Máquina láser de diodo

Tipos de máquina láser de diodo

Láseres de diodo emisor de bordes
Los láseres de diodo emisor de borde emiten luz láser desde el borde del chip semiconductor. Emiten luz paralela a la superficie del chip. Los láseres de diodo emisor de bordes se forman a partir de un chip hecho de arseniuro de galio (GaAs), fosfuro de indio (InP) o nitruro de galio (GaN). El chip se compone de dos (o más) capas, incluida la región de agotamiento de carga (activa) en la unión pn, donde se produce el efecto láser.

Los diodos emisores de borde pueden proporcionar altos niveles de potencia óptica, que van desde milivatios hasta diez vatios o más. También exhiben una eficiencia eléctrica superior a la típica, en comparación con la mayoría de los otros tipos de láser y diodo láser. Estos láseres se utilizan en la mayoría de los campos: telecomunicaciones, almacenamiento óptico de datos, escaneo de códigos de barras, impresión láser, detección óptica, equipos médicos y sistemas láser industriales.

Láseres de diodo emisor de superficie de cavidad vertical (VCSED)
Los dispositivos VCSED se denominan más comúnmente láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL). Se trata de una clase de diodo láser semiconductor que emite luz láser perpendicular a la superficie del chip, a través de la superficie superior del chip. Los VCSEL están formados por un chip de unión pn con una cavidad vertical, que consta de dos espejos reflectores de Bragg distribuidos. La región activa, donde la luz se inicia mediante la cancelación de la carga, está centrada entre estos espejos. Este tipo de láser generalmente puebla la región activa con pozos cuánticos o estructuras similares que inducen ganancia. La luz se emite perpendicular a la superficie del chip como un haz circular o elíptico con un perfil simétrico y bien definido. Este perfil de haz responde bien a la colimación, con una divergencia relativamente baja.

Estos dispositivos tienen varias ventajas sobre los láseres de diodo emisor de borde. Su umbral de corriente es bajo, lo que permite una alta eficiencia eléctrica a bajos niveles de potencia. Aquellos dispositivos con un perfil de haz circular son muy adecuados para acoplarse a fibras ópticas. Una ventaja importante de los VCSEL es que pueden fabricarse a escala de oblea, lo que genera menores costos de producción y mayor uniformidad que los dispositivos construidos individualmente.

Los láseres VCSED están disponibles para emitir una variedad de longitudes de onda, desde el infrarrojo medio hasta el cercano, y también luz visible. La longitud de onda de la salida resulta de la selección del material, el diseño de la unión y la forma de la cavidad resonante. Son ampliamente utilizados en: redes de fibra óptica, interconexiones ópticas y sistemas de transmisión de datos de alta velocidad. También se utilizan en detección 3D para reconocimiento facial y detección de profundidad en dispositivos móviles, y en aplicaciones ópticas y de detección más generales, como ratones ópticos, impresoras láser y escáneres 3D.

Láseres de retroalimentación distribuida (DFB)
Los láseres DFB (retroalimentación distribuida) tienen una estructura similar a otros láseres semiconductores. Sin embargo, la inclusión de una estructura de rejilla periódica dentro de la región activa, o la guía de ondas externa, es exclusiva de esta clase. La rejilla de retroalimentación distribuida consiste en una variación periódica del índice de refracción de la región de la guía de ondas, lo que da como resultado una modulación periódica del perfil de ganancia. Esto actúa como un mecanismo de retroalimentación, forzando la retroalimentación/amplificación óptica en una longitud de onda seleccionada mientras suprime otros modos. Esto significa que estos dispositivos producen luz en una longitud de onda específica con alta pureza espectral y ancho de línea estrecho. Esto es ideal para comunicaciones de fibra óptica de alta velocidad de datos, detección y diversas aplicaciones de espectroscopía y metrología de alta resolución.

Los láseres DFB también se pueden diseñar para ajustar la longitud de onda dentro de un rango limitado. Esto resulta del ajuste de la temperatura, el ajuste de la corriente o un mecanismo de retroalimentación externo que permite el ajuste del índice de refracción.

Láseres de cascada cuántica (QCL)
El láser de cascada cuántica (QCL) utiliza transiciones en cascada cuántica entre niveles de energía dentro de múltiples uniones semiconductoras como fuente láser. Los QCL se construyen a partir de múltiples pozos cuánticos, con barreras formadas por capas de semiconductores de varias bandas prohibidas. Cuando se aplica una corriente de polarización directa, los electrones y los huecos viajan a través de múltiples niveles de energía cuantificados, generando fotones de manera eficiente en cada transición. Proporcionan emisión en las regiones del infrarrojo medio y de terahercios del espectro electromagnético y pueden emitir una amplia gama de longitudes de onda dentro de estas regiones. La mayoría de las tecnologías de láser de infrarrojo medio necesitan refrigeración criogénica, mientras que los QCL funcionan a temperatura ambiente, lo que los hace ideales para aplicaciones que necesitan este rango de frecuencia. Ofrecer altos niveles de potencia óptica los hace adecuados para aplicaciones de mayor energía, ofreciendo modo de onda continua (CW) con salida muy estable.

Se logra un ajuste relativamente simple de la longitud de onda de emisión ajustando el espesor de las capas y el voltaje de polarización, lo que los hace ideales para aplicaciones de análisis espectroscópicos que requieren múltiples longitudes de onda. También se utilizan para vigilancia ambiental, sistemas de diagnóstico médico, teledetección y comunicación en el espacio libre.

Láseres de diodo de cavidad externa (ECDL)
Los ECDL son un formato de dispositivo que utiliza una cavidad externa, generalmente un reflector o rejilla externo, para amplificar la salida del láser y controlar sus características. Los ECDL permiten una mayor capacidad de sintonización, un ancho de línea estrecho y un control preciso de la longitud de onda en comparación con otros formatos del láser de diodo. Tienen una estructura similar a otros láseres de diodo, con una unión pn polarizada directamente y una región activa en la que se emiten fotones. La cavidad externa se agrega al láser para proporcionar retroalimentación óptica que permite un ajuste preciso de la frecuencia de emisión. Esta cavidad alberga un reflector, rejilla u otra estructura óptica que refleja una proporción del haz de regreso a la cavidad.

Los ECDL pueden facilitar anchos de línea más estrechos, en comparación con otros tipos de láseres de diodo. La cavidad externa suprime los modos longitudinales no deseados y el ruido óptico, brindando una mejor coherencia y un haz de ancho de línea más estrecho. Esta clase de dispositivo es ideal para aplicaciones que requieren una alta pureza espectral para una cuantificación óptica muy precisa.

Los ECDL ofrecen una capacidad de sintonización de longitud de onda significativamente mejorada, en comparación con la mayoría de los láseres de diodo. La longitud de onda del láser se puede ajustar con precisión ajustando sutilmente la posición o el ángulo de incidencia del reflector externo o la rejilla. Esto permite un amplio espectro de aplicaciones exigentes en espectroscopia, física atómica y molecular y metrología. Una ventaja de un buen diseño en la cavidad resonante externa es que el ajuste de la frecuencia de emisión puede realizarse sin saltos de modo, es decir, se pueden realizar ajustes suaves entre las longitudes de onda deseadas, sin cambios de paso asintóticos ni disruptivos.

Láseres de diodo cónico
Los láseres de diodo cónicos (o amplificadores cónicos; láseres cónicos) son una clase de láseres con una cavidad de amplificación cónica. Estos láseres logran una alta potencia de salida, buena calidad del haz y alta eficiencia eléctrica. Esta región ahusada es más ancha en el extremo de entrada y se estrecha gradualmente hacia el extremo de salida. Esta disminución sirve para aumentar el ancho del haz y reducir la densidad óptica en la región de amplificación del láser.

La sección de amplificación cónica permite un área de modo aumentada, lo que permite una mayor extracción de potencia óptica. También ayuda a mejorar la colimación de la calidad del haz en la salida. La conicidad también aumenta la eficiencia de utilización de la energía de la bomba aplicada. Otro beneficio de la reducción cónica es aumentar el espectro de ganancia, lo que permite una gama más amplia de longitudes de onda en la salida. Esta capacidad de sintonización es una característica particularmente valiosa de la clase. Estos dispositivos se utilizan ampliamente en el procesamiento de materiales, el grabado láser y el bombeo láser (para láseres de gas y de estado sólido de alta potencia). Su alta potencia y buena calidad del haz los hacen adecuados para aplicaciones exigentes en las que la precisión, la velocidad y la potencia son esenciales.

Láseres de diodo superluminiscente (SLD)
Los láseres SLD (diodo superluminiscente), también conocidos como fuentes de emisión espontánea amplificada (ASE), son un tipo de láser que combina propiedades de los diodos láser y los LED. Producen luz de amplio espectro y alta intensidad, lo que los hace adecuados para aplicaciones particulares en imágenes, detección de fibra óptica y telecomunicaciones. Los láseres SLD generan luz incoherente mediante emisión espontánea amplificada. Estos dispositivos producen un amplio ancho de banda de luz, que va desde decenas a cientos de nanómetros, lo que hace que los SLD sean adecuados para aplicaciones que requieren un amplio rango espectral o imágenes de alta resolución. SLD ofrece una salida muy brillante, que es una medida de la potencia óptica por unidad de ángulo sólido y unidad de ancho de banda de longitud de onda. El alto brillo resulta de la emisión espontánea amplificada y la amplificación óptica. Su salida tiene una longitud de coherencia corta en comparación con los láseres convencionales. Ésta es la distancia sobre la cual las ondas electromagnéticas mantienen su relación de fase. Esto los hace adecuados para aplicaciones que requieren interferencias de baja coherencia o imágenes con resolución profunda. Los SLD se utilizan en tomografía de coherencia óptica (OCT), detección de fibra óptica, espectroscopia, imágenes biomédicas, metrología óptica y pruebas ópticas. Son particularmente valiosos en sistemas OCT para obtener imágenes de alta resolución de tejidos y materiales biológicos.

Láseres de doble heteroestructura.
Los láseres de doble heteroestructura (DH) son una rama de la familia de diodos láser que integra una heteroestructura que mejora el rendimiento de la tecnología. Los láseres DH tienen un umbral de corriente más bajo, mayor eficiencia y mayor potencia de salida, en comparación con la construcción de homounión común.

Los láseres DH se ensamblan a partir de dos uniones pn formadas en tres capas. La zona de agotamiento (la capa central de tipo n) está acoplada entre dos capas de tipo p con una banda prohibida más amplia. Esta configuración crea un confinamiento eficiente de los portadores y un modo óptico sin fugas, lo que aumenta la eficiencia eléctrica y el rendimiento general. Un mayor confinamiento de portadores ayuda a incrementar la densidad y la recombinación de portadores, lo que conduce a una mayor ganancia y una mejor eficiencia operativa en la mayoría de los aspectos. Un beneficio secundario es que la heteroestructura induce el confinamiento óptico, impulsando la interacción luz-materia. El umbral de corriente más bajo resulta de una menor fuga del portador de carga, lo que permite que el láser alcance el umbral para el inicio del láser a niveles de corriente más bajos.

Estos dispositivos se utilizan ampliamente en telecomunicaciones, dispositivos de datos ópticos, impresión láser y sistemas de medición con láser. Son particularmente valiosos en comunicaciones de fibra óptica de larga distancia en las que la alta eficiencia, las corrientes de umbral bajas y el alto rendimiento son beneficiosos.

Láseres de diodo de pozo cuántico
Los láseres de diodo de pozo cuántico son una familia de dispositivos que contienen estructuras cuánticas buenas que mejoran las propiedades ópticas/eléctricas. Logran un umbral de corriente más bajo, una mayor eficiencia energética y un control de longitud de onda mejorado, en relación con dispositivos más básicos. Estos dispositivos están construidos a partir de una estructura en capas de delgadas obleas semiconductoras de banda prohibida más estrecha, encerradas en capas de banda prohibida más alta. La capa del pozo cuántico crea una región de confinamiento tanto para los portadores como para los fotones generados, lo que mejora la amplificación óptica. El portador confinado logra una mayor densidad en la región del pozo cuántico, lo que facilita un mejor uso de los portadores para la emisión estimulada, lo que resulta en una mejor eficiencia de conversión de energía. Permiten un control preciso sobre la longitud de onda generada, ajustando el ancho y la composición del pozo. Esto permite que la longitud de onda de emisión se ajuste con precisión a especificaciones exigentes.

Los láseres de diodo de pozo cuántico son famosos por su salida de ancho de línea estrecho. La supresión de la competencia del modo longitudinal y la reducción del ruido óptico dan como resultado una mejor coherencia y un comportamiento espectral más estrecho. Este formato de dispositivo es particularmente beneficioso en telecomunicaciones, almacenamiento óptico de datos, impresión láser y diagnóstico médico. Las fuentes de radiación compactas y eficientes para las comunicaciones por fibra óptica son fundamentales en la fibra óptica de gran ancho de banda y larga distancia.

Láseres láser de modo longitudinal único (SLM)
Los láseres de modo longitudinal único (SLM) emiten luz para producir una salida de frecuencia o longitud de onda única con alta coherencia y ancho de línea estrecho. Los láseres SLM aplican diversas técnicas, como elementos de selección de modo, métodos de estabilización de frecuencia y optimización del diseño de cavidades, para lograr este resultado monomodo. La supresión de los modos longitudinales que interfieren genera una salida altamente coherente con un espectro de frecuencia estrecho.

Los láseres SLM se utilizan en diversos campos, como las telecomunicaciones, la detección de fibra óptica, la metrología, la espectroscopia y la interferometría, y como herramientas de investigación, debido a su alta coherencia, control preciso de la longitud de onda y ancho de línea estrecho.

Láseres en cascada interbanda
Los láseres en cascada interbanda (ICL) operan en la transición interbanda entre diferentes bandas electrónicas dentro de la región activa. Ofrecen un funcionamiento eficiente y de alto rendimiento en el espectro de longitud de onda del infrarrojo medio. Las ICL se benefician de las transiciones entre bandas de energía dentro de cada oblea, aprovechando las transiciones en cascada entre múltiples etapas/pozos cuánticos para lograr una ganancia óptica y una emisión láser mejoradas. Los láseres de diodo convencionales se basan en transiciones intrabanda más limitadas. Por lo general, están diseñados para generar radiación en longitudes de onda del infrarrojo medio, entre 3 y 12 micrómetros. Múltiples etapas de pozos cuánticos están conectadas eléctricamente en una configuración en cascada. Cada etapa participa en el proceso de ganancia, lo que resulta en una mayor amplificación óptica que los dispositivos de unión única.

Las ICL entregan un umbral de corriente particularmente bajo para el inicio del láser. Una mayor eficiencia en el transporte y utilización del operador da como resultado un menor consumo de energía. Las ICL se aplican a la detección de gases, análisis químicos, monitoreo ambiental, control de procesos industriales y comunicaciones ópticas en espacio libre. La radiación del infrarrojo medio es útil para detectar y medir contaminantes específicos.

Láseres de heteroestructura de confinamiento separado
Los láseres de heteroestructura de confinamiento separado (SCH) utilizan un diseño de heteroestructura para mejorar las propiedades ópticas y eléctricas. Esto ofrece pérdidas ópticas reducidas, un mayor confinamiento del portador y un rendimiento general mejorado en comparación con los láseres de homounión comunes. Los láseres SCH incorporan varias obleas con diferentes bandas prohibidas para formar una heteroestructura más compleja. La capa de agotamiento está intercalada por capas de banda prohibida más anchas. Esta complejidad permite un mayor confinamiento tanto de las portadoras como de los modos ópticos.

Un confinamiento mejorado y una fuga óptica reducida resultan de que las capas de revestimiento atrapan la actividad óptica y portadora de carga dentro de la región activa. La reducción de la fuga de portadora contribuye particularmente a mejorar la corriente umbral y la eficiencia eléctrica. A su vez, esto mejora el rendimiento, en comparación con los láseres de homounión, al mejorar la estabilidad de la temperatura, un mayor ancho de banda de modulación y la deriva de la longitud de onda dependiente de la temperatura. Los láseres SCH son particularmente útiles en aplicaciones que requieren eficiencia y estabilidad de temperatura. Son adecuados para aplicaciones generales como telecomunicaciones, almacenamiento óptico de datos, impresión láser, detección óptica e investigación basada en láser, pero son particularmente adecuados para entornos más hostiles y sistemas de comunicaciones de fibra óptica.

Láseres de reflector de Bragg distribuido (DBR)
Los dispositivos con reflector de Bragg distribuido (DBR) son dispositivos que incorporan un reflector de Bragg distribuido integrado en la cavidad de amplificación. Este aspecto permite un control preciso de la frecuencia emitida y una filtración estrecha para una buena selección y pureza espectral. La rejilla de Bragg consta de capas alternas de materiales de alto y bajo índice de refracción que funcionan como un espejo selectivo de longitud de onda. Esta estructura refleja la luz de todas las longitudes de onda no seleccionadas y al mismo tiempo permite que la radiación deseada se propague a través de la cavidad de amplificación. Esta estructura proporciona una selectividad precisa de la longitud de onda y, al ajustar el período de la rejilla o los pares de índice de refracción, la longitud de onda emitida se puede sintonizar en un rango. Esto facilita la personalización y la compatibilidad con una variedad de aplicaciones, incluidos los sistemas de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) y la tomografía de coherencia óptica (OCT).

Los láseres DBR proporcionan una salida de ancho de línea estrecho como resultado de la retroalimentación distribuida de la rejilla de Bragg. La rejilla suprime los modos longitudinales indeseables y da como resultado una emisión monomodo de ancho espectral estrecho. Estos dispositivos ofrecen relaciones de supresión de modo lateral altas y beneficiosas (HSMSR), que representan la diferencia de potencia entre el modo láser deseado y los modos vecinos, proporcionando una medida de selectividad, pureza espectral y ancho de línea estrecho.

Los láseres DBR se utilizan en telecomunicaciones, detección de fibra óptica, espectroscopia, metrología y tomografía de coherencia óptica. Se utilizan como fuentes de luz precisas y estables en diversos sistemas que requieren longitudes de onda específicas, anchos de línea estrechos y alta pureza espectral.

Láseres emisores de superficie de cavidad externa vertical
Los láseres emisores de superficie de cavidad externa vertical (VECSEL) son un tipo especializado de dispositivo láser que combina las características beneficiosas de los láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL) y los láseres de diodo de cavidad externa (ECDL). Esto da como resultado características únicas como alta potencia de salida, sintonizabilidad de longitud de onda y excelente calidad del haz.

Los VECSEL tienen su cavidad láser orientada verticalmente, por lo que la luz se emite perpendicular a la superficie del chip. Este diseño vertical permite una disipación de calor eficiente y un control preciso sobre el haz emitido. Su configuración de cavidad externa se construye a partir de superficies reflectantes adicionales colocadas fuera de la estructura del chip. Esto permite el control de la longitud de onda, la conformación del haz y el escalado de potencia. Los VECSEL son capaces de generar una potencia de salida mayor que los VCSEL porque la configuración de la cavidad externa mejora la disipación del calor. La sintonización precisa de la longitud de onda en un amplio rango espectral se logra alterando la posición de los espejos de la cavidad externa o ajustando la temperatura de funcionamiento del dispositivo. Mediante el uso de una cavidad externa diseñada con precisión, los VECSEL logran una salida de alta calidad con un ángulo de divergencia bajo y un perfil de haz uniforme.

Los VECSEL se utilizan en investigación científica, procesamiento de materiales, diagnóstico médico, detección óptica y telecomunicaciones. Sirven aplicaciones de precisión como espectroscopia láser, enfriamiento por láser y captura/manipulación de átomos, ablación por láser y comunicaciones ópticas de alta velocidad de datos.

Láseres de modo multilongitudinal (MLM)
Los láseres de modo multilongitudinal (MLM) ofrecen la inusual facilidad de emitir en varias bandas de frecuencia estrechamente espaciadas pero estrechas, a lo largo de un espectro relativamente amplio. Los modos longitudinales de los láseres MLM están muy espaciados. La separación depende del diseño funcional de la cavidad resonante, como su longitud y el índice de refracción del medio láser. Su amplio espectro de emisión se debe a la presencia de estos múltiples modos. El ancho espectral y la distribución de los modos surgen debido al diseño de la cavidad y la unión y también de las condiciones de operación.

Los láseres MLM se utilizan en espectroscopia, metrología, interferometría y telecomunicaciones. Son particularmente aplicables a la tomografía de coherencia óptica (OCT), en la que es posible obtener imágenes de alta resolución, como resultado de la interferencia de los múltiples modos longitudinales.

Aplicación de la máquina láser de diodo

Cómo mantener la máquina láser de diodo

¿Cómo funciona el láser de diodo?

Los láseres de diodo funcionan estimulando la emisión de fotones en una unión semiconductora. El material semiconductor tiene bandas prohibidas de energía específicas que desencadenan la generación y amplificación de luz coherente. Un diodo consta de una unión pn. La región de tipo n crea un exceso de portadores (electrones) con carga negativa, mientras que la región de tipo p crea un exceso de portadores (huecos) con carga positiva. La unión forma una región de agotamiento entre los dos materiales. Cuando se aplica un voltaje de polarización directa (+ve al p y -ve al material n) a través de la unión, la corriente fluye. 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 se neutralizan, liberando un fotón por cada carga cancelada.

El láser de diodo está diseñado con superficies reflectantes en los extremos, formando una "cavidad óptica". Los fotones se reflejan internamente y la retroalimentación óptica mejora las emisiones estimuladas y da como resultado una luz coherente de banda estrecha. La emisión estimulante también ocurre cuando un fotón interactúa con un electrón excitado, lo que hace que emita otro fotón. Estos fotones adicionales son idénticos al fotón activador, lo que conduce a la amplificación. A medida que continúa la emisión estimulada y los fotones se reflejan dentro de la cavidad, aumenta la intensidad de la energía del láser.