¿Qué es el diodo láser?
El diodo láser (láser semiconductor) es un dispositivo electrónico que utiliza una unión pn semiconductora para convertir la corriente en energía luminosa y generar láser. El diodo láser tiene excelente directividad y rectitud. Como fuente de luz con fácil control de energía, se usa ampliamente en comunicaciones ópticas, tratamientos médicos, detección, almacenamiento de datos, ocio y entretenimiento. Su principio básico es utilizar la luz generada cuando los electrones y los huecos se recombinan.
Los diodos láser también se denominan "láseres semiconductores". "Láser" es el acrónimo de "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", que significa "emisión estimulada de amplificación de luz". Incluso si la longitud de onda de la luz natural y la luz LED es constante, su diferencia de fase no es constante y la forma de onda no es uniforme. El láser es una luz "coherente" que sólo amplifica una longitud de onda específica. Las fuentes de luz coherente tienen una diferencia de fase constante y una forma de onda consistente, y se puede usar interferencia para hacer que el foco sea muy pequeño (unas pocas um~), por lo que se pueden usar en diversas aplicaciones, como interruptores ópticos y modulación óptica.
Historia y desarrollo
La historia de los diodos láser comenzó en 1917, cuando Albert Einstein teorizó por primera vez el fenómeno de la "emisión estimulada de radiación", sentando las bases de todas las tecnologías láser. Posteriormente, el alemán John von Neumann describió el concepto de láseres semiconductores en un manuscrito inédito de 1953. En 1957, el estadounidense Gordon Gould propuso que la emisión estimulada de radiación podría usarse para amplificar la luz, y lo denominó "LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiación)". De esta manera, mientras los científicos de varios países continuaban avanzando en la investigación de los láseres, en 1962 apareció la estructura de homounión del láser semiconductor de arseniuro de galio (GaAs), y de hecho se verificó la tecnología de luz coherente. Ese mismo año también tuvo éxito la oscilación de la luz visible. Sin embargo, los láseres semiconductores de esta época tenían problemas con la oscilación continua a temperatura ambiente. En 1970, el descubrimiento de las heteroestructuras dobles hizo posible la oscilación continua a temperatura ambiente. Después de la década de 1970, la tecnología láser semiconductor se desarrolló rápidamente y se utilizó ampliamente en diversos campos.
El principio de emisión de luz de los diodos láser.
Los diodos láser son dispositivos semiconductores que pueden emitir luz láser de una longitud de onda específica. Su estructura básica consta de una unión pn compuesta por un semiconductor tipo p y un semiconductor tipo n, una capa activa que emite luz y un espejo revestido que refleja la luz. El principio de emisión de luz de los diodos láser es que cuando la corriente fluye, los electrones y los huecos se recombinan, y los fotones irradiados se amplifican en la capa activa y se reflejan en el resonador para formar luz láser. Primero comprendamos la estructura básica y el principio de emisión de luz de los "semiconductores emisores de luz" compartidos por los diodos láser y los LED.
Estructura básica y materiales de diodos.
Los semiconductores son materiales con conductividad entre "conductores" que conducen electricidad y "aisladores (no conductores)" que no conducen electricidad fácilmente. Los conductores incluyen materiales metálicos como el hierro y el oro, y los aislantes incluyen materiales como el caucho y el vidrio. Los semiconductores pueden controlar el flujo de electricidad haciéndolos conductores o no conductores. Además, en algunos métodos de uso, también se puede realizar la conversión de energía entre energía luminosa y energía eléctrica.
Normalmente, los componentes de los diodos están hechos principalmente de silicio (Si). El silicio (Si) es el material semiconductor más típico. El silicio existe en la naturaleza en forma de "sílice (SiO2: piedra cuyo componente principal es el dióxido de silicio)" y es un material rico en recursos. Se utiliza ampliamente en muchos productos semiconductores porque es fácil de procesar.
El silicio (Si), como material semiconductor, es originalmente un aislante y casi no tiene electrones libres como portadores. Por lo tanto, al agregar otras impurezas al silicio (Si) para aumentar la concentración de portador en el silicio (Si), aumenta su conductividad. Los semiconductores que aumentan los portadores añadiendo impurezas como ésta se denominan "semiconductores de impurezas". Los portadores incluyen electrones libres y huecos libres. Entre ellos, los semiconductores que aumentan los portadores de electrones libres se denominan "semiconductores de tipo n" y los semiconductores que aumentan los portadores de huecos libres se denominan "semiconductores de tipo p".
* semiconductor tipo p (+: positivo, semiconductor con muchos huecos), semiconductor tipo n (-: negativo, semiconductor con muchos electrones)
El elemento de un diodo es una estructura en la que están conectados un semiconductor de tipo p y un semiconductor de tipo n, lo que se denomina "unión pn". El pin de un semiconductor tipo p se llama "ánodo" y el pin de un semiconductor tipo n se llama "cátodo". La corriente fluye del ánodo al cátodo.
El principio de emisión de luz de diodo.
Cuando se aplica un voltaje directo a un elemento de unión pn, los huecos (positivos) y los electrones (negativos) se mueven hacia la unión y se combinan. El exceso de energía generado en este momento se convierte en energía luminosa, consiguiendo así la emisión de luz. Este fenómeno se denomina "emisión de luz compuesta".
Los diodos láser se pueden clasificar según la dirección en la que se emite la luz.
Láser emisor de borde (EEL): estructura que utiliza la superficie de escisión del semiconductor como reflector para emitir luz desde la superficie de escisión.
Láser emisor de superficie (SEL): estructura que emite luz verticalmente desde la superficie del sustrato semiconductor.
Láser emisor de superficie de cavidad vertical (VCSEL): se forma una cavidad resonante óptica en la dirección vertical de la superficie del sustrato semiconductor y el rayo láser emitido es perpendicular a la superficie del sustrato. Tiene las características de corriente de umbral bajo, modulación de alta velocidad con baja corriente y buena estabilidad de temperatura, y se usa ampliamente en comunicaciones ópticas y campos de sensores.
Estos diferentes tipos de diodos láser tienen diferentes características y actualmente se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones en función de sus características.
Vida de los diodos láser.
La vida útil promedio de los diodos láser depende del entorno operativo (temperatura de funcionamiento, electricidad estática, ruido de la fuente de alimentación, etc.) y, en general, se cree que pueden permanecer encendidos continuamente durante aproximadamente 10,000 horas en condiciones normales. (temperatura de la caja 25 grados). Si la temperatura de funcionamiento es alta durante el uso, la vida útil se acortará y la descarga electrostática (ESD) también puede provocar fallas. Además, las sobretensiones y el ruido generados por la fuente de alimentación también pueden dañar el elemento láser.
Para utilizar el diodo láser durante mucho tiempo, medidas como medidas de disipación de calor como disipadores de calor, suficientes medidas antiestáticas y contra sobretensiones, el uso de filtros de ruido y controlar la salida al mínimo requerido pueden extenderse de manera efectiva. la vida útil.
La luz emitida por el láser tiene una alta densidad de potencia. Si se usa incorrectamente, incluso una pequeña cantidad de emisión puede causar daño al cuerpo humano, lo cual es muy peligroso. Por lo tanto, se deben tomar suficientes medidas de seguridad antes de su uso.
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