thumb|250px|Un diodo láser empaquetado. Atrás, una moneda de un centavo estadounidense como referencia de escala. thumb|250px|Imagen de un chip del diodo láser contenido en el paquete mostrado en la imagen superior. Se muestra en el ojo de una aguja que sirve de referencia de escala.
Un diodo láser (DL) es un dispositivo semiconductor similar a un ledHasta el año 2001, «led» se escribía en español como una sigla: con mayúsculas y sin plural (un LED, dos LED). Actualmente, ha sido aceptado por la Real Academia Española (véase el artículo en el Diccionario de la lengua española). Su plural es «ledes» (como redes). pero que bajo las condiciones adecuadas emite luz láser.
Historia La idea de utilizar un semiconductor para lograr emisión estimulada de luz fue propuesta por primera vez por John von Neumann en un manuscrito no publicado de 1953, cinco años antes de que Arthur Schawlow y Charles Townes publicaran su trabajo seminal sobre el láser en 1958. Von Neumann sugirió el uso de una unión p-n para inyectar electrones y huecos en la misma región, pero su propuesta permaneció desconocida para la comunidad científica. Ideas similares fueron planteadas de forma independiente por Pierre Aigrain en 1958 y por los soviéticos Basov, B. M. Vul y Popov, aunque ninguna condujo a experimentos concretos, en parte porque no especificaban qué material semiconductor emplear. Un avance teórico clave llegó en 1962, cuando W. P. Dumke determinó que los semiconductores de banda indirecta, como el silicio y el germanio, no podían funcionar como láseres, mientras que los de banda directa, como el arseniuro de galio (GaAs), sí ofrecían la ganancia necesaria.
El hallazgo más influyente fue la observación, en marzo de 1962, de emisión interbanda en uniones p-n de GaAs polarizadas en directo, reportada por J. I. Pankove y M. J. Massoulie. Poco después, en junio de 1962, R. J. Keyes y T. M. Quist demostraron una eficiencia cercana al 100 % en la conversión de energía eléctrica a luz en uniones de GaAs, resultado que tuvo amplia repercusión, incluyendo una nota publicada al día siguiente en The New York Times, y que impulsó un aumento notable de la actividad investigadora en laboratorios industriales. Apenas cuatro meses más tarde, en un lapso de cinco semanas, cuatro laboratorios distintos —General Electric (Schenectady), IBM (Yorktown Heights), General Electric (Syracuse) y el Lincoln Laboratory del MIT— reportaron de forma independiente la primera acción láser en GaAs, publicando sus resultados entre el 1 de noviembre y mediados de diciembre de 1962. Los cuatro dispositivos operaban en modo pulsado a 77 K, y el equipo de IBM fue el primero en introducir el uso de facetas clivadas (cleaved facets), lo que simplificó considerablemente el proceso de fabricación.
Los primeros láseres semiconductores presentaban una densidad de corriente umbral muy elevada (varios miles de A/cm² a 77 K, y cercana a 10⁵ A/cm² a temperatura ambiente), lo que limitaba su funcionamiento a pulsos cortos y bajas temperaturas. La solución llegó con el concepto de láser de heterounión, propuesto por Herbert Kroemer en 1963, que planteaba emplear materiales distintos para la capa activa y las capas adyacentes de confinamiento, mejorando así el guiado óptico. En 1967, Jerry Woodall y Hans Rupprecht (IBM) lograron crecer heterouniones monocristalinas de AlGaAs/GaAs mediante epitaxia en fase líquida, y ese mismo año H. Kressel y H. Nelson fabricaron el primer láser de heterounión simple con dicho material.
El paso decisivo hacia la operación continua a temperatura ambiente fue el desarrollo del láser de doble heterounión, logrado por primera vez por el grupo de Zhores Alferov en la Unión Soviética en 1968. En 1969 y 1970, los equipos de Hayashi, Panish y Sumski (Bell Labs) y de Alferov redujeron progresivamente la corriente umbral hasta obtener, en 1970, los primeros láseres de heterounión doble AlGaAs/GaAs capaces de operar en onda continua a temperatura ambiente, un hito que abrió el camino a las numerosas aplicaciones posteriores del diodo láser.
Visión general thumb|250px|Diodo láser.
Cuando un diodo convencional o led se polariza en directa, los huecos de la zona p se mueven hacia la zona n y los electrones de la zona n hacia la zona p; ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que circula por el diodo. Si los electrones y huecos están en la misma región, pueden recombinarse cayendo el electrón al hueco y emitiendo un fotón con la energía correspondiente a la banda prohibida (véase semiconductor).
Esta emisión espontánea se produce normalmente en los diodos semiconductores, pero solo es visible en algunos de ellos (como los Ledes), que tienen una disposición constructiva especial con el propósito de evitar que la radiación sea reabsorbida por el material circundante, y habitualmente una energía de la banda prohibida coincidente con la correspondiente al espectro visible; en otros diodos, la energía se libera principalmente en forma de calor, radiación infrarroja o radiación ultravioleta. En condiciones apropiadas, el electrón y el hueco pueden coexistir un breve tiempo, del orden de nanosegundos, antes de recombinarse, de forma que si un fotón con la energía apropiada pasa por casualidad por allí durante ese periodo, se producirá la emisión estimulada (véase láser), es decir, al producirse la recombinación el fotón emitido tendrá igual frecuencia, polarización y fase que el primer fotón.
En los diodos láser, para favorecer la emisión estimulada y generación de luz láser, el cristal semiconductor del diodo puede tener la forma de una lámina delgada con un lado totalmente reflectante y otro solo reflectante de forma parcial (aunque muy reflectante también), lográndose así una unión PN de grandes dimensiones con las caras exteriores perfectamente paralelas y reflectantes. Es importante aclarar que las dimensiones de la unión PN guardan una estrecha relación con la longitud de onda a emitir.
Este conjunto forma una guía de onda similar a un resonador de tipo Fabry-Perot. En ella, los fotones emitidos en la dirección adecuada se reflejarán repetidamente en dichas caras reflectantes (en una totalmente y en la otra solo parcialmente), lo que ayuda a su vez a la emisión de más fotones estimulados dentro del material semiconductor y consiguientemente a que se amplifique la luz (mientras dure el bombeo derivado de la circulación de corriente por el diodo). Parte de estos fotones saldrán del diodo láser a través de la cara parcialmente transparente (la que es solo reflectante de forma parcial). Este proceso da lugar a que el diodo emita luz, que al ser coherente en su mayor parte (debido a la emisión estimulada), posee una gran pureza espectral. Por tanto, como la luz emitida por este tipo de diodos es de tipo láser, a estos diodos se los conoce por el mismo nombre.
Características Luz sincronizada. Luz con misma frecuencia y fase. Aplicaciones
Comunicaciones de datos por fibra óptica. Lectores de CD, DVD, Blu-rays, HD DVD, entre otros. Interconexiones ópticas entre circuitos integrados. Impresoras láser. Escáneres o digitalizadores. Sensores. Tratamiento con láser odontológico. Depilación corporal. Pantalla láser. Odontología. Oftalmología.
Ventajas y desventajas
Ventajas
Son muy eficientes. Son muy fiables. Tienen tiempos medios de vida muy largos. Son económicos. Permiten la modulación directa de la radiación emitida, pudiéndose modular a décimas de Gigahercio. Su volumen y peso son pequeños. El umbral de corriente que necesitan para funcionar es relativamente bajo. Su consumo de energía es reducido (comparado con otras fuentes de luz). El ancho de banda de su espectro de emisión es angosto (puede llegar a ser de solo algunos kHz).
Desventajas Una baja potencia a consecuencia de las bandas de energía ocupadas por los electrones. Una alta sensibilidad a los cambios de temperatura. Alto calentamiento al pasar corriente sobre el material diodo. Poca colimación en el haz obtenido.
A pesar de las desventajas, el láser de semiconductores es el segundo más vendido después del láser He-Ne por sus usos en computadoras, impresoras, medios de comunicación, tratamientos médicos, etc.
Una clase especial: VCSEL (Vertical cavity surface emitting laser) Los VCSEL (vertical-cavity surface-emitting lasers) son láseres de semiconductor en los que la luz se propaga perpendicularmente al plano de la región activa. Algunas de sus características más interesantes son: consumir poca potencia, poder operar en un solo modo longitudinal, emitir un haz circular que hace más fácil su acoplamiento a fibra, baja corriente umbral y fabricación barata. Por otra parte, debido a su pequeño tamaño y a su estructura vertical pueden realizarse agrupaciones bidimensionales de láseres. Se ha conseguido incluso producir en masa VCSELs de tamaño reducido, lo que los ha convertido en la fuente de luz más adecuada para los sistemas de comunicaciones a corta distancia a través de fibra óptica. Por otra parte, el reducido tamaño de estos láseres hace necesaria la existencia de espejos de alta reflectividad para poder generar la emisión láser. Por todas estas razones, los VCSELs son una opción atractiva en el mercado de las comunicaciones ópticas, pudiendo también ser empleados en lectores de códigos de barras, impresoras, ratones, etc. Los VCSELs también son dispositivos interesantes en el campo del procesamiento todo–óptico de señales para su uso como regeneradores e inversores todo–ópticos, dispositivos biestables (“flip–flop”) todo–ópticos y memorias ópticas. Este tipo de dispositivos se basan en el comportamiento óptico biestable, que puede conseguirse mediante la inyección óptica en láseres de semiconductor.
Véase también
Led OLED AMOLED GLV
Referencias
Categoría:Diodos Categoría:Láser