DISPOSITIVOS DE EMISIÓN ESTIMULADA: (I) PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL LÁSER

MICROELECTRÓNICA Y FOTÓNICA

TEMA 4. DISPOSITIVOS DE EMISIÓN ESTIMULADA:

(I) PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL LÁSER

INTRODUCCIÓN

        La palabra láser es en realidad un acrónimo del inglés light amplification by stimulated emission of radiation, o amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. El proceso de emisión estimulada fue propuesto y explicado de manera teórica por Albert Einstein en 1917. Townes lo demostró por primera vez de manera experimental a frecuencias de microondas en 1953, construyendo con ayuda de sus alumnos de doctorado Gordon y Zeiger un dispositivo que llamaron máser (microwave amplification by stimulated emission of radiation). Poco después, en colaboración con Schawlow empezó a trabajar en la extensión del principio del máser a frecuencias ópticas (es decir, al rango espectral de la luz). En 1958 ambos publicaron un artículo en Physical Review B exponiendo las primeras conclusiones de su trabajo, y dos años más tarde obtuvieron una patente, pero todavía no habían conseguido llevar sus ideas a la práctica con un dispositivo que funcionara. Se les adelantó Mainan, quien en 1960 demostró por primera vez la emisión estimulada a frecuencias ópticas en un cristal de rubí. Tan sólo dos años después, en 1962, diversos grupos consiguieron prácticamente a la vez demostrar el efecto láser en diodos de semiconductor, despejando el camino para el desarrollo de la optoelectrónica y de numerosas aplicaciones basadas en láseres cada vez más pequeños y con menor consumo, entre ellas las comunicaciones ópticas y el almacenamiento óptico de información.

        En este primer tema dedicado a los láseres estudiaremos el principio de funcionamiento de estos dispositivos en general. Durante la primera hora de clase veremos la teoría que describe los procesos básicos en que se basa el efecto láser: emisión estimulada y ganancia óptica (amplificación de luz). Esta teoría es en gran medida común a todos los tipos de láser, salvo las particularidades que presente la estructura de niveles de energía del medio donde se produce la acción láser.

La continuación de esta clase se plantearía de la siguiente forma. En la segunda hora dedicada a este tema se aplica la teoría al caso del láser de He-Ne y se realizan ejercicios sobre todo el tema. El láser de He-Ne es un láser de gas cuyo interés didáctico se encuentra en su relativa simplicidad (fue el primer láser que se consiguió hacer funcionar en modo de onda continua), y su interés práctico radica en su bajo coste, que lo convierte en la elección óptima para aplicaciones que requieran poca potencia, tales como por ejemplo en laboratorios de docencia.

El tema siguiente, que también tiene dos horas de duración, se dedica exclusivamente al tipo de láser que mayor interés tiene para los ingenieros de telecomunicación: el diodo láser de semiconductor. Gracias a su diminuto tamaño, bajo consumo, y su capacidad de emitir billones de pulsos de luz por segundo, este tipo de láser ha hecho posible las comunicaciones ópticas a larga distancia y las técnicas de almacenamiento óptico de información (disco compacto, DVD). Después de ver cómo se particulariza la teoría general de los láseres a este caso, estudiaremos las dos principales mejoras en el diseño de estos dispositivos: las heteroestructuras y el pozo cuántico, que han permitido seguir aumentando la eficiencia de estos láseres para conseguir menor consumo de potencia y por tanto menor calentamiento y mayor número de horas de operación.

CONCEPTO DE EMISIÓN ESTIMULADA

        Cuando un electrón en un átomo experimenta transiciones entre dos estados o niveles de energía, emite o absorbe un fotón, que puede describirse en términos de una onda electromagnética de frecuencia ν=ΔE/h, donde ΔE es la diferencia de energía entre los niveles involucrados y h es la constante de Planck (h=6.626×10-34 J·s).

        Consideremos las transiciones de electrones que pueden ocurrir entre dos niveles de energía de un hipotético sistema de átomos, como se muestra en la figura 1. Si el electrón se encuentra en el nivel más bajo E1, entonces en presencia de fotones de energía E2-E1 puede pasar al nivel E2 mediante la absorción de un fotón. De otro modo, si el electrón está en el nivel E2 puede regresar al estado base con la emisión de un fotón. El proceso de emisión puede ocurrir de dos maneras:

        - Emisión espontánea, por la cual el electrón cae al nivel más bajo de una manera completamente aleatoria.

        - Emisión estimulada, en la cual el electrón es estimulado a efectuar la transición por la presencia de fotones con energía E2-E1.

        Los procesos de absorción y emisión se ilustran en la figura 1. En condiciones habituales no observamos el proceso de emisión estimulada porque la probabilidad del proceso espontáneo es mucho mayor. El tiempo medio que el electrón permanece en el estado excitado antes de realizar una transición espontánea se denomina tiempo de vida medio del estado excitado: τ21. La probabilidad de que un átomo experimente una emisión espontánea en un intervalo de tiempo dt viene dada por: dt/τ21=A21dt, donde A21=1/τ21 es la velocidad de la transición espontánea.

        Puesto que la radiación espontánea de un átomo es emitida aleatoriamente, la radiación procedente de un gran número de átomos será claramente incoherente (no habrá relación de fase entre diferentes fotones). Por el contrario, el proceso de emisión estimulada resulta en radiación coherente, dado que las ondas correspondientes a los fotones incidentes y estimulados tienen idéntica frecuencia, están en fase, tienen la misma polarización, y viajan en la misma dirección. Esto significa que en la emisión estimulada la amplitud de la onda incidente puede crecer conforme atraviesa un conjunto de átomos en estados excitados, lo que es claramente un proceso de amplificación.[pic 1]

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