¿Qué hace que un LED sea un diodo láser?

La encuesta de alto nivel de esta pregunta está bien:

Después de leer https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_diode , todavía no puedo decir si los componentes electrónicos que permiten que un diodo emita láser son diferentes de los que le permiten emitir luz. Entonces, en general, ¿un diodo láser es un LED más algún tipo de cavidad o resonador óptico?

¿O hay diodos láser en sí mismos electrónicamente distintos de los LED que no son láser, lo que significa que no se ven como un LED más alguna estructura física adicional que les permita actuar como un láser?

¿Sabes lo que hace que la luz sea un láser?
Piénsalo. Los LED ya emiten colores de luz casi puros. Un LED 'láser' emite un color de luz ultrapuro. ¿Te molestaste en buscar el término "Láser LED"?
@Sparky256 – Sí, ese término está en mi historial de búsqueda. Gracias también por la sugerencia de que "piense en ello". ¡Fue tan útil que lo aplicaré a las preguntas que tenga en el futuro!
@EugeneSh. – No, pero conozco las características de la luz láser.

Respuestas (4)

Todavía no puedo decir si la electrónica que permite que un diodo emita láser es diferente de la que le permite emitir luz

No es la electrónica, es la cavidad óptica.

Si la señal óptica se retroalimenta a través del medio de ganancia (la unión PN) de modo que la pérdida de ida y vuelta no sea mayor que la ganancia de ida y vuelta, un "LED" comenzará a emitir un láser.

La cavidad de un diodo láser puede estar formada por facetas cortadas en la superficie del chip, reflectores de Bragg modelados en el chip o incluso lentes y/o espejos externos de algún tipo.

En general, un dispositivo diseñado como un diodo láser también incluirá una estructura de guía de ondas en el chip (y se superpondrá a la unión) para facilitar una baja pérdida de ida y vuelta, mientras que un dispositivo diseñado para ser un LED no tendrá ninguna estructura de guía de ondas distinta, aunque hay también algo así como un LED de cavidad resonante (RCLED).

Interesante. No puedo decir con una búsqueda rápida qué distingue a los RCLED: ¿Son esencialmente diodos láser que funcionan por debajo del umbral de láser? ¿O producen algunas pero no todas las características de la luz láser?
Nunca he trabajado con RCLED, pero tengo la impresión de que se usan principalmente para una mayor eficiencia.
Hay una categoría de LED de "alta eficiencia". Se coloca plano y es redondo como una pequeña galleta Oreo, emitiendo luz desde todos los lados. Se asienta en un recipiente revestido de oro que refleja toda la luz hacia la lente. La lente determina el theta, o ángulo de visión.
Además: los diodos láser, cuando se sobrecargan hasta el punto en que la estructura de la cavidad óptica se rompe, ¡continúan funcionando como LED normales!
@rackandboneman o, por supuesto, por debajo del umbral. Muchos de los baratos también envejecen sin sobrecargarse hasta que ya no duran.
Mi lectura limitada indica que los RCLED se distinguen en gran medida por su espectro de emisión mucho más estrecho en comparación con los LED normales, pero como soy espectroscopista, tiendo a ver las cosas desde ese lado. Es interesante que no haya ningún artículo de Wikipedia en inglés, y el alemán es poco más que un trozo.

LED: El voltaje en el diodo eleva los electrones libres a través de la banda prohibida a un nivel más alto. Emiten luz cuando vuelven al nivel inferior. Debido a las reglas de la mecánica cuántica, cuando esto sucede espontáneamente es aleatorio si no se toman otras medidas. Los grados de libertad en un LED permiten longitudes de onda (frecuencias) y puntos en el tiempo variables. Por lo tanto, los fotones emitidos son "incoherentes".

LÁSER: Se eliminan los grados de libertad de los fotones. La cavidad óptica permite solo una (o muy pocas) longitudes de onda (factores de la longitud del resonador). Y los fotones emitidos anteriormente "al pasar" estimulan la emisión del nuevo fotón. Entonces, la mayoría de los fotones tienen la misma fase y frecuencia. Son "coherentes".

Aunque el LED ya tiene una variación muy pequeña de longitud de onda, la óptica LÁSER reduce esa variación. El aspecto contrario a la intuición de un LÁSER proviene de la mecánica cuántica. Se podría pensar que un fotón se emite espontáneamente y luego resonaría si tiene la longitud de onda correcta que se ajusta a la geometría del resonador. Pero debido a la mecánica cuántica, la geometría del LÁSER (diodo) hace que sea muy poco probable que un fotón se emita espontáneamente o en otra longitud de onda.

Mi confusión surge en su último párrafo: ¿Hay algo diferente en la unión pn en un láser de diodo? Es decir, ¿es el estímulo subyacente para ambos diodos una emisión espontánea de fotones, y en el láser la geometría construida alrededor de esa unión amplifica esas emisiones espontáneas hasta tal punto que la abrumadora mayoría de los fotones son emitidos por estimulación? ¿O es la unión en sí misma en un diodo láser diferente de una manera que limita el número y/o la longitud de onda de los fotones emitidos espontáneamente, incluso por debajo del umbral del láser ?
Al encender el diodo láser inicialmente no hay fotones que puedan estimular la emisión. Entonces, al principio ocurren emisiones espontáneas. Luego, estos van y vienen en la cavidad óptica y estimulan la emisión de más fotones y la emisión estimulada rápidamente se vuelve dominante.
Como idea de último momento: es posible que la emisión estimulada no se vuelva "dominante". Las emisiones espontáneas seguirán ocurriendo, pero el objetivo es tener un alto porcentaje de emisión estimulada porque eso define la eficiencia del diodo láser.
Todavía no tengo claro la aclaración solicitada en mi primer comentario: parece que podría estar diciendo: "Sí, el núcleo de un diodo láser es (o puede ser) una unión pn como cualquier otro diodo emisor de luz, que funciona por emisión espontánea. Lo que hace que el diodo sea un láser son las características adicionales del hardware (que llamamos cavidad óptica ) que permiten que esos fotones espontáneos estimulen más fotones". ¿Está bien? ¿O es un diodo láser solo una cavidad óptica bombeada eléctricamente que produce algunos fotones de forma espontánea, por lo que es fundamentalmente diferente del LED "común"?
El láser funciona por emisión estimulada, no por emisión espontánea. Es posible que desee consultar: learnabout-electronics.org/Semiconductors/diodes_26.php

Un láser de diodo es un LED en una cavidad óptica.

Los láseres de diodo son geniales porque "violan" algunas reglas del láser:

  1. La ganancia de los semiconductores es tan grande que a pesar de que el radio de las facetas que crean la cavidad es realmente alto (es decir, esencialmente plano), todavía tiene láser. (¡La ecuación del láser predice que se necesita una ganancia infinita para que un par de superficies planas emitan láser)!

  2. Hay una prueba de que se necesitan al menos tres niveles de energía para que un medio bombeado emita un láser, pero los láseres semiconductores solo tienen dos (porque no se bombean ópticamente, sino eléctricamente).

Con respecto al n. ° 2: ¿Sería correcto decir que los láseres de diodo son "ópticamente autobombeados "? Si lo entiendo: Las emisiones estimuladas son "estimuladas" por fotones del propio LED, ¿no?
¿Tienes algunas fuentes?
En lugar de bombear ópticamente, se bombean eléctricamente. El "bombeo" es el proceso de levantar los electrones sobre la brecha de banda desde la cual pueden caer y emitir fotones.
@Joachim Corregido para decir que están bombeados eléctricamente.
@PeterMortensen mis notas de clase de láser de 2006 :S. Pero cualquier libro de láser de pregrado tiene esto.
@feetwet En todos los láseres debe haber emisión "estimulada"; eso es fotones derribando fotones excitados. A lo que me refiero aquí es al "bombeo", el proceso de poner electrones en un estado excitado. Para que un láser emita láser, existen varias condiciones, una de ellas es que el medio de ganancia se bombea tanto que hay más electrones excitados que electrones de estado inferior (inversión de población), de lo contrario, se absorberían más fotones poniendo electrones en estados más altos que estimulando más fotones.
En su regla incumplida #1: un diodo láser tiene facetas planas, pero también tiene una guía de ondas integrada. También puede hacer un láser de gas o de colorante con espejos planos, si incluye una lente en la cavidad para evitar que el haz diverja. En #2: el medio de ganancia del semiconductor tiene muchos niveles en la banda de conducción, no solo uno, por lo que este no es realmente un sistema de 2 niveles. También es posible bombear ópticamente un láser semiconductor y, de hecho, normalmente se demuestra un láser bombeado ópticamente antes que uno bombeado eléctricamente en un nuevo tipo de material.

Para que un LED se considere un LED "láser", su diseño debe ser tal que una cierta cantidad de la luz que produce se refleje sobre sí mismo, por medios ópticos (o eléctricos), de modo que la nueva creación (a través de la estimulación ) los fotones están "en sintonía" con los anteriores, creando así un haz coherente de fotones.
Cumplir con el requisito de emisión estimulada de radiación es lo que lo convierte en un láser .

¿Qué hace que un LED sea un diodo láser?
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