7.3: Dispositivos que implican emisión estimulada

Introducción

Los láseres son dispositivos que producen energía óptica a través de la emisión estimulada e implican retroalimentación óptica. La palabra láser es un acrónimo de Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación. Los láseres vienen en una amplia gama de tamaños y formas. Algunos láseres producen potencia de salida continua, denotada cw para onda continua, y otros láseres operan pulsados. Una ventaja de la operación pulsada es que la intensidad máxima de la luz producida puede ser extremadamente alta incluso con una potencia de entrada promedio moderada. Algunos láseres están diseñados para funcionar a temperatura ambiente, mientras que otros láseres requieren enfriamiento externo.

El desarrollo de muchos dispositivos de conversión de energía requirió avances tecnológicos. El desarrollo de los láseres, sin embargo, estuvo precedido por avances en la comprensión de los procesos de conversión de energía en átomos y moléculas. La idea de amplificación por emisión estimulada se desarrolló por primera vez a mediados de la década de 1950, [31, p. 183] [83, p. 687]. Un máser, que operaba a frecuencias de microondas, fue demostrado solo unos años después por Gordon, Zeiger y Townes alrededor de 1955 [83, p. 687]. En 1960, un láser rubí con salida visible en\(\lambda = 694 nm\) fue demostrado por Maiman, [83, p. 687]. El láser en semiconductores se predijo en 1961 [92] y se demostró dentro de un año en arseniuro de galio [93]. El desarrollo de láseres semiconductores requirió tanto la predicción teórica como el desarrollo de la capacidad de depositar capas semiconductoras finas puras. Las capas cristalinas delgadas que crecen sobre un sustrato se denominan capas epitaxiales. Los primeros láseres semiconductores se fabricaron cultivando capas epitaxiales a partir de una masa fundida líquida, a través de un proceso llamado epitaxia en fase líquida [94]. En años posteriores, se desarrollaron otros métodos que permitieron un mayor control y precisión, incluyendo la epitaxia de haz molecular [95] y la deposición química de vapor de metal orgánico [96].

Componentes láser

Figura\(\PageIndex{1}\): Componentes de un láser.

Los láseres tienen tres componentes principales: una fuente de alimentación también llamada bomba, un material activo y una cavidad. Estos componentes se ilustran en la Fig. \(\PageIndex{1}\)donde los espejos forman la cavidad. La energía de entrada de la fuente de alimentación excita electrones o moléculas en el material activo. Un fotón interactúa con los electrones excitados o moléculas del material activo estimulando la emisión de un fotón a la misma frecuencia, fase, dirección y polarización electromagnética. La cavidad refleja el fotón de nuevo al material activo para que pueda estimular otro fotón, y este proceso continúa ocurriendo ya que estos fotones estimulan fotones idénticos adicionales.

Bombas

Las fuentes de alimentación láser se llaman bombas. La energía se puede suministrar a los láseres de diferentes maneras. Para muchos láseres, la energía se suministra eléctricamente. Por ejemplo, la bomba de un láser semiconductor es típicamente una batería que suministra una corriente CC. Estos láseres son dispositivos de conversión de energía que convierten la electricidad de entrada en luz. Para otros láseres, la energía se suministra ópticamente, por lo que la bomba es una lámpara u otro láser. Estos láseres son dispositivos de conversión de energía que convierten la luz con gran energía por fotón en luz con menor energía por fotón. La fuente de alimentación de los primeros láseres rubí fueron lámparas de destellos [86, p. 351]. Como otro ejemplo, los láseres de iones argón se utilizan para bombear láseres de zafiro dopado con titanio. Los láseres de iones de argón se pueden ajustar para emitir fotones con energía 2.54 eV (\(\lambda = 488 nm\)). Estos fotones excitan electrones en zafiro dopado con titanio. Los láseres de zafiro dopado con titanio son láseres de estado sólido sintonizables que emiten luz infrarroja cercana [86, p. 392].

Materiales Activos

Los materiales activos pueden ser sólidos, líquidos o gases, y los láseres pueden clasificarse según el estado de la materia del material activo. El material activo de un láser tiene múltiples niveles de energía permitidos, y la conversión de energía ocurre a medida que el material activo transita entre los niveles de energía. Cuando un electrón transita entre niveles de energía, su impulso interno cambia, no su posición espacial. Por lo general, la bomba excita un electrón de un nivel de energía permitido menor a mayor, y se emite un fotón cuando el electrón pasa de un nivel de energía mayor a menor. En algunos láseres como los láseres de dióxido de carbono, sin embargo, los estados de vibración molecular están involucrados en lugar de los estados de energía electrónica.

La amplificación óptica y el láser solo pueden ocurrir cuando hay una inversión poblacional en el material activo. El término inversión poblacional significa que hay más electrones en el nivel de energía superior que en el nivel de energía inferior. La condición para una inversión poblacional fue definida por la Ecuación 7.1.19. Un fotón inicia el proceso de emisión estimulada, y otro fotón se produce en el proceso. Sólo en el caso de una inversión poblacional puede ser más probable que el fotón resultante estimule otro fotón que la descomposición por emisión espontánea, emitiendo fonones, o por otros medios.

En algunos láseres, llamados láseres de dos niveles, la bomba excita un electrón de un nivel de energía más bajo a un nivel de energía más alto, y el láser ocurre a medida que el electrón transita de un lado a otro entre los mismos dos niveles. En otros láseres, se deben considerar más niveles de energía. La figura\(\PageIndex{2}\) ilustra posibles transiciones de electrones en láseres de dos, tres y cuatro niveles, pero también son posibles otros esquemas de tres y cuatro niveles. En el sistema de tres niveles ilustrado en la figura, la bomba excita electrones del nivel uno al nivel tres. Los electrones se desintegran rápidamente al nivel dos, posiblemente emitiendo calor, y el láser ocurre a medida que los electrones transitan del nivel dos al nivel uno. En el esquema de cuatro niveles ilustrado, la bomba excita electrones del nivel uno al cuatro. Los electrones se desintegran rápidamente del nivel cuatro al tres, emitiendo calor en el proceso. El láser ocurre entre los niveles de energía tres y dos. Los electrones luego se descomponen entre los niveles dos y uno, emitiendo nuevamente calor, vibración o alguna otra forma de energía. Algunos sistemas de cuatro niveles lase más fácilmente que los sistemas de dos niveles porque una inversión poblacional puede ser más fácil de lograr en sistemas de cuatro de dos niveles. El láser requiere una inversión poblacional, y el nivel dos puede tener menos probabilidades de estar ocupado que el nivel uno.

Figura\(\PageIndex{2}\): Diagrama de nivel de energía de ejemplo para láseres de dos, tres y cuatro niveles.

Cavidades

Las cavidades láser tienen dos funciones principales. Ellos confinan los fotones al material activo y actúan como filtros ópticos. La cavidad óptica más simple está hecha de dos espejos como se muestra en la Fig. \(\PageIndex{1}\). Este tipo de cavidad se llama cavidad Fabry Perot. Las cavidades más complicadas tienen múltiples espejos, lentes y otros componentes ópticos para enfocar los fotones deseados dentro del material activo y rechazar fotones a frecuencias distintas de la frecuencia deseada. Los láseres semiconductores no utilizan espejos separados para formar la cavidad. En algunos láseres semiconductores, los bordes de los semiconductores actúan como espejos porque el índice de refracción del semiconductor es mayor que el del aire circundante, reflejando así una porción de la luz de vuelta dentro del semiconductor. Los bordes de estos láseres se forman escindiendo a lo largo de planos cristalinos para producir superficies extremadamente planas. En otros láseres semiconductores, múltiples capas delgadas de material actúan como espejos.

Figura\(\PageIndex{3}\): La flecha sólida muestra la dirección longitudinal mientras que las flechas punteadas muestran las direcciones transversales. La sinusoide sólida muestra un modo longitudinal permitido. La longitud de la cavidad en la dirección longitudinal es igual a\(\frac{3\lambda}{2}\). Las sinusoides punteadas muestran modos transversales permitidos. Las longitudes de cavidad en las direcciones transversales son iguales a\(\frac{\lambda}{2}\).

Incluso sin un material activo presente, una cavidad óptica actúa como un filtro óptico que selectivamente pasa o rechaza luz de diferentes longitudes de onda. Para entender esta idea, considere la cavidad rectangular mostrada en la Fig. \(\PageIndex{3}\). Supongamos que la cavidad tiene espejos parciales en el lado izquierdo y derecho para que alguna luz pueda ingresar a la cavidad del lado izquierdo y algo de luz pueda salir de la cavidad a la derecha. La dirección a lo largo de la cavidad, ilustrada por la flecha sólida, se llama dirección longitudinal. Las otras dos direcciones, ilustradas por flechas punteadas, se denominan direcciones transversales. Si la longitud longitudinal de la cavidad es exactamente igual a un número entero de medias longitudes de onda de la luz, la onda interferirá constructivamente consigo misma. Sin embargo, si la longitud longitudinal de la cavidad no es igual a un número entero de medias longitudes de onda, interferirá destructivamente. Las mismas ideas se aplican en las direcciones transversales. En la figura, la longitud longitudinal de la cavidad es igual a tres medias longitudes de onda mostradas por la sinusoide sólida. Las longitudes transversales son iguales a una media longitud de onda mostrada por las sinusoides punteadas. Debido a esta interferencia constructiva o destructiva, las cavidades permiten selectivamente que ciertas longitudes de onda de la luz pasen a través mientras atenúan otras longitudes de onda de la luz. En una cavidad láser típica, la relación entre la longitud longitudinal y las longitudes transversales es mucho mayor que la que se muestra en la Fig. \(\PageIndex{3}\). La figura\(\PageIndex{3}\) ilustra una cavidad rectangular mientras que muchos láseres tienen cavidades cilíndricas en su lugar. Se aplican las mismas ideas, por lo que solo ciertos modos longitudinales y transversales permitidos se propagan también en cavidades cilíndricas [86, p. 133,145].

Si hay una bomba y un material activo en una cavidad, este efecto de filtrado fomenta que se produzca el láser a longitudes de onda específicas debido a la retroalimentación que proporciona la cavidad. Como se discutió anteriormente, la emisión estimulada ocurre cuando un fotón interactúa con un electrón excitado. El resultado es otro fotón de la misma frecuencia, polarización electromagnética, fase y dirección que el fotón original. Cuando la bomba se enciende por primera vez, los electrones se excitan, pero no hay fotones presentes. Muy pronto, algunos fotones se producen por emisión espontánea. Algunos de estos fotones estimulan la emisión de fotones adicionales. Dado que la cavidad atenúa selectivamente algunas longitudes de onda pero no otras, es más probable que los fotones producidos por emisión estimulada ocurran en ciertas longitudes de onda correspondientes a modos en la dirección longitudinal. Para estos modos, la longitud de la cavidad es igual a un múltiplo entero de medias longitudes de onda. Debido a la retroalimentación de la cavidad del láser, estos fotones continúan estimulando fotones idénticos adicionales. Por esta razón, la salida de un láser necesariamente tiene un rango de longitud de onda muy estrecho.

Eficiencia Láser

La eficiencia general de un láser es la relación entre la potencia óptica de salida y la potencia de entrada. Muchos láseres son bombeados eléctricamente, y la eficiencia general, también conocida como la eficiencia del enchufe de pared, para estos láseres es la relación de la potencia óptica de salida sobre la potencia eléctrica de entrada [10, p. 604].

\[\eta_{ef \, f} = \frac{P_{optical \; out}}{P_{electrical \; in}} \label{7.3.1} \]

La bomba, el material activo y la cavidad afectan la eficiencia del láser. La eficiencia general es el producto de un componente debido a la bomba\(\eta_{pump}\), un componente debido al material\(\eta_{quantum}\) activo y un componente debido a la cavidad\(\eta_{cavity}\) [86].

\[\eta_{ef \, f} = \eta_{pump} \cdot \eta_{quantum} \cdot \eta_{cavity} \nonumber \]

Estos factores varían ampliamente de un tipo de láser a otro.

En un láser bombeado ópticamente, una lámpara u otro láser excita los electrones del material activo. En este caso, parte de la luz de la bomba puede reflejarse desde la superficie o transmitirse a través en lugar de ser absorbida por el material activo. Además, parte de la energía de la bomba se puede convertir directamente en calor. Adicionalmente, especialmente en el caso de lámparas que emiten luz en un amplio rango de frecuencias, la luz de bombeo puede tener muy poca energía por fotón para excitar los electrones, o la luz puede tener demasiada energía por fotón, excitando así electrones a un nivel de energía superior diferente. Además, parte de la luz de bombeo puede interactuar con electrones que ya están en estados de energía excitada. En un láser bombeado eléctricamente, la electricidad excita los electrones del material activo. Parte de la energía eléctrica puede convertirse en calor en lugar de excitar los electrones. Todos estos factores que involucran la bomba contribuyen a\(\eta_{pump}\) la eficiencia general del láser\(\eta_{ef \, f}\).

La contribución a la eficiencia global del láser debido al material activo\(\eta_{quantum}\) se conoce más comúnmente como la eficiencia cuántica interna. Alguna fracción de electrones excitados se descompone a un nivel de energía más bajo y emite un fotón por emisión espontánea o estimulada. Alternativamente, otros electrones excitados se desintegran a un nivel de energía más bajo mientras emiten calor o vibraciones de red en su lugar. La eficiencia cuántica interna es la relación de la velocidad con la que los electrones excitados se descomponen y producen un fotón sobre la velocidad a la que se descomponen todos los electrones excitados [10, p. 562]. Depende de la temperatura, la concentración de impurezas o defectos cristalinos, y otros factores [10, p. 596].

La eficiencia también está determinada por la cavidad del láser. Una cavidad láser refleja fotones hacia el material activo. Sin embargo, la cavidad del láser debe dejar salir algo de luz. En muchos láseres, la cavidad está formada por espejos. Si bien estos espejos reflejan la mayor parte de la luz, algo de luz se absorbe y algo de luz se transmite a través de los espejos como salida de láser. Muchos láseres que utilizan espejos incluyen lentes, prismas y otros componentes ópticos en la cavidad para enfocar o filtrar la luz al material activo. Estos componentes también pueden reflejar o absorber algo de luz y, por lo tanto, disminuir la eficiencia del láser. Como se mencionó anteriormente, la cavidad de muchos láseres semiconductores está formada por la interfaz entre el material activo y el aire circundante. Si bien los espejos externos pueden reflejar más del 99% de los fotones [86, p. 159], los espejos formados por interfaces aéreas semiconductoras son mucho menos eficientes. La cantidad de luz reflejada depende del índice de refracción del material. En el arseniuro de galio, por ejemplo, el índice de refracción es de 3.52 lo que corresponde a solo 31% de la luz reflejada en cada interfaz [97].

La influencia en la eficiencia de la absorción interna y la reflectividad del espejo se puede resumir en una sola relación [98].

\[\eta_{e f f}=\eta_{e f f-o t h e r} \frac{\ln \left(\frac{1}{R}\right)}{\alpha l+\ln \left(\frac{1}{R}\right)} \label{7.3.3} \]

En esta ecuación,\(R\) es la reflectividad de espejo sin unidad,\(\alpha\) es el coeficiente de absorción del material activo en unidades\(m^{-1}\), y\(l\) es la longitud del material activo en\(m\). El término\(\eta_{ef \, f−other}\) representa la eficiencia debido a todos los demás factores además de la absorción y reflectividad del espejo, y\(\eta_{ef \, f}\) es la eficiencia general. La ecuación\ ref {7.3.1} se puede reescribir con algo de álgebra.

\[\eta_{e f f}=\eta_{e f f-o t h e r}\left(1-\frac{1}{1+\frac{1}{\alpha l} \ln \left(\frac{1}{R}\right)}\right) \nonumber \]

Estos conceptos de eficiencia se generalizan a otros dispositivos de conversión de energía que producen luz. La ecuación\ ref {7.3.3} también describe la eficiencia general de los LEDs y lámparas además de los láseres bombeados eléctricamente. Los conceptos de eficiencia debido a la bomba y eficiencia cuántica interna también se aplican a LEDs y lámparas. Sin embargo, no\(\eta_{cavity}\) es útil para describir estos dispositivos porque los LED y las lámparas no contienen una cavidad.

Ancho de banda láser

En comparación con los LED y las lámparas de descarga de gas, las lámparas incandescentes emiten luz en un rango mucho más amplio de longitudes de onda. En comparación con estos dispositivos, los láseres emiten luz en un rango mucho más estrecho de longitudes de onda. Una razón por la que los láseres emiten sobre un rango de longitud de onda tan estrecho es que los fotones generados por la emisión estimulada tienen la misma longitud de onda que el fotón estimulante. Como se explicó anteriormente, otra razón es que solo la luz a mitad de múltiplos enteros de la longitud de una cavidad óptica interfiere constructivamente.

Este ancho de banda estrecho de los láseres en comparación con otras fuentes de luz es una ventaja importante en muchas aplicaciones. Por ejemplo, los láseres generan señales de comunicación enviadas por fibras ópticas. Múltiples señales pueden enviarse simultáneamente por una sola fibra con cada señal producida por un láser a una frecuencia ligeramente diferente. Debido al ancho de banda estrecho, estas señales se pueden detectar por separado en el receptor.

El ancho de banda de los dispositivos que emiten luz se especifica típicamente por el ancho de banda medio máximo (FWHM) de ancho completo. Más específicamente, la intensidad de la luz emitida se traza como una función de la longitud de onda donde la intensidad óptica es proporcional al cuadrado del campo eléctrico. Para encontrar el FWHM, identificar la longitud de onda de máxima intensidad e identificar las longitudes de onda correspondientes a la mitad de esta intensidad. La diferencia de longitud de onda entre estos puntos de media intensidad se denomina FWHM, y esta cantidad se especifica en metros o más probablemente nanómetros. A veces FWHM se especifica en unidades de Hz en su lugar. Se utiliza una gráfica de respuesta de frecuencia, que muestra la intensidad de la luz emitida frente a la frecuencia, para encontrar FWHM en Hz. Nuevamente se identifican dos puntos a media intensidad máxima en la parcela. La diferencia de frecuencia entre estos puntos de media intensidad es el FWHM en Hz. Una medida relacionada se llama factor de calidad, y los láseres con ancho de banda estrecho tienen factor de alta calidad. Se define como la relación de la longitud de onda en nm de intensidad máxima emitida sobre el FWHM en nm. Alternativamente, se define como la relación de la frecuencia de intensidad pico sobre el FWHM en Hz.

Figura\(\PageIndex{4}\): Intensidad óptica versus longitud de onda para un láser colorante con un material activo de rodamina 6G mezclado con nanopartículas de plata. Las curvas corresponden a dos energías de bombeo diferentes, una por encima del umbral de láser y la otra por debajo del umbral de láser. Esta cifra se utiliza con permiso de [99].

Figura\(\PageIndex{5}\): Intensidad óptica versus energía de bombeo para láseres de tinte. Curva\(a\) describe un láser con rodamina 6G como colorante mientras que las otras curvas describen un láser con rodamina 6G mezclado con diversas nanopartículas. Esta cifra se utiliza con permiso de [99].

Como ejemplo, considere las Figs. \(\PageIndex{4}\)y\(\PageIndex{5}\) que son de [99]. La figura\(\PageIndex{4}\) se refiere a un láser colorante donde el material activo es una solución líquida del colorante orgánico rodamina 6G mezclado con nanopartículas de plata. Curva\(a\) de la Fig. \(\PageIndex{5}\)se relaciona con un láser de tinte con rodamina 6G como material activo. Las otras curvas de la Fig. \(\PageIndex{5}\)se relacionan con láseres de tinte con materiales activos hechos de rodamina 6G dopados con diversas nanopartículas. Por lo general, el láser solo ocurrirá si el material activo se bombea con suficiente fuerza. Si se suministra menos energía, se produce la emisión espontánea. Por encima de un umbral, aún se produce alguna emisión espontánea, pero domina la emisión estimulada. La\(\PageIndex{4}\) figura representa la intensidad de la luz emitida en dos niveles de bombeo diferentes, por encima y por debajo del umbral para el láser. A partir de esta cifra, podemos ver que el ancho de banda de la luz emitida cuando el dispositivo está produciendo solo emisión espontánea es mucho más amplio que el ancho de banda de la luz emitida cuando el dispositivo está produciendo láser. El FWHM y el factor de calidad en cada caso se pueden aproximar a partir de esta cifra. Para la curva de emisión espontánea, FWHM\(_{[nm]} \approx 45\) nm y factor de calidad\(\approx 13\). Para la curva de emisión estimulada, FWHM\(_{[nm]} \approx 5\) nm y factor de calidad (\ approx 115\). Si bien estos valores son para los láseres de tinte, otros tipos de láseres, especialmente los láseres de gas, pueden tener valores FWHM que son órdenes de magnitud menores, y valores de 0.01 nm son alcanzables [83, p. 625]. La figura\(\PageIndex{5}\) ilustra otra característica típica de los láseres. Considere la curva a que muestra la intensidad de la salida versus la energía de la bomba suministrada. La flecha en la figura cercana a 65 mJ indica el umbral de láser. Una vez que se produce el láser, la intensidad de la luz emitida aumenta debido a la retroalimentación óptica, por lo que se puede observar una discontinuidad en la pendiente de las gráficas de este tipo en el umbral de láser.

Tipos de láser

Los ingenieros han desarrollado muchos tipos de láseres que utilizan una amplia gama de materiales activos. Los láseres se pueden clasificar según el tipo de material activo como láseres de gas, láseres de tinte, láseres de estado sólido o láseres semiconductores. La mayoría de los láseres encajan en una de estas cuatro categorías, pero hay excepciones como los láseres de electrones libres donde el láser ocurre entre los niveles de energía de los electrones no unidos [31, p. 277] [86, p. 417].

láseres

En un láser de gas, el material activo es un gas, y el láser ocurre entre los niveles de energía de un átomo neutro o ionizado. Los láseres de gas se construyen a partir de un tubo de vidrio lleno de gas. Los electrodos dentro del tubo suministran energía para excitar los electrones de los átomos de gas, y los espejos externos forman la cavidad. Uno de los láseres de gas más comunes es el láser de helio neón, que normalmente opera a 632.8 nm [31, ch. 10]. Sin embargo, la cavidad del láser puede diseñarse de manera que el láser se produzca en\(3.39 \mu m\) y en otras longitudes de onda también [31, cap. 10]. Otro ejemplo de un láser de gas común es el láser de iones argón en el que se produce el láser entre los niveles de energía del argón ionizado. Una ventaja de los láseres de gas en comparación con otros tipos de láseres es que pueden ser bombeados eléctricamente. Otra ventaja es que los láseres de gas pueden diseñarse para tener altas potencias de salida. Por esta razón, los láseres de gas se utilizan en aplicaciones que requieren alta potencia como corte, soldadura y armamento [86, p. 405]. Los láseres de dióxido de carbono pueden producir cientos de kilovatios de potencia cuando se opera onda continua y teravatios de potencia cuando se opera pulsado [86, p. 405]. Sin embargo, los láseres de gas suelen ser físicamente grandes en tamaño y no tan portátiles como los láseres semiconductores. Los láseres de gas de alta potencia generalmente también requieren refrigeración por agua u otra forma de enfriamiento.

Láseres

En los láseres de tinte, el material activo es un soluto en un líquido, y los láseres de tinte a menudo son bombeados ópticamente por otros láseres [86, p. 386]. El láser puede ocurrir entre los niveles de energía de vibración molecular en oposición a los niveles de energía de los electrones [31, p. 225] [86, p. 386]. Una ventaja de los láseres de tinte es que pueden ser sintonizables en una amplia gama de longitudes de onda. Sin embargo, los láseres de tinte requieren un mantenimiento regular debido a que los tintes tienen una vida útil finita [86, p. 391]. Un ejemplo de un colorante utilizado es la molécula orgánica rodamina 6G, y los láseres que utilizan este tinte son sintonizables a partir de\(570 < \lambda < 610\) nm [31, p. 228] [86, p. 387]. Cifras\(\PageIndex{4}\) e\(\PageIndex{5}\) ilustran el comportamiento de un láser de tinte de este tipo.

Láseres de estado sólido

El material activo de un láser de estado sólido es un material aislante sólido, a menudo un cristal de alta pureza, dopado con algún elemento. El láser ocurre entre los niveles de energía electrónica del dopante incrustado en el sólido. Se utilizan espejos externos para formar la cavidad. Los láseres de estado sólido son típicamente bombeados ópticamente por lámparas u otros láseres. Un láser de rubí es un láser de estado sólido con un material activo hecho de un cristal de zafiro, Al\(_2\) O\(_3\), dopado con alrededor de 0.05% en peso de\(^{3+}\) iones cromo Cr [31, ch. 10]. Los láseres rubí son láseres de tres niveles [10, p. 476]. Otro láser de estado sólido común es un láser de granate de aluminio y itrio de neodimio, a menudo denotado Nd: YAG, que es un láser de cuatro niveles. El material activo de este láser es el granate de itrio y aluminio Y\(_3\) Al\(_5\) O\(_{12}\) dopado con alrededor de 1% de\(^{3+}\) iones Nd de neodimio, y este láser produce luz infrarroja en\(\lambda = 1.0641 \mu m\) [10, p. 478] [31, p. 208] [86, p. 539]. Otro láser común es el láser de zafiro dopado con titanio, denotado Ti:Sapph. El material activo de este láser es zafiro Al\(_2\) O\(_3\) dopado con aproximadamente uno por ciento de iones de titanio Ti\(^{3+}\). Este láser es sintonizable en el rango\(700 < \lambda < 1020\) nm [86, p. 392]. La afinación se logra a través de un prisma ajustable dentro de la cavidad láser y a través de recubrimientos en los espejos de la cavidad. Debido a la sintonización, estos láseres se utilizan para espectroscopía e investigación de materiales.

Láseres semiconductores

El material activo de un láser semiconductor es un semiconductor sólido pn uniones. Se puede agregar una capa intrínseca, no dopada, entre la capa de tipo p y la capa de tipo n en la unión para aumentar el ancho de la región de agotamiento y mejorar la eficiencia general [10, p. 567]. Al igual que con los diodos y los LED, todo el dispositivo suele caber dentro de un milímetro cúbico. La longitud de onda emitida depende de la brecha de energía del semiconductor. Los primeros láseres semiconductores fueron hechos de arseniuro de galio y produjeron luz infrarroja [93]. Desde entonces, se han producido láseres semiconductores que emiten en todas las frecuencias visibles. Pasaron más de treinta años desde el momento en que se produjeron los primeros semiconductores hasta el momento en que se produjeron láseres azules confiables [90] [100]. Los primeros láseres semiconductores azules se produjeron usando ZnMGSse, y más comúnmente ahora se usa GaN. El desarrollo de esta tecnología requirió la capacidad de depositar capas muy puras de los semiconductores sin desarrollar tensión mecánica en las capas.

Casi todos los láseres semiconductores están hechos de semiconductores directos. Es por esta razón que los primeros láseres semiconductores se fabricaron a partir de GaAs a pesar de que la tecnología de procesamiento de silicio estaba más desarrollada en ese momento [93]. Los semiconductores directos se definieron en la Sección 6.3 y se ilustraron en la Fig. 6.3.1. En un semiconductor directo, la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción se alinean en una gráfica de niveles de energía versus vector de onda\(|\overrightarrow{k}|\).

La figura\(\PageIndex{6}\) es un boceto de los niveles de energía frente al vector de onda para un semiconductor directo y un semiconductor indirecto. En ambos casos, un electrón es excitado a la banda de conducción. En ambos casos, el electrón puede descomponerse por emisión espontánea de la banda de conducción a la banda de valencia. En ambos casos, se debe conservar tanto la energía como el impulso. En el caso del semiconductor directo, el electrón puede descomponerse emitiendo un fotón. El electrón no necesita cambiar de impulso en el proceso. Si bien no se muestra en la figura, el electrón también puede descomponerse por emisión estimulada. En el caso indirecto, la emisión espontánea puede ocurrir, pero este proceso requiere necesariamente también un cambio en el impulso del electrón. Si bien es posible que la emisión espontánea pueda ocurrir y producir un fotón, a menudo el electrón se descompone al producir calor o vibraciones en lugar de un fotón de luz [86, p. 444]. Por esta razón, la emisión estimulada es significativamente menos probable que ocurra en semiconductores indirectos que directos.

Figura\(\PageIndex{6}\): Diagrama de nivel de energía vs. vector de onda que ilustra la emisión espontánea en un semiconductor directo e indirecto.

Como se discutió anteriormente, los láseres semiconductores no tienen espejos externos. Los láseres semiconductores se pueden clasificar ampliamente en dos categorías, emisores de borde y láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL) [101] dependiendo de si la emisión óptica es desde el borde o la superficie del dispositivo. En los láseres emisores de bordes, la cavidad a menudo está formada por los bordes del semiconductor. En otros láseres emisores de borde llamados láseres semiconductores de retroalimentación distribuida, una rejilla, que actúa como un filtro óptico, se graba en el semiconductor. En los láseres emisores de superficie de cavidad vertical, múltiples capas epitaxiales de diferentes materiales forman espejos por encima y por debajo del material activo.

Una ventaja principal de los láseres semiconductores sobre otros tipos de láseres es su pequeño tamaño. Se pueden integrar tanto en dispositivos de consumo como punteros láser y reproductores de DVD, así como en equipos industriales y redes de comunicación. Otra gran ventaja es que se bombean eléctricamente. También a menudo no necesitan refrigeración externa debido a su eficiencia general relativamente alta. Otra ventaja es que la longitud de onda de salida se puede diseñar seleccionando la composición. Por ejemplo, los láseres semiconductores de composición In\(_{1−x}\) Ga\(_x\) As\(_{1−y}\) P\(_y\) producen luz infrarroja en el rango\(1.1 \mu m < \lambda < 1.6 \mu m\). Este rango de frecuencia es particularmente útil para redes de comunicación óptica. Los cables de fibra óptica están hechos de\(_2\) vidrio SiO, un material con una absorción muy baja pero distinta de cero. La absorción es una función de la longitud de onda, y el mínimo de absorción del vidrio de sílice está cerca\(1.55 \mu m\) [10, p. 882]. Estas fibras también tienen baja, pero dispersión distinta de cero. La dispersión se refiere a la propagación de los pulsos a medida que se propagan a través de la fibra. El mínimo de dispersión en vidrio de sílice es de alrededor\(1.3 \mu m\). [10, p. 879]. Los láseres semiconductores que producen luz en este rango se pueden usar para transmitir señales a través de fibras ópticas, y estas señales tendrán una absorción y dispersión muy bajas. Una limitación es la potencia de salida. Mientras que un láser semiconductor puede producir más de un vatio de potencia, los láseres de gas pueden producir órdenes de magnitud más potencia.

Amplificadores Ópticos

Los amplificadores ópticos son bastante similares a los láseres, y pueden estar hechos de todo tipo de materiales activos utilizados para fabricar láseres, incluidos gases, materiales de estado sólido, semiconductores y tintes [10, p. 477]. Un amplificador óptico consiste en una bomba y material activo, pero no tiene cavidad. La bomba excita electrones del material activo a un nivel de energía superior. Los fotones de una señal óptica entrante provocan que se generen fotones adicionales por emisión estimulada. La amplificación ocurre porque estos fotones entrantes generan fotones adicionales, pero el láser no ocurre sin la retroalimentación óptica proporcionada por la cavidad.

Los amplificadores de fibra dopada con erbio son uno de los tipos de amplificadores ópticos más útiles debido a su uso en redes de comunicación óptica [10, p. 882]. Estos dispositivos pueden amplificar señales ópticas sin necesidad de convertirlas a o desde señales eléctricas. Son dispositivos de estado sólido donde la emisión estimulada ocurre entre los niveles de energía del erbio, un dopante, en fibras de vidrio de sílice. La energía de un láser semiconductor actúa como la bomba que excita electrones de los átomos de erbio. Los amplificadores de fibra dopada con erbio son muy útiles porque pueden amplificar señales ópticas cerca del mínimo de absorción de fibra en\(1.55 \mu m\).