Componentes eletrônicos, Eletrônica, Luz, Mecânica quântica, Partículas subatômicas, Semicondutores

Tipos de laser (Parte 2, lasers de diodo)

Os lasers de diodo ou semicondutores são os mais usados atualmente. O funcionamento e os materiais usados neste tipo de laser são mostrados neste post.

Clique nos links a seguir para saber o funcionamento dos lasers e a primeira parte respectivamente.

Como funciona o laser?Clique aqui

Lasers de gásClique aqui

Como funcionam os lasers de diodo?

Este tipo de laser foi inventado em 1962. Em um laser semicondutor, a cavidade ótica é uma camada intrínseca (Intrinsic Layer), ou seja, não foi dopada para ter falta ou excesso de elétrons. Fica entre os materiais semicondutores do tipo P e do tipo N. As espessuras das camadas são de escala nanométrica.

Estrutura do laser de diodo
Os contatos metálicos (Metal Contacts) servem para fazer a ligação com um circuito externo, permitindo a passagem de corrente elétrica pelo diodo. Laser Output = Saída do laser. Fonte: Tecno 7 Pro.

A corrente elétrica atrai os elétrons do material tipo N e as lacunas do tipo P para a camada intrínseca. Lacunas são espaços vazios sem elétrons, mas são consideradas partículas virtuais com carga positiva. Quando um elétron (Free electron) se combina com uma lacuna (Hole), a energia excedente é emitida na forma de um fóton (partícula de luz).

transição do elétron em um laser de diodo

Os fótons produzidos pela interação entre elétrons e lacunas fazem a emissão estimulada em outros elétrons livres, emitindo mais fótons. Este fenômeno já foi explicado no post sobre o funcionamento dos lasers. Alguns elétrons livres interagem com elétrons de valência, colocando estes em um estado de maior energia para em seguida emitir fótons.

funcionamento do laser de diodo
Um lado da estrutura é polido para refletir totalmente a luz (Highly reflective end), enquanto o lado oposto é polido para permitir parcialmente a passagem de luz (Partially reflective end). Os lados também podem ser revestidos por um filme de metal para aumentar a refletividade. Fonte: Tecno 7 Pro.
lente de colimação
Os lasers de diodo precisam de uma lente de colimação (Collimating lens) para converter um feixe divergente em paralelo. Fonte: Learn about Electronics.

Materiais semicondutores utilizados

O comprimento de onda do laser depende do material utilizado e das dimensões da estrutura de semicondutores. O material mais usado como substrato para os lasers de diodo é o arsenieto de gálio (GaAs). Os elementos usados para fazer a dopagem do GaAs são silício, alumínio e selênio. O comprimento de onda vai de 630 nm a 1050 nm, dependendo dos materiais usados na dopagem.

laser de diodo AlGaAs
Outro material muito utilizado é a liga de arsenieto de gálio e alumínio (AlGaAs). Fonte: Circuit Globe.

Várias combinações de semicondutores são usadas para diferentes aplicações. Outros materiais muito aplicados como substratos são: fosforeto de índio (InP), nitreto de gálio (GaN) e antimoneto de gálio (GaSb).

comprimentos de onda dos materiais
Gráfico mostrando os comprimentos de onda (acima) e a banda de energia entre as camadas de condução e de valência (abaixo) dos materiais utilizados. Fonte: MKS Newport.

Vantagens e desvantagens dos lasers de diodo

As vantagens sobre os outros tipos de laser são:

  • Intensidade, polarização e fase são muito mais fáceis de serem controladas.
  • São mais baratos que outros tipos, permitindo maior produção.
  • Não precisa de espelhos.
  • Podem ter o tamanho reduzido.
  • Menor consumo de energia.

Quanto às desvantagens:

  • A potência é muito menor do que dos outros tipos, limitando as aplicações.
  • Os lasers de diodo são muito sensíveis à temperatura, aumento da temperatura reduz a potência e aumenta a divergência do feixe.
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