TIPOS DE LÁSER

TIPOS DE LÁSER
Láser gaseoso.
Este tipo de láser se caracteriza por tener como medio activo un gas atómico, iónico ó
molecular con el conjunto idóneo de niveles de energía. La estructura del nivel de energía
de un gas de baja densidad se aproxima a la de un átomo aislado con transiciones entre
niveles individuales ó quizá en algunos grupos de niveles muy próximos entre si. El medio
está cerrado en un tubo cilíndrico sellado en cada extremo por un espejo a fin de formar la
cavidad óptica. El bombeo se lleva a cabo por medio de una descarga eléctrica que se hace
pasar a través del gas.
El láser de HeNe.
El láser de HeNe fue el segundo sistema en funcionamiento demostrado, pero fue el
primer láser gaseoso en funcionar y también fue el primero en producir un haz de salida
continuo, es de uso común por ejem., óptica general, holografía, topografía y
procesamiento de imágenes.
El medio activo es una mezcla gaseosa de helio y neón, en proporción aproximada de
10:1,contenida en un tubo de cuarzo cerrado. Se crea una descarga brillante en el gas
mediante la aplicación de un alto voltaje de entre 1 y 10 kV entre un par de electrodos
insertados en extremos opuestos del tubo (figura 17). Una vez encendido para mantener la
descarga basta una corriente directa estable de entre 3 a 10 mA. La corriente eléctrica que
fluye produce excitación de los átomos de He debido a colisiones con los electrones
energizados. A su vez, los átomos excitados de He transfieren parte de esta energía,
mediante colisiones atómicas, a los átomos de Ne, con lo que éstos son elevados a sus
niveles de excitación superiores. (véase el diagrama de nivel de energía de la Fig. 18). En
éste nivel se establece una inversión de poblaciones y puede llevarse a cabo el efecto láser a
una longitud de onda de 632.8 nm. Es importante observar que los átomos de He
proporcionan el medio para excitar los átomos de Ne; el efecto láser se lleva a cabo en los
niveles del Ne.
Figura 17.- Láser HeNe
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El efecto láser continúa en tanto sea posible mantener la inversión de poblaciones y sea
emitido un haz continuo con potencias en el intervalo de 0.5 a 50 mW.
Figura 18.- Diagrama de energía HeNe
La ganancia HeNe a esta longitud de onda es baja y sólo es posible permitir pequeñas
pérdidas de cavidad, lo que implica el empleo de espejos de alta calidad con bajas pérdidas
por dispersión y absorción. Los anchos de línea en los láser gaseosos son mucho más bajos
que en cualquier otro tipo de sistema láser. En particular, para el láser de HeNe los anchos
de línea suelen ser del orden de unos cuantos picómetros.
En el láser de HeNe baratos de baja potencia, hasta aproximadamente 1 mW, los
espejos están fijos directamente al tubo de descarga. En las versiones de alta potencia, los
espejos son externos al tubo de descarga y éste debe estar sellado con ventanas de ajuste.
Estas ventanas están inclinadas aun ángulo específico con respecto al eje óptico, el ángulo
de Brewster. Cuando se hace incidir luz no polarizada sobre una pieza de cristal o cuarzo
inclinada a su ángulo de Brewster, sólo son transmitidas las componentes de luz polarizada
en el plano de la ventana. Las demás componentes son reflejadas y la luz emerge
plenamente polarizada.
Requisitos de potencia de bombeo para un láser de HeNe
Los láser de baja potencia, como los de HeNe, suelen bombearse a partir de una fuente
de CD de alta tensión a través de los extremos de un tubo lleno de gas. Por lo general, para
obtener larga duración y rendimiento óptimo basta un circuito como el que se muestra en la
figura 19, suponiendo que se tiene cuidado en la elección de los parámetros de operación.
La consideración más importante es la relación negativa voltaje-corriente típica de tales
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láser (figura 20). La pendiente negativa de esta curva indica el empleo de una resistencia
autorreguladora (o de compensación) a fin de obtener una resistencia positiva y evitar la
sobrecarga de la fuente de alimentación. Inicialmente, para producir suficiente ionización
del gas, de modo que empiece el efecto láser, se requiere un alto voltaje aproximado de
8kV (Vinicio). La acción láser no puede sostenerse sino hasta que se alcanza una corriente
específica Iláser en la cual la resistencia positiva de la resistencia de compensación equilibra
la resistencia negativa de la columna de gas. La corriente a través del tubo es incrementada
a partir de este punto hasta que se alcanza la corriente óptima de operación, ala cual la
potencia de salida es máxima. El voltaje óptimo de operación Vop para el tubo que se
muestra es aproximadamente igual a 1800 V a una corriente óptima Iop igual a 7.5 mA. Los
fabricantes recomiendan valores idóneos para la resistencia de carga, de aproximadamente
50 a 100 k.Ω, así como puntos de operación óptimos para el voltaje y la corriente.
Figura 19.- Suministro de potencia típica para el láser de HeNe.
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Figura 20.- Característica voltaje-corriente típica para el láser de HeNe.
Como se verá a continuación, los láser de argón son inherentemente más complicados
debido a la necesidad de suministrar grandes cantidades de potencia de bombeo para
ionizar inicialmente los átomos de argón y luego excitar los iones a los niveles de energía
requeridos. El diseño de tales láser está más allá de los objetivos de este texto.
El láser de iones de argón.
A diferencia del láser de HeNe, en el que el efecto láser se lleva a cabo en especie
atómica, el medio activo en el láser de argón es un plasma de iones excitados. Se crea una
descarga eléctrica en un tubo estrecho de argón gaseoso. Primero se ionizan los átomos del
argón y luego son excitados por colisiones múltiples con los electrones en sus niveles de
energía superiores (figura 21). Para ionizar los átomos del argón se requieren
aproximadamente 16 eV y otros 20 eV para excitarlos hacia sus niveles láser superiores.
Debido a la existencia de una banda de niveles superiores muy próximos entre si, varias
transiciones láser ocurren simultáneamente en la región azul-verde del espectro, de las
cuales la más intensa se lleva acabo a 514 y 488 nm (figura 22). Debido a la alta energía
necesaria para ionizar y excitar los átomos de argón se requieren densidades de corrientes
muy altas, del orden de 1 A por mm2.
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Figura 21.- Diagrama de energía para el Argón.
Figura 22.- Espectro de salida del láser de argón (9 W de potencia radiante total).
Un campo magnético rodea un tubo láser para ayudar a constreñir la descarga gaseosa y
mantener alta la densidad de corriente. El campo longitudinal incrementa la densidad de
electrones en el plasma al restringir el movimiento de los electrones a una trayectoria
helicoidal alrededor de las líneas de campo. Con esto se evita la pérdida de electrones hacia
las paredes. El tubo de descarga generalmente se fabrica de un material con baja
conductividad térmica, como óxido de berilio (BeO), grafito o una construcción de un tubo
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de metal-cerámica. Para mantener bajas las temperaturas de ejecución, la última generación
de láser de argón presenta discos metálicos insertados dentro del tubo para actuar como
intercambiadores de calor.
Los láser de argón emiten aproximadamente de 1 a 20 w de flujo distribuido entre casi
todas las longitudes de onda de la acción láser. A las más poderosas de tales longitudes de
onda es posible obtener hasta 5 ó 6 w. la línea de 514 nm. Los láser de argón suelen
utilizarse a una sola longitud de onda, en vez de en el modo de todas las líneas. La
operación en una sola longitud de onda se obtiene mediante la inserción de una componente
selectora de longitud de onda, como un prisma, dentro de la cavidad. Al hacer girar el
prisma se hace entrar en operación cada longitud de onda en forma idónea. Una vez que el
usuario ha elegido la operación en una sola longitud de onda, a continuación puede elegir
pasar a operación de frecuencia única, que es esencial para aplicaciones que demandan una
gran longitud de coherencia. Esto se lleva acabo mediante la inserción de una componente
selectora de frecuencia, como un interferómetro. El espectro secuencial de pasar de la
operación de todas las líneas ala frecuencia única, con su consecuente pérdida de potencia
de salida, se muestra en la figura 23.
Algunas de las aplicaciones comunes de los láser de argón se dan en la holografía,
cirugía ocular, espectroquímica, procesamiento de imágenes, procesamiento de
semiconductores y finalmente, aunque no por ello menos importante en términos de
números de láser suministrados, espectáculos a base de la luz láser.
Figura 23.- Selección del modo longitudinal en un láser de argón. (a) Operación en
todas las líneas (potencia total 6 W); (b) Operación única (2 W);
(c) Operación en frecuencia única (1 W).
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El láser de bióxido de carbono.
El tercer láser gaseoso que se analiza es fundamentalmente distinto a los otros dos. Los
niveles de energía importantes se obtienen no por la distribución de los electrones, sino que
se deben al movimiento oscilatorio de toda la molécula de carbono en sí. Esta molécula
puede representarse como un arreglo lineal de átomos O-C-O que vibran cada uno con
respecto a los demás. Varios diferentes modos de vibración originan un conjunto de niveles
de energía con transmisiones que se ubican en el infrarrojo profundo. La principal longitud
de onda del CO2 es 10.6 µm. Se obtienen salidas de potencia continuas hasta de varios kilo
watts, por lo que este láser es la elección preferida para aplicaciones de procesamiento de
materiales como corte, soldadura y recocido. A diferencia de casi todos los demás láser, el
de CO2 presenta eficiencia apreciablemente alta, típicamente de l0 a 25%. Para alcanzar las
elevadas potencias requeridas de este láser, las longitudes de la cavidad pueden estirarse
hasta 2, 3 o más metros. Algunas variantes, como el atmosférico excitado transversalmente
(AET), en el cual la excitación es aplicada a través en lugar de a lo largo de la descarga,
permiten la construcción de láser de CO2 más compactos. Otras variantes, como los láser de
CO2 de guía de ondas son capaces de producir cientos de miliwatts en un láser que mide no
más de 20 ó 30 cm de longitud.
Láser de estado sólido.
Este tipo de láser se caracteriza por tener como medio activo no un gas, sino una varilla
ó una plancha sólida de aislante cristalino ligeramente impurificado. Es el constituyente
impurificador lo que proporciona la estructura energética requerida para producir el efecto
láser. La red cristalina actúa especialmente como material huésped, aunque también
modifica la estructura energética global.
Láser de rubí.
El láser de rubí tiene un lugar histórico debido a que fue el primer láser cuyo
funcionamiento se demostró. El medio activo es un cristal cilíndrico de rubí sintético
(Al2O3) no purificado, con aproximadamente 0.05% en peso de iones de cromo (Cr³).Los
extremos de la varilla son planos, paralelos y están pulidos. Se requieren normas bastante
rigurosas de calidad de plano y paralelismo, la calidad del plano en toda la cara no debe
variar en mas de un cuarto de longitud de onda y ambas superficies deben ser paralelas
entre sí con una exactitud de unos cuantos segundos de arco. El bombeo se obtiene por
energía óptica de un tubo de destellos. A menudo el rubí y el tubo de destellos se colocan
en los focos respectivos de un reflector elíptico, para asegurar que se bombee a la varilla la
máxima cantidad de luz posible. El rubí absorbe la energía de bombeo en la región azulverde del espectro y emite su energía láser principal a una longitud de onda de 694.3 nm.
La absorción de la luz verde eleva los iones de cromo a una banda ancha de niveles
superiores a partir de los cuáles se relajan muy rápidamente al nivel superior de la
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transición láser (figura 24). Este es un estado metaestable cuya duración es de 3ms. Entre
este estado y el estado fundamental se establece una inversión de poblaciones.
La emisión radiante ocurre como un pulso corto de energía de duración aprox. de
250µs, Las energías comunes para los láser de rubí varían desde unos cuantos milijoules
hasta varios cientos de joules.
Figura 24 -. Láser de estado solido y Diagrama de energía de Rubí
El láser de Nd-YAG
Ahora, concediendo que el láser de rubí es el láser de aislante impurificado de mayor
uso, el material huésped es un cristal de itrio-aluminio-granate (YAG) impurificado con
iones de neodimio (Nd3+). La ventaja del láser de Nd-YAG sobre el de rubí es su menor
umbral y mayor ganancia. Las implicaciones de lo anterior son que el láser funciona más
frío, tiene una operación más eficiente, puede hacerse más pequeño para una energía dada y
se puede operar a velocidades de repetición relativamente altas, hasta de 50 kHz.
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El bombeo óptico eleva los iones hacia el gran número de niveles de aproximadamente
2 eV, con relajamiento no radiativo hacia el nivel láser superior (figura 25). La emisión
láser se lleva acabo a 1.064 µm.
Figura 25.- Diagrama de energía para el Nd-YAG (Nd+3)
Conmutación Q.
El modo de operación que acaba de describiese para los láser de estado sólido se
denomina funcionamiento libre. Existe un modo alternativo de operación, de uso común,
denominado conmutación Q (CQ) que permite la obtención de potencias pico mucho más
altas para una energía de bombeo dada. En cl modo CQ, en la cavidad se coloca un
obturador óptico, por lo general entre el espejo posterior y cl medio láser, a fin de impedir
la realimentación del espejo. De esta forma se incrementa la capacidad de la cavidad para
almacenar energía, con respecto a su valor normal y, aún cuando la inversión de
poblaciones se esté llevando a cabo, se evita el afecto láser. La capacidad de una cavidad
resonante para almacenar energía suele definiese en términos de su factor Q. La Q de una
cavidad es una medida de cuánta energía es posible almacenar en ella en contra de la
pérdida de potencia de esta. Una cavidad con una Q alta permite el almacenamiento de
bastante energía. Los láser suelen tener factores Q de unos cuantos millones, en
comparación con los pocos cientos de los osciladores eléctricos. La inversión de población
se llevará a cabo bastante por encima de su valor umbral normal. Cuando se abre el
obturador, se lleva a cabo emisión de energía en un destello corto y brillante. De esta
forma es posible obtener duraciones de pulso tan breves como del orden de unos cuantos
nanosegundos, obteniéndose potencias medias de megawatts y mayores.
Para la conmutación Q existen varios mecanismos. Uno de los métodos más sencillos, y
de uso más reciente, era la sustitución del reflector total, el espejo posterior, por un espejo
giratorio. La oscilación láser es impedida hasta que el espejo se alinea con el eje óptico de
la cavidad, en otras palabras, hasta que los espejos frontal y posterior se encuentran
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momentáneamente paralelos entre sí. Por consiguiente, se obtienen mejor control de la
operación y mayor flujo mediante el empleo de un colorante orgánico decolorable, como la
criptocianina. El colorante (o tinte) es opaco inicialmente, y mantiene la oscilación láser
hasta que se alcanza cierto flujo y a partir de entonces el colorante se vuelve transparente y
es posible llevar a cabo la acción láser. El valor particular del flujo umbral depende del tipo
y espesor del colorante, así como de la longitud de onda de la luz láser. La principal
desventaja del colorante es su duración limitada y la variabilidad en la sincronización del
inicio de la acción láser. Estas deficiencias son superadas gracias al empleo de una celda de
Pockel. Cuando a través de una celda de Pockel se establece un alto voltaje, se hace girar el
plano de polarización del haz de luz. Entre haces de polarizaciones diferentes no es posible
que se efectúen oscilaciones de cavidad, por lo que suspende el efecto láser. Al eliminar el
voltaje, el plano de polarización se invierte a su estado original y entonces se lleva a cabo la
oscilación.
Bombeo de lámpara estroboscópica de láser de estado sólido.
El principal método para suministrar energía de bombeo a un láser de estado sólido es
mediante la inundación de radiación óptica de banda ancha a partir de un tubo de descarga
gaseosa. La energización se lleva a cabo descargando la energía almacenada de un
capacitor cargado a través de los extremos del tubo de descarga. El tipo de circuito que se
utilice depende de la naturaleza de la aplicación. Si solamente se requiere un pulso láser,
por lo general basta una sola red RC a la que se aplica un alto voltaje. Para velocidades de
repetición rápidas hasta de l0 Hz, entonces una red LC críticamente amortiguada
proporciona mejor control de las condiciones de carga y descarga. La energía descargada en
el tubo de descarga está dada por:
Wdescarga = CV2 / 2
en donde C es la capacitancia y V es el voltaje de carga. La activación se lleva a cabo a
partir de un pulso de alto voltaje aplicado a una bobina de alambre arrollada alrededor de
una envolvente de cuarzo. En la figura 26 se muestra un circuito típico.
Figura 26.- Circuito típico de bombeo de lámpara estroboscópica.
Una vez que se ha calculado cuánta energía es necesaria descargar a través del tubo de
descarga, ahora se requiere calcular los parámetros del circuito con los que sea posible
lograr lo anterior. Dado que la curva voltaje-corriente de un tubo de descarga no es lineal,
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para el cálculo de parámetros idóneos del circuito se utilizan procedimientos empíricos de
diseño.
Láser de estado sólido moderno.
Los principios y procedimientos que acaban de describirse deben permitir el diseño y
construcción de un láser sencillo, de Nd-YAG aunque por supuesto que los láser a la venta
en el mercado son algo más complicados. En la práctica, en vez de considerar varillas más
y más largas y diseñar consecuentemente mayores bancos de capacitores, el diseño de un
láser moderno es más sutil. Por lo general, se construye una varilla láser primaria,
denominada oscilador, que produce aproximadamente de l0 a 30 mJ. La salida del oscilador
se sincroniza para llegar a una segunda varilla, el amplificador, exactamente cuando la
energía del tubo de descarga haya creado una inversión de población en ésta. El pulso que
llega estimula la emisión de fotones, lo que origina una salida amplificada
aproximadamente igual a l joule. Etapas adicionales de amplificación pueden agregarse
según sea necesario. Arreglos como el mencionado también permiten mejor control del
perfil temporal y espacial del haz.
Láser semiconductor.
El láser semiconductor es en muchos sentidos la última fuente optoelectrónica. Al
proporcionar alta potencia en un pequeño paquete a bajo costo, el diodo láser (para llamarlo
por su nombre alternativo) se ha convertido en la fuente normal de las comunicaciones
ópticas y de aplicaciones de almacenamiento de alta densidad como el disco óptico. Para
apreciar por completo su operación, es necesario estudiar algo de los principios básicos de
los semiconductores, ya que se aplican a los diodos láser.
El diodo láser.
El primer diodo láser operacional consistió en un solo cristal de arseniuro de galio
(GaAs), impurificado para formar una unión pn, y un potencial directo aplicado (figura 27).
Se eligió el arseniuro de galio para en lugar de silicio debido a su banda prohibida directa.
En materiales de banda prohibida directa, los electrones de conducción pueden perder
energía directamente por emisión de fotones. En materiales de banda prohibida indirecta,
los electrones deben perder primero el exceso en cantidad de movimiento (ímpetu) antes de
emitir un fotón. Por consiguiente, los materiales de banda prohibida directa son mas
eficientes para la producción de luz.
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Figura 27.- Estructura de un diodo láser de homounión única.
A fin de crear una inversión de población y mejorar la posibilidad de recombinación se
requieren altos niveles de impurificación para asegurar que, en la región de agotamiento,
los estados llenos en la banda de conducción estén directamente por encima de los estados
vacíos en la banda de valencia. Lo anterior se aplica solo a través de una región muy
estrecha del área de agotamiento, de aproximadamente 1nm de ancho, denominada capa
activa. Para ganancia significativa, es necesaria alta densidad de corriente, del orden de
varios cientos de amperes por milímetro cuadrado. El inicio del efecto láser se caracteriza
por una corriente de inyección especifica denominada corriente umbral. Por debajo de éste
umbral. (Iumbral), la emisión de luz es espontánea e incoherente. Los extremos del diodo
están hundidos y pulidos a fin de proporcionar la cavidad óptica. Los lados son ásperos,
para impedir la pérdida de luz. Los primeros láser tienen duraciones de sólo unos cuántos
cientos de horas y requieren enfriamiento a base de nitrógeno líquido para operación
eficiente.
Las mejoras al funcionamiento de los diodos láser se presentaron con las
modificaciones a la estructura sencilla de unión única (homounión). Al rodear la capa
activa con regiones de menor índice de refracción que la capa activa en sí, la emisión láser
fue confinada horizontalmente a esta estrecha región de unión en la cual puede estimular
mas fotones (figura 28). Este en un tipo de efecto de guía de ondas. Tales estructuras de
heterounión única (HU) pueden producir impulsos láser cortos con potencias pico bastante
altas (hasta de unos cuantos watts) para corrientes de inyección en el intervalo de 1 a 40
amperes. Mejoras adicionales fueron posibles con el diodo de heterounión doble (HD). Al
reducir mas la región activa y emparedando una doble capa fue posible reducir las
corrientes umbral a cientos de miliamperes y permitir operación eficiente tanto en el modo
por impulsos como en el modo continuo. Mejoras a la calidad del haz de salida fueron
posibles con el láser de índice guiado en el haz esta confinado tanto horizontal como
verticalmente por capas de diferente índice de refracción. Los láser de ganancia guiada (o
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de banda) obtiene un comportamiento, semejante mediante la restricción de del flujo de
corriente a través del diodo y por lo tanto de la emisión de luz, a una banda central. Las
menores corrientes de inyección decenas de miliamperes, prolongan la vida de operación.
Compara esto con los pocos cientos de amperes necesarios para operar los diodos de
homounión originales.
Existen a disposición diodos con un amplio intervalo de longitud de onda de emisión en
el infrarrojo cercano, típicamente 820nm, 850nm, 904nm, 1.3µm, y 1.5µm. Las diferentes
longitudes de onda se obtienen mediante el empleo de un material semiconductor
compuesto, como GaxAl1-xAs y haciendo variar la proporción Ga:A1 de las concentraciones
de impurificación.
Debido a que entre bandas anchas de energía ocurren transiciones ópticas, el ancho de
línea de la luz emitida es mayor que para otros tipos de láser, y suele ser aproximadamente
entre 5 y 10 nm. La pequeña longitud de la cavidad óptica, del orden de los 500 µm,
aumenta la separación del modo longitudinal hasta varios cientos de Giga hertz y, por
consiguiente, disminuye las longitudes de coherencia hasta fracciones de milímetro. Debido
a que la radiación láser es emitida a partir de una delgada área activa, la difracción del haz
origina divergencias más altas. Además, ya que el área activa es varias veces más ancha
que su altura, la divergencia es mayor en el plano horizontal que en el plano vertical,
originando un perfil espacial elíptico. El perfil elíptico vuelve más engañoso el enfoque de
un haz diodo láser que el de los perfiles circulares.
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Figura 28.- Estructuras de diodos láser
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Circuitos de activación para diodo láser.
Al diseñar circuitos de activación para diodos láser debe tomarse en cuenta la baja
resistencia del diodo cuando se opera con un voltaje directo a través de él. Aquí la
implicación es que los diodos deben alimentares con una fuente de corriente, es decir, con
una fuente que tenga alta resistencia interna. Tales condiciones pueden lograrse mediante la
sustitución del resistor de carga en un circuito de emisor común completamente
estabilizado por el diodo láser (figura 29). La corriente constante se obtiene al sustituir un
diodo Zener en lugar de la resistencia, normalmente entre la base y tierra. La corriente a
través del diodo láser está dada por:
ID = (VZ -VBE) / RE
en donde Vz es el voltaje de ruptura del diodo Zener, VBE es el voltaje base-emisor y RE es
la resistencia del emisor. Una disposición alternativa es colocar el diodo en el emisor del
circuito. Debido a que la corriente del emisor es determinada por el voltaje de la base, y por
ello el voltaje Zener, esta disposición ayuda a asegurarse en contra de variaciones del
voltaje suministrado.
Figura 29.- Circuito de activación para un diodo láser.
El circuito de emisor común completamente estabilizado también representa un punto
de inicio idóneo en caso de que el diodo vaya a ser activado en el modo por pulsos con la
señal de modulación acoplada capacitivamente a la base. El punto de operación es
determinado por la resistencia de emisor y por la cadena de polarización del
potenciómetro, R1 y R2 (figura 30) y debe elegirse a1rededor del punto medio de la
característica de salida potencia-corriente. En caso de que no se disponga de esta
información, el punto de operación debe elegirse a 1a mitad de 1a corriente umbral y la
corriente directa pico.
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Figura 30.-Circuito de modulación para un diodo láser.
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