José Angel Nieves Vázquez FISICA DE LÁSERES LÁSER DE ESTADO SÓLIDO BOMBEADO CON DIODO (DPSS) PRESENTA: José Ángel Nieves Vázquez Coordinación de óptica José Angel Nieves Vázquez José Angel Nieves Vázquez

CONTENIDO ANTECEDENTES. INTRODUCCIÓN. ESTRUCTURA INTERNA. CARACTERÍSTICAS DE ENTRADA SALIDA. TIEMPO DE VIDA DEL DIODO. CONTROL TÉRMICO. APLICACIONES. CONCLUSIONES. REFERENCIAS. José Angel Nieves Vázquez

ANTECEDENTES. En el verano de 1960 T. Maiman reporto en Nature la primera operación de un maser óptico, más tarde llego a ser llamado láser. Unos años más tarde, Keyes y Quist en los Laboratorios Lincoln demostraron los primeros laseres de estado sólido bombeado por diodo. En 1978 se realizo la demostración del arreglo multibanda lineal del diodo realizado por D. R. Cifres, R. D. Burnham y W. Streifer . José Angel Nieves Vázquez

INTRODUCCIÓN El bombeo con diodos láser permite mayor eficiencia en los láseres de estado sólido. Aunque en la actualidad, el bombeo con diodos láser es más caro que el bombeo con lámparas de flash, el bombeo con diodo láser es el método de elección donde la eficiencia es una característica muy importante, como es el caso de las aplicaciones militares. El diodo láser esta limitado por el pico de energía que ellos pueden generar, la energía total de salida necesariamente decrementa con la duración de un pulso de bombeo corto. José Angel Nieves Vázquez

ESTRUCTURA INTERNA N P José Angel Nieves Vázquez

José Angel Nieves Vázquez ESTRUCTURA INTERNA Ev Ec Tipo N Tipo P Huecos Electrones Región activa Al inyectar electrones en la banda de conducción y huecos en la banda de valencia, es posible crear una inversión de población. Los electrones y huecos se inyectan por medio de un circuito externo. El exceso de electrones y huecos en la región activa produce la acción láser. José Angel Nieves Vázquez José Angel Nieves Vázquez

ESTRUCTURA INTERNA Esta tecnología ha sido posible gracias al crecimiento de técnicas sofisticadas tales como MOCVD (MetallOrganic Chemical-Vapor Deposition) y a la MBE (Molecular Beam Epitaxy). El diseño más utilizado para bombear láseres de estado sólido, es el Single Quantum Well Separate Confinement Heterostructure (SQW-SCH) José Angel Nieves Vázquez

ESTRUCTURA INTERNA La Figura muestra la estructura básica de un láser de diodo. Los diodos láser actuales contienen un número de diferentes capas con la región activa en forma de sándwich entre ellas. José Angel Nieves Vázquez

CARACTERÍSTICAS DE ENTRADA SALIDA En la figura se muestra un ejemplo de la potencia de salida de un láser de diodo en función de la corriente inyectada. José Angel Nieves Vázquez

CARACTERÍSTICAS DE ENTRADA SALIDA Perfil de la radiación de un láser simple de diodo La potencia de salida de un diodo láser incrementa linealmente con el ancho de unión. José Angel Nieves Vázquez

CARACTERÍSTICAS DE ENTRADA SALIDA Una limitante en la salida del diodo láser es la temperatura de la unión y asociado a la condición de escape térmico que eleva la temperatura local. La máxima potencia de salida promedio para este tipo de dispositivos es (20-40) W. José Angel Nieves Vázquez

TIEMPO DE VIDA DEL DIODO LÁSER. Es muy susceptibles a daños por descargas electrostáticas o transcientes de alto voltaje. La falta de refrigerante en combinación con corrientes altas puede fundir la soldadura de unión o vaporizar la conexión del alambre dentro de la estructura del diodo. Para cada incremento de 10ºC en la temperatura el tiempo de vida disminuye por un factor de 2. El tiempo de vida de un diodo láser en la región de 1W es del orden de 10exp4 h. José Angel Nieves Vázquez

TIEMPO DE VIDA DEL DIODO LÁSER. La reducción de corriente incrementa el tiempo de vida. En degradación de 100W en el modo cuasi cw las barras del diodo láser fueron evaluadas por la NASA. Una barra fue operada en 500 Hz a un pulso de bombeo de 200 microsegundos. La energía en la salida del diodo decayó por 22.8% después de 7 billones de disparos. Similarmente la prueba en otros 3 dispositivos de 100W mostraron una degradación del 20% después de 5 billones de disparos. José Angel Nieves Vázquez

TIEMPO DE VIDA DEL DIODO LÁSER. El tiempo de vida en los diodos operando en el modo cuasi cw puede agrupar rangos de 150 millones a 15 billones de disparos. En los sistemas instalados en los helicópteros. Los cuales están sujetos a muchos ciclos de encendido y apagado durante cada misión. Muestran una disminución en la salida después de 1000 horas de operación lo cual representa alrededor de 150 millones de disparos. El arreglo de diodos opera típicamente en el 75% de su nivel de potencia. José Angel Nieves Vázquez

CONTROL TÉRMICO La Figura muestra el cambio de la longitud de onda del diodo láser con la temperatura. José Angel Nieves Vázquez

CONTROL TÉRMICO Recientemente, el desarrollo de arreglos de diodos los cuales pueden operar a temperaturas altas ha eliminado la necesidad de utilizar lazos refrigerantes. El diodo láser puede a hora ser utilizado a temperaturas tan altas como 75ºC. Hay una ligera reducción en la eficiencia de operación del diodo (cerca del 0.2%/ºC) en temperaturas elevadas. Sin embargo esta reducción en la eficiencia del diodo es pequeña comparada con la potencia que pagaríamos por un sistema de enfriamiento. José Angel Nieves Vázquez

CONTROL TÉRMICO Tabla 1. Disipación de potencia de un Láser DPSS Salida del sistema 160 W Arreglo de diodos 1300 W Cristal láser Electrónica/ otros componente 380 W Entrada eléctrica total 2000 W Tabla 1. Disipación de potencia de un Láser DPSS El uso del refrigerante líquido es, en el presente, el método más simple y el mejor costo efectivo para remover el calor de los sistemas láseres bombeados con diodos. José Angel Nieves Vázquez

APLICACIONES. Laser, Diode-Pumped, CW, Green, 532 nm Key Features Compact Excellent performance-to-price ratio Low noise Excellent beam quality Applications Biotechnology Semiconductor instrumentation General instrumentation José Angel Nieves Vázquez

CONCLUSIONES Los láser DPSS ofrecen ventajas en el procesamiento y el costo sobre otros láseres. La eficiencia en el consumo de potencia es tres veces más alta que en los sistemas bombeados por lámparas. Los intervalos de mantenimiento son 20 veces más prolongados. Poseen una eficiencia eléctrica mayor que las lamparas de flash, reduciendo sustancialmente el calor. José Angel Nieves Vázquez

CONCLUSIONES Los láseres DPSS son pequeños y compactos, se pueden integrar facilmente en los procesos de producción y equipos. Ofrecen alta calidad en el haz. El láser DPSS, junto con la conversión de frecuencia no lineal, podrían encontrar un amplio uso en la proyección de imágenes de color de alta definición en cines y casas del futuro. El láser bombeado por diodos llegara a ser barato en el futuro cuando se realice un incremento en la producción del diodo. José Angel Nieves Vázquez

REFERENCIAS. R. Waynant and M. Ediger ELECTRO-OPTICS HADBOOK, Optical and Electro-Optical Engineering Series, 5.5, 1994. M. Inguscio, Solid State Lasers, New Developments and Aplications, pp 99, 1993. W. Koechner, Solid-State Laser Engineering, Optical Science, pp 312, 1999. http://www.um.es/LEQ/laser/Ch-6/F6s3p1.htm http://www.jdsu.com/index2.cfm/NAVCID/5/CID/5/ACT/Default/G_ID/12/C_ID/342/?PageName=Solid-State%20Lasers. José Angel Nieves Vázquez

GRACIAS POR SU ATENCIÓN Y POR SIERTO EL GATO LE DIJO A ALICIA AHORA NO ES EURECA LO ENCONTRE, SINO ESTA RARO. José Angel Nieves Vázquez