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¿Qué es un Diodo Láser y Cómo Funciona?

diodo laser

El diodo láser se utiliza hoy en día en muchos ámbitos de la industria electrónica.

Los diodos láser están muy consolidados, y constituyen un medio rentable y fiable de desarrollar la luz láser. Conocidos como láseres semiconductores (también llamados láseres de diodo o láseres de inyección)

Dado que los diodos láser se prestan para ser utilizados en muchas áreas de la electrónica, desde el CD, DVD y otras formas de almacenamiento de datos hasta los enlaces de telecomunicaciones, la tecnología del diodo láser ofrece un medio muy conveniente para desarrollar la luz coherente.

En este artículo obtendrá información sobre los tipos de encapsulado, sus aplicaciones, ¿Cómo funciona el diodo laser? y algunas especificaciones del diodo láser.

Contenido

¿Qué es un Diodo Láser?

Un diodo láser es un dispositivo láser semiconductor muy similar, tanto en su forma como en su funcionamiento, a un diodo emisor de luz (LED).

El término láser se originó como un acrónimo: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (En español: Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación). Por tanto, un láser es un dispositivo que emite luz mediante un proceso de amplificación óptica basado en las emisiones estimuladas de radiación electromagnética.

El diodo láser es eléctricamente equivalente a un diodo PIN. Un diodo PIN es un diodo con una amplia región semiconductora intrínseca no dopada, intercalada entre un semiconductor de tipo p y un semiconductor de tipo n. Tanto la región de tipo p como la de tipo n suelen estar muy dopadas.

diodo pin
Representación de un diodo PIN.

La «región activa» del diodo láser se encuentra en la región i (intrínseca). Los electrones y los huecos (es decir, los portadores) se bombean a la región i desde las regiones n y p, respectivamente. La siguiente imagen muestra un diodo láser con el empaque recortado. El chip del diodo láser real es el pequeño chip negro de la parte delantera; en la parte posterior se utiliza un fotodiodo para controlar la potencia de salida.

diodo laser recortado
Un diodo laser recortado.

Los diodos láser, en comparación con los LED, tienen tiempos de respuesta mucho más rápidos y pueden enfocar su radiación a un área tan pequeña como 1µm de diámetro.

Símbolo del Diodo Laser

El símbolo del diodo láser utilizado en los diagramas de circuitos suele ser el mismo que se utiliza para los diodos emisores de luz.

diodo laser simbolo
Símbolo en circuito de diodos láser

Cuando se utilizan en un circuito, se suelen denominar diodos láser para distinguirlos de otras formas de diodos emisores de luz.

Tipos de Empaques

Los diodos láser están disponibles en varios tipos de empaques. A continuación se muestran algunos ejemplos:

Empaque de diodo laser TO5 (9 mm)
Empaque de diodo laser TO5 (9 mm)
Empaque de diodo laser TO3
Empaque de diodo laser TO3
Paquete de diodo laser con montaje en C
Paquete de diodo laser con montaje en C
Empaque de carga de alta temperatura
Empaque de carga de alta temperatura

Construcción del Diodo Láser

La figura siguiente muestra la construcción básica de un diodo láser:

diodo laser construccion

Se forma dopando aluminio o silicio al material de arseniuro de galio para generar una capa de tipo n y otra de tipo p. Junto con esto, se coloca una capa activa adicional de GaAs sin dopar entre las dos capas.

El grosor de esta capa activa es de unos pocos nanómetros. El objetivo de intercalar esta capa entre las capas de tipo p y n es aumentar el área de combinación de electrones y agujeros. De este modo, se incrementa la radiación emitida. La salida del láser se obtiene de la región activa del diodo láser.

En los diodos láser, el pulido en los dos extremos de la unión se realiza para proporcionar una superficie similar a un espejo. A través de la reflexión de esta superficie, se producen más pares de electrones y agujeros. Como resultado, se produce más radiación a través del dispositivo.

Materiales de los Diodos Láser y sus Longitudes de Onda de Radiación

La variedad de materiales semiconductores permite cubrir amplias regiones espectrales. En particular, hay muchos compuestos semiconductores ternarios y cuaternarios, en los que la energía de la banda prohibida puede ajustarse en un amplio rango simplemente variando los detalles de la composición. Por ejemplo, un mayor contenido de aluminio (aumento de x) en AlxGa1-xAs provoca un aumento de la energía de la banda prohibida y, por tanto, una longitud de onda de emisión más corta. La tabla 1 ofrece una visión general de los sistemas de materiales típicos.

Material del diodo láser
(región activa / sustrato)
Longitudes de onda de emisiónAplicaciones típicas
InGaN / GaN, SiC380, 405, 450, 470 nmalmacenamiento de datos
AlGaInP / GaAs635, 650, 670 nmpunteros láser, reproductores de DVD
AlGaAs / GaAs720–850 nmReproductores de CD, impresoras láser, bombeo de láseres de estado sólido
InGaAs / GaAs900–1100 nmbombeo de EDFAs y otros amplificadores de fibra
InGaAsP / InP1.2–2.0 μmcomunicaciones por fibra óptica, detección, espectroscopia
AlGaAsSb / GaSb1.8–3.4 μmdefensa, detección, espectroscopia

Tenga en cuenta que hay algunos diodos láser que funcionan fuera de las regiones espectrales indicadas en la tabla. Por ejemplo, los láseres de InGaN pueden estar optimizados para longitudes de onda de emisión más largas, llegando a la región espectral verde, aunque normalmente con menor rendimiento. Además, existen, por ejemplo, diodos de sal de plomo para generar luz en el infrarrojo medio.

longitud de onda del material del diodo láser

La mayoría de los diodos láser emiten en la región espectral del infrarrojo cercano, pero otros pueden emitir luz visible (especialmente roja o azul) o luz infrarroja media.

Funcionamiento del Diodo Láser

El funcionamiento de un diodo láser implica 3 procesos: absorción, emisión espontánea y emisión estimulada.

Entendamos primero el proceso de absorción.

Absorción

En la absorción, los electrones de los niveles de energía más bajos saltan a un nivel de energía más alto, es decir, de la banda de valencia a la banda de conducción, cuando los electrones reciben una fuente de energía externa. Ahora, hay agujeros en el nivel de energía más bajo, es decir, la banda de valencia, y electrones en el nivel de energía más alto, es decir, la banda de conducción.

absorcion en diodo laser

Emisión Espontánea

Ahora, si los electrones en el nivel de energía más alto son inestables, entonces tenderán a moverse al nivel de energía más bajo para lograr la estabilidad. Pero si se mueven de un nivel de energía más alto a un nivel de energía más bajo, liberarán definitivamente la energía que será la diferencia de energía entre estos dos niveles. La energía liberada será en forma de luz y por tanto se emitirán fotones. Este proceso se llama emisión espontánea.

emision espontanea en diodo laser

Emisión Estimulada

En la emisión estimulada, los fotones golpean a los electrones en un nivel de energía más alto y estos fotones se suministran desde una fuente de energía luminosa externa. Cuando estos fotones chocan con los electrones, éstos ganan energía y se recombinan con huecos y liberan un fotón adicional. Así, un fotón incidente estimula la liberación de otro fotón. Este proceso se denomina emisión estimulada.

emision estimulada en diodo laser

Características del Diodo Láser

Curva Característica del Diodo Láser

La figura siguiente muestra la curva característica de un diodo láser:

diodo laser curva caracteristica

Aquí, la línea horizontal denota la corriente y la línea vertical muestra la potencia óptica de la luz producida. En la figura se aprecia claramente un aumento gradual de la potencia hasta que alcanza un punto umbral.

Después del valor umbral, se observa un rápido aumento de la potencia incluso para un pequeño incremento de la corriente. La potencia producida por el diodo láser también depende de la temperatura asociada al dispositivo.

Ventajas del Diodo Láser

  • Dispositivo de bajo consumo de energía.
  • Económico ya que su coste de fabricación y funcionamiento es bajo.
  • Puede funcionar durante mucho tiempo.
  • Portátil debido a su pequeño tamaño y arquitectura interna.
  • Muy fiable y altamente eficiente.

Desventajas del diodo láser

  • Son dependientes de la temperatura y, por tanto, su funcionamiento se ve afectado por el cambio de la temperatura de funcionamiento.
  • No es adecuado para aplicaciones de alta potencia.

Aplicaciones del Diodo Láser

Los diodos láser se utilizan en todos los ámbitos de la electrónica, desde los equipos domésticos, pasando por las aplicaciones comerciales, hasta los entornos industriales de alto nivel. En todas estas aplicaciones, los diodos láser son capaces de ofrecer una solución rentable, al tiempo que son robustos y fiables y ofrecen un alto nivel de rendimiento.

  • Sistema de comunicación por fibra óptica.
  • Lectores de códigos de barras.
  • Impresión láser y escaneo láser.
  • Telémetros.
  • En el campo de la medicina, en instrumentos quirúrgicos.
  • En reproductores de CD y grabadores de DVD.

Estas son algunas de las aplicaciones más importantes del diodo láser. Entre todas estas aplicaciones, el ámbito más importante en el que el diodo láser encuentra su aplicación es el sistema de comunicación por fibra óptica.

cuales son las aplicaciones del diodo laser

¿Cuál es la Diferencia Entre un Diodo Láser y un Diodo LED?

Los diodos láser se caracterizan por tener una única forma de onda con una anchura espectral estrecha y una luz altamente direccional con fase uniforme, lo que facilita el control de la energía.

  • El haz de luz producido por el LED y el LÁSER también crean una diferencia clave. La luz emitida por el LED consta de varios colores, mientras que el haz de luz producido por el LÁSER consta de un solo color.
  • El principio de funcionamiento del LED y del LÁSER también ha creado grandes diferencias. El LED funciona totalmente según el principio de la electroluminancia, es decir, la iluminación por medio de electrones. En cambio, el láser funciona según el principio de la emisión estimulada.
  • La otra diferencia clave entre el LED y el LÁSER es el área de unión. El área de unión en el caso del LÁSER es extremadamente estrecha, ya que la luz se deja pasar desde un área extremadamente pequeña en el caso del LÁSER. En cambio, en el LED, el área de unión es más amplia. Por lo tanto, se permite que la luz pase a través de un área amplia.
  • La concentración de portadores de carga, como los electrones y los huecos, también es diferente en el LED y en el láser. En el caso del láser, la concentración es muy alta mientras que en el Led es muy baja. Por lo tanto, el láser se utiliza en instrumentos quirúrgicos en el campo de la medicina, ya que posee suficiente energía que puede incluso cortar el objeto en contacto con él.

La diferencia entre un diodo LED y un diodo Láser se resume en la siguiente tabla.

EspecificacionesDiodo LEDDiodo Láser
Principio de funcionamientoElectroluminiscenciaEmisión estimulada
RespuestaRespuesta lentaRespuesta rápida en comparación con el LED
Eficiencia de eléctrico a óptico10-20%Hasta un 70%.
Longitud de Onda
Ancho de Espectro
Más ancho, de 25 a 100 nm
(10 a 50 THz)
Más estrecho, <10-5 a 5 nm
(<1 MHz a 2 MHz)
CoherenciaLa luz emitida es incoherente, es decir, los fotones están en fase aleatoria entre ellos.Posee un haz coherente con idéntica relación de fase de los fotones emitidos.
CromaPolicromático, tiene múltiples bandas de longitudes de ondaMonocromático, tiene una sola longitud de onda de color
DireccionalidadNo direccionalAltamente direccional
Potencia de salidaBaja potencia, la salida es proporcional a la corriente de entradaAlta potencia de, de 1 mW a 500 mW, proporcional a la corriente por encima del umbral
Facilidad de usoMás sencilloMás difícil
Seguridad ocularGeneralmente se consideran seguros para los ojosDebe hacerse a prueba de ojos, especialmente para λ < 1400 nm
CostoBajo costo y, por tanto, económico.Moderado a alto costo y, por lo tanto, utilizado en aplicaciones específicas.
Vida ÚtilMás largoLargo

La diferencia general entre ellos es que los láseres son más potentes y funcionan a mayor velocidad que los LED, y también pueden transmitir la luz más lejos con menos errores. Los láseres también son mucho más caros que los LED.

¿Cómo Alimentar un Diodo Laser?

Para alimentar y encender un diodo laser necesitaremos los siguientes componentes:

  • Un regulador de tensión LM317: que puede ser utilizado como regulador de tensión o como regulador de corriente, en este caso lo utilizaremos como regulador y limitador de corriente.
  • Un Condensador electrolítico de 47 microFaradios, 16 voltios: Lo utilizaremos como regulador de tensión, aparte que el condensador suprimira los posibles picos de tensión alta que tengamos. El condesador que utilizaremos esta calculado para una salida máxima de 250 miliamperios (I=250 mA, V=7.2 V)
  • Una Resistencia variable de 100 ohmios
  • Una Resistencia fija de 5 ohmios
  • Un Diodo 1N4004
  • Un Protoboard

¿Qué voltaje aplicamos al circuito?

Alimentaremos el circuito con 6 voltios o más. El voltaje ideal estará en torno a los 7.2 voltios. Puedes pasarte en 1 o 2 voltios sin problemas.

Es muy importante que el diodo láser esté conectado al circuito antes de aplicarle la corriente. Si conectas antes la corriente, el condensador se cargará y cuando pongas el diodo… plofff, muerte para el diodo láser.

Calculando la intensidad máxima para el diodo laser

Posiblemente la manera más fácil de estropear el diodo laser sea haciendo circular por él más corriente de la que es capaz de aguantar. Cuando la resistencia variable vale 0 (al girar su «tornillo», en un extremo valdrá 0 ohmios y, en el contrario su valor valdrá 100 ohmios), será la resistencia fija (en el dibujo es la que vale 5 ohmios) la que determinará
el paso de corriente hacia el diodo láser.

Imaginemos que queremos que este valor sea como máximo 250mA, porque así lo recomienda el fabricante o porque nos da la gana. Tendremos entonces que calcular el valor de la resistencia fija. La llamaremos R.

Esta R siempre se calcula igual. Dividimos 1.25 entre la corriente máxima que queremos que pase por el diodo láser, expresada en Amperios. Recordemos que, por ejemplo, 250 mA son 0.250 A.

Asi pues, queremos que pase 250 mA, pues R=1.25/0.250, R=5 ohmios

Otro ejemplo: queremos que como mucho pasen 125 mA. Entonces R=1.25/0.125 R=10 ohmios

como conectar un diodo laser

¿Quién Inventó el Diodo Laser?

¿A quién debemos agradecer este fantástico invento? Al Dr. Robert N. Hall, de General Electric, que presentó su patente para la idea («Dispositivos semiconductores de emisión estimulada») el 24 de octubre de 1962 (se concedió como patente estadounidense nº 3.245.002 el 5 de abril de 1966).

Este es uno de los dibujos de esa patente, que muestra la disposición básica de las piezas descritas anteriormente. La numeración es la original de Hall, pero he añadido el colorido y las descripciones simplificadas para que sea más fácil de seguir:

diodo laser de robert hall
  1. Un típico diodo láser semiconductor P-N.
  2. Región de tipo P (azul).
  3. Región de tipo N (rojo).
  4. Región de unión P-N (cavidad resonante) donde se produce la luz por emisión estimulada. Esto no está dibujado a escala. En la patente original de Hall, se describe como de 0.1 micras (0.1 millonésimas de metro, 0.1μm, o 1000 Angstroms) de espesor.
  5. Electrodo superior.
  6. Soldadura que fija el electrodo superior a la región tipo p.
  7. Electrodo inferior.
  8. Soldadura del electrodo inferior a la región de tipo n. (Esto cubre toda la base de la región de tipo n, no sólo el contorno exterior gris que se muestra aquí).
  9. Conector del electrodo superior.
  10. Conector del electrodo inferior.
  11. Superficie frontal muy pulida.
  12. Superficie posterior muy pulida, que debe ser precisamente paralela a la superficie frontal para garantizar que se produzcan y emitan eficazmente ondas estacionarias de radiación electromagnética (luz láser) en la cavidad resonante entre las regiones de tipo p y de tipo n. Las superficies 11 y 12 pueden estar cubiertas con espejos o un revestimiento metálico para mejorar el efecto resonante.
  13. Superficie lateral cortada en ángulo para evitar la formación de ondas de luz en otras direcciones.
  14. Otra superficie lateral cortada en un ángulo similar o desbastada de forma parecida.

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