¿Qué es un diodo láser?
¿Qué es un diodo láser?
Definición de diodo láser
Un diodo láser se define como un diodo que puede generar luz láser cuando se excita eléctricamente con corriente. Consta de una unión p-n con una capa intrínseca adicional en el medio, formando una estructura p-i-n. La capa intrínseca es la región activa donde se genera la luz por la recombinación de electrones y huecos.
Las regiones p y n están altamente dopadas con impurezas para crear portadores excesivos, mientras que la capa intrínseca está no dopada o ligeramente dopada para permitir la amplificación óptica. Los extremos de la capa intrínseca están recubiertos con materiales reflectantes, uno totalmente reflectante y otro parcialmente reflectante, para formar una cavidad óptica que atrapa la luz y potencia la emisión estimulada.
La emisión estimulada ocurre cuando un fotón entrante hace que un electrón excitado caiga a un nivel de energía más bajo y emita otro fotón idéntico al entrante en frecuencia, fase, polarización y dirección. De esta manera, el número de fotones en la cavidad aumenta exponencialmente, creando un haz coherente de luz que sale a través del extremo parcialmente reflectante.
La longitud de onda de la luz láser varía con el ancho de banda del material semiconductor y la longitud de la cavidad óptica, lo que permite la emisión a lo largo del espectro electromagnético, desde infrarrojo hasta ultravioleta.
Mecanismo de funcionamiento
Un diodo láser funciona aplicando un voltaje de polarización directa a través de la unión p-n, lo que causa que la corriente fluya a través del dispositivo. La corriente inyecta electrones de la región n y huecos de la región p en la capa intrínseca, donde se recombinan y liberan energía en forma de fotones.
Algunos de estos fotones se emiten espontáneamente en direcciones aleatorias, mientras que otros son estimulados por fotones existentes en la cavidad para emitir en fase con ellos. Los fotones estimulados rebotan entre los extremos reflectantes, causando más emisión estimulada y creando una inversión de población, donde hay más electrones excitados que no excitados.
Cuando la inversión de población alcanza un nivel umbral, se logra una salida láser en estado estacionario, donde la tasa de emisión estimulada es igual a la tasa de pérdida de fotones debido a la transmisión o absorción. La potencia de salida del diodo láser depende de la corriente de entrada y la eficiencia del dispositivo.
La potencia de salida depende de la temperatura del dispositivo; temperaturas más altas disminuyen la eficiencia y elevan la corriente umbral, lo que requiere sistemas de enfriamiento para un rendimiento óptimo.
Tipos de diodos láser
Los diodos láser se clasifican en diferentes tipos según su estructura, modo de operación, longitud de onda, potencia de salida y aplicación. Algunos de los tipos comunes son:
Diodos láser de un solo modo
Diodos láser de múltiples modos
Diodos láser de oscilador maestro amplificador de potencia (MOPA)
Diodos láser de emisión vertical por superficie (VCSEL)
Diodos láser de retroalimentación distribuida (DFB)
Láseres de diodo de cavidad externa (ECDLs)
Aplicaciones de los diodos láser
Almacenamiento óptico
Comunicación óptica
Escaneo óptico
Sensado óptico
Visualización óptica
Cirugía óptica
Ventajas de los diodos láser
Tamaño compacto
Bajo consumo de energía
Alta eficiencia
Larga vida útil
Versatilidad
Desventajas de los diodos láser
Sensibilidad a la temperatura
Retroalimentación óptica
Salto de modos
Costo
Resumen
Un diodo láser es un dispositivo semiconductor que produce luz coherente mediante un proceso de emisión estimulada. Es similar a un diodo emisor de luz (LED), pero tiene una estructura más compleja y un tiempo de respuesta más rápido.
Un diodo láser consta de una unión p-n con una capa intrínseca adicional en el medio, formando una estructura p-i-n. La capa intrínseca es la región activa donde se genera la luz por la recombinación de electrones y huecos.
Un diodo láser funciona aplicando un voltaje de polarización directa a través de la unión p-n, lo que causa que la corriente fluya a través del dispositivo. La corriente inyecta electrones de la región n y huecos de la región p en la capa intrínseca, donde se recombinan y liberan energía en forma de fotones.
Algunos de estos fotones se emiten espontáneamente en direcciones aleatorias, mientras que otros son estimulados por fotones existentes en la cavidad para emitir en fase con ellos. Los fotones estimulados rebotan entre los extremos reflectantes, causando más emisión estimulada y creando una inversión de población, donde hay más electrones excitados que no excitados.
Cuando la inversión de población alcanza un nivel umbral, se logra una salida láser en estado estacionario, donde la tasa de emisión estimulada es igual a la tasa de pérdida de fotones debido a la transmisión o absorción. La potencia de salida del diodo láser depende de la corriente de entrada y la eficiencia del dispositivo.
La longitud de onda de la luz láser depende del ancho de banda del material semiconductor y la longitud de la cavidad óptica. Los diodos láser pueden producir luz en diferentes regiones del espectro electromagnético, desde infrarrojo hasta ultravioleta.
Los diodos láser se clasifican en diferentes tipos según su estructura, modo de operación, longitud de onda, potencia de salida y aplicación. Algunos de los tipos comunes son diodos láser de un solo modo, diodos láser de múltiples modos, diodos láser de oscilador maestro amplificador de potencia (MOPA), diodos láser de emisión vertical por superficie (VCSEL), diodos láser de retroalimentación distribuida (DFB), láseres de diodo de cavidad externa (ECDLs), etc.
Los diodos láser tienen una amplia gama de aplicaciones en diversos campos debido a sus ventajas, como tamaño compacto, bajo consumo de energía, alta eficiencia, larga vida útil y versatilidad. Algunas de sus aplicaciones son almacenamiento óptico, comunicación óptica, escaneo óptico, sensado óptico, visualización óptica y cirugía óptica.
A pesar de sus beneficios, los diodos láser tienen desventajas, incluyendo sensibilidad a la temperatura, retroalimentación óptica, salto de modos y altos costos.
