LASER Conceptos Básicos sobre

LASER
Conceptos Básicos
Laser - Light Amplification by Stimulate
Emission of Radiation
Amplificación de Luz por Emisión
Estimulada de Radiación
¿Como Funciona?
Usa a emisión estimulada para
desencadenar una avalancha de fotones
coherentes.
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
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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
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La Emisión de Fotones puede ser:
• Emisión espontánea.
• Emisión estimulada
Emisión Espontánea de Radiación
Fisica III - 05
Análisis energético
Espectro de Emisión y de Absorción
Fisica 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 energía
E = E2-E1 coherentes
Inversión de Población
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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
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En condiciones de Inversión de la población la cantidad de átomos por
unidad de volumen en estado excitado es mayor que la cantidad de
átomos en estado fundamental.
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¿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
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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
Componentes Básicos de un LASER
Excitación Bombeo
Haz Laser
Medio activo
Reflector
100%
Reflector
99%
Láser de Rubí
Modos Longitudinales de la cavidad
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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:
Potencia
tiempo
c/2L
Sensibilidad espectral del Laser
S(λ)
Curva de sensibilidad
espectral del material activo
Modos de la cavidad de
Fabry Perot
λ
c/2L
λ
Láser Semiconductor
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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
Láser Semiconductor
La Excitación Bombeo
es la corriente del diodo
Haz Laser
Zona P
Medio activo
Zona N
Reflector
100%
Reflector
99%
Láser Semiconductor
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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
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Como resultado de procesos de investigación se logró reducir
drásticamente la corriente de laseo a partir de hacer un sandwich de GaAs
y 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 menos
probables. 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-x
As, 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