Los diodos láser o láseres son utilizada en una gran cantidad de aparatos electrónicos, incluyendo algunas aplicaciones muy interesantes como el puntero láser de inyección. Veremos en este artículo cómo funcionan estos dispositivos y cómo utilizar en algunas aplicaciones prácticas, temas que deben interesar a los lectores que deseen conocer sobre las últimas tecnologías y aquellos que deseen montar circuitos muy diferentes.
Nota: este artículo fue preparado en 1998 para el módulo DL660, que era común en el momento. Hoy tenemos varios tipos de otros módulos, pero con características similares. Las explicaciones dadas en este artículo son válidas para estos módulos.
El láser es luz, pero la luz de diferente naturaleza. Para entender cómo funciona un diodo lector láser deben tener una idea del tipo de radiación que produce un láser.
Por lo tanto, vamos a ver inicialmente cómo funciona el láser en general y llegar entonces al láser semiconductor o diodo láser.
LÁSER significa amplificación de luz por emisión estimulada de radiación.
Como su nombre indica, el láser no es más que un dispositivo que amplifica la luz emitiendo con características que no podemos obtener de fuentes comunes como lámparas, LEDs, etcétera.
COMO FUNCIONA
Para Fines didácticos se explica cómo un láser funciona haciendo que el tipo tradicional utiliza una varilla de rubí y que puede representarse en forma simplificada, como vemos en la figura 1.
En esta disposición una varilla cilíndrica de rubí tiene dos caras espejadas, siendo una más gruesa que la otra. El espejo de lado es el integrado para que la luz o radiación que se produce internamente en el dispositivo sufre reflexiones en los espejos.
Alrededor de la varilla de rubí y un tubo de xenón, una lámpara de flash potente cámara que es alimentada por un circuito de descarga de alto voltaje.
Cuando un alto voltaje se produce en el tubo de flash, emite un fuerte pulso de luz que es absorbida por los átomos de la varilla de rubí. Esta absorción se produce por los electrones en los átomos del material (que se compone de un óxido de aluminio), que salen de sus órbitas normales y pasan para órbitas con niveles más altos de energía, véase la figura 2.
El pulso de luz debe ser muy fuerte para que a mayoría de los átomos del rubí tenga sus electrones traídos para niveles más altos de energía, es decir, por lo que hay una "inversión de población".
La población de electrones que se encuentran en el nivel de energía normal se convierte en una población menor que la población de electrones que se encuentran en el nivel más alto de energía. Esta condición es para producir el efecto de láser. Sin embargo, los electrones no pueden permanecer indefinidamente en los niveles superiores de energía reteniendo la energía absorbida.
Una fracción de segundo después de que la energía es absorbida, los primeros electrones vuelven a su nivel original de energía y en este caso es devuelta la energía absorbida.
La distancia entre el nivel original y el nivel en el que los electrones estaban nos da la cantidad de energía devuelta en el procedimiento y por lo tanto la longitud de onda de la radiación emitida, figura 3.
La energía del fotón, que puede ser la luz visible o en otra frecuencia del espectro, pero la frecuencia es siempre solamente única y tiene el efecto de estimular los otros electrones del material que están en el más alto nivel de energía para "devolver" la energía absorbida.
Así, "golpeando" en un electrón próximo, el fotón causa la liberación de un nuevo fotón y tenemos dos fotones emitidos dentro del material.
Dos fotones pueden "golpear" en dos nuevos electrones haciendo con que bajen lo nivel de energía y por lo tanto tenemos la emisión de dos fotones más. Los cuatro fotones producirán ocho en un proceso de cadena demasiado rápido, Compruebe hacia fuera de la figura 4.
Los fotones que tienden a escapar por las caras del material más no lo hacen inicialmente, volviendo al material con el fin de acelerar el proceso, porque se reflejan las caras del Ruby. El efecto es explosivo y en una fracción de segundo todos los electrones devuelven la energía absorbida en una manera casi sincronizada y el todo emite fotones con la misma frecuencia.
La concentración de esa energía es tal que ya espejado puede ya no detener el haz de fotones producidos y se escapa por el lado más fino en la forma de un haz de radiación, concentrado y monocromático estrecho, figura 5.
Este es el rayo láser que tiene características especiales que la diferencian de la radiación de la luz ordinaria.
En el ejemplo que dimos, tenemos un láser pulsado, ya que la operación debe hacerse con la producción de pulsos o flashes separadas para que los electrones absorben devolver l la energía.
Sin embargo, usted puede conseguir el mismo efecto continuamente en láseres de gas y el tipo de inyección, pero el principio de funcionamiento es el mismo.
UNA RADIACIÓN DIFERENTE
La radiación emitida es luz y su color depende de la longitud de onda o energía de los fotones.
En el caso de rubí, esta radiación está en el espectro visible, apareciendo en la forma de un haz delgado de luz roja. Sin embargo, la radiación emitida por el láser tiene sus características propias que difieren de la luz ordinaria, véase:
a) Monocromática
Los "saltos" de electrones de transferencia de energía ocurren entre niveles de energía definidos. Esto significa que la radiación emitida tiene una frecuencia única que determina el color de la luz, si es en el espectro visible.
Por supuesto, la radiación también puede ser en la gama del infrarrojo y ultravioleta, dependiendo de las características del material utilizado.
Los láseres más comunes actualmente operan en el infrarrojo y el visible entre el rojo y el ultravioleta.
Así que, a diferencia de una lámpara incandescente que tiene un amplio espectro que radiación, muchos colores o longitudes de onda que se mezclan, la radiación láser tiene un espectro estrecho, figura 6.
Podemos comparar una lámpara incandescente estándar a un circuito que genera un ruido que llena toda una gama de espectro y el láser a un circuito sintonizado que emite señales de una frecuencia solamente.
b) Coherente
Los láseres se especifican típicamente como fuentes de luz coherente, es decir, aquellos en que la radiación se emite un haz muy estrecho y con fase regular y una gama muy angosta de frecuencias.
En la práctica, sin embargo, esto no ocurre y se acerca a los láseres más comunes sólo que sería una fuente coherente ideal. De todos modos, aunque no es absolutamente coherente el láser puede ser considerado como tal en comparación con otras fuentes comunes de radiación.
c) Concentrada
Además, el láser emite radiación emite en un haz muy estrecho, es decir, con una abertura muy pequeña, concentra una gran potencia.
Por lo tanto, si la cantidad de energía absorbida en un segundo (duración del pulso del flash controlador) es de 1 watt, si la emisión del proceso más adelante en forma de láser, último 1 millonésimo de segundo, eso corresponde a una potencia instantánea de 1 millón de vatios. Dividir el tiempo por 1 millón a multiplicar la potencia por 1 millón.
Eso explica por qué el rayo láser puede cortar una placa de acero.
Un haz que foque continuamente esa potencia en un área muy pequeña genera suficiente calor para vaporizar un material duro como el hierro. Por supuesto el los láseres común, especialmente los tipos de aparatos domésticos y electrónicos, tienen potencias que se miden en fracciones de watts y por lo tanto no pueden tener efectos destructivos.
Sin embargo, la energía concentrada en un haz muy estrecho puede tener efectos nocivos sobre la visión. Pueden destruir las células del ojo sensibles si observamos directamente un rayo láser.
La etiqueta de "peligro" que acompaña a cualquier dispositivo que emite radiación láser no es una broma. (Figura 7)
UN MITO
Muchos piensan que vemos un rayo láser lateralmente, lo que significa que es visible como una línea delgada que deja la fuente. Sin embargo, usted puede sólo ver si luz las partículas en suspensión (polvo, humo, etc.) Figura 8.
EL LÁSER DE SEMICONDUCTOR
La tecnología de semiconductores permite la fabricación de láseres pequeños de una estructura que recuerda a la de los LEDS.
De hecho, si consideramos que un LED es una fuente de luz monocromática, podemos partir de este punto para cambiar su estructura básica y hacerlo luz coherente y concentrada.
Semiconductor LASERS son ahora una realidad y la base de muchos dispositivos electrónicos como reproductores de CD, discos de vídeo y reproductores de CD-ROM.
De hecho, sólo con el uso de láseres de semiconductor es que tales dispositivos se han convertido en práctica y lo suficientemente compacto para permitir un uso masivo.
En la figura 9 es un ejemplo de semiconductor del tipo de inyección láser que puede ser utilizado en dispositivos prácticos.
Materiales como el Arseniuro de galio (GaAs) dopado con sustancias diferentes permiten obtener láseres con longitudes de onda desde el infrarrojo hasta una gran parte del espectro visible.
El principio de funcionamiento de un láser de semiconductor con la estructura básica que se muestra en la figura 9 es la siguiente:
Si el dispositivo, que tiene las características de un diodo, se polariza con una corriente baja, la excitación se presenta en nivel bajo y la emisión de luz se hará al azar. El dispositivo comporta, así como un solo LED.
Sin embargo, si el dispositivo recibir una fuerte corriente, los átomos del material son excitaron lo suficiente para una inversión de la población, es decir, aparecen más electrones a niveles de energía mayores que los niveles normales.
Cuando los electrones en niveles más altos de energía vuelven a nivel normal, estimulan la emisión de energía y con esta producción que caracteriza a la radiación láser.
Esta cuestión es favorecida por la existencia de la cavidad resonante en el material dado por los espejos a los lados del dispositivo.
Como un reflejo en las caras una más delgada que la otra, por la más delgada se escapa el rayo láser hasta el entorno externo. En la figura 10 muestran las distintas etapas de un semiconductor láser.
Aunque en promedio los láseres de este tipo funcionan con pequeñas corrientes, la excitación debe tener intensas corrientes, para la inversión de población, alcanzando en algunos casos las densidades de 100 000 amperios por centímetro cuadrado en los tipos mayores.
Los tipos actuales pueden operar con corrientes más pequeñas y aun continua, siendo utilizado en muchas aplicaciones importantes y tener precios reducidos.
APLICACIONES
La Posibilidad de obtener luces intensas de dimensiones extremadamente reducidas (demasiado delgadas) además él consigue de hecho una luz monocromática toma el semiconductor láser a un sinfín de aplicaciones prácticas.
Distintos de las presentes en equipos, pero que no podemos ver cómo en el caso de CD-ROM y reproductores de CD puede citar muchos otros.
Los LASER Pointers son simples "plumas" que emiten una luz estrecha para producir una flecha o marca para señalar cosas en una pizarra u otro lugar son ejemplos de aplicaciones prácticas del láser.
También podemos citar alarmas con grandes radios de acción, trenas, alineadores para vehículos, efectos de decoración en salas de fiesta, luz y muchos otros.
CONSTRUCCIÓN DE UN LÁSER POINTER
En la figura 11 nos muestra cómo montar un puntero láser simple con el DL660 con dos células comunes y un interruptor de presión.
El haz con buena colimación producida por este láser permite que objetos a distancias superiores a 100 metros sean iluminados.
EL LÁSER SEMICONDUCTOR DL660
Puede obtener un bajo costo semiconductor láser para montajes interesantes.
Este es el DL660 semiconductor láser que emite radiación visible rojo de 6 600 angstroms. Es importado por Taimer Electro electrónicos, Inc. (en el momento de la publicación – hoy (2017) ya no existe).
Este láser puede ser alimentado por baterías o por fuentes (voltajes de 3 a 6 V) generar un láser de potencia hasta 4 mW con una corriente máxima de 26 mA.
El dispositivo viene en una cubierta con el circuito excitado, lo que hace su uso extremadamente simple: sólo tiene que conectar el rojo al positivo de la fuente de alimentación y el negro al negativo del alambre para que el rayo láser sea producido.
Revisado 2017