondiente aún está en desarrollo, pero su desarrollo promete reducir significativamente el costo de fabricación de generadores cuánticos. Hasta ahora, 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 parámetros y valor aplicado.
Los pequeños diodos láser producen calidadun haz de radiación de borde, cuya potencia varía de varios a quinientos milivatios. Un cristal de diodo láser es una placa rectangular delgada que sirve como guía de ondas, ya que la radiación está limitada por un espacio pequeño. El cristal está dopado en ambos lados para crear una gran unión pn. Los extremos pulidos crean un resonador óptico Fabry-Perot. Un fotón que pasa a través del resonador provocará una recombinación, la radiación aumentará y comenzará la generación. Se utiliza en punteros láser, reproductores de CD y DVD y comunicaciones de fibra óptica.
Los láseres monolíticos de baja potencia y los generadores cuánticos con una cavidad externa para generar pulsos cortos pueden producir bloqueo de modo.
Láseres semiconductores con resonador externoconsisten en un diodo láser, que desempeña el papel de un medio amplificador en una cavidad láser más grande. Son capaces de cambiar longitudes de onda y tienen una banda de emisión estrecha.
Los láseres semiconductores de inyección tienenla región de radiación en forma de banda ancha, puede generar un haz de baja calidad con una potencia de varios vatios. Consisten en una fina capa activa ubicada entre las capas p y n, formando una doble heterounión. El mecanismo de confinamiento de la luz en la dirección lateral está ausente, lo que da como resultado una elipticidad de la luz de carretera y corrientes de umbral inaceptablemente altas.
Los potentes conjuntos de diodos, que consisten en un conjunto de diodos de banda ancha, son capaces de producir un haz de calidad mediocre con una potencia de decenas de vatios.
Las potentes matrices de diodos 2D pueden generar cientos o miles de vatios de potencia.
Láseres emisores de superficie (VCSEL) emitenun haz de luz de alta calidad con una potencia de varios milivatios perpendicular a la placa. Sobre la superficie de la radiación, se aplican espejos resonadores en forma de capas en ¼ de longitud de onda con diferentes índices de refracción. Se pueden fabricar varios cientos de láseres en un cristal, lo que abre la posibilidad de su producción en masa.
Los láseres VECSEL con suministro de energía óptica y cavidad externa son capaces de generar un haz de buena calidad con una potencia de varios vatios con bloqueo de modo.
Operación de láser semiconductorEl tipo de cascada cuántica se basa en transiciones dentro de las bandas (a diferencia de entre bandas). Estos dispositivos emiten en la región del infrarrojo medio del espectro, a veces en el rango de terahercios. Se utilizan, por ejemplo, como analizadores de gases.
Láseres semiconductores: aplicación y aspectos principales
Se utilizan láseres de diodo de alta potencia, bombeo eléctrico y alta eficiencia a voltajes moderados para suministrar energía a láseres de estado sólido de alta eficiencia.
Los láseres de semiconductores pueden operar en grandesun rango de frecuencia que incluye las porciones del espectro visible, infrarrojo cercano e infrarrojo medio. Se han creado dispositivos que también permiten cambiar la frecuencia de publicación.
Los diodos láser pueden cambiar y modular rápidamente la potencia óptica, que encuentra aplicación en transmisores de fibra óptica.
Estas 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 para transmisión óptica y almacenamiento de datos, sistemas de comunicación coherente;
- en impresoras láser, proyectores de vídeo, punteros, lectores de códigos de barras, lectores 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 purificación de agua, procesamiento de materiales, bombeo de láseres de estado sólido, control de reacciones químicas, en clasificación industrial, ingeniería mecánica industrial, sistemas de encendido, sistemas de defensa aérea.
Salida de pulsos
La mayoría de láseres semiconductores generanhaz continuo. Debido al corto tiempo de residencia de los electrones en el nivel de conductividad, no son muy adecuados para generar pulsos de conmutación Q, pero el modo de funcionamiento cuasi-continuo puede aumentar significativamente la potencia del generador cuántico. Además, los láseres semiconductores se pueden utilizar para generar pulsos ultracortos con bloqueo de modo o conmutación de ganancia. La potencia media de los pulsos cortos suele limitarse a unos pocos milivatios, con la excepción de los láseres VECSEL con bombeo óptico, cuya salida se mide en pulsos de picosegundos de varios vatios con una frecuencia de decenas de gigahercios.
Modulación y estabilización
La ventaja de una estancia cortaEl electrón en la banda de conducción es la capacidad de los láseres semiconductores para la modulación de alta frecuencia, que en los láseres VCSEL supera los 10 GHz. Esto ha encontrado aplicación en la transmisión óptica de datos, espectroscopia y estabilización láser.
