Què és un díode llaser?
Què és un diode làser?
Definició de diode làser
Un diode làser es defineix com un diode que pot generar llum làser quan s'excita elèctricament amb corrent. Consisteix en una junta p-n amb una capa intrínseca addicional al mig, formant una estructura p-i-n. La capa intrínseca és la regió activa on es genera la llum per recombinació d'electrons i forats.
Les regions p i n estan altament dopades amb impuretes per crear portadors excès, mentre que la capa intrínseca no està dopada o està lleugerament dopada per permetre l'amplificació òptica. Les extremitats de la capa intrínseca estan revestides amb materials reflectants, un totalment reflectant i l'altre parcialment reflectant, per formar una cavetat òptica que reté la llum i augmenta l'emissió estimulada.
L'emissió estimulada ocorre quan un fotó entrant provoca que un electró excitat caigui a un nivell d'energia inferior i emeti un altre fotó idèntic al que entra en freqüència, fase, polarització i direcció. Així, el nombre de fòtons a la cavetat augmenta exponencialment, creant un raig coherent de llum que surt a través de l'extrem parcialment reflectant.
La longitud d'ona de la llum làser varia amb el forat de banda del material semiconductor i la longitud de la cavetat òptica, permetent emissió a través de l'espectre electromagnètic, des de l'infraroig fins a l'ultraviolat.
Mecanisme d'operació
Un diode làser funciona aplicant un voltatge de polarització directa a través de la junta p-n, el que provoca que la corrent flueixi a través del dispositiu. La corrent injecta electrons de la regió n i forats de la regió p a la capa intrínseca, on es recombinen i alliberen energia en forma de fòtons.
Alguns d'aquests fòtons són emissos espontàniament en direccions aleatòries, mentre que d'altres són estimulats pels fòtons existents a la cavetat per emissió en fase amb ells. Els fòtons estimulats reboten entre les extremitats reflectants, causant més emissió estimulada i creant una inversió de població, on hi ha més electrons excitats que no excitats.
Quan l'inversió de població arriba a un nivell de llindar, s'aconsegueix una sortida làser estacionària, on la taxa d'emissió estimulada és igual a la taxa de pèrdua de fòtons deguda a la transmissió o absorció. La potència de sortida del diode làser depèn de la corrent d'entrada i l'eficiència del dispositiu.
La potència de sortida depèn de la temperatura del dispositiu; temperatures més altes disminueixen l'eficiència i augmenten la corrent de llindar, necessitant sistemes de refredament per a un rendiment òptim.
Tipus de diodes làser
Els diodes làser es classifiquen en diferents tipus segons la seva estructura, mode d'operació, longitud d'ona, potència de sortida i aplicació. Alguns dels tipus més comuns són:
Diodes làser de mode únic
Diodes làser de múltiples modes
Diodes làser amplificador de potència d'oscil·lador maestro (MOPA)
Diodes làser emissor de superfície de cavetat vertical (VCSEL)
Diodes làser de retroalimentació distribuïda (DFB)
Lasers de diode de cavetat externa (ECDLs)
Aplicacions de diodes làser
Emmagatzemament òptic
Comunicació òptica
Escaneig òptic
Senyalització òptica
Visualització òptica
Cirurgia òptica
Avantatges dels diodes làser
Mida compacta
Baix consum d'energia
Alta eficiència
Longa vida útil
Versatilitat
Inconvenients dels diodes làser
Sensibilitat a la temperatura
Retroalimentació òptica
Salt de modes
Cost
Resum
Un diode làser és un dispositiu semiconductor que produeix llum coherenta a través d'un procés d'emissió estimulada. És similar a un diode emissor de llum (LED), però té una estructura més complexa i un temps de resposta més ràpid.
Un diode làser consisteix en una junta p-n amb una capa intrínseca addicional al mig, formant una estructura p-i-n. La capa intrínseca és la regió activa on es genera la llum per recombinació d'electrons i forats.
Un diode làser funciona aplicant un voltatge de polarització directa a través de la junta p-n, el que provoca que la corrent flueixi a través del dispositiu. La corrent injecta electrons de la regió n i forats de la regió p a la capa intrínseca, on es recombinen i alliberen energia en forma de fòtons.
Alguns d'aquests fòtons són emissos espontàniament en direccions aleatòries, mentre que d'altres són estimulats pels fòtons existents a la cavetat per emissió en fase amb ells. Els fòtons estimulats reboten entre les extremitats reflectants, causant més emissió estimulada i creant una inversió de població, on hi ha més electrons excitats que no excitats.
Quan l'inversió de població arriba a un nivell de llindar, s'aconsegueix una sortida làser estacionària, on la taxa d'emissió estimulada és igual a la taxa de pèrdua de fòtons deguda a la transmissió o absorció. La potència de sortida del diode làser depèn de la corrent d'entrada i l'eficiència del dispositiu.
La longitud d'ona de la llum làser depèn del forat de banda del material semiconductor i la longitud de la cavetat òptica. Els diodes làser poden produir llum en diferents regions de l'espectre electromagnètic, des de l'infraroig fins a l'ultraviolat.
Els diodes làser es classifiquen en diferents tipus segons la seva estructura, mode d'operació, longitud d'ona, potència de sortida i aplicació. Alguns dels tipus més comuns són diodes làser de mode únic, diodes làser de múltiples modes, diodes làser amplificador de potència d'oscil·lador maestro (MOPA), diodes làser emissor de superfície de cavetat vertical (VCSEL), diodes làser de retroalimentació distribuïda (DFB), lasers de diode de cavetat externa (ECDLs), etc.
Els diodes làser tenen una àmplia gamma d'aplicacions en diversos camps gràcies als seus avantatges com la mida compacta, el baix consum d'energia, l'alta eficiència, la longa vida útil i la versatilitat. Algunes de les seves aplicacions són l'emmagatzemament òptic, la comunicació òptica, l'escaneig òptic, la senyalització òptica, la visualització òptica i la cirurgia òptica.
Malgrat els seus avantatges, els diodes làser tenen inconvenients com la sensibilitat a la temperatura, la retroalimentació òptica, el salt de modes i els costos elevats.
