Trabajo 11 - Jose Gallardo

OPTOELECTRÓNICA: Trabajo 11

FOTOEMISORES (2ª parte) Introducción al diodo láser: Láser es un acrónimo que viene de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, algo así como “amplificación de luz por emisión estimulada de radiación”. Es una fuente de luz que se caracteriza por su coherencia, monocromaticidad y direccionalidad. Debido a esta direccionalidad permite alcanzar intensidades de energía muy altas en áreas muy pequeñas, aspecto decisivo en muchas de sus aplicaciones industriales. Tiene varias características especiales como son: 

Es una luz monocromática, es decir, que se emite en una longitud de onda concreta.



Presenta coherencia, se emite en el mismo momento. Esto indica que todas sus ondas van en fase.



Es direccional, es decir, se transmite en forma de una haz muy fino sin divergencia.



Es altamente brillante, o de gran densidad fotónica.



Capacidad de enfoque.

La radiación láser está basada en la emisión estimulada, que consiste en la generación de fotones de características iguales a las de uno incidente y que es el proceso dominante cuando se da la condición de inversión de población (más población en los niveles altos de energía que en los bajos) en los niveles implicados en la generación de luz. En caso contrario se impone la emisión espontánea, en la que cada fotón emitido tiene características diferentes. Puesto que esa inversión de población no se produce de modo natural, es necesario provocarla por medios externos. Eso es lo que se conoce como bombeo. Puede hacerse con otra fuente de luz, corriente eléctrica, reacciones químicas, etc. Un bombeo suficiente y la presencia de un resonador o cavidad (aunque ésta no es estrictamente necesaria) permiten que se produzca la emisión láser en materiales muy distintos. Los elementos de un láser son el medio activo, el sistema de bombeo y la cavidad óptica. El medio activo es aquél en el que se produce la inversión de población que origina la emisión láser. El sistema de bombeo es el que permite conseguir esa inversión de población. La función de la cavidad es lograr que la radiación permanezca el tiempo suficiente en el medio activo para que pueda amplificarse a niveles adecuados. Existen láseres sin cavidad en los cuales la emisión se produce en un sólo paso de la luz a través del medio activo.

En los fotones emitidos en un LED no hay ninguna relación entre ellos, cada uno se emite sin correlación alguna con los parámetros de los otros, cada uno tiene su energía su dirección y sentido y su fase independientemente de los parámetros de los demás fotones, sin embargo en un láser hay una emisión coherente y en ésta cuando un fotón se emite, tiene una correlación muy fuerte con los demás en todos los parámetros que se acaban de citar. Esto es debido a lo que se llama emisión estimulada.

José Gallardo Calderón – 44.132

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Emisión estimulada y espontánea Los electrones de un material se encuentran en determinados niveles de energía permitidos. Para pasar de un nivel a otro el átomo debe adquirir la energía que le falta si se trata de un nivel superior, o perder la que le sobra si es un nivel inferior. Esa ganancia o pérdida de energía puede lograrse mediante la interacción con un campo electromagnético (transición radiativa), o por otros métodos, como colisiones con otros electrones o iones (transiciones no radiativas). En los procesos radiativos el electrón absorbe o emite un fotón y cambia de estado energético. El proceso de emisión es más complicado que el de absorción porque pueden darse dos posibilidades: 

Emisión espontánea. Puesto que los niveles de energía excitados son intrínsecamente inestables, al cabo de cierto tiempo, que puede ser muy corto o muy largo dependiendo del tipo de átomo y los niveles implicados, el electrón se desexcitará al nivel fundamental emitiendo un fotón de energía igual a la diferencia entre los niveles. Este proceso es el más habitual en las fuentes de radiación convencionales.



Emisión estimulada: La presencia de radiación de frecuencia adecuada en las cercanías del átomo puede inducir el decaimiento al nivel inferior y en ese caso la radiación emitida tiene las mismas características que la que la ha estimulado. El fotón emitido es idéntico en frecuencia, dirección y fase al incidente. Claramente, éstas son características del láser, que, como su propio nombre indica, está basado en la emisión estimulada.

Conseguir radiación láser no es fácil, la emisión estimulada es un proceso que difícilmente se impone a la espontánea porque tiene que competir con la absorción. El número de emisiones estimuladas es proporcional a la cantidad de electrones que estén en el correspondiente estado excitado. El número de absorciones es proporcional a la cantidad de electrones que estén en el nivel fundamental. Se trata de lograr que haya más electrones en el nivel superior que en el inferior, lo que se conoce como inversión de población. La fórmula para obtener la relación que hay entre el número de los fotones emitidos de cada tipo es:


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Siendo τsp el número de fotones generados por emisión espontánea y τst el de los generados estimuladamente.

La dificultad está en conseguir inversión de población. Sabemos que en equilibrio térmico, la densidad de electrones en un estado de energía ϵi viene dada aproximadamente por la distribución de MaxwellBoltzmann:

Cuanto mayor sea la energía de un estado, menos electrones habrá en dicho estado. Si pensamos en dos estados de energías ϵ1 y ϵ2, la relación entre sus ocupaciones será:

así que si ϵ2>ϵ1, en equilibrio térmico el estado 2 estará siempre menos poblado que el 1. La inversión de población debe alcanzarse por tanto en una situación fuera de equilibrio, que se logra con el bombeo.

La estructura del láser: la cavidad óptica La cavidad láser, también llamado resonador, es un elemento muy importante porque en ella se produce la realimentación necesaria para que la intensidad de la luz emitida sea alta. Además, de su forma y longitud dependen la estructura espacial y temporal del haz. Una situación en la que exista inversión de población no basta para producir haces muy directivos, ya que cada ente excitado emite en direcciones distintas y no correlacionadas. Para extraer energía eficientemente de un medio con inversión de población y producir un haz láser, se necesita una cavidad resonante que ayude a formar/amplificar la emisión estimulada por realimentación (reflejando parte de la emisión en el medio láser).


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OPTOELECTRÓNICA: Trabajo 11 La cavidad resonante potencia la emisión láser consistente en colocar dos espejos enfrentados en los dos extremos del emisor, uno de ellos semitransparente. La radiación oscila entre uno y otro, descargando cada vez más átomos, hasta que al adquirir suficiente intensidad sale al exterior por el espejo semitransparente. Una cavidad láser no es una cavidad lineal de tipo Fabry-Perot con los espejos infinitos de forma que se puede suponer que el campo en su interior es una onda plana (en realidad, una onda estacionaria debido a la interferencia entre las ondas que viajan en sentidos opuestos). Las cavidades láser son, por supuesto, finitas y además la forma de los espejos suele ser curva.

Se denomina ganancia a la cantidad de emisión estimulada que un fotón puede generar cuando viaja una cierta longitud. Si la ganancia es muy alta se puede prescindir del resonador. En caso de que la ganancia no sea tan alta, el efecto de los espejos hace que se estimule más radiación en la dirección perpendicular a los espejos y si uno de los espejos es semitransparente se llega a un equilibrio entre la potencia que sale y la que está resonando. En un láser funcionando en modo continuo, debe cumplirse que

Amplificación = Pérdidas + Potencia emitida En principio, aquellas radiaciones cuya longitud de onda sea un divisor del doble de la longitud del resonador,

Nλ = 2L serán fuertemente amplificadas. Aunque esta condición parece muy restrictiva, hay que considerar que la acción láser presentará una cierta anchura de línea, ∆λ, debido a: 

La curva de ganancia del medio activo presenta una cierta anchura espectral, L, centrada en torno a la longitud de onda central, λ



Las diferentes longitudes de onda que pueden resonar en la cavidad están muy próximas unas de otras puesto que el sistema medio activo–resonador amplificará aquellas longitudes de onda separadas una distancia

λF = λ2/2L o, en términos de la frecuencia, aquellas que estén separadas

νF = c/2L La primera expresión se obtiene a partir de la segundo, considerando que en general ∆λ = (λ2/c)Dν). Según se muestra en la figura, varias resonancias de la cavidad pueden ajustarse dentro de la anchura espectral de una láser típico.


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Esto implica que el haz láser producido por una cavidad simple no es puramente monocromático. El diseño de la cavidad y de la óptica de salida determinará por tanto las características del rayo láser (anchura de banda, ∆ν, tamaño, divergencia, distribución de luz, etc...). Cabe señalar que un resonador de espejos planos no es muy conveniente ya que un posible pequeño desalineamiento entre sus espejos redundaría en unas pérdidas de potencia importantes. El uso de espejos curvos ayudaría a mantener la luz en el medio láser, constituyendo así un resonador estable. La óptica de la cavidad resonante del láser puede ayudar también a seleccionar una determinada longitud de onda. Para ellos puede usarse una óptica que presente menos pérdidas en la longitud de onda deseada o bien puede usarse una rejilla de difracción en el espejo.

La anchura de línea del láser dependerá, por tanto, de cuántos modos resonantes sean finalmente amplificados por el sistema láser. Si sólo se emite un modo resonante, entonces ∆λ = δλ; si se amplifican dos modos resonantes, ∆λ ≈ λF; y si se amplifican muchos modos resonantes, entonces ∆λ ≈ Λ. Tipos de cavidades láser A continuación se repasan las ventajas y desventajas de distintos tipos de cavidades usadas en láseres reales. 

Cavidad plano-paralela Formada por dos espejos planos perpendiculares al eje del láser, tiene la ventaja de que usa todo el volumen del medio activo, lo que la hace útil para láseres pulsados que necesitan la máxima energía posible, y además no hay enfoque del haz dentro del medio, lo que evita daños en los elementos ópticos internos en láseres de alta potencia. Como contrapartida, al ser marginalmente estable tiene muchas pérdidas por difracción y es muy sensible a desalineamiento, lo que la convierte en muy difícil de utilizar.


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

Circular concéntrica Formada por dos espejos esféricos cóncavos iguales de radio R = L/2, enfoca el haz en el punto central de la cavidad y sus propiedades son justo las opuestas de la plano-paralela. Tiene la ventaja de sufrir pérdidas muy bajas por difracción y muy fácil de alinear por ser poco sensible a desalineamiento. Por contra, usa un volumen muy reducido del medio activo y puede provocar daños en la zona del foco si la energía es muy alta. Por ello se usa en cavidades de bombeo de láseres continuos de colorante en los que el líquido va pasando a través de la región de enfoque.



Confocal Es un término medio entre la plana y la concéntrica. La forman dos espejos cóncavos idénticos de radios iguales a su distancia de separación. De este modo, el foco de los dos espejos está en el centro de la cavidad. Es una de las cavidades más utilizadas por ser poco sensible a desalineamiento, tener pérdidas de difracción bajas, no concentrar demasiado la energía y usar el volumen del medio activo de forma razonable.

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Cavidad con radios de curvatura mayores que la longitud Es aún mejor que la confocal por ser absolutamente estable y presentar propiedades parecidas: sensibilidad a desalineamiento y pérdidas por difracción medianas, enfoque no muy grande y buen uso del volumen del medio activo.

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Hemisférica Tiene un espejo plano y otro esférico cóncavo de radio igual a la separación. Sus propiedades son parecidas a las de la cavidad circular, es decir, baja sensibilidad a fallos de alineamiento y pérdidas por difracción bajas. La energía se concentra mucho en la superficie del espejo plano, por lo que no se usa en láseres de gran potencia, pero sí en casi todos los de He-Ne. La ventaja añadida de esta cavidad es que el espejo plano es mucho más barato que uno esférico.


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Semicóncava con radio grande Idéntica a la anterior pero con el radio de curvatura del espejo esférico mayor que la distancia entre espejos. Sus propiedades son similares a las de la confocal pero con el espejo plano que supone un ahorro.

Resonadores inestables No siempre la mejor opción para un láser es un resonador estable. De hecho, estos tienen algunas desventajas en lo que se refiere a la obtención de potencias altas, puesto que al estar la energía de los modos concentrada en una zona muy pequeña no se usa todo el medio activo. Los resonadores inestables, por su parte, tienen distribuciones de campo mucho más extensas y pueden aprovechar mejor todo el medio activo. La calidad de un haz de un resonador inestable será en general peor que la de uno estable, pero puede mantenerse en niveles suficientes.

Descripción del funcionamiento de un Láser −9

A menudo, los estados excitados tienen tiempos de vida media muy cortos (del orden de 10 s) y se desprenden de su energía mediante emisiones espontáneas. Debido al principio de incertidumbre, ∆Eδt ∼ h, un tiempo de vida medio muy corto implica una gran anchura energética. Debe tenerse en cuenta que una situación estacionaria de inversión de población implica que el nivel láser superior debe poblarse con más rapidez que la razón de decaimiento de la población. Por tanto, para mantener la inversión de población, se necesitarían estados excitados con tiempos de vida media largos (y a su vez poca anchura energética). Estos estados se denominan metaestables y presentan un tiempo de vida media del orden de −3 10 s (este tiempo de vida media “corto” se debe usualmente a que presentan poca probabilidad de emisión en la forma dominante de radiación de dipolo eléctrico y alta probabilidad en formas menos dominantes de dipolo magnético o cuadripolo eléctrico). Debe tenerse en cuenta que una situación estacionaria de inversión de población implica que el nivel láser superior debe poblarse con más rapidez que la razón de decaimiento de la población. Los dos primeros esquemas que se usaron para producir láser, presentaban la siguiente disposición:


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OPTOELECTRÓNICA: Trabajo 11 Láser de 3 niveles: Según se muestra en la figura, el nivel fundamental de energía es a su vez el nivel láser inferior, el nivel energético superior es un estado excitado de vida media muy corta y el nivel energético inferior es un estado metaestable que actúa como nivel láser superior. Para producir la inversión de población, muchos átomos deben ser excitados al nivel superior, requiriendo esta situación mucha energía. Además, parte de la radiación láser puede ser absorbida para excitar alguno de los numerosos átomos que permanece en el estado fundamental. Este es básicamente el esquema del primer láser (láser de rubí) que realizó T. Maiman en 1960. Normalmente los láseres que presentan este esquema energético operan en modo pulsado.

Láser de 4 niveles: La siguiente figura muestra cómo el esquema de cuatro niveles puede mejorar algunos de los inconvenientes de los láseres de 3 niveles. En particular, nótese que se puede obtener una acción láser efectiva con sólo un 2% de la población en el nivel láser superior y un 1% en el nivel láser inferior. Además, si el nivel láser inferior presentara una vidamediamenor que el nivel láser superior, esto significaría un constante vaciado del nivel láser inferior que ayuda a mantener la inversión de población. Por otra parte, la emisión estimulada no puede ser absorbida por los átomos que están en el estado base. Este esquema energético es el que presenta, por ejemplo, el láser de gas de He-Ne.


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Características del láser Corriente umbral Esta característica es fundamental, indica a partir de que corriente el diodo láser va a cambiar de emisión espontánea a estimulada y por tanto cuando va a ser útil. Esta corriente umbral está lejos de ser una constante, de hecho tiene una variación acusada con la temperatura de la unión. Típicamente en las hojas de características se tiene una representación de la potencia óptica emitida en función de la corriente, lo que permite extraer esta corriente umbral, a su vez esta evolución se presenta para varias temperaturas para dar una idea de los márgenes en que se mueve este parámetro. De la misma forma en la figura b se puede ver la evolución de la Ith en función de la temperatura directamente.

Característica tensión-corriente Al hablar de un diodo, la curva I-V será la típica de tal dispositivo, con una tensión umbral que dependerá del ancho de banda prohibida (mayor para menor longitud de onda), debido a las grandes variaciones de comportamiento que tiene este dispositivo con la temperatura esta curva nos vendrá para varios valores de temperatura.


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OPTOELECTRÓNICA: Trabajo 11 Longitud de onda de emisión La longitud de onda en un láser es su principal seña de identidad pero tampoco es una constante, esta varía con muchos parámetros pero principalmente con la temperatura (figura b) y con la potencia óptica de emisión (figura a). Esta última es proporcional a la corriente de excitación.

Control de la potencia óptica de salida Como la potencia óptica de salida no depende linealmente de la corriente de excitación, principalmente debido a la variación de la corriente umbral, hay que buscar un método fiable para medir esta potencia óptica. Para ello se tiene un fotodiodo de referencia que (se compra un láser, éste viene junto a diho fotodiodo en la misma carcasa para poder medir la potencia óptica emitida) y además tienen una corriente de salida que es directamente proporcional a la potencia óptica que les llega. En la figura b anterior se aprecia la respuesta lineal del fotodiodo de referencia a la potencia óptica del láser, esto nos permitirá saber en cada momento qué valor tiene esta última sin interrumpir el haz.


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Láser de semiconductor: El láser semiconductor suele denominarse diodo láser debido a que se basa en las propiedades físicas de la unión de dos semiconductores dopados tipo p y n, al igual que los diodos de rectificación eléctrica. También se conocen estos láseres con el nombre de láseres de inyección debido a que el procedimiento de bombeo más usado consiste en la inyección de portadores de carga en la unión pn. Las dimensiones de un láser de diodo son pequeñas, incluso menores que un milímetro. Dos de las superficies perpendiculares a la unión se mantienen rugosas para disminuir la reflexión y evitar la emisión en esas direcciones. Las otras dos se pulen y actúan como espejos, favoreciendo la amplificación. De esta manera, la propia estructura actúa como cavidad, sin necesidad de espejos externos. Esto es así porque los semiconductores tienen índices de refracción bastante altos que hacen que la reflectividad en la superficie medio-aire sea de un 30-40%. La diferencia entre un láser semiconductor y un LED es puramente de funcionamiento. En el LED la inversión no es suficientemente grande como para que se imponga la emisión estimulada, y tienen características de emisión incoherente. Normalmente no tienen pulidas las caras y por ello no hay gran realimentación. Basta con hacer esto y aumentar la corriente para que un LED pase a funcionar como láser. Por supuesto, si la corriente es demasiado fuerte, el material sufrirá daños y la radiación emitida disminuirá drásticamente. La salida de un láser de diodo suele tener múltiples modos longitudinales debido al carácter de banda de los niveles de energía. Sin embargo, al ser la cavidad muy pequeña, estos modos están muy separados. Entre estos modos es posible seleccionar uno de ellos por medio de varios mecanismos. El perfil espacial del haz no es gaussiano o redondeado sino más bien alargado, debido a la difracción en la dirección perpendicular a la unión. En esa dirección el haz se abre en ángulos de decenas de grados. En la opuesta “sólo” lo hace unos 10º. Este tipo de haz es muy difícil de controlar y por ello poco útil y esa es una de las mayores desventajas de este tipo de láseres. Los láseres semiconductores pueden trabajar tanto en continuo como pulsados. En este último caso el tamaño de los pulsos está controlado por la pulsación de la corriente de entrada. Un régimen habitual es el de “casi continuo”, con pulsos de unos 100 microsegundos. Este régimen es muy útil para bombear otros láseres. Entre las ventajas de estos láseres están su alta eficiencia, el pequeño tamaño y bajo peso, consumo escaso y la capacidad de ser excitados por fuentes de bajo voltaje. Todo ello les ha llevado a ser muy usados en aplicaciones como lectores de discos compactos, impresoras o telecomunicaciones. La longitud de onda de un láser semiconductor, salvo efectos térmicos, está definida por la anchura del gap. En los más comunes, como el de AlGaAs, el gap está en la frontera entre el rojo y el infrarrojo y la mayoría se mueven en esa zona. Otro tipo de semiconductores, como el PbSnSe emiten en la zona del infrarrojo lejano, entre 8 y 10 micras. Sin embargo, para muchas aplicaciones es deseable un láser de longitud de onda más corta y por eso en los últimos años se ha investigado mucho en láseres de diodo verde y azul, habiéndose llegado a buenos resultados con materiales como el ZnSe, que emite en torno a 500 nm, o el GaN, cerca de 400 nm. Las estructuras de los láseres semiconductores pueden ser (y son) más complicadas que un simple diodo. Normalmente existen varias capas de materiales distintos (heterouniones). Estas heterouniones favorecen el confinamiento de la luz por la diferencia de índices entre los materiales. Tampoco todos emiten por el borde de la unión sino que los hay de emisión superficial (emiten perpendicularmente a la unión), ventajosos puesto que se pueden empaquetar muchos en áreas muy pequeñas. Otros láseres semiconductores importantes son los de pozo cuántico, hechos con capas de semiconductores tan finas (20 nm) que los electrones están confinados en una zona del orden del tamaño de su función de onda en el material. Debido a ese confinamiento los niveles de energía se ven muy modificados, siendo estrechos y no de tipo banda.


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Láser de Fabry-Perot Un oscilador óptico estará constituido por un medio amplificador y una estructura que proporciona realimentación positiva. Una forma sencilla de proporcionar la realimentación requerida es mediante una cavidad Fabry-Perot, que estará constituida por dos espejos separados una distancia L, siendo el material comprendido entre los mismos el medio de propagación. La cavidad se forma al embutir la heteroestructura entre dos espejos, es paralela al plano de la unión pn y está físicamente localizada en la zona activa del semiconductor La reflexión tiene lugar debido a la discontinuidad entre el medio semiconductor y el aire.

El espectro de emisión de un láser Fabry-Perot se consigue a partir del producto de la curva espectral de ganancia que compone su medio activo y del espectro periódico de la cavidad Fabry- Perot. Sólo aquellos modos cuya ganancia supera el valor de ganancia umbral son emitidos por el láser.


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Láser de homounión No proporcionan un confinamiento óptico óptimo ya que los índices de refracción de las diversas capas 2 2 eran muy parecidos. Esto exigía unas densidades de corrientes umbrales muy altas, IU/cm ∼ 50000 A/cm , que daban lugar a muchas pérdidas por calor (lo cual exigía trabajar a temperaturas de Helio líquido T ∼ 77 K) y poca vida media de los dispositivos.

Láser de heterounión Las capas presentan distintos índices de refracción, de forma que esto crea un efecto guía de onda (similar al de la fibra óptica) que confina la luz en la capa activa. Además, si las capas adyacentes poseen bandas energéticas prohibidas de mayor anchura se reducirá sustancialmente la absorción por portadores libres. 2 Este tipo de láseres puede ya funcionar en modo continuo a temperatura ambiente al ser IU / cm ∼ 2000 – 2 4000 A/cm , IU ∼ 1,2 A. El esquema con el que se realizan actualmente la mayoría de los diodos láser comerciales consiste en una modificación de la heteroestructura anterior. Esta estructura proporciona confinamiento lateral para la luz, lo que reduce la corriente umbral hasta IU ∼ 60 mA. Usando esta estructura, es posible fabricar sobre el mismo sustrato semiconductor, muchos láseres paralelos tipo-tiras y así conseguir potencias de hasta 10 vatios en modo continuo.


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OPTOELECTRÓNICA: Trabajo 11 Láseres guiados por ganancia   

Pueden ser de homouniones pero con las heterouniones se tienen mejores prestaciones, sobre todo porque se reduje la corriente umbral. La concentración de portadores inyectados en la capa activa crea un índice de refracción virtual, con un perfil lateral que realiza el confinamiento en ese plano. Los espejos que delimitan la cavidad transversalmente están formados por dos planos de exfoliación con tratamientos superficial.

Láseres guiados por índice de refracción    

También se les conoce como de “heteroestructura empotrada”. Es un dispositivo de tecnología de cinta, con estracutura más complicada y por lo tanto, más costosos. Además del confinamiento debido a la heteroestructuras, fuerza otro confinamiento lateral, restringiendo la extensión de la capa activa. El índice de refracción de las paredes de confinamiento debe ser menor que el de la zona activa.


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OPTOELECTRÓNICA: Trabajo 11 Laser de Realimentación Distribuida (DFB)   

Consiste en añadir una red de difracción en la capa activa elevando la selectividad del dispositivo. Utilizan cubrimientos anti-reflectivos en los extremos. Son ampliamente utilizados ya que son similares en lo que a capas de confinamiento se refiere pero no poseen espejos, en su lugar se emplea una red de difracción de Bragg o de variaciones periódicas del índice de refracción.

Pozos cuánticos Un tipo de confinamiento distinto basado en fenómenos cuánticos se ha conseguido mediante el uso de capas de material muy finas (∼ 10 nm) que se comportan respecto a los electrones como un pozo cuántico. La idea básica del pozo cuántico se consigue al intercalar una capa muy fina con una banda prohibida de anchura pequeña entre capas gruesas con anchuras de banda prohibida mayores. Los electrones que pasan por esta configuración de bandas pueden ser capturados en el pozo cuántico. Estos electrones capturados tienen suficiente energía para permanecer en la Banda de Conducción del material que forma la fina capa de pequeña anchura de banda prohibida pequeña, pero no para entrar en la capa de mayor anchura de banda prohibida. Si los pozos cuánticos se colocan en una unión pn de un diodo láser, permiten concentrar en capas muy finas los electrones y huecos, consiguiendo una eficaz recombinación de éstos que disminuye considerablemente la intensidad umbral. Además, dado que las capas de confinamiento tienen diferentes índices de refracción, también posibilitan el confinamiento de luz.


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Aplicaciones de los Láseres de semiconductor Las posibles aplicaciones del láser pueden dividirse en varias categorías. Una de las más usuales consiste en distinguir la acción de los láseres de baja potencia de aquellos de alta potencia. En la presente sección se expondrán únicamente algunas de las aplicaciones de los láseres de baja potencia. Generalmente, se denomina baja potencia a cantidades menores que un vatio, bajo la suposición de que el haz láser no afecta destructivamente a los objetos que ilumina. Es interesante señalar que en muchas de las posibles aplicaciones de láser, éste se emplea básicamente como una bombilla de muy alta eficacia. Algunas de las características diferenciadoras de los láseres de baja potencia respecto a otras posibles fuentes de luz son: 

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Láseres producen luz bien controlada que puede ser focalizada con precisión sobre una minúscula región de un objeto. Este hecho tiene multitud de aplicaciones, por ejemplo en contadores, lectores de códigos de barras, lectores de CD, discos magnetoópticos, etc.. Al focalizarse la luz sobre una pequeña región, se pueden conseguir altas densidades de potencia, que pueden usarse para un calentamiento selectivo de pequeñas regiones. Debido a la alta directividad de los rayos láser, éstos pueden definir líneas rectas. Esta propiedad se usa para el diseño de posicionadores y punteros. La luz láser posee normalmente un estrecho rango de longitudes de onda, siendo este hecho altamente aprovechado en espectroscopía. La alta coherencia que presentanmuchos láseres es aprovechada para la holografía y fundamentalmente para metrología. Los láseres pueden generar pulsos extremadamente cortos, siendo esto muy útil para la transmisión de datos. Láseres de He-Ne y de inyección producen potencias muy constantes en modo continuo durante miles de horas de uso. Los diodos láser son muy compactos y baratos. Dado que los diodos láser puedes ser modulados directamente a altas velocidades mediante cambios en la corriente de alimentación, son muy usados en la transmisión de datos.

Aplicaciones del láser de inyección Debido a las peculiaridades del láser de inyección (tamaño reducido, bajo coste, modulación directa...), éste se ha convertido con diferencia en el láser más popular, siendo actualmente usado en millones de lectores de discos ópticos (en equipos de música, computadores, vídeos,...) y en la mayoría de los sistemas de alimentación de fibras ópticas para transmisión de datos. 

Discos ópticos; Lectura de datos para computadores El funcionamiento básico de lectura de un CD-ROM se muestra en la figura, donde puede verse como la luz de un diodo láser es focalizada sobre una diminuta región de un disco que gira rápidamente. La superficie del disco está cubierta con minúsculas partículas, con diferente reflectividad que el fondo del disco, de acuerdo a un cierto patrón de bits de datos. La luz láser reflejada por el disco es enfocada sobre un detector que genera una señal eléctrica en forma de una serie de pulsos correspondientes al patrón de datos registrado en el disco. Debido a que el haz del diodo láser puede ser enfocado sobre una región que cubre aproximadamente un diámetro de una longitud de onda, esto significa que el uso de diodos láser 2 de λ = 780 nm permite que cada una de las marcas del disco debe cubrir aproximadamente 1 μm . De este modo, un CD-ROM de 12 cm de diámetro permite almacenar ∼ 600 MBytes, incrementándose varios cientos de veces la densidad de almacenamiento de datos con respecto a los anteriores discos magnéticos flexibles. La focalización a distinta profundidad permite igualmente el uso de discos ópticos multicapas, dando así lugar a un incremento adicional muy importante de la cantidad de información que se puede almacenar.


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OPTOELECTRÓNICA: Trabajo 11 Dado que los diodos láser son muy pequeños y pueden ser montados en la cabeza lectora, esto permite un acceso a la información muy rápido (si se dispone de un software de control adecuado) con independencia de donde esté localizada en el disco. Por otra parte, los diodos láser requieren poca potencia para su funcionamiento, siendo además esta potencia del mismo orden que la que se usa en los dispositivos electrónicos, aumentando así la compatibilidad entre la parte electrónica y la óptica.

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Discos magneto-ópticos; Almacenamiento y Lectura de datos para computadores El mayor inconveniente de los CD-ROM proviene de su carácter de memoria de sólo lectura. Las intensas investigaciones realizadas para conseguir discos de alta densidad de almacenamiento de datos y con posibilidad de ser regrabados por el usuario han resultado en el desarrollo del disco magneto-óptico. La diferencia fundamental de este disco con respecto al CD-ROMconsiste en una cubierta de un material parcialmente transparente con propiedades ferrimagnéticas. Este material manifiesta una magnetización neta a temperatura ambiente que puede ser modificada por encima de cierta temperatura (temperatura de Neel) cuando está en la fase paramagnética. Tal como se muestra en la figura, el aumento de temperatura local de una pequeña región del disco se consigue mediante el haz focalizado de un diodo láser. Una vez que se ha alcanzado la temperatura adecuada, la pequeña región es magnetizada en la dirección impuesta por un electroimán. Nótese que la grabación de datos es puramente magnética, pero debido a que la magnetización se realiza en dirección normal al disco y que se pueden magnetizar regiones muy localizadas, se consiguen unas densidades de almacenamiento de datos muy altas.


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OPTOELECTRÓNICA: Trabajo 11 La lectura del disco magneto-óptico se realiza mediante un procedimiento similar al del CD-ROM, aunque en este caso se usa el hecho de que la refracción de un haz polarizado en un material magnetizado produce un haz reflejado cuya polarización sufre una variación que depende de la dirección de magnetización del material refractante. Detectando, por tanto, los estados de polarización del haz reflejado por la cubierta magnetizada del disco y registrando estos estados en pulsos eléctricos se consigue recobrar el patrón de datos grabado previamente de forma magnética.

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Comunicaciones por fibra óptica Actualmente las fibras ópticas se han convertido en el soporte físico dominante en las telecomunicaciones de larga distancia punto a punto. Los LEDs pueden excitar los sistemas de fibra óptica cuando la transmisión se realiza a corta distancia (por ejemplo, en un mismo edificio) pero se necesitan fuentes más monocromáticas para las comunicaciones de larga distancia, usándose para este cometido como fuentes estándar los diodos láser, debido a: 2

 Diodo láser emite en un área de unos pocos μm ; lo cual es ideal para acoplarse bien con el diminuto núcleo de la fibra óptica (∼ 10 μm).  Es muy compacto y opera con los mismos niveles de tensión e intensidad que los dispositivos electrónicos convencionales. El esquema básico de transmisión se muestra en la figura. La señal que alcanza el transmisor genera una corriente que pasa a través de un láser semiconductor. La señal es una serie de pulsos eléctricos que genera una correspondiente serie de pulsos luminosos en el diodo láser. El láser 4 emite los pulsos directamente al núcleo de la fibra óptica, siendo transmitida por ésta (hasta ∼ 10 km) a un receptor lejano. Allí, un detector de luz convierte los pulsos luminosos en pulsos eléctricos.


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