Funcionamiento del diodo láser y sus aplicaciones

Funcionamiento del diodo láser y sus aplicaciones

La luz blanca natural se compone de todos los colores VIBGYOR del espectro de luz visible, que es una amplia banda ancha de muchas frecuencias diferentes. Los LED ordinarios dan una salida de luz que a menudo consta de un color, pero incluso esa luz contiene ondas electromagnéticas, que cubren una banda de frecuencias bastante amplia. El sistema de lentes que enfoca la luz tiene una distancia focal fija, pero la distancia focal requerida para enfocar varias longitudes de onda (colores) de luz es diferente. Por lo tanto, cada color se enfocará en diferentes puntos, causando una 'aberración cromática'. los luz de diodo láser contiene solo una frecuencia. Por lo tanto, se puede enfocar incluso con un simple sistema de lentes a un punto extremadamente pequeño. No hay aberración cromática ya que solo existe una longitud de onda, también toda la energía de la fuente de luz se concentra en un punto de luz muy pequeño. LASER es un acrónimo de Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation.

Aberración cromática

Aberración cromática

Construcción de diodo láser

La figura anterior muestra una construcción simplificada de un diodo láser, que es similar a un diodo emisor de luz (LED) . Utiliza arseniuro de galio dopado con elementos como selenio, aluminio o silicio para producir tipo P y tipo N materiales semiconductores . Mientras que un diodo láser tiene una capa activa adicional de arseniuro de galio sin dopar (intrínseco), el grosor es de solo unos pocos nanómetros, intercalado entre las capas P y N, lo que crea efectivamente una Diodo PIN (tipo P-Intrínseco-tipo N) . Es en esta capa donde se produce la luz láser.




Construcción de diodo láser

Construcción de diodo láser

¿Cómo funciona el diodo láser?

Cada átomo de acuerdo con la teoría cuántica, puede tener energías solo dentro de un cierto nivel de energía discreto. Normalmente, los átomos están en el estado de energía más bajo o en el estado fundamental. Cuando una fuente de energía dada a los átomos en el estado fundamental puede excitarse para ir a uno de los niveles más altos. Este proceso se llama absorción. Después de permanecer en ese nivel durante un período muy corto, el átomo vuelve a su estado fundamental inicial, emitiendo un fotón en el proceso. Este proceso se llama emisión espontánea. Estos dos procesos, absorción y emisión espontánea, tienen lugar en una fuente de luz convencional.

Principio de acción del láser

Principio de acción del láser

En caso de que el átomo, todavía en un estado excitado, sea golpeado por un fotón exterior que tenga precisamente la energía necesaria para la emisión espontánea, el fotón exterior se incrementa en el cedido por el átomo excitado. Además, ambos fotones son liberados del mismo estado excitado en la misma fase. Este proceso, llamado emisión estimulada, es fundamental para la acción del láser (mostrado en la figura anterior). En este proceso, la clave es que el fotón tenga exactamente la misma longitud de onda que la de la luz a emitir.

Amplificación e inversión de población

Cuando se crean condiciones favorables para la emisión estimulada, cada vez más átomos se ven obligados a emitir fotones, lo que inicia una reacción en cadena y libera una enorme cantidad de energía. Esto da como resultado una rápida acumulación de energía emitiendo una longitud de onda particular (luz monocromática), viajando coherentemente en una dirección fija particular. Este proceso se llama amplificación por emisión estimulada.

El número de átomos en cualquier nivel en un momento dado se llama población de ese nivel. Normalmente, cuando el material no se excita externamente, la población del nivel inferior o estado fundamental es mayor que la del nivel superior. Cuando la población del nivel superior excede a la del nivel inferior, lo cual es una inversión de la ocupación normal, el proceso se denomina inversión de población. Esta situación es fundamental para una acción láser. Para cualquier emisión estimulada.


Es necesario que el nivel de energía superior o el estado estable de met tengan una vida útil prolongada, es decir, los átomos deberían detenerse en el estado estable de met durante más tiempo que en el nivel inferior. Por lo tanto, para la acción del láser, el mecanismo de bombeo (excitación con fuente externa) debe ser de tal modo que mantenga una mayor población de átomos en el nivel de energía superior en relación con la del nivel inferior.

Es necesario que el nivel de energía superior o el estado estable de met tengan una vida útil prolongada, es decir, los átomos deberían detenerse en el estado estable de met durante más tiempo que en el nivel inferior. Por lo tanto, para la acción del láser, el mecanismo de bombeo (excitación con fuente externa) debe ser de tal modo que mantenga una mayor población de átomos en el nivel de energía superior en relación con la del nivel inferior.

Controlar el diodo láser

El diodo láser funciona a una corriente mucho más alta, normalmente unas 10 veces mayor que un LED normal. La siguiente figura compara un gráfico de la salida de luz de un LED normal y la de un diodo láser. En un LED, la salida de luz aumenta constantemente a medida que aumenta la corriente del diodo. En un diodo láser, sin embargo, la luz láser no se produce hasta que el nivel actual alcanza el nivel de umbral cuando comienza a producirse la emisión estimulada. La corriente de umbral es normalmente más del 80% de la corriente máxima que pasará el dispositivo antes de ser destruido. Por esta razón, la corriente a través del diodo láser debe regularse cuidadosamente.

Comparación entre un LED

Comparación entre un LED

Otro problema es que la emisión de fotones depende mucho de la temperatura, el diodo ya está funcionando cerca de su límite y por lo tanto se calienta, por lo que cambia la cantidad de luz emitida (fotones) y la corriente del diodo. Para cuando el diodo láser funcione de manera eficiente, estará al borde del desastre. Si la corriente se reduce y cae por debajo del umbral de corriente, la emisión estimulada cesa con un poco de demasiada corriente y el diodo se destruye.

A medida que la capa activa se llena de fotones oscilantes, parte de la luz (típicamente alrededor del 60%) se escapa en un haz plano y estrecho desde el borde del chip de diodo. Como se muestra en la figura siguiente, algo de luz residual también se escapa por el borde opuesto y se utiliza para activar un fotodiodo , que vuelve a convertir la luz en corriente eléctrica. Esta corriente se utiliza como retroalimentación para el circuito controlador de diodo automático, para medir la actividad en el diodo láser y así asegurarse, controlando la corriente a través del diodo láser, que la salida de corriente y luz permanezca a un nivel constante y seguro.

Controlar el diodo láser

Controlar el diodo láser

Aplicaciones del diodo láser

Los módulos de diodo láser son ideales para aplicaciones como ciencias de la vida, instrumentación industrial o científica. Los módulos de diodos láser están disponibles en una amplia variedad de longitudes de onda, potencias de salida o formas de haz.

Los láseres de baja potencia se utilizan en un número cada vez mayor de aplicaciones familiares, incluidos reproductores y grabadores de CD y DVD, lectores de códigos de barras, sistemas de seguridad, comunicaciones ópticas e instrumentos quirúrgicos.

Aplicaciones industriales: Grabado, corte, trazado, taladrado, soldadura, etc.
Las aplicaciones médicas eliminan tejidos no deseados, diagnóstico de células cancerosas mediante fluorescencia, medicación dental. En general, los resultados con láser son mejores que los resultados con un bisturí.

Diodos láser utilizados para telecomunicaciones: En el campo de las telecomunicaciones, los diodos láser de banda de 1,3 μm y 1,55 μm utilizados como fuente de luz principal para los láseres de fibra de sílice tienen una menor pérdida de transmisión en la banda. El diodo láser con la banda diferente se utiliza para la fuente de bombeo para amplificación óptica o para el enlace óptico de corta distancia.

Por lo tanto, se trata de Construcción de diodo láser y sus usos. Si usted está interesado en construcción de proyectos basados ​​en LED por su cuenta, puede acercarse a nosotros publicando sus consultas o pensamientos innovadores en la sección de comentarios a continuación. Aquí hay una pregunta para usted, ¿Cuál es la función de un diodo láser?