Los diodos LASER son componentes extremadamente importantes en numerosas aplicaciones prácticas. Los reproductores de CD tanto de música como de programas informáticos y DVDs son ejemplos de dispositivos que sólo existen gracias al diodo láser. En este artículo explicamos cómo funciona este importante componente electrónico y damos algunas de sus aplicaciones prácticas.
Para entender cómo funciona el diodo láser debemos empezar por saber exactamente qué es LASER. La palabra LASER es un acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, que traducido significa Amplificación de Luz por la Emisión Estimulada de Radiación.
De una manera sencilla podemos decir que el LÁSER no es más que un amplificador de luz.
Para entender cómo funciona, tomemos como ejemplo su versión básica que se elabora alrededor de un bastón de rubí sintético, como se muestra en la figura 1.
El bastón de rubí tiene espejo en sus caras. Un espejo es más delgado que el otro, por razones que se aclararán más tarde, y a su alrededor tenemos una lampara de xenón, similar a las utilizadas en destellos de máquinas fotográficas.
Cuando producimos una descarga eléctrica en la lampara de xenón, que se puede lograr desde un circuito generador de alta tensión adecuada, tenemos la emisión de luz que contendrá la energía que queremos amplificar. Esta luz, sin embargo, no tiene las características de lo que se llama LASER. Es una luz común que contiene varias frecuencias y "difundir" irregularmente en prácticamente todas las direcciones. Sin embargo, pieza de esta luz es absorbida por átomos de rubí sintéticos.
Lo que sucede es que los electrones de los átomos de rubí (una forma de óxido de aluminio cristalizado) permanecen en condiciones normales a un cierto nivel de energía u órbita, como se muestra en la figura 2.
Cuando la luz en el rubí se inicia, y la energía que contiene esta luz dada por su longitud de onda es suficiente para retirar los electrones de su órbita, saltan a un nivel más alto, como se muestra en la figura 3.
En este salto, el átomo en el que esto ocurre, absorbe la energía y la mantiene mientras los electrones estuviera en una órbita más alta.
En condiciones normales, o sin excitación, la mayoría de los átomos tienen sus electrones en los niveles de energía más bajos, lo que significa que no están excitados. Sin embargo, con el fuerte flash de la lampara de xenón tenemos la liberación de energía en una cantidad que es suficiente para llevar la mayoría de los electrones de rubí a un mayor nivel de energía.
En estas condiciones ocurre algo que es fundamental para obtener el efecto LASER: la mayoría de los electrones estarán a altos niveles de energía o habrá una "reversión de la población".
Sin embargo, los electrones no pueden permanecer indefinidamente en el estado más alto de energía, ya que es una condición inestable de los átomos. Esto significa que poco después, los electrones comienzan a saltar de nuevo a sus niveles de energía originales, lo que hace que "devuelvan" la energía absorbida en forma de un cuanto de luz, es decir, un fotón.
La longitud de onda de este fotón, es decir, el color de la luz que se emitirá depende del salto que el electrón dará para volver al nivel original, es decir, la energía que devuelve.
Por lo tanto, como todos los átomos de rubí son iguales también son todos los saltos y con eso el color de la luz que se producirá cuando los electrones vuelvan a su nivel original, como se muestra en la figura 4.
Es por esta razón que la luz emitida por un LASER es monocroma, es decir, tiene una sola longitud de onda.
Pero, es en el proceso de devolver energía por electrones que saltan a los niveles más bajos que tenemos el fenómeno más interesante. Cuando un primer electrón, después de la absorción, vuelve a su nivel original devolviendo energía, estimula a otros que están cerca de hacer lo mismo.
Esto significa que un electrón, cuando vuelve al nivel original, estimula a otro y como resultado tenemos dos fotones. Dos fotones estimulan dos electrones más y tenemos cuatro fotones.
El efecto se multiplica rápidamente como una reacción en corriente y una fracción de segundo, y casi sincronizado, todos los electrones se ven obligados a devolver su energía. La duplicación de murciélagos rubíes ayuda mucho a determinar cómo se produjo la luz.
Reflejar en caras simétricas la cantidad de fotones liberados aumenta rápidamente hasta el punto de que ya no se pueden reflejar. Los fotones luego rompen el espejo más delgado pasando en forma de un haz de luz muy estrecho y potente.
El estallido de luz obtenido es violento, con la concentración de una enorme cantidad de energía con características especiales.
Por lo tanto, toda la energía que se absorbe en milisegundos es' devuelta en miles de millones de segundos de una manera especial. Si, por ejemplo, la energía absorbida en un intervalo de 1 milisegundos corresponde a 1 vatio, si se devuelve en 1 milmillonésima de segundo, corresponderá a una potencia de 1 millón de watts.
Esta es una primera característica importante de LASER, la concentración de energía que lo lleva a potencias extremadamente altas.
La segunda característica, como hemos visto, es en el hecho de que esta energía consiste en una sola longitud de onda de longitud de onda o una sola frecuencia.
Para el rubí tenemos la emisión de una luz rojiza.
La tercera característica está en la coherencia de la luz. Todos los fotones se emiten casi al mismo tiempo y en la misma dirección obteniendo un haz de luz muy estrecho que prácticamente no se "abre" como con el haz de luz producido por un faro o linterna, como se muestra en la figura 6.
En un LASER común, el haz producido puede ser más delgado que un cabello y esto es muy importante en aplicaciones críticas como CDs y lectores DVDs. importante en aplicaciones electrónicas de precisión.
De hecho, la gran cantidad de energía concentrada permite que un haz de luz vaporice materiales como el acero pegando tableros gruesas.Pero es en la electrónica que una luz con las características de LASER encuentra una amplia gama de aplicaciones.
EL DIODO LÁSER
El ejemplo de LASER que vimos se basa en el bastón de rubí.
Sin embargo, hay muchos otros materiales que manifiestan propiedades similares y por lo tanto se pueden utilizar en la fabricación de LASERs. Un primer tipo de LASER que se cita es el helio-neón, importante por sus características de bajo costo y fácil manejo. En la figura 7 tenemos un tubo LASER de este tipo que se excita con una tensión de unos pocos miles de volts.
Para la electrónica, sin embargo, tenemos un tipo especial de LASER que es diodo LASER o LASER semiconductor. La estructura básica de un diodo LASER se muestra en la figura 8.
Como podemos ver, la estructura básica y el material en sí son los mismos que los utilizados en los LEDs. De hecho, podemos decir que un LED es un "casi LASER". Lo que queda para que el LED sea realmente un transmisor LASER se percibirá en las explicaciones que daremos a continuación.
Lo que ocurre en este tipo de dispositivo es que la circulación de una corriente a través de la juntura, cuando está polarizada en el sentido directo, hace que los electrones del material salten de sus órbitas absorbiendo energía.
En los LEDs el retorno de la energía en forma de luz monocroma se realiza de forma suave y constante, porque no tenemos las condiciones de inversión de la población necesarias para el efecto de la "reacción en corriente" en el retorno de esta energía. El LED se ilumina suavemente con la luz que depende del material del que está hecho.
Las sustancias utilizadas como dopantes permiten emitir luz de varias longitudes de onda y, por lo tanto, fabricar LED de varios colores.
En el diodo láser, el estímulo es más intenso, con corrientes más grandes además la estructura del propio material favorece la absorción de una mayor cantidad de energía y, por lo tanto, la obtención de la condición de inversión de la población. Cuando se devuelve la energía, el dispositivo emite la radiación que incluye el LASER.
Los diodos LASER son dispositivos extremadamente pequeños y eficientes. Los primeros tipos emiten radiación sólo en el pista del espectro correspondiente al infrarrojo, pero hoy en día hay diodos LASER que emiten luz en la pista visible e incluso ultravioleta.
También existe la noticia de que los LASER semiconductores han sido fabricados con materiales más comunes y baratos como el silicio mismo, lo que permitiría su integración en la misma tableta que el circuito electrónico que lo excita. Intel habría logrado esa hazaña.
Un ejemplo de un dispositivo muy común que emite radiación visible (roja) de un diodo LASER es el LASER POINTER que se muestra en la figura 10.
El tamaño de un bolígrafo común que este dispositivo emite un haz que proyecta una flecha u otra forma indicadora en un panel o cualquier ante paro, siendo utilizado por los profesores.
El haz muy estrecho que genera esta imagen, además de la alta potencia permite obtener una flecha indicadora muy brillante, fácilmente visto por todo el mundo. En la figura 11 tenemos el circuito de excitación electrónica de tal LASER.
Pero, es en dispositivos como el CD común, DVD y CD-ROM que semiconductor LASER manifiesta toda su utilidad. Las informaciones en un CD o DVD se graba en forma de pequeñas protuberancias o “pits” en una superficie lisa.
La lectura de la información o “pits” que indican los niveles lógicos 0 o 1, se realiza precisamente mediante un haz de luz emitido por un diodo LASER. En presencia de la fosa la luz se refleja de manera diferente que cuando está ausente y esto permite un fotodiodo, utilizado como sensor y correctamente enfocado para leer la información a medida que el CD o DVD se mueve.
Cuando el CD gira el sistema de lectura óptica acompaña las senderos que se mueven a través para buscar los senderos y con eso se puede leer la información.
Teniendo en cuenta las dimensiones de los pits, está claro que este dispositivo de lectura óptica debe tener una precisión enorme, pero lo más importante es la densidad de la información que se puede grabar en un solo CD.
Más de 550 Megabytes de información que pueden ser tanto de sonido como de información digital se pueden colocar en un solo CD. En el caso del DVD, los hoyos son tan pequeños que la longitud de onda misma de un LÁSER infrarrojo no se refleja. Por esta razón, los LASERs de los DVDs son de longitud de onda más corta (rojo) para poder leer los pits más pequeños.
Las nuevas tecnologías que le permiten leer pits a diferentes profundidades o en las dos caras de los CDs también se utilizan para permitir que la cantidad de información registrada sea mucho mayor, como se muestra en la figura 12.
Sin embargo, incluso aumentando la densidad de los datos registrados o modificando la profundidad, el diodo LASER seguirá estando presente como el dispositivo principal involucrado en el proceso de lectura.
