Aprender sobre Electrónica

Diodos Láser

Luz láser

La luz blanca se compone de todos los colores del espectro de luz visible, que es una banda muy amplia de muchas frecuencias diferentes. Los LED ordinarios dan una salida de luz que a menudo consiste en un color, pero incluso esa luz contiene ondas electromagnéticas que cubren una banda bastante amplia de frecuencias.

Cualquier luz, como la luz blanca, que contenga múltiples frecuencias o longitudes de onda, es difícil de enfocar a un punto muy fino. Esto se debe a que el sistema de lentes que enfoca la luz tiene una distancia focal fija, pero la distancia focal requerida para enfocar varias longitudes de onda (colores) de la luz es diferente. Por lo tanto, cada color se enfocará en diferentes puntos, causando lo que se llama «aberración cromática». Esto se puede ver, incluso en sistemas de lentes de buena calidad, como franjas de colores alrededor de las imágenes vistas a través de la lente.

La luz de un láser contiene una sola frecuencia y, por lo tanto, se puede enfocar incluso con un simple sistema de lentes a un punto extremadamente pequeño. No hay aberración cromática ya que solo existe una longitud de onda, también toda la energía de la fuente de luz se concentra en un punto de luz muy pequeño. Por lo general, el diámetro del haz de luz enfocado de un láser como el que se encuentra en un reproductor de CD sería de aproximadamente 1,6 µm (menos de dos milésimas de milímetro). Esto significa que si la salida de diodo láser fuera de solo 0,5 mW, la potencia enfocada (infrarroja) del haz (teniendo en cuenta las pérdidas en la lente de enfoque) sería de aproximadamente 12 kW/cm2.

Los láseres de baja potencia se utilizan en un número cada vez mayor de aplicaciones conocidas, incluidos reproductores y grabadoras de CD y DVD, lectores de códigos de barras, sistemas de seguridad, comunicaciones ópticas e instrumentos quirúrgicos. LASER es un acrónimo (un montón de iniciales hechas en una palabra) para:

Fig. 2.6.1. Un Átomo de Galio

Amplificación de la luz por Emisión Estimulada de Radiación

El nombre da una descripción de cómo funciona el dispositivo, siempre que se comprendan algunos principios básicos.

Los fundamentos de un Átomo

Todo en el universo se compone de solo unos 100 átomos diferentes, ya sea en forma pura (un elemento), o en un número ilimitado de combinaciones (compuestos y mezclas). Los átomos están en constante movimiento. Vibran, se mueven y giran continuamente. Incluso los materiales sólidos están en movimiento. Este movimiento se llama excitación. Los átomos pueden estar en diferentes estados de excitación. En otras palabras, pueden tener diferentes niveles de energía. Si se aplica mucha energía a un átomo a través del calor, la luz o la electricidad, puede dejar lo que se llama el nivel de energía del estado fundamental y pasar a un nivel excitado. El nivel de excitación depende de la cantidad de energía aplicada al átomo.

Fig. 2.6.1 es un diagrama simplificado de un átomo. Consiste en un núcleo (que contiene protones y neutrones) rodeado por una nube de electrones, aunque en este modelo electrónico simplificado los neutrones son ignorados ya que no tienen carga eléctrica, y también es útil pensar en los electrones que orbitan el núcleo en varias órbitas fijas. Aunque otros modelos del átomo no representan órbitas discretas para los electrones, puede ser útil pensar en estas órbitas como los diferentes niveles de energía del átomo. En otras palabras, si se aplica calor a un átomo, algunos de los electrones en las órbitas de energía más baja saltarían a órbitas de energía más altas más alejadas del núcleo. Esta es una visión muy simplificada de las cosas, pero contiene la idea básica de cómo funcionan los átomos en términos de láseres.

A medida que un átomo absorbe energía y algunos de sus electrones saltan a una órbita de mayor energía, eventualmente quiere regresar al estado fundamental. Cuando lo hace, cada electrón libera su energía como un fotón, una partícula de luz. Los átomos pueden verse liberando energía como fotones todo el tiempo. Por ejemplo, cuando el metal brilla al rojo vivo, la luz roja que se ve son los átomos del metal caliente que liberan fotones rojos. Al mirar una imagen en la pantalla de un televisor, lo que está viendo son átomos de fósforo que cubren la pantalla, o la superficie de ledes blancos que se excitan como electrones de átomos de alta energía que liberan fotones y producen directa o indirectamente diferentes colores de luz. Muchos dispositivos producen luz de esta manera: luces fluorescentes, letreros de neón, alumbrado público LED e incluso bombillas incandescentes tradicionales, todos emiten luz a través de la acción de electrones que cambian de órbita y liberan fotones.

Construcción de Diodos láser

Fig. 2.6.2. Construcción de diodos láser

Hay varias variaciones de construcción utilizadas para diodos láser, cada una de ellas destinada a lograr la máxima eficiencia para convertir la corriente eléctrica en luz láser.

Fig. 2.6.2 muestra una construcción simplificada para un diodo láser, que en este caso es similar a un diodo emisor de luz (LED) en el sentido de que utiliza arseniuro de galio, dopado con elementos como aluminio, silicio o selenio para producir materiales semiconductores de tipo P y tipo N. Sin embargo, un diodo láser tiene una capa activa adicional de arseniuro de galio no dopado (intrínseco) de solo unos pocos nanómetros de espesor, intercalado entre las capas P y N, creando efectivamente un diodo PIN (tipo P/Intrínseco/N). Es en esta capa donde se produce la luz láser.

Acción de diodo láser

El diodo láser pasa una gran cantidad de corriente directa de P a N. Mucho mayor que la utilizada en un LED, ya que el diodo láser solo producirá luz láser cuando se opera a más del 80% de su corriente máxima.

Bombeo láser

Fig. 2.6.3. La Absorción de Energía

En estas condiciones, los átomos están en un estado altamente energizado (bombeado), y como portadores de carga (electrones y agujeros) entran en la capa activa en la unión PN. Los electrones están en un nivel de energía más alto que el de los agujeros, y a medida que los electrones y los agujeros se combinan, la energía se pierde en forma de fotones. Los fotones producidos, todos oscilan a una frecuencia particularmente precisa a medida que «rebotan» hacia arriba y hacia abajo entre las paredes reflectantes de luz de la capa activa. Algunos fotones chocan con otros átomos y, por lo tanto, crean electrones energizados adicionales que producen aún más fotones. Este proceso se llama «bombeo» y aumenta el número de electrones altamente energizados hasta que hay más electrones en el estado excitado que en el estado «tierra» sin energía. En este punto, conocido como inversión de población, se produce un flujo constante de luz coherente o láser, ya que los fotones excitados adicionales compensan con creces cualquier pérdida debido a que los fotones son reabsorbidos dentro del material semiconductor. Debido a que los fotones oscilan a una sola frecuencia precisa, producen luz láser que tiene una sola longitud de onda.

La Cavidad Resonante

Fig. 2.6.4. La cavidad resonante

A medida que los fotones aumentan en número, la luz aumenta en potencia. Aunque parte de la luz se escapa en diferentes direcciones o se absorbe dentro del material semiconductor, algunos de los fotones corren en una dirección paralela al eje del láser, como se muestra en la Fig. 2.6.4 estos rebotan hacia adelante y hacia atrás en los extremos del material láser. Las superficies de los extremos se cortan y pulen con gran precisión para crear espejos reflectantes paralelos. La distancia entre estas superficies reflectantes es un múltiplo exacto de una longitud de onda, de modo que a medida que las ondas de luz (los fotones) se reflejan desde cada extremo de la cavidad, permanecen en fase. La amplitud de la onda reflejada se suma a la amplitud de otras ondas dentro de la cavidad, por lo que las ondas siguen sumándose a medida que rebotan hacia atrás y hacia adelante entre los espejos. De esta manera, la capa activa forma una «Cavidad Resonante» que ayuda a la amplificación de la luz. A medida que los fotones pasan a través del material láser cristalino, también estimulan la emisión en otros átomos. Como resultado, la luz monofásica, monocromática y amplificada sale de la cavidad resonante del láser a través del espejo parcialmente reflectante.

Control del diodo láser.

Fig. 2.6.5. Comparación entre un led y un diodo láser

Fig. 2.6.6. Control del diodo láser

Un diodo láser es básicamente un LED que produce luz láser; para ello, el diodo láser funciona a una corriente mucho más alta, generalmente unas 10 veces mayor que un LED normal. Higo. 2.6.5 compara un gráfico de la salida de luz de un LED normal y la de un diodo láser. En un LED, la salida de luz aumenta constantemente a medida que aumenta la corriente del diodo. Sin embargo, en un diodo láser, la luz láser no se produce hasta que el nivel actual alcanza el nivel umbral, cuando comienza a producirse la emisión estimulada. ¡La corriente de umbral es normalmente más del 80% de la corriente máxima que pasará el dispositivo antes de ser destruido! Por esta razón, la corriente a través del diodo láser debe regularse cuidadosamente. Otro problema es que la emisión de fotones es muy dependiente de la temperatura, el diodo ya se está operando cerca de su límite y, por lo tanto, se calienta, cambiando la cantidad de luz emitida (fotones) y la corriente del diodo. En el momento en que el diodo láser funciona de manera eficiente, ¡está funcionando al borde del desastre! Si la corriente se reduce y cae por debajo de la corriente umbral, la emisión estimulada cesa; solo un poco de corriente excesiva y el diodo se destruye.

A medida que la capa activa se llena de fotones oscilantes, parte (típicamente alrededor del 60%) de la luz se escapa en un haz estrecho y plano desde el borde del chip de diodo. Como se muestra en la Figura 2.6.6, parte de la luz residual también escapa por el borde opuesto y se utiliza para activar un fotodiodo, que convierte la luz de nuevo en corriente eléctrica. Esta corriente se utiliza como retroalimentación para el circuito de controlador de diodo automático, para medir la actividad en el diodo láser y, por lo tanto, asegurarse de controlar la corriente a través del diodo láser, de que la corriente y la salida de luz permanezcan en un nivel constante y seguro.

Módulo láser

Por estas razones, los diodos láser rara vez se utilizan por sí solos; normalmente se suministran como un módulo de diodo láser, que contiene:

Fig. 2.6.7 Módulo Láser Típico

• El diodo en sí.

* Un sensor de luz de fotodiodo.

* Un circuito de regulación de corriente.

• Un colimador.

El módulo de diodo láser es un circuito autorregulador que detecta su propia salida de luz y regula automáticamente la corriente de alimentación y la temperatura para mantener el diodo funcionando en las condiciones críticas en las que se produce luz láser.

Corrección Óptica

Fig. 2.6.Lente de colimación 8

El haz de luz producido por el diodo láser todavía necesita alguna modificación para cambiarlo de un haz elíptico y extendido producido a medida que la luz láser abandona la capa activa delgada del diodo, en un haz paralelo circular. Este proceso se lleva a cabo mediante un dispositivo óptico llamado lente colimante (Fig. 2.6.8). Esto puede ser una lente esférica simple o un tipo asférico, que puede convertir un haz elíptico en uno circular.

Los módulos de diodo láser están disponibles completos con óptica y electrónica. Un módulo típico tendría instalaciones como estabilización de potencia incorporada, arranque lento incorporado y disipador de calor. Los módulos de baja potencia (Clase 2) se utilizan en punteros láser, lectores de códigos de barras, equipos de observación, nivelación y posicionamiento, así como en una amplia gama de usos educativos y de laboratorio. Producen una onda continua, en lugar de una salida de onda pulsada, en varias longitudes de onda entre 500 nm y 900 nm, y por lo tanto tienen diferentes colores de luz láser (verde a 532 nm y rojo a 650 nm), así como infrarrojo y casi infrarrojo. Son fáciles de usar, y por lo general requieren un suministro de CC de 3 V a 5 V para funcionar.

Clasificaciones láser

Los láseres se clasifican en cuatro áreas amplias (más sub áreas) dependiendo de la posibilidad de causar daños biológicos. Cuando vea un láser, debe etiquetarse con la designación de clase adecuada, que se describe brevemente a continuación:

Fig. 2.6.9 Pegatinas típicas de advertencia Láser

• •Clase 1-Seguro en condiciones de uso normal. La salida está restringida a menos de 0.39 Mw a 600 nm (menos para longitudes de onda más cortas).
• * Clase 1M: Láseres que producen haces divergentes, seguros para todas las condiciones de uso, excepto cuando se pasan a través de ópticas de aumento, como microscopios y telescopios.
• * Clase 2: Láseres visibles de baja potencia que emiten por encima de los niveles de clase 1, pero a una potencia radiante no superior a 1 Mw. El concepto es que la reacción de aversión humana a la luz brillante (el reflejo de parpadeo) protegerá a una persona. Esta clase se utiliza para punteros láser.
• * Clase 2M: Similar a la Clase 2, pero puede permitir más potencia, ya que las vigas con esta clasificación deben producir vigas anchas o divergentes. La luz que pasa a través de la pupila de un espectador no debe ser mayor que la permitida en la clase 2.
• * Clase 3R: láseres de potencia moderada por debajo de 5 Mw, considerados seguros donde la visualización está restringida, lo que brinda un bajo riesgo de lesiones.
• * Clase 3B: láseres pulsados de alta potencia de hasta 500 Mw: Las instalaciones de láser de clase 3B requieren controles importantes, como gafas protectoras y bloqueos de seguridad, que son peligrosos para la vista (excepto como luz reflejada de una superficie mate).
• •Clase 4: láseres de alta potencia superiores a 500 Mw. Pueden quemar la piel y causar daños oculares potencialmente devastadores y permanentes como resultado de la visión directa o difusa del haz. También pueden encender materiales combustibles y, por lo tanto, pueden representar un riesgo de incendio. Esta clasificación incluye muchos láseres industriales, científicos, médicos y militares.

Los equipos que utilizan láseres de cualquiera de las clasificaciones anteriores llevarán una etiqueta de advertencia similar a la de la Fig. 2.6.9 descripción de los peligros y clasificación del láser utilizado.

La lista anterior es una versión abreviada de las especificaciones de láser contenidas en la norma IEC 60825-1 y no se debe confiar en ella como una guía completa. El estándar completo, junto con otra información de seguridad relevante, se puede comprar en la tienda web de la Comisión Electrotécnica Internacional