CARACTERIZACIÓN DE LÁSERES DE DIODO

Transcripción

1 Física del láser CARACTERIZACIÓN DE LÁSERES DE DIODO OBJETIVOS A Estudio de la potencia de salida en función del bombeo. B Estudio del estrechamiento espectral. C Estudio de la coherencia temporal. MATERIAL 1 láser de semiconductor (651 nm) 1 circuito de alimentación 2 multímetros 1 detector de potencia 1 monocromador + 1 fotodiodo 1 interferómetro de Michelson Los alumnos son responsables del buen estado de los equipos. ATENCIÓN: No mirar la emisión de los láseres, ni directamente ni sus reflejos. INTRODUCCIÓN Los láseres de semiconductor pueden considerarse láseres de 4 niveles (Fig. 1) con ensanchamiento homogéneo, similares a los láseres de colorante, en los que la transición de emisión de fluorescencia/láser se efectúa entre la banda de conducción y la de valencia en una unión p-n. Por tanto el diodo semiconductor puede utilizarse para generar luz incoherente (fluorescencia) denominándose en ese caso LED (Light Emittíng Diode) o luz temporalmente coherente denominándose en ese caso diodo láser. Un representante típico es el GaAs, el cual al ser dopado con Se o Zn se convierte en un material conductor tipo n o tipo p. Al establecer una corriente en la dirección de paso (Fig. 2) se recombinan en la zona p-n los electrones y los huecos, y se libera energía en forma de luz. Para intensidades de corriente de inyección I bajas hay pocas, recombinaciones, poca densidad de fotones emitidos y éstos tienen características de emisión de fluorescencia (baja potencia P de emisión, ancho espectro de emisión λ flu 50 nm). Si circula una corriente I suficientemente alta a través de la transición p-n puede superarse la condición umbral y tiene lugar la amplificación de radiación vía emisión estimulada. La comprensión del fenómeno requiere conocimientos profundos de la física del Estado Sólido. A la corriente eléctrica que produce la inversión de población umbral la designaremos como I u. Para corrientes I > I u el diodo láser dará una potencia de salida P > P u y la emisión estimulada tiene lugar preferentemente para aquellas transiciones en las que la ganancia es más alta, produciéndose lo que se denomina un estrechamiento espectral λ flu > λ láser 10 nm. El láser de diodo es de gran importancia en la transmisión de señales, a pesar de su baja potencia de salida. Se modula fácilmente, y dadas sus pequeñas dimensiones (Fig.2) puede acoplarse fácilmente a cable de fibra óptica. Una desventaja en su gran ancho de banda (hasta 10 nm) y la gran divergencia (hasta 10 ), consecuencia esta última de la difracción en la reducida dimensión (algunas micras) de la transición p-n. El láser real consiste en muchas capas dopadas de forma diferente (heteroestructuras) para conseguir un alto grado de eficiencia y bajas pérdidas. 1

2 Figura 1. Esquemas de niveles para un diodo láser. Figura 2. Esquema representativo de un láser de diodo. 2

3 En la tabla siguiente pueden compararse las características físicas y de emisión de diferentes sistemas láser. Figura 3. Montaje de alimentación. 3

4 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA En la Fig. 3 puede observarse el montaje de alimentación de un láser de diodo de emisión continua a 651 nm que va a ser utilizado. La fuente de corriente para el diodo es una pila de 9 V. En la caja hay un circuito que consiste esencialmente en la pila con una resistencia variable (potenciómetro) en serie con el láser. Al girar el potenciómetro aumenta la resistencia de 0 a 420 Ω aproximadamente, y la corriente I inyectada al diodo láser disminuye. En la posición de partida el interruptor debe estar en off y la marca blanca del potenciómetro en 420 Ω. A. Estudio de la potencia de salida en función del bombeo Si ahora conectamos el interruptor, por el circuito circula una corriente I, que es inyectada al diodo láser y éste emite. Si colocamos un papel delante del láser observaremos el haz emitido. Podemos ir bajando la resistencia lentamente para aumentar la intensidad de corriente inyectada y el propio ojo será capaz de observar cómo la intensidad de luz emitida es cada vez mayor. Al principio el cambio en la intensidad emitida es igualmente lento, hasta que se llega a un valor de la resistencia para el cual la intensidad emitida cambia bruscamente. En este punto hemos alcanzado la intensidad umbral I u que hay que inyectar al diodo para que la emisión preferente sea estimulada, es decir láser. Si seguimos aumentando I observaremos una mayor intensidad de salida. Repetiremos el proceso anterior sustituyendo el papel por un sistema de medida de la potencia (Fig. 4), en el que detectamos con un fotodiodo cuya salida puede ser amplificada y leída en un voltímetro. Si el detector está corregido a la respuesta espectral, el valor indicado será la potencia P del láser. (Consultar al profesor antes de realizar las medidas). Por otro lado la corriente de alimentación del láser se puede medir conectando un amperímetro en serie. Con los valores de P(mW) frente a I/I u dibujar la curva de ganancia y dar el valor obtenido de I u - Figura 4. Sistema medidor de potencia 4

5 B. Estudio del estrechamiento espectral La medición del rango espectral de emisión se realizará con un monocromador, al cual hay acoplado un fotodiodo. Una vez localizada la λ de potencia máxima P max de emisión de fluorescencia, localice las longitudes de onda para las cuales la intensidad de emisión vale P max /2. A continuación coloque el láser por encima del umbral y proceda de igual forma. Calcule la razón de anchos espectrales por debajo y por encima del umbral λ láser / λ flu. Figura 5. Sistema medidor de ancho espectral C. Estudio de la coherencia temporal La medición de la coherencia temporal se realizará con un interferómetro de Michelson con lámina compensadora. La estimación de la coherencia temporal la realizaremos con la diferencia de camino óptico que puede haber entre los brazos para observar franjas. Debajo del umbral el láser tiene poca coherencia temporal y por tanto será difícil observar la interferencia a la salida del interferómetro, salvo que éste esté en contacto óptico (diferencia de camino óptico entre los haces 0). En primer lugar utilizaremos una fuente de luz blanca con un difusor para buscar las condiciones de contacto óptico del interferómetro. Mida la diferencia de camino óptico para la observación de franjas con luz blanca. Una vez localizadas las franjas con el propio ojo sustituimos la fuente de luz blanca y el difusor por el láser de diodo operando debajo del umbral I u. Con objeto de observar una buena formación de franjas, quitaremos la lente colimadora que hay a la salida del láser. Mida la diferencia de camino óptico para la observación de franjas con el láser por debajo del umbral. A partir de este momento no vuelva a observar las interferencias con el OJO a la salida del interferómetro. A continuación quite el difusor, coloque el láser por encima del umbral y ponga un papel blanco a la salida del interferómetro para observar las franjas formadas. Estime la coherencia temporal por encima del umbral. BIBLIOGRAFÍA Bergmann; Schäfer, Lehrbuch der Experimental Physik. Editor, H. Niedrig. De Gruyter. Berlín, Nueva York (1993). A. Siegman, Lasers. üniversity Science Books. Sausalito, CA. (1986) 5

6 Figura 6. Interferómetro de Michelson 6

7 RESUMEN DE RESULTADOS A. Estudio de la potencia de salida en función del bombeo I (ma) P (mw) I (ma) P (mw) I (ma) P (mw) Valor obtenido para I u : B. Estudio del estrechamiento espectral λ láser / λ flu = C. Estudio de la coherencia temporal Téngase en cuenta que el desplazamiento real del espejo del interferómetro corresponde a 1/5 del desplazamiento leído en el tomillo micrométrico. Por debajo del umbral: L = En el umbral: L = Por encima del umbral: L = 7