Hablando de láseres, ¿cuál es la diferencia entre un LED y un láser de estado sólido? Existen algunas diferencias, pero ambos dispositivos operan bajo el mismo principio de tener exceso de electrones en la banda de conducción de un semiconductor, y disponerlo de manera que los electrones se recombinen con agujeros de manera radiativa, emitiendo luz en el proceso. ¿Qué tiene de diferente un láser? En un LED, los electrones se recombinan de manera aleatoria y desorganizada. Emiten luz por lo que se conoce como emisión espontánea, lo que simplemente significa que la hora exacta y el lugar donde sale un fotón del dispositivo depende de cada electrón individual, y las cosas suceden de manera aleatoria.

Sin embargo, hay otra manera en la que un electrón excitado puede emitir un fotón. Si un campo de luz (o un conjunto de fotones) pasa por un electrón en un estado de alta energía, ese campo de luz puede inducir al electrón a emitir un fotón adicional a través de un proceso llamado emisión estimulada. El campo de fotones estimula al electrón para emitir su energía como un fotón adicional, que sale en fase con el campo estimulante. Esta es la gran diferencia entre la luz incoherente (lo que viene de un LED o una linterna) y la luz coherente, que proviene de un láser. Con luz coherente, todos los campos eléctricos asociados a cada fonón están todos exactamente en fase. Esta coherencia es lo que nos permite mantener un rayo láser en un enfoque apretado, y permitirle recorrer una gran distancia sin mucha divergencia ni dispersión.

Entonces, ¿cómo reestructuramos un LED para que la luz sea generada por emisión estimulada en lugar de emisión espontánea? En primer lugar, construimos lo que se llama una heteroestructura. Todo esto significa que construimos un sandwich de materiales algo diferentes, con diferentes características. En este caso, colocamos dos regiones anchas de banda prohibida alrededor de una región con una brecha de banda más estrecha. El sistema más importante donde se hace esto es el\(\mathrm{AlGaAs} / \mathrm{GaAs}\) sistema. Un diagrama de bandas para tal configuración se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\). \(\mathrm{AlGaAs}\)(pronunciado “Al-Gas”) tiene una banda prohibida más grande entonces lo hace\(\mathrm{GaAs}\). El potencial “pozo” formado por los GaAs significa que los electrones y los agujeros quedarán confinados allí, y toda la recombinación ocurrirá en una franja muy estrecha. Esto aumenta en gran medida las posibilidades de que los portadores puedan interactuar, pero aún necesitamos alguna forma para que los fotones se comporten de la manera adecuada.

Láser de doble heteroestructura con una banda prohibida ancha (N-Algaas) a la izquierda, una brecha de banda estrecha (GaAs) en el medio y una brecha de banda ancha (p-Algaas) a la derecha. Los niveles de energía de la brecha de N-algaAS son menores que los de la brecha de p-Algaas. Como un electrón se recombina con un agujero cruzando desde la conducción a la banda de cenefa en la región GaAs, emite un fotón. Las recombinaciones no ocurren en las otras regiones.
Figura\(\PageIndex{1}\):\(\mathrm{GaAs} / \mathrm{AlGaAs}\) Láser de doble heteroestructura

La figura\(\PageIndex{2}\) es una imagen de cómo podría ser un diodo real. Tenemos la\(\mathrm{GaAs}\) capa activa intercalada entre las dos capas de confinamiento de heteroestructura, con un contacto en la parte superior e inferior. En cualquiera de los extremos del dispositivo, el cristal se ha “escindido” o roto a lo largo de un plano de celosía cristalina. Esto da como resultado una superficie brillante “similar a un espejo”, que reflejará fotones. La superficie posterior (que no podemos ver aquí) también se escinde para hacer una superficie de espejo. Las otras superficies son rugosas a propósito para que no reflejen la luz.

Un diodo láser que consiste en un sándwich con contactos en el exterior, una capa de P-Algaas en el contacto inferior, una capa activa de GaAs por encima de eso y una capa de N-Algaas por encima de eso. La cara del sándwich más cercana al espectador se ha escindido a lo largo de un plano de celosía cristalina.
Figura\(\PageIndex{2}\): Diodo láser

Ahora veamos el dispositivo desde un lado, y dibujemos solo el diagrama de bandas para la\(\mathrm{GaAs}\) región (Figura\(\PageIndex{3}\)). Comenzamos las cosas con un electrón y un agujero recombinándose espontáneamente. Esto emite un fotón que se dirige hacia uno de los espejos. A medida que el fotón pasa por otros electrones, sin embargo, puede hacer que uno de ellos se descomponga por emisión estimulada. Los dos fotones (en fase) chocan contra el espejo y son reflejados y comienzan de nuevo hacia el otro lado. A medida que pasan electrones adicionales, los estimulan a una transición también, y el campo óptico dentro del láser comienza a acumularse.

En un diodo láser, un fotón se libera inicialmente de una recombinación electrón-hueco. El fotón se mueve a través del diodo y hace que otro electrón se recombine por emisión estimulada. Estos dos fotones golpean una de las facetas reflectantes escindidas y retroceden a través del diodo en la otra dirección, provocando otra recombinación y liberación de fotones debido a la emisión estimulada.
Figura\(\PageIndex{3}\): Construcción de un campo de fotones en un diodo láser

Después de un poco, los fotones bajan al otro extremo de la cavidad. La faceta hendida, si bien actúa como un espejo, no es perfecta. Algo de luz no se refleja, sino que “gotea”; sin embargo, y así se convierte en el haz de salida del láser. Los detalles de encontrar cuál es la relación de luz reflejada a luz transmitida habrá que esperar hasta más adelante en el curso cuando se hable de interfaces dieléctricas. El resto de los fotones se reflejan de nuevo en la cavidad y continúan estimulando la emisión de los electrones que continúan ingresando a la región de ganancia debido a la polarización directa en el diodo.

A medida que los ciclos repetidos de reflexión desde los extremos del diodo y la estimulación de las recombinaciones crean una gran cantidad de fotones, una vez que lleguen a un final del diodo ya no serán reflejados todos de nuevo. Algunos fotones escaparán del diodo, convirtiéndose en el haz de salida del láser.
Figura\(\PageIndex{4}\): Acoplamiento de salida

En realidad, los fotones no se mueven de un lado a otro en un gran “grupo” como hemos descrito aquí, sino que se distribuyen uniformemente a lo largo de la región de ganancia. El campo dentro de la cavidad se acumulará hasta el punto en que la pérdida de energía por la luz que se escapa de los espejos es igual a la velocidad a la que la energía es reemplazada por los electrones recombinantes.