Diodo laser - Laser diode

Diodo laser
Diodo laser.jpg
Um diodo laser empacotado mostrado com uma moeda de um centavo para a escala
Modelo semicondutor , diodo emissor de luz
Princípio de trabalho semicondutor , geração de portadora e recombinação
Inventado Robert N. Hall , 1962; Nick Holonyak, Jr. , 1962
Configuração de pinos Ânodo e cátodo
Um diodo laser empacotado mostrado com uma moeda de um centavo para a escala
O chip de diodo laser removido e colocado no olho de uma agulha para escala
Um diodo laser com a caixa cortada. O chip de diodo laser é o pequeno chip preto na frente; um fotodiodo na parte traseira é usado para controlar a potência de saída.
Imagem SEM ( microscópio eletrônico de varredura ) de um diodo laser comercial com sua caixa e janela cortadas. A conexão do ânodo à direita foi quebrada acidentalmente pelo processo de corte da caixa.

Um diodo de laser ( LD , também diodo de laser de injeção ou ILD , ou laser de diodo ) é um dispositivo semicondutor semelhante a um diodo emissor de luz no qual um diodo bombeado diretamente com corrente elétrica pode criar condições de laser na junção do diodo .

Impulsionada por voltagem, a transição pn dopada permite a recombinação de um elétron com um buraco . Devido à queda do elétron de um nível de energia superior para um inferior, a radiação, na forma de um fóton emitido, é gerada. Esta é uma emissão espontânea. A emissão estimulada pode ser produzida quando o processo é continuado e ainda gera luz com a mesma fase, coerência e comprimento de onda.

A escolha do material semicondutor determina o comprimento de onda do feixe emitido, que nos diodos de laser de hoje variam do infravermelho ao espectro de UV. Diodos laser são o tipo mais comum de lasers produzidos, com uma vasta gama de utilizações que incluem comunicações de fibra óptica , leitores de código de barras , ponteiros laser , CD / DVD / Blu-ray disco de leitura / gravação, impressão a laser , laser scanning e feixe de luz de iluminação . Com o uso de um fósforo como o encontrado nos LEDs brancos , os diodos laser podem ser usados ​​para iluminação geral.

Teoria

Lasers semicondutores (660 nm, 635 nm, 532 nm, 520 nm, 445 nm, 405 nm)

Um diodo laser é eletricamente um diodo PIN . A região ativa do diodo laser está na região intrínseca (I), e os portadores (elétrons e buracos) são bombeados para essa região a partir das regiões N e P, respectivamente. Enquanto a pesquisa inicial de laser de diodo foi conduzida em diodos PN simples, todos os lasers modernos usam a implementação de dupla hetero-estrutura, onde os portadores e os fótons são confinados a fim de maximizar suas chances de recombinação e geração de luz. Ao contrário de um diodo regular, o objetivo de um diodo laser é recombinar todos os portadores na região I e produzir luz. Assim, diodos de laser são fabricados usando semicondutores de gap direto . A estrutura epitaxial do diodo laser é cultivada usando uma das técnicas de crescimento de cristal , geralmente a partir de um substrato dopado com N e crescendo a camada ativa dopada I, seguida pelo revestimento dopado P e uma camada de contato. A camada ativa geralmente consiste em poços quânticos , que fornecem corrente de limite inferior e maior eficiência.

Bombeamento elétrico e óptico

Os diodos laser formam um subconjunto da classificação mais ampla de diodos de junção p - n semicondutores . A polarização elétrica direta através do diodo laser faz com que as duas espécies de portadores de carga - orifícios e elétrons - sejam "injetados" de lados opostos da junção p - n na região de depleção. Buracos são injetados do semicondutor dopado com p e elétrons do semicondutor dopado com n . (Uma região de depleção , desprovida de quaisquer portadores de carga, se forma como resultado da diferença no potencial elétrico entre os semicondutores dos tipos n e p, onde quer que estejam em contato físico.) Devido ao uso de injeção de carga na alimentação da maioria dos lasers de diodo, esta classe de lasers às vezes é denominada "lasers de injeção" ou "diodo de laser de injeção" (ILD). Como os lasers de diodo são dispositivos semicondutores, eles também podem ser classificados como lasers semicondutores. Qualquer uma das designações distingue os lasers de diodo de lasers de estado sólido .

Outro método de alimentar alguns lasers de diodo é o uso de bombeamento óptico . Os lasers semicondutores com bombeamento óptico (OPSL) usam um chip semicondutor III-V como meio de ganho e outro laser (geralmente outro laser de diodo) como fonte da bomba. OPSL oferece várias vantagens sobre os ILDs, particularmente na seleção do comprimento de onda e na ausência de interferência das estruturas internas do eletrodo. Uma outra vantagem dos OPSLs é a invariância dos parâmetros do feixe - divergência, forma e apontamento - conforme a potência da bomba (e, portanto, a potência de saída) é variada, mesmo em uma relação de potência de saída de 10: 1.

Geração de emissão espontânea

Quando um elétron e um buraco estão presentes na mesma região, eles podem se recombinar ou "aniquilar" produzindo uma emissão espontânea - ou seja, o elétron pode reocupar o estado de energia do buraco, emitindo um fóton com energia igual à diferença entre o estado original do elétron e o estado do buraco. (Em um diodo de junção semicondutor convencional, a energia liberada da recombinação de elétrons e lacunas é carregada como fônons , ou seja, vibrações de rede, em vez de fótons.) A emissão espontânea abaixo do limite de laser produz propriedades semelhantes a um LED . A emissão espontânea é necessária para iniciar a oscilação do laser, mas é uma entre várias fontes de ineficiência, uma vez que o laser está oscilando.

Semicondutores bandgap diretos e indiretos

A diferença entre o laser semicondutor emissor de fótons e um diodo de junção semicondutor convencional emissor de fônons (não emissor de luz) está no tipo de semicondutor utilizado, cuja estrutura física e atômica confere a possibilidade de emissão de fótons. Esses semicondutores emissores de fótons são os chamados semicondutores de "bandgap direto" . As propriedades do silício e do germânio, que são semicondutores de elemento único, têm bandgaps que não se alinham da maneira necessária para permitir a emissão de fótons e não são consideradas "diretas". Outros materiais, os chamados semicondutores compostos, têm estruturas cristalinas virtualmente idênticas como silício ou germânio, mas usam arranjos alternados de duas espécies atômicas diferentes em um padrão de tabuleiro de xadrez para quebrar a simetria. A transição entre os materiais no padrão alternado cria a propriedade crítica de " bandgap direto ". Arseneto de gálio , fosfeto de índio , antimoneto de gálio e nitreto de gálio são exemplos de materiais semicondutores compostos que podem ser usados ​​para criar diodos de junção que emitem luz.

Diagrama de um diodo laser simples, como mostrado acima; não escalar
Um diodo laser fechado de metal simples e de baixa potência

Geração de emissão estimulada

Na ausência de condições de emissão estimulada (por exemplo, lasing), elétrons e lacunas podem coexistir próximos um do outro, sem se recombinar, por um certo tempo, denominado "tempo de vida de estado superior" ou "tempo de recombinação" (cerca de um nanossegundo por materiais típicos de laser de diodo), antes de se recombinarem. Um fóton próximo com energia igual à energia de recombinação pode causar recombinação por emissão estimulada . Isso gera outro fóton com a mesma frequência, polarização e fase , viajando na mesma direção do primeiro fóton. Isso significa que a emissão estimulada causará ganho em uma onda óptica (do comprimento de onda correto) na região de injeção, e o ganho aumenta conforme o número de elétrons e orifícios injetados através da junção aumenta. Os processos de emissão espontânea e estimulada são muito mais eficientes em semicondutores bandgap diretos do que em semicondutores bandgap indiretos ; portanto, o silício não é um material comum para diodos de laser.

Cavidade óptica e modos de laser

Como em outros lasers, a região de ganho é circundada por uma cavidade óptica para formar um laser. Na forma mais simples de diodo laser, um guia de onda óptico é feito na superfície do cristal, de modo que a luz fica confinada a uma linha relativamente estreita. As duas extremidades do cristal são clivadas para formar bordas perfeitamente lisas e paralelas, formando um ressonador Fabry-Pérot . Os fótons emitidos em um modo do guia de ondas viajarão ao longo do guia de ondas e serão refletidos várias vezes de cada face de extremidade antes de saírem. Conforme uma onda de luz passa pela cavidade, ela é amplificada pela emissão estimulada , mas a luz também é perdida devido à absorção e à reflexão incompleta das facetas finais. Finalmente, se houver mais amplificação do que perda, o diodo começa a " perder ".

Algumas propriedades importantes dos diodos de laser são determinadas pela geometria da cavidade óptica. Geralmente, a luz está contida em uma camada muito fina e a estrutura suporta apenas um único modo óptico na direção perpendicular às camadas. Na direção transversal, se o guia de ondas for largo em comparação com o comprimento de onda da luz, então o guia de ondas pode suportar vários modos ópticos transversais e o laser é conhecido como "multimodo". Esses lasers transversalmente multimodo são adequados nos casos em que é necessária uma grande quantidade de energia, mas não um pequeno feixe TEM00 limitado por difração ; por exemplo, na impressão, ativação de produtos químicos, microscopia ou bombeamento de outros tipos de lasers.

Em aplicações onde um pequeno feixe focalizado é necessário, o guia de ondas deve ser estreito, na ordem do comprimento de onda óptico. Dessa forma, apenas um único modo transversal é suportado e um acaba com um feixe limitado por difração. Esses dispositivos de modo espacial único são usados ​​para armazenamento óptico, ponteiros de laser e fibra óptica. Observe que esses lasers ainda podem suportar vários modos longitudinais e, portanto, podem perder em vários comprimentos de onda simultaneamente. O comprimento de onda emitido é uma função do gap do material semicondutor e dos modos da cavidade óptica. Em geral, o ganho máximo ocorrerá para fótons com energia ligeiramente acima da energia do intervalo de banda, e os modos mais próximos do pico da curva de ganho perderão mais fortemente. A largura da curva de ganho determinará o número de "modos laterais" adicionais que também podem perder, dependendo das condições de operação. Lasers de modo espacial único que podem suportar vários modos longitudinais são chamados de lasers Fabry Perot (FP). Um laser FP perde em vários modos de cavidade dentro da largura de banda de ganho do meio laser. O número de modos de laser em um laser FP é geralmente instável e pode flutuar devido a mudanças na corrente ou na temperatura.

Os lasers de diodo de modo espacial único podem ser projetados para operar em um modo longitudinal único. Esses lasers de diodo de frequência única exibem um alto grau de estabilidade e são usados ​​em espectroscopia e metrologia e como referências de frequência. Os lasers de diodo de frequência única são classificados como lasers de feedback distribuído (DFB) ou lasers de refletor Bragg distribuído (DBR).

Formação de feixe de laser

Devido à difração , o feixe diverge (se expande) rapidamente após deixar o chip, normalmente em 30 graus verticalmente por 10 graus lateralmente. Uma lente deve ser usada para formar um feixe colimado como aquele produzido por um apontador laser. Se um feixe circular for necessário, lentes cilíndricas e outras ópticas são usadas. Para lasers monomodo espacial, utilizando lentes simétricas, o feixe colimado acaba tendo formato elíptico, devido à diferença nas divergências vertical e lateral. Isso é facilmente observável com um apontador laser vermelho .

O diodo simples descrito acima foi bastante modificado nos últimos anos para acomodar a tecnologia moderna, resultando em uma variedade de tipos de diodos de laser, conforme descrito abaixo.

História

Nick Holonyak

Já em 1953, John von Neumann descreveu o conceito de laser semicondutor em um manuscrito não publicado. Em 1957, o engenheiro japonês Jun-ichi Nishizawa registrou a patente do primeiro laser semicondutor . Foi um avanço de suas invenções anteriores, o diodo PIN em 1950 e o maser de estado sólido em 1955.

Seguindo os tratamentos teóricos de MG Bernard, G. Duraffourg e William P. Dumke no início dos anos 1960, a emissão de luz coerente de um diodo semicondutor de arseneto de gálio (GaAs) (um diodo laser) foi demonstrada em 1962 por dois grupos norte-americanos liderados por Robert N. Hall no centro de pesquisa da General Electric e por Marshall Nathan no IBM TJ Watson Research Center. Tem havido um debate contínuo se a IBM ou a GE inventaram o primeiro diodo laser, que foi amplamente baseado no trabalho teórico de William P. Dumke no Kitchawan Lab da IBM (atualmente conhecido como Thomas J. Watson Research Center) em Yorktown Heights, NY. A prioridade é dada ao grupo General Electric que obteve e enviou seus resultados anteriormente; eles também foram mais longe e fizeram uma cavidade ressonante para o diodo. Especulou-se inicialmente, por Ben Lax do MIT entre outros físicos importantes, que o silício ou o germânio poderiam ser usados ​​para criar um efeito de laser, mas análises teóricas convenceram William P. Dumke de que esses materiais não funcionariam. Em vez disso, ele sugeriu o Arsenieto de Gálio como um bom candidato. O primeiro diodo de laser GaAs de comprimento de onda visível foi demonstrado por Nick Holonyak, Jr. no final de 1962.

Outras equipes do MIT Lincoln Laboratory , Texas Instruments e RCA Laboratories também estiveram envolvidas e receberam crédito por suas históricas demonstrações iniciais de emissão de luz eficiente e lasing em diodos semicondutores em 1962 e depois. Os lasers GaAs também foram produzidos no início de 1963 na União Soviética pela equipe liderada por Nikolay Basov .

No início da década de 1960, a epitaxia em fase líquida (LPE) foi inventada por Herbert Nelson, dos RCA Laboratories. Ao colocar em camadas os cristais da mais alta qualidade de composições variadas, ele permitiu a demonstração dos materiais de laser semicondutor de heterojunção da mais alta qualidade por muitos anos. O LPE foi adotado por todos os laboratórios líderes em todo o mundo e usado por muitos anos. Foi finalmente suplantado na década de 1970 pela epitaxia de feixe molecular e deposição de vapor químico organometálico .

Os lasers de diodo daquela época operavam com densidades de corrente de limiar de 1000 A / cm 2 a 77 K de temperaturas. Esse desempenho permitiu que o lasing contínuo fosse demonstrado nos primeiros dias. No entanto, quando operado em temperatura ambiente, cerca de 300 K, as densidades de corrente de limiar foram duas ordens de magnitude maior, ou 100.000 A / cm 2 nos melhores dispositivos. O desafio dominante para o restante da década de 1960 foi obter baixa densidade de corrente de limiar a 300 K e, assim, demonstrar lasing de onda contínua em temperatura ambiente a partir de um laser de diodo.

Os primeiros lasers de diodo eram diodos de homojunção. Ou seja, o material (e, portanto, o bandgap) da camada do núcleo do guia de ondas e das camadas de revestimento circundantes eram idênticos. Foi reconhecido que havia uma oportunidade, particularmente proporcionada pelo uso de epitaxia de fase líquida usando arseneto de gálio e alumínio, para introduzir heterojunções. As heteroestruturas consistem em camadas de cristal semicondutor com bandgap e índice de refração variáveis. Heterojunções (formadas a partir de heteroestruturas) foram reconhecidas por Herbert Kroemer , enquanto trabalhava na RCA Laboratories em meados da década de 1950, como tendo vantagens únicas para vários tipos de dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos, incluindo lasers de diodo. LPE forneceu a tecnologia de fazer lasers de diodo de heterojunção. Em 1963 ele propôs o laser de dupla heteroestrutura .

Os primeiros lasers de diodo de heterojunção eram lasers de heterojunção simples. Esses lasers utilizaram injetores do tipo p de arsenieto de gálio e alumínio situados sobre camadas de arsenieto de gálio do tipo n crescidas no substrato por LPE. Uma mistura de alumínio substituiu o gálio no cristal semicondutor e aumentou o bandgap do injetor do tipo p sobre o das camadas do tipo n abaixo. Funcionou; as correntes de limiar de 300 K diminuíram em 10 × para 10.000 amperes por centímetro quadrado. Infelizmente, isso ainda não estava na faixa necessária e esses lasers de diodo de heteroestrutura única não funcionavam em operação de onda contínua à temperatura ambiente.

A inovação que atendeu ao desafio da temperatura ambiente foi o laser de dupla heteroestrutura. O truque era mover rapidamente o wafer no aparelho LPE entre diferentes "derretimentos" de arsenieto de gálio e alumínio (tipo p - e n ) e um terceiro derretimento de arsenieto de gálio. Isso precisava ser feito rapidamente, uma vez que a região central do arsenieto de gálio precisava ter uma espessura significativamente inferior a 1 µm. O primeiro diodo laser a atingir operação de onda contínua foi uma dupla heteroestrutura demonstrada em 1970 essencialmente simultaneamente por Zhores Alferov e colaboradores (incluindo Dmitri Z. Garbuzov ) da União Soviética , e Morton Panish e Izuo Hayashi trabalhando nos Estados Unidos. No entanto, é amplamente aceito que Zhores I. Alferov e a equipe alcançaram o marco primeiro.

Por sua realização e a de seus colegas de trabalho, Alferov e Kroemer dividiram o Prêmio Nobel de Física de 2000.

Tipos

A estrutura simples do diodo laser, descrita acima, é ineficiente. Esses dispositivos requerem tanta energia que só podem atingir a operação pulsada sem danos. Embora historicamente importantes e fáceis de explicar, esses dispositivos não são práticos.

Lasers de dupla heteroestrutura

Diagrama de vista frontal de um diodo laser de dupla heteroestrutura; não escalar

Nestes dispositivos, uma camada de material de baixo bandgap é ensanduichada entre duas camadas de alto bandgap. Um par de materiais comumente usados ​​é o arsenieto de gálio (GaAs) com arsenieto de gálio e alumínio (Al x Ga (1-x) As). Cada uma das junções entre diferentes materiais de bandgap é chamada de heteroestrutura , daí o nome "laser de dupla heteroestrutura" ou laser DH . O tipo de diodo de laser descrito na primeira parte do artigo pode ser referido como um laser de homojunção , para contraste com esses dispositivos mais populares.

A vantagem de um laser DH é que a região onde os elétrons livres e os buracos existem simultaneamente - a região ativa - está confinada à fina camada intermediária. Isso significa que muitos mais pares de elétron-buraco podem contribuir para a amplificação - nem tantos são deixados de fora na periferia de amplificação insuficiente. Além disso, a luz é refletida dentro da heterojunção; portanto, a luz está confinada à região onde ocorre a amplificação.

Lasers de poço quântico

Diagrama de vista frontal de um diodo laser de poço quântico simples; não escalar

Se a camada do meio for fina o suficiente, ela atuará como um poço quântico . Isso significa que a variação vertical da função de onda do elétron e, portanto, um componente de sua energia, é quantizada. A eficiência de um laser de poço quântico é maior do que a de um laser em massa porque a função de densidade de estados dos elétrons no sistema de poço quântico tem uma borda abrupta que concentra elétrons em estados de energia que contribuem para a ação do laser.

Lasers contendo mais de uma camada de poço quântico são conhecidos como lasers de poço quântico múltiplo . Múltiplos poços quânticos melhoram a sobreposição da região de ganho com o modo de guia de onda óptico .

Melhorias adicionais na eficiência do laser também foram demonstradas reduzindo a camada do poço quântico a um fio quântico ou a um "mar" de pontos quânticos .

Lasers em cascata quântica

Em um laser de cascata quântica , a diferença entre os níveis de energia do poço quântico é usada para a transição do laser em vez do bandgap. Isso permite a ação do laser em comprimentos de onda relativamente longos , que podem ser ajustados simplesmente alterando a espessura da camada. Eles são lasers de heterojunção.

Lasers em cascata entre bandas

Um laser em cascata Interband (ICL) é um tipo de diodo laser que pode produzir radiação coerente sobre uma grande parte da região do infravermelho médio do espectro eletromagnético.

Lasers de heteroestrutura de confinamento separado

Diagrama da vista frontal de um diodo de laser de poço quântico de heteroestrutura de confinamento separado; não escalar

O problema com o diodo de poço quântico simples descrito acima é que a camada fina é simplesmente muito pequena para confinar efetivamente a luz. Para compensar, outras duas camadas são adicionadas, fora das três primeiras. Essas camadas têm um índice de refração mais baixo do que as camadas centrais e, portanto, confinam a luz de forma eficaz. Tal projeto é chamado de diodo de laser de heteroestrutura de confinamento separado (SCH).

Quase todos os diodos laser comerciais desde a década de 1990 foram diodos de poço quântico SCH.

Lasers refletores distribuídos Bragg

Um laser refletor de Bragg distribuído (DBR) é um tipo de diodo de laser de frequência única. É caracterizado por uma cavidade óptica que consiste em uma região de ganho eletricamente ou opticamente bombeada entre dois espelhos para fornecer feedback. Um dos espelhos é um refletor de banda larga e o outro espelho é seletivo para o comprimento de onda, de modo que o ganho é favorecido em um único modo longitudinal, resultando em lasing em uma única frequência de ressonância. O espelho de banda larga é geralmente revestido com um revestimento de baixa refletividade para permitir a emissão. O espelho seletivo de comprimento de onda é uma rede de difração periodicamente estruturada com alta refletividade. A rede de difração está dentro de uma região não bombeada ou passiva da cavidade. Um laser DBR é um dispositivo de chip único monolítico com a grade gravada no semicondutor. Os lasers DBR podem ser lasers emissores de borda ou VCSELs . As arquiteturas híbridas alternativas que compartilham a mesma topologia incluem lasers de diodo de cavidade estendida e lasers de grade de Bragg de volume, mas não são chamados apropriadamente de lasers DBR.

Lasers de feedback distribuído

Um laser de feedback distribuído (DFB) é um tipo de diodo de laser de frequência única. Os DFBs são o tipo de transmissor mais comum em sistemas DWDM . Para estabilizar o comprimento de onda do laser, uma rede de difração é gravada perto da junção pn do diodo. Essa grade atua como um filtro óptico, fazendo com que um único comprimento de onda seja realimentado para a região de ganho e para o lase. Uma vez que a grade fornece o feedback necessário para o lasing, a reflexão das facetas não é necessária. Assim, pelo menos uma faceta de um DFB é revestida com anti-reflexo . O laser DFB tem um comprimento de onda estável que é definido durante a fabricação pelo tom da grade e só pode ser ajustado levemente com a temperatura. Os lasers DFB são amplamente usados ​​em aplicações de comunicação óptica onde um comprimento de onda preciso e estável é crítico.

A corrente de limiar deste laser DFB, com base em sua característica estática, é de cerca de 11 mA. A corrente de polarização apropriada em um regime linear pode ser tomada no meio da característica estática (50 mA). Várias técnicas foram propostas a fim de melhorar a operação monomodo nestes tipos de lasers, inserindo um deslocamento de fase (1PS ) ou deslocamento de fase múltipla (MPS) na grade de Bragg uniforme. No entanto, os lasers DFB de deslocamento de fase múltipla representam a solução ideal porque têm a combinação de maior taxa de supressão do modo lateral e redução da queima de orifícios espaciais.

Laser de emissão de superfície de cavidade vertical

Diagrama de uma estrutura VCSEL simples; não escalar

Lasers emissores de superfície de cavidade vertical (VCSELs) têm o eixo da cavidade óptica ao longo da direção do fluxo de corrente, em vez de perpendicular ao fluxo de corrente, como nos diodos laser convencionais. O comprimento da região ativa é muito curto em comparação com as dimensões laterais, de modo que a radiação emerge da superfície da cavidade ao invés de sua borda, como mostrado na figura. Os refletores nas extremidades da cavidade são espelhos dielétricos feitos de multicamadas espessas de quarto de onda alternadas de alto e baixo índice de refração.

Esses espelhos dielétricos fornecem um alto grau de refletância seletiva do comprimento de onda no comprimento de onda da superfície livre necessário λ se as espessuras das camadas alternadas d 1 e d 2 com índices de refração n 1 e n 2 são tais que n 1 d 1 + n 2 d 2 = λ / 2 que leva à interferência construtiva de todas as ondas parcialmente refletidas nas interfaces. Mas há uma desvantagem: por causa das altas refletividades do espelho, os VCSELs têm potências de saída mais baixas quando comparados aos lasers de emissão de borda.

Existem várias vantagens na produção de VCSELs em comparação com o processo de produção de lasers emissores de borda. Emissores de borda não podem ser testados até o final do processo de produção. Se o emissor de borda não funcionar, seja devido a contatos ruins ou baixa qualidade de crescimento do material, o tempo de produção e os materiais de processamento foram desperdiçados.

Além disso, como os VCSELs emitem o feixe perpendicular à região ativa do laser em oposição ao paralelo como com um emissor de borda, dezenas de milhares de VCSELs podem ser processados ​​simultaneamente em uma bolacha de arseneto de gálio de três polegadas. Além disso, embora o processo de produção do VCSEL seja mais intensivo em mão-de-obra e materiais, o rendimento pode ser controlado para um resultado mais previsível. No entanto, eles normalmente mostram um nível de saída de energia mais baixo.

Laser de emissão de superfície com cavidade externa vertical

Lasers emissores de superfície de cavidade externa vertical, ou VECSELs , são semelhantes aos VCSELs. Em VCSELs, os espelhos são tipicamente crescidos epitaxialmente como parte da estrutura do diodo, ou crescidos separadamente e ligados diretamente ao semicondutor que contém a região ativa. Os VECSELs são diferenciados por uma construção em que um dos dois espelhos é externo à estrutura do diodo. Como resultado, a cavidade inclui uma região de espaço livre. Uma distância típica do diodo ao espelho externo seria de 1 cm.

Uma das características mais interessantes de qualquer VECSEL é a pequena espessura da região de ganho do semicondutor na direção de propagação, inferior a 100 nm. Em contraste, um laser semicondutor convencional no plano envolve a propagação da luz em distâncias de 250 µm para cima até 2 mm ou mais. O significado da distância de propagação curta é que ela faz com que o efeito de não linearidades "antiguidade" na região de ganho do laser de diodo seja minimizado. O resultado é um feixe óptico monomodo de grande seção transversal que não pode ser obtido a partir de lasers de diodo no plano ("emissores de borda").

Vários trabalhadores demonstraram VECSELs com bombeamento óptico e eles continuam a ser desenvolvidos para muitas aplicações, incluindo fontes de alta potência para uso em usinagem industrial (corte, puncionamento, etc.) devido à sua alta potência e eficiência incomum quando bombeados por barras de laser de diodo multimodo . No entanto, devido à falta de junção pn, os VECSELs com bombeamento óptico não são considerados "lasers de diodo" e são classificados como lasers semicondutores.

VECSELs eletricamente bombeados também foram demonstrados. As aplicações para VECSELs com bombeamento elétrico incluem telas de projeção, servidas pela duplicação da frequência de emissores VECSEL próximos ao infravermelho para produzir luz azul e verde.

Lasers de diodo de cavidade externa

Lasers de diodo de cavidade externa são lasers sintonizáveis que usam principalmente diodos de heteroestruturas duplas do tipo Al x Ga (1-x) As. Os primeiros lasers de diodo de cavidade externa usavam étalons intracavitários e grades de Littrow de ajuste simples. Outros projetos incluem grades em configuração de incidência rasante e configurações de grade de prisma múltiplo.

Confiabilidade

Os diodos laser têm os mesmos problemas de confiabilidade e falha que os diodos emissores de luz . Além disso, eles estão sujeitos a danos ópticos catastróficos (COD) quando operados com potência superior.

Muitos dos avanços na confiabilidade dos lasers de diodo nos últimos 20 anos permanecem propriedade de seus desenvolvedores. A engenharia reversa nem sempre é capaz de revelar as diferenças entre produtos de laser de diodo mais confiáveis ​​e menos confiáveis.

Os lasers semicondutores podem ser lasers emissores de superfície, como VCSELs, ou lasers emissores de borda no plano. Para lasers emissores de borda, o espelho de faceta de borda é frequentemente formado pela clivagem da pastilha semicondutora para formar um plano especularmente refletivo. Esta abordagem é facilitada pela fraqueza do plano cristalográfico [110] em cristais semicondutores III-V (como GaAs , InP , GaSb , etc.) em comparação com outros planos.

Os estados atômicos no plano de clivagem são alterados em comparação com suas propriedades de volume dentro do cristal pelo término da rede perfeitamente periódica naquele plano. Os estados de superfície no plano clivado têm níveis de energia dentro do intervalo de banda (de outra forma proibido) do semicondutor.

Como resultado, quando a luz se propaga através do plano de clivagem e transita para o espaço livre de dentro do cristal semicondutor, uma fração da energia luminosa é absorvida pelos estados de superfície onde é convertida em calor por interações fônon - elétron . Isso aquece o espelho rachado. Além disso, o espelho pode aquecer simplesmente porque a borda do laser de diodo - que é eletricamente bombeada - está em contato menos que perfeito com a montagem que fornece um caminho para a remoção de calor. O aquecimento do espelho faz com que o bandgap do semicondutor encolha nas áreas mais quentes. O encolhimento do bandgap traz mais transições eletrônicas de banda para banda em alinhamento com a energia do fóton, causando ainda mais absorção. Isso é uma fuga térmica , uma forma de feedback positivo , e o resultado pode ser o derretimento da faceta, conhecido como dano ótico catastrófico ou DQO.

Na década de 1970, este problema, que é particularmente incômodo para lasers baseados em GaAs que emitem entre 0,630 µm e 1 µm de comprimento de onda (menos para lasers baseados em InP usados ​​para telecomunicações de longa distância que emitem entre 1,3 µm e 2 µm), foi identificado . Michael Ettenberg, pesquisador e posteriormente vice-presidente do Centro de Pesquisa David Sarnoff dos Laboratórios RCA em Princeton, Nova Jersey , idealizou uma solução. Uma fina camada de óxido de alumínio foi depositada na faceta. Se a espessura do óxido de alumínio for escolhida corretamente, ele funciona como um revestimento anti-reflexo , reduzindo o reflexo na superfície. Isso aliviou o aquecimento e o COD na faceta.

Desde então, vários outros refinamentos foram empregados. Uma abordagem é criar um denominado espelho não absorvente (NAM) de modo que os 10 µm finais ou mais antes que a luz emita a partir da faceta clivada sejam tornados não absorventes no comprimento de onda de interesse.

No início da década de 1990, a SDL, Inc. começou a fornecer lasers de diodo de alta potência com boas características de confiabilidade. O CEO Donald Scifres e o CTO David Welch apresentaram novos dados de desempenho de confiabilidade, por exemplo, nas conferências SPIE Photonics West da época. Os métodos usados ​​pela SDL para derrotar o COD foram considerados altamente proprietários e ainda não foram divulgados publicamente em junho de 2006.

Em meados da década de 1990, a IBM Research (Ruschlikon, Suíça ) anunciou que havia criado seu chamado "processo E2", que conferia resistência extraordinária ao COD em lasers baseados em GaAs. Este processo também não foi divulgado em junho de 2006.

A confiabilidade das barras da bomba de laser de diodo de alta potência (usadas para bombear lasers de estado sólido) continua sendo um problema difícil em uma variedade de aplicações, apesar desses avanços proprietários. Na verdade, a física da falha do laser de diodo ainda está sendo elaborada e as pesquisas sobre o assunto permanecem ativas, embora proprietárias.

A extensão da vida útil dos diodos laser é crítica para sua adaptação contínua a uma ampla variedade de aplicações.

Formulários

Os diodos laser podem ser dispostos para produzir saídas de alta potência, onda contínua ou pulsada. Tais matrizes podem ser usadas para bombear lasers de estado sólido de forma eficiente para perfuração de alta potência média, queima ou para fusão de confinamento inercial

Os diodos laser são numericamente o tipo de laser mais comum, com vendas em 2004 de aproximadamente 733 milhões de unidades, em comparação com 131.000 de outros tipos de lasers.

Telecomunicações, varredura e espectrometria

Os diodos laser são amplamente utilizados em telecomunicações como fontes de luz facilmente moduladas e acopladas para comunicação de fibra óptica . Eles são usados ​​em vários instrumentos de medição, como telêmetros . Outro uso comum é em leitores de código de barras . Lasers visíveis , normalmente vermelhos, mas posteriormente também verdes , são comuns como ponteiros de laser . Ambos os diodos de baixa e alta potência são usados ​​extensivamente na indústria de impressão, tanto como fontes de luz para digitalização (entrada) de imagens e para fabricação de chapas de impressão de alta velocidade e alta resolução (saída). Os diodos laser infravermelho e vermelho são comuns em aparelhos de CD , CD-ROMs e tecnologia de DVD . Os lasers violetas são usados ​​na tecnologia HD DVD e Blu-ray . Os lasers de diodo também encontraram muitas aplicações em espectrometria de absorção a laser (LAS) para avaliação de alta velocidade e baixo custo ou monitoramento da concentração de várias espécies na fase gasosa. Os diodos de laser de alta potência são usados ​​em aplicações industriais, como tratamento térmico, revestimento, solda de costura e para bombear outros lasers, como lasers de estado sólido com bombeamento de diodo .

Os usos dos diodos laser podem ser classificados de várias maneiras. A maioria das aplicações pode ser servida por lasers de estado sólido maiores ou osciladores paramétricos ópticos, mas o baixo custo dos lasers de diodo produzidos em massa os torna essenciais para aplicações de mercado de massa. Os lasers de diodo podem ser usados ​​em muitos campos; uma vez que a luz tem muitas propriedades diferentes (potência, comprimento de onda, qualidade espectral e de feixe, polarização, etc.), é útil classificar as aplicações por essas propriedades básicas.

Muitas aplicações de lasers de diodo utilizam principalmente a propriedade de "energia direcionada" de um feixe óptico. Nesta categoria, pode-se incluir as impressoras a laser , leitores de código de barras, digitalização de imagens , iluminadores, designadores, registro óptico de dados, ignição por combustão , cirurgia a laser , classificação industrial, usinagem industrial e armamento de energia direcionada. Alguns desses aplicativos estão bem estabelecidos, enquanto outros estão surgindo.

Usos médicos

Medicina a laser : a medicina e especialmente a odontologia encontraram muitos novos usos para os lasers de diodo. O tamanho e o custo cada vez menores das unidades e sua facilidade de uso tornam-nas muito atraentes para os médicos em procedimentos menores de tecidos moles. Os comprimentos de onda do diodo variam de 810 a 1.100 nm , são mal absorvidos pelos tecidos moles e não são usados ​​para corte ou ablação . O tecido mole não é cortado pelo feixe de laser, mas pelo contato com uma ponta de vidro carbonizada. A irradiação do laser é altamente absorvida na extremidade distal da ponta e a aquece até 500 ° C a 900 ° C. Por ser muito quente, a ponta pode ser usada para cortar tecidos moles e pode causar hemostasia por cauterização e carbonização . Os lasers de diodo, quando usados ​​em tecidos moles, podem causar danos térmicos colaterais extensos ao tecido circundante.

Como a luz do feixe de laser é inerentemente coerente , certas aplicações utilizam a coerência de diodos de laser. Isso inclui medição de distância interferométrica, holografia, comunicações coerentes e controle coerente de reações químicas.

Os diodos laser são usados ​​por suas propriedades "espectrais estreitas" nas áreas de descoberta de alcance, telecomunicações, contramedidas infravermelhas, detecção espectroscópica , geração de ondas de rádio-frequência ou terahertz, preparação do estado do relógio atômico, criptografia de chave quântica, duplicação de frequência e conversão, purificação de água (no UV) e terapia fotodinâmica (em que um determinado comprimento de onda de luz faria com que uma substância como a porfirina se tornasse quimicamente ativa como um agente anticâncer apenas onde o tecido é iluminado pela luz).

Os diodos laser são usados ​​por sua capacidade de gerar pulsos ultracurtos de luz pela técnica conhecida como "bloqueio de modo". As áreas de uso incluem distribuição de relógio para circuitos integrados de alto desempenho, fontes de alta potência para detecção de espectroscopia de ruptura induzida por laser, geração de forma de onda arbitrária para ondas de radiofrequência, amostragem fotônica para conversão analógica para digital e código óptico sistemas de divisão de acesso múltiplo para comunicação segura.

Comprimentos de onda comuns

Luz visível

  • 405 nm: laser azul-violeta InGaN , em unidades de disco Blu-ray e HD DVD
  • 445-465 nm: diodo multimodo de laser azul InGaN recentemente introduzido (2010) para uso em projetores de dados de alto brilho sem mercúrio
  • 510-525 nm: diodos verdes InGaN recentemente (2010) desenvolvidos por Nichia e OSRAM para projetores a laser.
  • 635 nm: AlGaInP melhores ponteiros de laser vermelho, mesmo poder subjetivamente duas vezes mais brilhante que 650 nm
  • 650–660 nm: unidades de CD e DVD GaInP / AlGaInP , ponteiros laser vermelhos baratos
  • 670 nm: leitores de código de barras AlGaInP , primeiros ponteiros de laser de diodo (agora obsoletos, substituídos por DPSS mais brilhantes de 650 nm e 671 nm)

Infravermelho

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • B. Princípios de Dispositivos Semicondutores de Van Zeghbroeck (para lacunas de banda diretas e indiretas)
  • Saleh, Bahaa EA e Teich, Malvin Carl (1991). Fundamentos da Fotônica . Nova York: John Wiley & Sons. ISBN  0-471-83965-5 . (Para Emissão Estimulada)
  • Koyama et al., Fumio (1988), "Room temperature cw operation of GaAs vertical cavity surface emitting laser", Trans. IEICE, E71 (11): 1089–1090 (para VCSELS)
  • Iga, Kenichi (2000), "Surface-emitting laser — Its birth and generation of new optoelectronics field", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 6 (6): 1201-1215 (para VECSELS)
  • Duarte, FJ (2016), "Broadly tunable dispersive external-cavity semiconductor lasers", em Tunable Laser Applications . Nova York: CRC Press. ISBN  9781482261066 . pp. 203–241 (Para lasers de diodo de cavidade externa).

links externos