LASERConceptos Básicos

Laser - Light Amplification by StimulateEmission of Radiation

Amplificación de Luz por EmisiónEstimulada de Radiación

¿Como Funciona?Usa a emisión estimulada para

desencadenar una avalancha de fotonescoherentes.

Átomo de Bhor y su diagrama de Energía

Energía del Fotón

Estádos del átomo:Estado Fundamental (es el de menor energia).Estado Excitado (con energia).

Emisión de Fotones

• Para un material que se encuentre en equilíbrio térmico la emisión de luz (fotones) es el resultado de la absorción de energía y la posterior emisión espontánea de enrgia

• La Emisión de Fotones puede ser:

• Emisión espontánea.• Emisión estimulada

Emisión Espontánea de RadiaciónFisica III - 05

Análisis energético

Espectro de Emisión y de AbsorciónFisica III - 05

Diferentes espectros Espectros

Fisica III - 05

Fotones

• Fotones coherentes

• Fotones no-coherentes

Emisión Estimulada de fotones

•Átomo en estado excitado con inversión de Población•Incide un Fotón de energía E = E2-E1

•El Fotón incidente induce a dexecitarse al átomo emitiendo dos fotones de energíaE = E2-E1 coherentes

Inversión de Población

• En condiciones de equilibrio térmico la cantidad de átomos por unidad de volumen en estado excitado siempre es menor que la cantidad de átomos en estado fundamental.

• Para un gas está dada por la relación de Boltzmann• N2/N1 = exp(E2-E1)/kT• En un sólido existen bandas de energía y la emisión de un foton

ocurre cuando un electrón de la banda de conducción se recombina con un hueco de la banda de balencia y la población esta determinada por la relación de FERMi DIRAC

Inversion de la Población• En condiciones de Inversión de la población la cantidad de átomos por

unidad de volumen en estado excitado es mayor que la cantidad deátomos en estado fundamental.

• ¿Cómo se consigue la Inversión de la población ?• Siempre por un proceso de excitación también llamado Bombeo

(descargas lumínicas, corrientes eléctricas y otras) • La clave para la inversión de la población es que el tiempo medio

que un átomo pueda estar en estado excitado no sea muy pequeño, por que si no se tiene una emisión espontánea.

• Por lo general estos tiempos son del orden de 10-15 seg

Emisión Espontánea y Estimulada

Amplificación por medio de emisión estimulada

Laser Hipotético

Ejemplo con un átomo

Amplificación

• Para obtener el efecto laser se necesita el medio activo en condiciones de inversión de población, pero debería ser lo suficientemente largo para que en la medida que avance el rayo laser se vaya amplificando y así obtener mas potencia.

• Para lograr esto se lo encierra al medio activo en una cavidad óptica y al rayo laser se lo hace pasar repetidas veces por el mismo.

• Esto se logra encerrando el medio activo entre dos espejos reflectantes: uno con reflexión 100% y otro con reflexión < 100%

• Esta es la cavidad de Fabry–Pérot o Resonador Óptico

Excitación Bombeo

Medio activo

Haz Laser

Componentes Básicos de un LASER

Reflector100%

Reflector99%

Láser de Rubí

Modos Longitudinales de la cavidad

• Dentro de la cavidad se producen ondas estacionarias, como en un tubo de órgano. Si tiene una longitud “L” en ella entran un número entero “n” de medias longitudes de onda:

• ½ n*λ = L• La frecuencia de cada modo es :fm = n*c/2L con λ* fm= C• La separación entre modos es Δ fm /Δ n = c/2L• La respuesta o salida espectral de la cavidad sería:

tiempo

Potencia

c/2L

Sensibilidad espectral del Laser

Curva de sensibilidad espectral del material activo

Modos de la cavidad de Fabry Perot

λ

S(λ)

λc/2L

Láser Semiconductor

• Relacionando con la teoría de láser:• Al medio activo lo provee la juntura P-N altamente contaminada. Esta juntura está

formada por materiales N y P degenerados por su alta contaminación.• La cavidad resonante de Fabry Perot se logra en la pastilla semiconductora de la

Juntura al terminar de forma recta y pulida el material. La reflexión se produce por la discontinuidad entre el medio semiconductor y el aire.

• La dirección en la que se forma la cavidad es paralela al plano de la juntura PN y está en la zona de deplexión , que es la zona activa del semiconductor

• La inversión de la población se logra en la juntura por la inyección de electrones provistos por la corriente de polarización directa. Justo en la zona de juntura se logra la inversión de población.

• La Oscilación láser se logra cuando la ganancia a lo largo del recorrido del has en el LD es mayor que las perdidas sufridas en el camino.

• Las principales perdidas son debidas a las inhomogeneidades, impurezas, y al fenómeno de absorción. El resonador óptico, que es el que provee la realimentación óptica se forma debido al alto índice de refracción del material semiconductor, que permite que la reflectancia en las paredes sea suficientemente grande , lo que hace que las mismas actúen como espejos reflectores. Este LD es el llamado Láser de Fabry Perot

La Excitación Bombeoes la corriente del diodo

Haz Laser

Láser Semiconductor

Reflector100%

Reflector99%

Medio activo

Zona NZona N

Zona P

Láser Semiconductor

• Es importante destacar que la acción de amplificación óptica es transversal al sentido de circulación de corriente.

• Otra cuestión importante a destacar es que las densidades de corriente que se manejan son muy altas del orden de 400A/cm2 . Esto hace que este LD no pueda funcionar en forma continua por la gran disipación de energía que provoca

• Otra cuestión a destacar es la radiación o potencia lumínica emitida en función la corriente de polarización.

• Se observa netamente una corriente de umbral, llamada corriente de laseo a partir de la cual aparece el efecto láser, o sea que el haz de luz es coherente. Por debajo de este valor de corriente umbral de laseo, la emisión es espontanea, o sea luz incoherente. En esta región el diodo no es mas que un LED de potencia.

• Se observa que el índice de refracción en la zona activa o zona de inversión de población es mayor comportándose como una guía de onda dentro del material

HETEREOJUNTURA LASER

• Como resultado de procesos de investigación se logró reducir drásticamente la corriente de laseo a partir de hacer un sandwich de GaAsy Gax Al1-x As como se indica en la figura.

• Cuando se contamina el Ga con aluminio en la proporción x se logra ensanchar el ancho de la banda prohibida. Si el material es tipo P el ensanchamiento se hace hacia la banda de conducción. Si el material es N el ensanchamiento se hace hacia la banda de valencia.

• Con esto se logra tener la mayor probabilidad de recombinación en la zona de juntura, debida a que es la zona mas probable de recombinación pues las zonas vecinas son mas anchas y por lo tanto los saltos menosprobables. También en esta zona es justo en la juntura d{dónde se produce la inversión de población.

• Otra cuestión importante es que el índice de refracción en esta zona central de GaAs es mayor que en las dos zonas adyacentes de Gax Al1-xAs, pues esta contaminación{ con Aluminio tiene la propiedad de hacer reducir el índice de refracción, formándose como el núcleo de una fibra óptica que hace de guía de onda de la radiación óptica generada