Diodi laser (I)

(1) I diodi laser rappresentano una classe di laser molto differenti dai lasre a gas. Un laser a semiconduttore utilizza un piccolo chip di materiale semiconduttivo come zona attiva. Il più comune materiale utilizzato è una lega di arseniuro di gallio.

(2) Un recente sviluppo nella tecnologia dei diodi laser è stata l'introduzione degli array di diodi laser di potenza. Questi array offrono sorgenti ad alta radianza adatti al processamento di materiali ed al pompaggio di laser allo stato solido. Gli array sono solitamente fabbricati in forma di barre con una striscia di diodi laser sorgenti. C'è abbastanza accoppiamento tra la luce emmessa nell striscia tale da far comportare il dispositivo come un laser unico. Questi dispositivi sono in grado di emettere parecchi watt di potenza ottica.

(3) Gli array di diodi laser sono disponibili in strurre a barre, con lunghezza dell'ordine dei centimetri. Un barra da 1-cm può emettre fini a decine di watt di potenza in modo continuo ( e test di laboratorio hanno consentito di raggiungere potenze di centinaia di watt)

(4) Uncerto numero di arry può essere impilato per formare un array bidimensionale. Questi array sono costosi, ma rappresentano un campo in rapida evoluzione nell'industria dei semiconduttori. Sono disponibili modelli commerciali fino a 50 array lineari impilati assieme, in grado di emettere kilowatt di ptenza.

(5) Nelle dimensioni e nella forma esteriore, i laser a semiconduttore è simile ad un transistor o ad un diodo a semiconduttore. Le sue proprietà e le richieste in termini di alimentazione elettrica sono molto differenti dai laser a gas o allo stato solido. I laser a semiconduttore richiedono voltaggi molto bassi (qualche volt invece dei kvolt richiesti dagli altri tipi di laser)

(6) Il fenomeno di emissione laser avviene in corrispondenza della giunzione p-n, cioè alla zona di confine tra il materiale di tipo p ed il materiale di tipo n. Questa giunzione viene utilizzata come diodo rettificatore nei circuiti elettrici, ma è anche una regione critica per l'emissione laser. Nei pressi della giunzione, le bende energetiche sono piegate. Una barriera enegtica impedice agli elettroni nella banda di conduzione di saltare nella bamda di valenza.

Fig 1 - struttura a bande in prossimità della giunzione

(sinistra) senza polarizzazione (destra) con polarizzazione

(7) La parte sinistra della figura mostra la situazione quando nessuna tensione viene applicata al dispositivo. Gli elettroni alla sinistra del dispositivo e le lacune alla destra rimangono separati. La parte destra dell'immagine mostra la situazione quando viene applicata una tensione al dispositivo. L'altezza della barriera viene ridotta e gli elettroni in banda di conduzione si sovrappongono alle lacune in banda di valenza. Cioè si ha la presenza di stati riempiti ad energia maggiore che quella di stati vuoti. In altre parole una inversione di popolazione, cioà la condizione necessarie per dare luogo ad un fenomeno laser.

(8) In questa situazione può avvenire una ricombinazione tra gli elettroni e le lacune, Gli elettroni decadono dal gap di energia e si ricombinano con le lacune. La differenza di energia viene emessa sotto forma di luce, indicata in figura come hn, l'energia di un fotone. Allora si può indurre una emissione stimolata e la regione di giunzione agisce come una sorgente laser.

(9) Lo spessore della giunzione è molto piccolo, circa un micron, Cosicchè la luce che viaggia nel piano della giunzione viene amplificata di più della luce che viaggia nel piano ortogonale alla giunzione. La emissione laser avviene quindi parallelalmente al piano della giunzione.

(10) Poichè, operativamente, gli elettroni vengono iniettati nel dispositivo dal lato del materiale di tipo n, di solito questi laser sono definiti laser ad iniezione. Il laser a semiconduttore è un dispositivo controllato in corrente. Questo determina la progettazione della alimentazione.

Fig. 2 Diodo Laser - geometria tipica

(11) Il laser tipicamente è un parallelepipedo rettangolare come mostrato in fig.2. Le dimensioni sono tipicamente da qualche centinaio di micron fino ad un millimetro. La giunzione è un piano all'interno della struttura. Due dei piani laterali alla giunzione sono artificialmente resi rugosi in modo da ostacolare l'uscita della luce, mentre gli altri due piani laterali sono resi piatti e paralleli. Queste due ultime superfici rappresentano gli specchi della cavità laser. La riflettività al confibne tra aria e semicinduttore è sufficiente a non richiedere una superficie riflettente, sebbene in alcuni casi venga deposta una superficie riflettente aggiuntiva per migliorare le prestazioni del laser. La figura mostra anche la metallizzazione per i contatti elettrici e per la dispersione del calore.

(12) Per consentire al dispositivo di operare come un laser, l'inversione di popolazione deve essere abbastanza alta cosicchè il guadagno ottico superi le pedite ottiche. Pertanto la corrente che passa attraverso la giunzione deve essere superiore ad una soglia minima, in modo da fornire abbastanza elettroni e lacune in modo che il guadagno ottico sia superiore alle perdite. Le perdite derivano da diverse cause, come luce che diffonde fuori dalla regione attiva, riflessione solo parziale nelle due superfici specchio, assorbimento della luce da portatori liberi all'interno della giunzione.

Fig. 3 Caratteristica del diodo laser

(13) La figura 3 mostra il funzionamento del diodo laser in funzione della corrente di input. A bassi valori di corrente, il dispositivo si comporta come un LED, producendo una relativamente bassa quantità di luce incoerente. Esiste un valore di soglia, quello per cui il guadagno ottico supera le perdite ottiche, dopo il quale è stimolata l'emissione laser. Dopo tale soglia, la luce emessa dal dispositivo aumenta molto più velocemente che nella regione LED. La luce emessa nella regione laser è luce coerente. Idealmente la luce emessa dovrebbe crescre linearmente con la corrente fornita.

(14) Si può definire una pendenza dell'efficienza per caratterizzare l'efficienza del diodo laser in questa regione. La pendenza dell'efficienza è definita come l'aumeto della potenza ottica in uscita diviso l'aumento della potenza elettrica in ingresso. Questa definizione si applica solo nella regione in cui la potenza in uscita del diodo laser cresce in maniera lineare. Sono disponibili diodi laser con pendenza dell'efficienza di circa il 30%.

(15) La fig. 3 mostra anche l'esistenza di una soglia di danneggiamento, un valore della corrente di ingresso oltre il quale avviene un Danneggiamento Ottico Catastrofico (DOC). Oltre questa soglia avviene un danno permanente del dispositivo con una ulteriore aumento della corrente.
 

Fig. 4 Caratteristica diodo laser con presenza di nodi

(16) In alcuni casi la curva caratteristica di uscita del diodo laser può presentare dei nodi, come mostrato in fig.4. Questa situazione è di solito indesiderata, perchè riduce le capacità del dispositivo in parecchie applicazioni. Se sono presenti dei nodi non è più possibile applicare la definizione di pendenza dell'efficienza.

Fig 5 Variazione della caratteristica del diodo laser con la temperatura

(17) Le caratteristiche di uscita del diodo laser sono fortemente dipendenti dalla temperatura operativa. La fig. 5 mostra la variazione della caratteristica di uscita al variare della temperatura per un tipico diodo laser. Al crecsre della temperatura, cresce la soglia di innesco del laser; la potenza di uscita diminuisce all'aumentare della temperatura. Normalmente il fabbricante specifica una qualche temperatura massima operativa di utilizzo del diodo laser.

18) La corrente di soglia dipende dalla teperatuta operativa in maniera esponenziale:

Is(T2) = Is(T1) exp[(T2-T1)/T0]

In cui Is(T1) e Is(T2) sono le correnti di soglia alle temperature operative T1 e T2 e T0 è un fattore di scala con valore tipico di 150 K.

 

Fig. 6 Profilo del raggio di un diodo laser

(19) Il raggio emesso dal diodo laser presenta tipicamente un profilo ellittico, come mostrato in fig. 6. La causa del profilo è dovuta alla diffrazione. Nella direzione perpendicolare all giunzione, il raggio è confinato in uno spazio piccolo, con spessore tipico di circa un micron. In tale direzio la diffrazione agisce sul raggio espandendolo di varie decine di gradi. Nella direzione parallela alla giunzione, il raggio non è confinato così strettamente e la diffrazioe risulta minore, circa dieci gradi. Il raggio è detto astigmatico.

(20) L'astigmastimo risulta dal fatto che le sorgenti apparenti di emisiione della radiazione parallela e perpendicolare all giunzione non coincidono nello stesso punto. Il grado di astigmatismo è specificato come la distanza tra questi due punti. Un valore tipico di astigmatismo è attorno ai 10 micron.

(21) L'astigmatismo può essere parzialmente corretto mediante l'utilizzo di lenti cilindriche. Tuttavia la divergenza dei laser a semiconduttore è sostanzialmente maggiore di quella dei laser a gas. Un laser a gas, con un raggio di diffrazione che emerge da una apertura di circa 1,5 mm di diametro, è un raggio circolare con divergenza di qualche decimo di grado. Il raggio di un diodo laser non può essere focalizzato così precisamente come nel caso dei laser a gas.