CARACTERIZACIÓN DE LÁSERES DE DIODO

Física del láser
CARACTERIZACIÓN DE LÁSERES DE DIODO
OBJETIVOS
A Estudio de la potencia de salida en función del bombeo.
B Estudio del estrechamiento espectral.
C Estudio de la coherencia temporal.
MATERIAL
1 láser de semiconductor (651 nm)
1 circuito de alimentación
2 multímetros
1 detector de potencia
1 monocromador + 1 fotodiodo
1 interferómetro de Michelson
Los alumnos son responsables del buen estado de los equipos.
ATENCIÓN: No mirar la emisión de los láseres, ni directamente ni sus reflejos.
INTRODUCCIÓN
Los láseres de semiconductor pueden considerarse láseres de 4 niveles (Fig. 1) con ensanchamiento
homogéneo, similares a los láseres de colorante, en los que la transición de emisión de
fluorescencia/láser se efectúa entre la banda de conducción y la de valencia en una unión p-n. Por
tanto el diodo semiconductor puede utilizarse para generar luz incoherente (fluorescencia)
denominándose en ese caso LED (Light Emittíng Diode) o luz temporalmente coherente
denominándose en ese caso diodo láser. Un representante típico es el GaAs, el cual al ser dopado
con Se o Zn se convierte en un material conductor tipo n o tipo p. Al establecer una corriente en la
dirección de paso (Fig. 2) se recombinan en la zona p-n los electrones y los huecos, y se libera
energía en forma de luz.
Para intensidades de corriente de inyección I bajas hay pocas, recombinaciones, poca
densidad de fotones emitidos y éstos tienen características de emisión de fluorescencia (baja
potencia P de emisión, ancho espectro de emisión ∆λflu ≈ 50 nm).
Si circula una corriente I suficientemente alta a través de la transición p-n puede superarse
la condición umbral y tiene lugar la amplificación de radiación vía emisión estimulada. La
comprensión del fenómeno requiere conocimientos profundos de la física del Estado Sólido. A la
corriente eléctrica que produce la inversión de población umbral la designaremos como Iu. Para
corrientes I > Iu el diodo láser dará una potencia de salida P > Pu y la emisión estimulada tiene
lugar preferentemente para aquellas transiciones en las que la ganancia es más alta, produciéndose
lo que se denomina un estrechamiento espectral ∆λflu > ∆λláser ≈ 10 nm.
El láser de diodo es de gran importancia en la transmisión de señales, a pesar de su baja
potencia de salida. Se modula fácilmente, y dadas sus pequeñas dimensiones (Fig.2) puede
acoplarse fácilmente a cable de fibra óptica. Una desventaja en su gran ancho de banda (hasta 10
nm) y la gran divergencia (hasta 10°), consecuencia esta última de la difracción en la reducida
dimensión (algunas micras) de la transición p-n. El láser real consiste en muchas capas dopadas de
forma diferente (heteroestructuras) para conseguir un alto grado de eficiencia y bajas pérdidas.
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Figura 1. Esquemas de niveles para un diodo láser.
Figura 2. Esquema representativo de un láser de diodo.
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En la tabla siguiente pueden compararse las características físicas y de emisión de diferentes
sistemas láser.
Figura 3. Montaje de alimentación.
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DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
En la Fig. 3 puede observarse el montaje de alimentación de un láser de diodo de emisión continua
a 651 nm que va a ser utilizado. La fuente de corriente para el diodo es una pila de 9 V. En la caja
hay un circuito que consiste esencialmente en la pila con una resistencia variable (potenciómetro)
en serie con el láser. Al girar el potenciómetro aumenta la resistencia de 0 a 420 Ω
aproximadamente, y la corriente I inyectada al diodo láser disminuye. En la posición de partida el
interruptor debe estar en off y la marca blanca del potenciómetro en 420 Ω.
A. Estudio de la potencia de salida en función del bombeo
Si ahora conectamos el interruptor, por el circuito circula una corriente I, que es inyectada al diodo
láser y éste emite.
• Si colocamos un papel delante del láser observaremos el haz emitido.
• Podemos ir bajando la resistencia lentamente para aumentar la intensidad de corriente inyectada y
el propio ojo será capaz de observar cómo la intensidad de luz emitida es cada vez mayor. Al
principio el cambio en la intensidad emitida es igualmente lento, hasta que se llega a un valor de la
resistencia para el cual la intensidad emitida cambia bruscamente. En este punto hemos alcanzado
la intensidad umbral Iu que hay que inyectar al diodo para que la emisión preferente sea estimulada,
es decir láser. Si seguimos aumentando I observaremos una mayor intensidad de salida.
• Repetiremos el proceso anterior sustituyendo el papel por un sistema de medida de la potencia
(Fig. 4), en el que detectamos con un fotodiodo cuya salida puede ser amplificada y leída en un
voltímetro. Si el detector está corregido a la respuesta espectral, el valor indicado será la potencia P
del láser. (Consultar al profesor antes de realizar las medidas). Por otro lado la corriente de
alimentación del láser se puede medir conectando un amperímetro en serie. Con los valores de
P(mW) frente a I/Iu dibujar la curva de ganancia y dar el valor obtenido de Iu-
Figura 4. Sistema medidor de potencia
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B. Estudio del estrechamiento espectral
La medición del rango espectral de emisión se realizará con un monocromador, al cual hay
acoplado un fotodiodo.
• Una vez localizada la λ de potencia máxima Pmax de emisión de fluorescencia, localice las
longitudes de onda para las cuales la intensidad de emisión vale Pmax/2. A continuación coloque el
láser por encima del umbral y proceda de igual forma. Calcule la razón de anchos espectrales por
debajo y por encima del umbral ∆λláser / ∆λflu.
Figura 5. Sistema medidor de ancho espectral
C. Estudio de la coherencia temporal
La medición de la coherencia temporal se realizará con un interferómetro de Michelson con lámina
compensadora. La estimación de la coherencia temporal la realizaremos con la diferencia de
camino óptico que puede haber entre los brazos para observar franjas.
Debajo del umbral el láser tiene poca coherencia temporal y por tanto será difícil observar la
interferencia a la salida del interferómetro, salvo que éste esté en contacto óptico (diferencia de
camino óptico entre los haces ≈ 0). En primer lugar utilizaremos una fuente de luz blanca con un
difusor para buscar las condiciones de contacto óptico del interferómetro. Mida la diferencia de
camino óptico para la observación de franjas con luz blanca.
Una vez localizadas las franjas con el propio ojo sustituimos la fuente de luz blanca y el difusor por
el láser de diodo operando debajo del umbral Iu. Con objeto de observar una buena formación de
franjas, quitaremos la lente colimadora que hay a la salida del láser. Mida la diferencia de camino
óptico para la observación de franjas con el láser por debajo del umbral.
A partir de este momento no vuelva a observar las interferencias con el OJO a la salida del
interferómetro.
A continuación quite el difusor, coloque el láser por encima del umbral y ponga un papel blanco a
la salida del interferómetro para observar las franjas formadas. Estime la coherencia temporal por
encima del umbral.
BIBLIOGRAFÍA
Bergmann; Schäfer, Lehrbuch der Experimental Physik. Editor, H. Niedrig. De Gruyter. Berlín,
Nueva York (1993).
A. Siegman, Lasers. üniversity Science Books. Sausalito, CA. (1986)
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Figura 6. Interferómetro de Michelson
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RESUMEN DE RESULTADOS
A. Estudio de la potencia de salida en función del bombeo
I (mA)
P (mW)
I (mA)
P (mW)
I (mA)
P (mW)
Valor obtenido para Iu:
B. Estudio del estrechamiento espectral
∆λláser / ∆λflu =
C. Estudio de la coherencia temporal
Téngase en cuenta que el desplazamiento real del espejo del interferómetro corresponde a 1/5 del
desplazamiento leído en el tomillo micrométrico.
Por debajo del umbral: ∆L =
En el umbral: ∆L =
Por encima del umbral: ∆L =
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