Diodo Láser: Teoría, Operación, Estructura Y Materiales.

Los diodos láser y los diodos emisores de luz tienen varios elementos en común con respecto a su teoría de funcionamiento. Sin embargo, la teoría de funcionamiento de los diodos láser incorpora más elementos, incorporando procesos adicionales para proporcionar la luz coherente que produce.

Si bien hay muchas formas diferentes de diodo láser, la base de la teoría de funcionamiento del diodo láser es muy similar - los preceptos básicos siguen siendo los mismos, aunque hay varias diferencias menores en la forma en que se aplican...

Fundamentos de la teoría del diodo láser

Hay tres procesos principales en los semiconductores que están asociados con la luz:

• Absorción de la luz: La absorción ocurre cuando la luz entra en un semiconductor y su energía se transfiere al semiconductor para generar electrones libres adicionales y agujeros. Este efecto es ampliamente utilizado y permite que dispositivos como los fotodetectores y las células solares funcionen.
• Emisión espontánea: El segundo efecto conocido como emisión espontánea ocurre en los LEDs. La luz producida de esta manera es lo que se denomina incoherente. En otras palabras, la frecuencia y la fase son aleatorias, aunque la luz se sitúa en una parte determinada del espectro.
• Emisión estimulada: La emisión estimulada es diferente. Un fotón de luz que entra en la red de semiconductores golpeará un electrón y liberará energía en forma de otro fotón de luz. La forma en que esto ocurre libera este nuevo fotón de idéntica longitud de onda y fase. De esta manera se dice que la luz que se genera es coherente.

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La clave para el funcionamiento del diodo láser se produce en la unión de las regiones de tipo p y n altamente dopadas. En una unión p-n normal la corriente fluye a través de la unión p-n. Esta acción puede ocurrir porque los agujeros de la región de tipo p y los electrones de la región de tipo n se combinan.

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Con una onda electromagnética (en este caso la luz) al pasar a través de la unión de los diodos láser se encuentra que se produce el proceso de fotoemisión. Aquí los fotones liberan más fotones de luz se produce cuando golpean los electrones durante la recombinación de los agujeros y los electrones se produce.

Naturalmente, hay una cierta absorción de la luz, que resulta en la generación de agujeros y electrones, pero hay una ganancia general de nivel.

La estructura del diodo láser crea una cavidad óptica en la que los fotones de luz tienen múltiples reflejos. Cuando se generan los fotones sólo un pequeño número es capaz de salir de la cavidad.

De esta manera, cuando un fotón golpea un electrón y permite que se genere otro fotón, el proceso se repite y la densidad del fotón o el nivel de luz comienza a acumularse. Es en el diseño de mejores cavidades ópticas donde se está llevando a cabo gran parte del trabajo actual sobre los láseres. Asegurarse de que la luz se refleja correctamente es la clave del funcionamiento del dispositivo.

Estructura y materiales del diodo láser

Puede parecer que hay muchas similitudes entre un diodo emisor de luz y un diodo láser, los dos son fundamentalmente diferentes desde el punto de vista operacional.

El diodo láser está compuesto por regiones n+ y p+ fuertemente dopadas. Para su fabricación es normal empezar con un sustrato n+ y luego la capa superior puede crecer sobre éste.

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El dopaje puede ser incluido de varias maneras, ya sea por difusión, implantación de iones o incluso depositado durante el proceso de epitaxia. Se pueden utilizar diversos materiales para los diodos láser, aunque los sustratos de inicio más comunes son el arseniuro de galio (GaAs) y el fosfato de indio (InP).

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Estos se conocen como compuestos de tipo III-V por su lugar en la tabla periódica química de elementos. Cualquiera que sea el material utilizado, debe ser posible doparlo fuertemente como un semiconductor de tipo p o n.

Esto descarta la mayoría de los materiales de tipo II-VI, dejando los materiales del grupo III-V como la opción ideal. Aparte de los requisitos básicos de los semiconductores, hay una serie de requisitos ópticos que se necesitan para que el diodo láser pueda funcionar. Necesita un resonador óptico. Esto debe ocurrir en el plano de la salida de luz requerida.

Para lograrlo, las dos paredes del diodo láser que forman el resonador deben ser casi perfectamente lisas, formando una superficie de espejo de la que se pueda reflejar la luz internamente. Una de las paredes se hace ligeramente menos reflectante para permitir que la luz salga del diodo láser.

Otro requisito es que las dos superficies de espejo deben ser perfectamente perpendiculares a la unión, de lo contrario la acción del láser no se produce de forma satisfactoria. Las otras dos superficies perpendiculares a la de la salida de luz requerida se hacen ligeramente rugosas para que la acción del láser no se produzca también en este plano.

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De esta manera se crea una cavidad óptica resonante. Aunque tiene muchas longitudes de onda, sigue actuando como una cavidad resonante.