¿Qué es un Diodo Láser y Cómo Funciona?

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, su funcionamiento y algunas especificaciones del diodo láser.

¿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.

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.

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.

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

¿Cuál es el origen de los diodos láser?

Los primeros diodos láser se desarrollaron a principios de la década de 1960. Los pasos más significativos los dio Robert N. Hall (General Electric, G.E.), que desarrolló los diodos láser IR de arseniuro de galio (GaAs). Nick Holonyak Jr. (también G.E.) desarrolló dispositivos de fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) que emitían luz visible, también en 1962. Zhores I. Alferov desarrolló los láseres de heteroestructura con múltiples uniones de semiconductores en los años 70 en la Unión Soviética. Esto mejoró la eficiencia y el rendimiento de los diodos láser, haciéndolos más prácticos y utilizables.

Construcción del Diodo Láser

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

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.

¿Cómo funciona un diodo laser?

Los diodos láser funcionan estimulando la emisión de fotones en una unión semiconductora. El material semiconductor tiene unas bandas de energía específicas que provocan la generación y amplificación de luz coherente.

Un diodo está formado por una unión p-n. La región de tipo n crea un exceso de portadores cargados negativamente (electrones), mientras que la de tipo p crea un exceso de portadores cargados positivamente (huecos).

La unión forma una región de agotamiento entre los dos materiales. Cuando se aplica una tensión de polarización directa (+ve al material p y -ve al material n) a través de la unión, fluye corriente. Esto hace que los portadores de carga se muevan a través de la unión.

Los electrones de la región n y los huecos de la región p se inyectan en la región de agotamiento. Estos se encuentran y neutralizan, liberando un fotón por cada carga cancelada.

Los diodos láser están diseñados con superficies reflectantes en los extremos, formando una «cavidad óptica». Los fotones se reflejan internamente, y la realimentación óptica mejora las emisiones estimuladas y da lugar a una luz coherente de banda estrecha.

La emisión estimulada también se produce cuando un fotón interactúa con un electrón excitado, haciendo que emita otro fotón. Estos fotones adicionales son idénticos al fotón desencadenante, lo que conduce a la amplificación. A medida que la emisión estimulada continúa y los fotones se reflejan dentro de la cavidad, la intensidad de la energía láser aumenta.

¿Cuál es la importancia de un diodo láser?

Los diodos láser son valorados por lo siguiente:

1. Son compactos para sus niveles de potencia. Esto facilita su integración en sistemas más pequeños.
2. Las aplicaciones se benefician de una mayor eficiencia energética que otros tipos de láser, ya que convierten la electricidad en energía láser con un bajo desperdicio.
3. Las opciones de diseño ofrecen flexibilidad de longitud de onda. Los diodos láser pueden emitir luz desde el ultravioleta (UV) hasta el infrarrojo cercano (NIR), pasando por el visible. La posibilidad de seleccionar la longitud de onda hace que esta clase sea ideal para muchas aplicaciones.
4. Ofrecen un funcionamiento a alta velocidad y un control preciso de la potencia del láser. La respuesta rápida y el enfoque preciso del haz permiten obtener una energía muy eficaz para cortar, grabar y taladrar.
5. Los diodos láser alcanzan una vida operativa larga y fiable. Esto los hace adecuados para un funcionamiento continuo prolongado.
6. El desarrollo acelerado ha permitido mejorar la potencia de salida, la eficacia, la calidad del haz y la fiabilidad.

¿Cuál es el uso principal de los diodos láser?

Los usos principales varían en un amplio espectro de aplicaciones/campos, entre los que se incluyen:

1. Los diodos láser infrarrojos son la clave de la transmisión de datos por fibra óptica. La corta longitud de onda permite velocidades y frecuencias de paquetes más altas, lo que a su vez produce una alta densidad de datos.
2. Los diodos láser son clave en muchas aplicaciones de impresión, ya que la alta calidad del haz permite una resolución muy alta de la imagen impresa.
3. Se utilizan en muchos procedimientos médicos y cosméticos, como la depilación, el estímulo del crecimiento de la piel, la ablación de tatuajes, los tratamientos de lesiones vasculares y los procedimientos dentales. La aplicación controlada en los tejidos objetivo minimiza los daños en las zonas circundantes.
4. Se utilizan en la industria manufacturera para cortar, soldar, marcar, grabar y tratar superficies. Su procesamiento de alta velocidad y precisión los convierte en herramientas valiosas.
5. Los diodos láser se aplican habitualmente en la investigación científica, en campos como la espectroscopia y la microscopía. Son útiles en el análisis de estructuras moleculares, composiciones químicas y materiales biológicos.
6. Se utilizan mucho en dispositivos de consumo, como punteros láser, escáneres de códigos de barras, reproductores de DVD y Blu-ray y unidades ópticas de datos. La compacidad y el bajo consumo son claves para estas aplicaciones.
7. Son fundamentales para diversas aplicaciones de detección, como la medición de distancias, la telemetría y los sistemas lidar. Se utilizan en herramientas de metrología para mediciones precisas en aplicaciones industriales y científicas como escaneado 3D, inspección dimensional, alineación y calibración.

¿Cuáles son los diferentes tipos de diodos laser?

Existen varios tipos de diodos láser, cada uno de ellos adecuado para clases de aplicaciones específicas. A continuación se enumeran:

1. Los diodos láser emisores de bordes, o láseres Fabry-Perot, son los más comunes. Emiten luz láser perpendicular al plano de unión.
2. Los láseres de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL) emiten luz láser perpendicular a la superficie de la oblea. Emplean un reflector Bragg distribuido (DBR) para conseguir una alta reflectividad y una emisión eficaz.
3. El láser de cascada cuántica (QCL) es un tipo especializado de láser de diodo que funciona basándose en transiciones intersubbanda, en pozos cuánticos. Pueden emitir luz láser en las regiones del infrarrojo medio (MIR) y el infrarrojo lejano (FIR) ajustando la polarización directa.
4. Los láseres de realimentación distribuida (DFB) son dispositivos de diodos emisores de borde con rejillas de realimentación distribuida. La rejilla permite la selectividad de la longitud de onda, lo que da lugar a una emisión de modo longitudinal único de línea estrecha.
5. Los láseres de diodo de cavidad externa (ECDL) utilizan una cavidad externa con un chip de diodo láser para proporcionar una salida láser sintonizable y de ancho de línea estrecho. Se utilizan ampliamente en espectroscopia, metrología e investigación en física nuclear.
6. Los diodos láser superluminiscentes (SLD) se desarrollaron para producir luz de amplio espectro y baja coherencia. Se utilizan en aplicaciones en las que las fuentes de luz de banda ancha y baja coherencia son apropiadas.

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.

1. Médica

Los diodos láser desempeñan una amplia gama de funciones relacionadas con los servicios médicos, gracias a su compacidad, durabilidad y flexibilidad. Estos láseres se utilizan en diversas aplicaciones médicas, entre ellas: depilación, tratamientos cutáneos, cirugía de tejidos blandos, terapia fotodinámica (PDT), tratamiento endovenoso con láser (EVLT) de varices y terapia con láser de baja intensidad (LLLT). Por ejemplo, para la LLLT se emplean láseres de diodo para el tratamiento del dolor y la cicatrización de tejidos. El láser penetra en el tejido suprayacente, estimulando el metabolismo celular, reduciendo la inflamación y aliviando el dolor.

2. Impresión

Los diodos láser tienen diversas aplicaciones relacionadas con la impresión en muchos sectores. Los diodos láser son el corazón de las impresoras láser. Son las fuentes de luz del proceso de impresión; el haz recorre una superficie fotorreceptora para crear una imagen electrostática que atrae el tóner. También se utilizan en impresoras de códigos de barras y códigos QR, que calientan localmente el papel termosensible para aplicar el código de barras o los códigos QR. Otros usos de los diodos láser son: la sinterización selectiva por láser (SLS) o la fusión selectiva por láser (SLM) para construir modelos tridimensionales, los sistemas de grabado y marcado por láser para grabar diversos materiales, y la impresión de billetes, pasaportes y documentos oficiales, para incrustar elementos de seguridad como hologramas, microtextos o marcas encubiertas.

3. Telecomunicaciones

Los diodos láser se utilizan en los sistemas de comunicación por fibra óptica. Son la fuente de luz para transmitir datos. En los enlaces de fibra óptica de larga distancia, la amplificación de la señal es necesaria para superar la degradación de la señal. Para ello se utilizan amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA). En la reflectometría óptica en el dominio del tiempo (OTDR), un método de comprobación de fibra óptica, un láser emite pulsos cortos de luz en la fibra y la luz reflejada (retrodispersada) se analiza para determinar la pérdida de fibra y localizar roturas o dobleces de la fibra. Los diodos láser también se utilizan en la transmisión de datos a través del aire y en la multiplexación por división de longitud de onda (WDM) para aumentar la capacidad de los sistemas de comunicación óptica mediante la transmisión simultánea de varias señales en longitudes de onda diferentes.

4. Espectroscopia

Los diodos láser están muy bien adaptados para su uso en espectroscopia, lo que permite realizar análisis precisos y sensibles de materiales y compuestos. La espectroscopia Raman consiste en proyectar luz láser sobre una muestra, de modo que la luz dispersa retrodispersada se analiza para obtener información sobre los constituyentes y las características estructurales del material. Los diodos láser pueden sintonizarse con el desplazamiento Raman de interés, lo que permite una excitación y detección selectivas. Los diodos láser también se utilizan como fuentes de excitación en la espectroscopia de fluorescencia, que ilumina una muestra para medir la fluorescencia emitida e identificar sustancias. Los diodos láser emiten luz prácticamente monocromática, lo que permite una excitación precisa. Otras aplicaciones son: la espectroscopia de absorción por láser de diodo (DLAS) o la espectroscopia de absorción por láser de diodo sintonizable (TDLAS), la espectroscopia de anillo de cavidad (CRDS), la espectroscopia de descomposición inducida por láser (LIBS) y la espectroscopia de fluorescencia inducida por láser (LIF).

5. Detección

Los diodos láser se utilizan ampliamente en aplicaciones de detección porque la luz coherente permite observar fácilmente los cambios en la frecuencia o fase de la luz reflejada o transmitida del objetivo. Los diodos láser se utilizan en la medición de distancias y posiciones. Los sensores láser de triangulación proyectan un haz láser sobre un objetivo para determinar la distancia o la posición. Estos sensores se utilizan en robótica, automatización y metrología. Otras aplicaciones son: los sistemas de detección y alcance de luz (LiDAR), los sistemas de velocimetría doppler láser (LDV) y la detección de caudal y nivel.

6. Procesamiento de materiales

Los diodos láser se utilizan ampliamente en aplicaciones de procesamiento de materiales debido a su tamaño compacto, alta potencia y eficiencia eléctrica. Los diodos láser se utilizan cada vez más en sistemas de corte por láser para el corte automatizado de diversos materiales. Los diodos láser proporcionan un haz muy concentrado que proporciona una alta densidad de energía. Esto permite un corte preciso y rápido de diversos materiales. También son habituales en aplicaciones de soldadura, en las que el haz enfocado fusiona materiales por fusión. La soldadura láser es cada vez más importante en los sectores del automóvil, la joyería y la electrónica.

El taladrado y el micromecanizado utilizan el haz enfocado con precisión de diodos láser para crear orificios de pequeño diámetro en metales, cerámicas y semiconductores. El micromecanizado láser sirve para eliminar y dar forma a pequeños cortes/ablaciones con gran precisión para la fabricación de sistemas microelectromecánicos (MEMS), etc.

¿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.

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 utilizar el diodo láser?

Los diodos láser tienen diversas aplicaciones y escenarios de uso. En general, los diodos láser se integran en equipos funcionales para diversas aplicaciones, entre ellas:

1. Láseres médicos portátiles para ablación cutánea, corte autocauterizador, destrucción de folículos pilosos, cierre de venas y multitud de herramientas de diagnóstico por imagen.
2. Herramientas de procesamiento industrial para cortar, soldar, limpiar, ablacionar y perforar diversos materiales.
3. Como transmisor de datos en sistemas de fibra óptica.
4. Transmisión de datos de “haz estrecho” con línea de visión directa de larga distancia.
5. Medición de distancia, velocidad, tipo de material y otras propiedades.

¿Cómo se determina la longitud de onda de un diodo láser?

La longitud de onda de un diodo láser es el resultado de las propiedades del material semiconductor utilizado en el dispositivo. La energía de la banda prohibida controla este resultado y es altamente sintonizable. A continuación se enumeran algunos ejemplos:

• La selección del material semiconductor desempeña el papel más importante en la determinación de la longitud de onda. Las distintas energías de banda prohibida corresponden a las longitudes de onda de la luz. El arseniuro de galio (GaAs) se utiliza habitualmente para los diodos láser infrarrojos, mientras que el nitruro de galio (GaN) se emplea para dispositivos azules o ultravioletas.
• La relación entre la longitud de onda de la banda prohibida define la energía mínima necesaria para que un electrón transite entre las bandas de valencia y conducción. Cada transición de un electrón libera un fotón de una longitud de onda determinada. Esta relación entre la energía de banda prohibida (Eg) y la longitud de onda (λ) se define mediante la ecuación λ = c / Eg, donde c es la velocidad de la luz en el vacío.
• Las estructuras de pozo cuántico o punto cuántico confinan electrones y huecos en una región estrecha, modificando la estructura de la banda prohibida y estrechando el espectro emitido.
• La dependencia de la temperatura influye en la energía de la banda prohibida. Esto provoca un cambio en la longitud de onda emitida.

¿Cuál es la potencia de salida típica de un diodo láser?

No existe una potencia de salida «típica» para un diodo láser, ya que los niveles de energía varían considerablemente. La potencia de salida de un láser depende del diseño del láser, de las propiedades de los materiales semiconductores y de la refrigeración empleada. Los niveles de potencia varían desde milivatios (o incluso microvatios) hasta decenas de kilovatios. Por ejemplo: los diodos laser de baja potencia (hasta decenas de milivatios) se utilizan en aplicaciones como punteros láser, escáneres de códigos de barras, unidades de CD/DVD y detección biomédica. Los dispositivos de potencia media (de 10 mW a 30 W) se utilizan en diversas aplicaciones, como la impresión láser, los sistemas de proyección y la fibra óptica. Los dispositivos de mayor potencia (de 30 W a más de 10 kW) se utilizan en aplicaciones industriales, científicas y médicas que requieren estos niveles de potencia más elevados.

Ventajas del Diodo Láser

Los diodos láser integran una serie de ventajas sobre otros sistemas láser que los convierten en una buena elección en muchas aplicaciones. Éstas se enumeran a continuación:

• Su excelente relación potencia/peso/tamaño y la escasa necesidad de equipos auxiliares facilitan su integración en los equipos.
• Los diodos láser tienen un alto rendimiento eléctrico, lo que significa que consumen menos energía por vatio emitido.
• Se bombean eléctricamente, por lo que no necesitan ópticas adicionales ni bombas láser externas.
• Pueden funcionar en modo de onda continua o pulsado, lo que aumenta su flexibilidad de aplicación.
• Estos dispositivos pueden construirse en una amplia gama de longitudes de onda de emisión, desde ultravioleta (UV) hasta infrarrojo (IR).
• Los diodos láser ofrecen un estrecho control de la salida láser en intensidad, frecuencia y modulación del ancho de pulso.
• Suelen tener una vida útil mucho más larga y requieren menos mantenimiento que la mayoría de las alternativas, siempre que se utilicen correctamente.
• Son rápidos de encender y apagar, lo que permite una mayor disponibilidad del sistema.
• Son una clase de dispositivos con una amplia gama de salidas de potencia, lo que permite especificaciones precisas para la aplicación.

Desventajas del diodo láser

Los diodos láser también tienen algunas desventajas graves, entre ellas:

• La calidad del haz multimodo suele ser baja en comparación con los láseres de estado sólido o de gas. Los dispositivos monomodo ofrecen una mejor calidad del haz.
• Los diodos láser ultravioleta (UV) e infrarrojo (IR) profundo pueden ser difíciles y caros de fabricar.
• Los diodos láser son muy sensibles a las fluctuaciones de temperatura. Para que sean estables, necesitan sistemas eficaces de gestión térmica y estabilización de la temperatura.
• Los diodos láser suelen tener una potencia inferior a la de los láseres de fibra o CO2.
• La vida útil y la fiabilidad se ven acortadas por las malas condiciones de funcionamiento.
• Los diodos láser son relativamente caros, en comparación con otros sistemas.
• La divergencia del haz es mayor que en algunos dispositivos/sistemas comparables, lo que limita la capacidad de enfoque.

Los diodos láser, ¿son láseres semiconductores?

Sí, los diodos láser son un tipo de láser semiconductor. Los láseres semiconductores explotan el principio de «emisión estimulada» de fotones en el material semiconductor.