La palabra LASER corresponde al acrnimo en ingls de las palabras

LASER DE SEMICONDUCTORES
La palabra LASER corresponde al acrónimo en inglés de las palabras que definen este tipo
de radiación, y que son Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, es decir luz
amplificada por la emisión estimulada de radiación.
Son muchas las líneas de investigación que han favorecido los avances en esta tecnología.
Por un lado el desarrollo militar, y por otro el industrial, han ido abarcando su utilización a
muchos niveles, existiendo en la actualidad más de un centenar de tipos distintos de emisores
láser.
Los láseres se pueden dividir en varios grupos, de acuerdo con diferentes criterios:
1. El estado de la materia del medio activo: sólido, líquido, gas, o plasma.
2. El rango espectral de la longitud de onda del láser: espectro visible, espectro Infra-Rojo
(IR), etc.
3. El método de excitación (bombeo) del medio activo: bombeo óptico, bombeo eléctrico,
etc.
4. Las características de la radiación emitida por el láser.
5. El número de niveles de energía que participan en el proceso láser.
SISTEMA LASER
El láser es un sistema similar a un oscilador electrónico.
Un sistema láser provisional consta de un medio activo, un mecanismo de excitación
(feedback), retroalimentación óptica (espejos), y un acoplador de salida. Como se muestra en
la siguiente figura.
El medio activo
Es una parte muy importante del láser ya que el material usado como medio activo determina:
1.
2.
3.
4.
La Longitud de Onda del Láser.
El método de bombeo más adecuado.
Orden de magnitud de la salida del láser.
El rendimiento del sistema láser.
El medio activo determina muchas de las propiedades del láser, tal es así, que el nombre
de cada láser deriva del nombre del medio activo.
Láseres que dependen de su medio activo.
Láseres de Gas
Láseres de estado sólido
Láser de Diodo (Láser de Semiconductor, Láser de Inyección)
Láser de Colorante (Líquido) .
LASER DE SEMICONDUCTOR
Los materiales semiconductores son aquellos que a temperaturas muy bajas se comportan
como aislantes, es decir, no conducen la electricidad, pero que cuando la temperatura aumenta
por encima de un cierto valor se convierten en muy buenos conductores. Algunos materiales
semiconductores son por ejemplo el silicio, el germanio y el selenio. Los materiales
Semiconductores los dividiremos en dos lo semiconductores extrínsecos y los intrínsecos.
MATERIAL INTRINSECO
Se le llama así al cristal del semiconductor que es químicamente puro, y que además no
presenta defectos en su red cristalina. A 0°k no existen portadores de carga libres, y el
semiconductor se comporta como un aislante, pero al incrementarse la temperatura empiezan
a generar pares electrón - hueco.
Estos pares electrón - hueco se generan al romperse los enlaces entre los átomos.
Igualmente puede ocurrir aniquilaciones de pares electrón hueco cuando un electrón de la
banda de conducción hace una transición a la banda de valencia y ocupa un estado vacío
(hueco), este proceso es denominado recombinación.
En la siguiente figura se muestra lo descrito anteriormente con un modelo de enlace
covalente para el silicio:
EL SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO
En una muestra semiconductora de este tipo existen tanto electrones como huecos. El
incremento de temperatura hace que se rompan los enlaces y que los electrones vaguen
libremente por toda la red cristalina.
MECANISMO DE CONDUCCIÓN INTRÍNSECA
Al aplicarle a la una muestra semiconductora una excitación externa, se logra un flujo
ordenado de los electrones y de los huecos.
Son los electrones libres los que realmente se mueven, pero el sentido de la corriente
eléctrica, por convenio, se toma sentido contrario.
MECANISMO DE CONDUCCION EXTRÍNSECA
El semiconductor extrínseco se obtiene de mezclarlo con elementos del grupo IIIA o VA del
sistema periódico. A este proceso se le denomina dopaje del semiconductor extrínseco.
EL DOPAJE CON ELEMENTOS DEL GRUPO IIIA DEL SISTEMA PERIÓDICO se hace
regularmente con aluminio (Al), con galio (Ga) o con indio (In). Estas impurezas aportan tres
electrones para lograr los enlaces, por eso se denominan aceptores. Los semiconductores
dopados con estos elementos reciben el nombre de " Material tipo p " y en ellos existen más
huecos que electrones.
Al establecer un campo eléctrico en una muestra de este tipo, son los huecos los que
funcionan como puente para los electrones que se desplazan de la región de menor potencial a
la de mayor potencial dando origen a la corriente eléctrica.
EL DOPAJE CON ELEMENTOS DEL GRUPO VA DEL SISTEMA PERIÓDICO se hace
regularmente con fósforo (P), con antimonio (Sb) o con arsénico (As). Estas impurezas aportan
cuatro electrones para formar los enlaces, por eso se denominan dadores. Los
semiconductores dopados con estos elementos reciben el nombre de " Material tipo n " y en
ellos existen más electrones que huecos. Los materiales de este tipo se comportan como los
metales, pues requieren de poca energía para conducir corrientes eléctricas, esto se debe al
exceso de electrones provocado por las impurezas.
Tanto en el proceso intrínseco como en el extrínseco, no intervienen los cambios de la
temperatura porque, como ya se ha dicho, existe un exceso de portadores en los materiales
dopados y esto hace que la resistividad sea baja comparada con la del material intrínseco.
BANDAS DE VALENCIA Y DE CONDUCCIÓN EN UN SEMICONDUCTOR
Los electrones que tienen los átomos de un sólido van ocupando las bandas permitidas,
una vez que se ocupa una banda los electrones restantes, si es que los hay, empiezan a
ocupar la siguiente banda permitida.
En un sólido, el espectro de energía forma bandas tanto permitidas como prohibidas.
Hay varias posibilidades, una de ellas es que los átomos de una sustancia vayan llenando
las capas permitidas y que todavía queden electrones que al empezar a ocupar la última banda
permitida no la llenen completamente. Los electrones que estén en la última banda incompleta
podrán desprenderse de los átomos con mucha facilidad, por tanto, podrán conducir muy bien
electricidad y la sustancia es, en consecuencia, un buen conductor de electricidad. A las
bandas que se ocupan completamente se les llama bandas de valencia y a las que se ocupan
parcialmente se les llama de conducción.
También puede ocurrir que una vez llena la banda de valencia, ya no haya más electrones,
con lo que la banda de conducción queda vacía y el material no conduce, es decir, es un
aislante.
Una tercera posibilidad, es que aunque ocurra lo anterior, la diferencia de energía entre la
banda de valencia y la de conducción no sea muy grande, y los electrones puedan pasar a esta
última al recibir la energía suficiente. Este sería el caso de los materiales semiconductores.
Cuando aumenta la temperatura o se hace incidir luz sobre estos materiales, los electrones
de la banda de valencia adquieren energía suficiente para saltar a la banda de conducción,
dejando un hueco en la primera.
Bandas de energía en un material sólido.
Para mejorar aún más la conducción en los materiales semiconductores, se les introducen
impurezas, átomos similares que pueden tener un electrón menos (tipo p) o un electrón más
(tipo n). Este proceso se denomina dopaje. La conductividad eléctrica del semiconductor se
aumenta sustancialmente si se le añaden impurezas de cualquiera de los dos tipos en partes
por millón. Una consecuencia importante es que en semiconductores con impurezas el número
de electrones que conducen electricidad puede ser controlado.
Las propiedades de conductividad de la unión pn dependen de la dirección del voltaje, de
manera que así se puede controlar el uso del dispositivo.
En la figura siguiente vemos gráficamente las bandas de conducción y de valencia para
materiales semiconductores tipo n y tipo p.
Acción Láser en un Láser de Semiconductor
Cuando un semiconductor tipo "p" se asocia a un semiconductor tipo "n ", tenemos una:
Unión p-n
Esta unión conduce la electricidad en una dirección preferencial (polarizado hacia
adelante). Este aumento direccional de la conductividad es el mecanismo habitual para todos
los diodos y los transistores en electrónica.
En la figura 6.22 se visualizan las bandas de energía de una unión p-n ideal cuando no se
aplica
ningún
voltaje
externo.
Esta disposición de las bandas en la unión, es la base de la acción del láser diodo.
Figura 6.22: Niveles de energía en una unión p-n cuando no se aplica un voltaje externo.
El nivel de máxima energía ocupado por electrones se denomina nivel de Fermi.
Cuando el contacto positivo de la fuente de voltaje se une a la parte p de la unión p-n, y el
contacto negativo se conecta a la parte n, la corriente fluye a través de la unión p-n. Esta
conexión se denomina Voltaje polarizado hacia adelante.
Cuando se conecta la polaridad inversa, esta conexión es llamada Voltaje de polarización
posterior, y esto provoca un aumento del potencial de barrera entre la parte p y la parte n. Ello
dificulta el flujo de corriente a través de la unión p-n.
APLICACIÓN DE VOLTAJE A LA UNIÓN P-N
Cuando se aplica un voltaje sobre la unión p-n, cambia la población de las bandas de
energía. Puede aplicarse el voltaje a la unión en dos configuraciones posibles:
Voltaje polarizado hacia adelante - significa que el polo negativo de la fuente de voltaje está
conectado a la parte "n" de la unión, y la parte positiva está conectada al semiconductor tipo "
p", como se muestra en la figura
Banda de energía de una unión p-n en la cuál se aplica un voltaje polarizado hacia adelante.
El voltaje polarizado hacia adelante genera portadores de carga extra en la unión,
disminuye el potencial de barrera, y provoca la inyección de los portadores de la carga, a través
de la unión, hasta otro sitio.
Cuando un electrón de la parte "n" de la banda de conducción, es inyectado a través de la
unión a un hueco vacío de la banda de valencia en la parte "p", se produce un proceso de
recombinación (de un electrón más un hueco). Como resultado del proceso de recombinación,
se libera energía.
Para los láseres de diodo interesan los casos específicos en los que esta energía se libera
en forma de radiación láser. Se produce un aumento sostenido de la conductividad cuando el
voltaje polarizado hacia adelante es aproximadamente igual a la separación de energía del
semiconductor.
Voltaje Inverso (hacia atrás) - el cuál provoca un aumento del potencial de barrera de la
unión, y disminuye la posibilidad de que un electrón cruce la unión hasta otro lado.
Aumentando el voltaje inverso hasta valores elevados (decenas de voltios), puede producirse
una ruptura del voltaje de la unión (avalancha)...
Radiación de Salida de un Láser de Diodo
La figura 6.25 describe la forma de la radiación electromagnética láser de un láser simple
de diodo construido en capas.
Figura 6.25: Perfil de la radiación de un láser simple de diodo.
La radiación proviene de la forma rectangular de una capa muy delgada, y se dispersa con
diferentes ángulos en 2 direcciones.
Después se describirán las estructuras especiales que permiten confinar la capa activa a
una pequeña región, y controlar la forma del perfil de la radiación láser.
Resumen de los Láseres de Diodo hasta este punto:
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El transporte de carga en un láser de diodo semiconductor se produce por los
electrones libres en la banda de conducción, y los huecos positivos en la banda de
valencia.
En una unión p-n, los electrones pueden "caer" a los huecos, los cuales tienen estados
de energía más bajos.
La corriente pasa a través de la unión p-n de un diodo láser, por medio de los dos tipos
de transportadores de carga (electrones y huecos), para "combinarse" juntos en la
unión, a través de un proceso de Recombinación. Esta energía se dispersa en forma
de fotones de luz.
La energía de un fotón es aproximadamente igual a la energía de separación de las
bandas de energía.
El salto de energía (gap) está determinado por la composición química del láser de
diodo, y por la estructura cristalina.
Curva del Láser de Diodo
Si la condición de "Inversión de Población " (que se requiere para la acción láser) no existe,
los
fotones
se
emiten
por
emisión
espontánea.
Estos fotones se emiten aleatoriamente en todas las direcciones, lo que es la base de
operación de un diodo emisor de luz (LED).
La
condición
de
inversión
de
población
depende
del
bombeo.
Incrementando la corriente que se inyecta a la unión p-n, se llega a una corriente umbral que
cumple esta condición.
En la figura 6.26 se muestra un ejemplo de la potencia de salida de un láser de diodo en
función de la corriente inyectada.
Figura 6.26: Potencia de salida de un láser de diodo en función de la corriente de entrada.
Como se ve claramente, la pendiente de esta gráfica en la emisión estimulada (láser) es
mucho
mayor
que
la
pendiente
en
la
emisión
espontánea
(LED).
Este experimento puede realizarse fácilmente en el laboratorio, y un ejemplo de instrucciones
I-V
LAB
.
de
laboratorio
se
puede
encontrar
haciendo
clic
en
La corriente umbral para acción láser está determinada por el punto de corte de la tangente de
la gráfica para emisión estimulada con el eje de la corriente (este punto está muy próximo al
punto de cambio en la pendiente).
Cuando la corriente umbral es baja, se pierde menos energía en forma de calor, y se
transmite más energía como radiación láser (aumenta el rendimiento del láser). En la práctica,
el parámetro importante es la densidad de corriente, lo que se mide en unidades de Amperios
por centímetro cuadrado [A/cm2] de la sección perpendicular a la unión.
Dependencia de los parámetros del láser de diodo con la temperatura
Uno de los problemas de los láseres de diodo es el aumento de la corriente umbral para la
acción
láser
al
aumentar
la
temperatura
(µ
T3).
El funcionamiento del láser de diodo a baja temperatura requiere corrientes bajas.
Conforme la corriente fluye a través del diodo, se va generando calor.
Si la disipación de calor no es adecuada, la temperatura del diodo aumenta, y al corriente
umbral requerida también aumenta.
Uno de los problemas básicos de los diodos láser es el aumento del umbral de corriente con la
temperatura. Los operativos a bajas temperaturas requieren bajas corrientes. A medida que la
corriente fluye por el diodo, se genera calor. Si la disipación no es la adecuada, la temperatura
aumenta, con lo que aumenta también el umbral de corriente.
Los cambios en la temperatura provocan cambios en la longitud de onda emitida por el láser de
diodo. En la figura 6.27 se ilustra el cambio de la longitud de onda con la temperatura. En otras
palabras un aumento gradual de la longitud de onda al aumentar la temperatura, hasta que se
produce un salto a otro modo longitudinal. Este salto se denomina "Modo de Salto"
Figura 6.27: Cambio de la longitud de onda del láser de diodo con la temperatura.
Debido a las variaciones de temperatura, se necesitan diseñar estructuras especiales para los
láseres de diodo, para poder lograr radiación láser continúa de alta potencia.
Diferentes Estructuras de los Láseres de Diodo
Una típica construcción de la capa activa es en forma de una franja estrecha (Geometría de
Línea), confinada por los dos lados (por arriba y por abajo) con otro material. Esta familia de
láseres de diodo se denomina Láseres basados en índice.
Ejemplos de diferentes estructuras láser para el confinamiento de la luz láser a una región específica.
Empaquetado del Láser de Diodo
Los tamaños miniaturizados de los láseres de diodo, requieren de un empaquetado
especial que permita usarlos cómodamente.
Hay muchos tipos de ensamblajes, pero el estándar es similar al de un transistor, e incluye
los colimadores ópticos básicos para producir un haz aprovechable (véase la figura 6.29).
Figura 6.29a: Empaquetado de un Láser de Diodo comercial.
Figura 6.29b: Sección Perpendicular del Ensamblaje de un láser de Diodo comercial.
Los diodo láser son muy pequeños un diodo comercial ya empaquetado mide de diez a
veinticinco milímetros aporoximadamente como se ve en la siguiente figura.
Ventajas de los láseres de diodo:
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Rendimiento muy alto (más del 20% de la energía suministrada es emitida como
radiación láser).
Alta fiabilidad.
Tiempo de vida muy largo (¡se estima que más de 100 años de operación continúa!)
Precio muy barato - Los láseres de diodo se fabrican utilizando técnicas de producción
a gran escala utilizadas en la industria electrónica.
Posibilidad de realizar la modulación directa de la radiación emitida, controlando la
corriente eléctrica a través de la unión p-n. La radiación emitida es función lineal de la
corriente y puede llegar a una velocidad de modulación de decenas de GHz (!).
Pequeño peso y volumen.
Corriente umbral muy baja.
Bajo consumo de energía.
Bandas espectrales estrechas, las cuales pueden ser de unos pocos kiloHerzios en
láseres de diodo especiales.
Un sistema experimental, utilizando fibras ópticas de modo sencillo, transmite la
información a una velocidad de 4 [GHz], lo cuál es equivalente a la transmisión
simultánea de alrededor de 50,000 llamadas telefónicas en una fibra (cada llamada
ocupa una banda de frecuencia de 64 [KB/s]).
Desventajas a los laseres diodo:
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Una baja potencia a consecuencia de las bandas de energía ocupadas por los
electrones.
Una alta sensibilidad a los cambios de temperatura.
•
Alto calentamiento al pasar corriente sobre el material diodo.
•
Poca colimación en el as obtenido.
A pesar de las desventajas el láser de semiconductores es el segundo mas vendido
después del láser He-Ne por sus usos en computadoras, impresoras, medios de comunicación,
tratamientos médicos, etc.
Bibliografía.
http://www.bme.es/schneider/espanol/d1.htm
http://www.mupe.org/elect/ley/semi.html
http://www.um.es/LEQ/laser/Ch-6/F6s3p3.htm
http://www.photonicproducts.com/espanol/products/receptacled_laser_diodes/rec_telecomms.htm
http://www.lasersystems.com.mx/pdf/bases_cientificas.pdf