El láser semiconductor
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1. e Qu diferencias se observan entre las dos fuentes de luz en cuanto a la distribuci n espectral Variar los par metros de funcionamiento corriente de excitaci n de ambas fuentes y describir lo que sucede Teniendo como datos los experimentos que se acaban de realizar enumerar las diferencias entre las dos fuentes LED y diodo laser y tratar de explicarlas DIODO LASER COMO FUENTE DE BOMBEO OPTICO El diodo l ser que se acaba de estudiar puede usarse como fuente de bombeo para otro laser de estado s lido Nd YAG Nd YVO4 Para ello se enfoca la luz emitida por el diodo l ser en una peque a barra de este cristal de forma de excitarlo pticamente La luz del diodo l ser es eficientemente absorbida por dicha barra entregando de esta manera la energ a necesaria para hacer funcionar el laser de Nd Este m todo de excitaci n es muy com n y se lo denomina bombeo ptico longitudinal En este esquema entonces un dato importante para dise ar adecuadamente la cavidad del segundo l ser YAG es conocer el volumen excitado ver figura La radiaci n del diodo laser se enfoca mediante una o mas lentes en la barrita de YAG Este foco determina un volumen excitado que corresponde a una regi n m s o menos cil ndrica cuyo largo coincide con el largo de la barrita YAG y cuyo di metro depende entre otros factores de la ptica de enfoque utilizada Trate de dise ar un experimento para medir este vol men y eval e los errores de2. distribuci n espacial de la intensidad de luz Observar con la tarjeta IR esta distribuci n de luz Para tener una medida cuantitativa de la distribuci n espacial de luz compare lo que ve con la tarjeta IR con el medidor de potencia e Qu observa C mo depende la distribuci n de luz con la posici n e Dise ar un m todo con los elementos que cuenta para medir la distribuci n espacial de intensidades de las dos fuentes Depende sta de la distancia entre el medidor y la fuente de luz Por qu Qu se puede decir respecto a la potencia de cada uno de los dispositivos ANALISIS ESPECTRAL Para estudiar la distribuci n espectral de una fuente de luz se puede utilizar un elemento dispersivo o sea un elemento ptico que produzca una dispersi n angular dependiente de la longitud de onda Un prisma de vidrio puede cumplir esta funci n permitiendo separar las diferentes longitudes de onda que componen un haz de luz Otro elemento m s eficiente es una red de difracci n Utilizando la red de difracci n dise ar un dispositivo para observar la distribuci n espectral de energ a del l ser y del LED Para ubicar los diferentes elementos utilizar la ecuaci n de la red de difracci n que relaciona los ngulos de incidencia y refracci n para cada longitud de onda en funci n del paso de la red o el n mero de l neas por unidad de longitud Una alternativa es utilizar un monocromador si se dispone de uno de estos instrumentos
3. esa medici n Diodo laser Barra YAG p volumen excitado Lente de enfoque Bibiograf a Sugerida l Laser Fundamentals W Silfvast Cambridge University Press 1996 2 Optical Processes in Semiconductors J Pankove Dover Public Inc 1975 3 Laser Electronics J Verdeyen Prentice Hall 1995
4. El l ser semiconductor Finalidad Estudiar las caracter sticas de emisi n de un laser semiconductor Distribuci n espectral Distribuci n espacial Elementos disponibles Un laser semiconductor Fuente de alimentacion Un LED infrarrojo Fotodetector PIN Medidor de potencia calibrado Tarjeta detectora para IR Red de difracci n Manual de instrucciones de la fuente y del laser de diodo Osciloscopio Introducci n En esta pr ctica se propone la caracterizaci n de un laser infra rojo semiconductor diodo laser estudiando la emisi n tanto en sus caracter sticas espectrales as como en la distribuci n espacial de energ a y su empleo como fuente de bombeo ptico Los l seres semiconductores est n dentro de los m s peque os y eficientes que existen en la actualidad Tienen tama os del orden de los mil metros y emiten en longitudes de onda que cubren desde el infra rojo hasta el visible 0 5 um El desarrollo de estas fuentes l ser es un rea de investigaci n de gran importancia particularmente en cuanto al dise o de nuevos materiales de fabricaci n que permitan la emisi n a longitudes de onda a n mas cortas que la se alada precedentemente Las aplicaciones cotidianas de los laseres semiconductores son muy amplias pues son los l seres que se utilizan en telecomunicaciones reproductores de discos compactos punteros laser lectores de c digos de barras etc Para ampliar la informaci n r
5. ci n lineal Para asegurarse de esto introducir una atenuaci n controlada en el haz laser y verificar si la lectura del medidor de potencia concuerda con la atenuaci n introducida La curva que se obtiene corresponde a la potencia de salida del laser en funci n de la corriente de excitaci n Con estos datos se puede evaluar la eficiencia del dispositivo comparando la potencia entregada con la potencia de excitaci n del diodo COMPARACION CON UN LED Un diodo l ser es una fuente de luz coherente producida por un cristal semiconductor Los semiconductores pueden emitir luz en un amplio rango de longitudes de onda dependiendo de la aleaci n material de que se trate Los dispositivos emisores de luz m s conocidos son los LED Light Emitting Diode que tienen masivas aplicaciones en electr nica Existen varias caracter sticas distintivas de los diodos laser comparados con emisores de luz no coherentes tales como los LEDs Uno de los prop sitos de esta pr ctica es distinguir estas diferencias Conectar a continuaci n un diodo LED y repetir todas las mediciones anteriores realizadas con el diodo laser Con los datos obtenidos en este experimento graficar la potencia de salida del LED en funci n de la corriente o potencia de excitaci n e Qu observa qu diferencias se pueden destacar entre las dos fuentes de luz Otra caracter stica para tener en cuenta cuando se compara un l ser con una fuente no coherente como el LED es la
6. e puede registrarse f cilmente en un osciloscopio o un tester Con este segundo elemento se realizar n las mediciones para caracterizar al diodo laser Para obtener m s detalles acerca de las bases del funcionamiento de este detector puede consultar la referencia 2 La fuente de alimentaci n del diodo laser tiene un control de corriente con un indicador que muestra la corriente que circula por el diodo ENCENDIDO DEL DIODO e Se debe seguir detalladamente las indicaciones impresas en el manual de la fuente de alimentaci n y estabilizar la corriente en un valor medio i e lejos de los extremos del rango permitido por la fuente e Con la tarjeta IR trate de localizar la salida Si se observa que el punto brillante desaparece luego de un breve lapso debe moverse ligeramente la tarjeta pues la saturaci n de la superficie sensible produce la desaparici n de la mancha brillante La superficie recupera sus propiedades cuando es iluminada con luz de longitud de onda menor como por ejemplo la de los tubos fluorescentes de iluminaci n La tarjeta IR es un elemento til para alinear el sistema ptico pero no permite hacer ninguna medici n cuantitativa de la emisi n Para ello se deber recurrir al medidor calibrado de potencia Utilizando la tarjeta infrarroja se controla que la radiaci n l ser incida en el detector de potencia calibrado debe adem s asegurarse de que el detector est alineado respecto al haz a fin de asegurar que cap
7. especto al funcionamiento y principios b sicos de estos l seres se puede consultar la bibliograf a sugerida 1 3 La longitud de onda en la que emiten estos laseres depende del material semiconductor del que est fabricado Dentro de un peque o rango sin embargo sta puede cambiar al variar la temperatura de funcionamiento del diodo Por ello se suele colocar al l ser en contacto t rmico con un disipador y un enfriador controlado que estabiliza la temperatura de funcionamiento de manera de alcanzar una emisi n estable en longitud de onda El diodo laser a emplear en las pr cticas tiene un enfriador termo el ctrico de estado s lido que funciona por efecto Peltier y tambi n incorpora la electr nica de control para estabilizar la temperatura Los laseres semiconductores son dispositivos extremadamente sensibles al ruido el ctrico y se pueden da ar f cilmente Por lo tanto antes de operar el laser lea detenidamente las instrucciones para realizar el encendido correctamente Caracterizaci n Entre los elementos con que Ud cuenta tiene dos detectores para luz IR Uno de ellos es una tarjeta con una superficie sensible al IR que brilla con un color anaranjado rojizo en la zona donde incide el haz laser Esta tarjeta permite ver el laser y es sumamente til para el procedimiento de alineaci n previa El segundo detector es un fotodiodo de Si PIN que produce una se al el ctrica proporcional a la luz que recibe el mismo y qu
8. te la totalidad del haz Este detalle debe controlarse siempre para asegurar que se mide la potencia total emitida por el laser de diodos evitando mediciones err neas debido a un recorte en el haz del laser Cuando el laser est en funcionamiento estacionario la potencia de salida se mantiene aproximadamente constante Sin embargo existen fluctuaciones debido a variaciones en la corriente de excitaci n y a cambios en la temperatura de trabajo Estas fluctuaciones deben evaluarse antes de realizar una medici n de potencia para constatar si son o no importantes e Medir la potencia de salida del diodo Controlar la estabilidad temporal y calcular la eficiencia total Depende sta de la corriente C mo cambia la emisi n en funci n de la corriente de excitaci n Se puede medir la potencia de salida con el detector calibrado y simult neamente medir la corriente de excitaci n del laser por medio del indicador incorporado en la fuente de alimentaci n Es conveniente realizar un barrido de la corriente de excitaci n controlando que nunca se sobrepase la corriente m xima indicada para tener idea de los rangos de potencia en que emite el diodo Mida entonces la potencia de salida del diodo laser para diferentes corrientes y grafique los valores Para realizar esta serie de mediciones debe tener la precauci n de asegurar que el medidor de potencia no est saturado pues en ese caso estar a recibiendo una potencia fuera del rango de medi
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