Caracterización y uso del láser.
Barrios Santiago Miguel Angel Pérez García Edgar Honorio INSTITUTO TECNOLOGICO DE ENSENADA BOULEVARD TECNOLOGICO NUMERO 150, COLONIA EX – EJIDO CHAPULTEPEC. Ensenada, B.C., C.P. 22780. Teléfono 646 1775680.
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Resumen.
La luz es capaz de inducir transiciones entre los niveles de energía del átomo (es decir, cambios de energía de los electrones), mediante procesos de absorción y emisión. Desde el punto de vista cuántico, la luz se encuentra formada por partículas (fotones) cuya energía es proporcional a la frecuencia de la radiación, así pues, la absorción de luz es más eficiente cuando la energía de los fotones coincide con la diferencia entre 2 niveles de energía del átomo, resultando en un mayor número de átomos excitados en la materia. En los fotones emitidos por un LED no hay ninguna relación entre ellos, cada uno se emite sin correlación alguna y de manera espontánea, por otro lado, un láser mantiene una coherencia entre sus fotones lo que nos permite una emisión estimulada, es decir, dirigida.
Palabras clave: Emisión espontanea, emisión estimulada, fotones, efecto foto eléctrico, efecto fotovoltaico, tensión, foto detector, umbral.
Introducción.
Las fuentes ópticas son consideradas como el componente activo en la gran mayoría de sistemas tales (Por ejemplo, los sistemas de comunicación de fibra óptica). Su función fundamental es convertir la energía eléctrica (en forma de una corriente) en energía óptica (luz) de una manera eficiente, lo cual permite que la salida de luz sea lanzada o acoplada eficazmente. Existen tres tipos principales de luz óptica
Las fuentes disponibles afirma Senior Jhon (1985) son las siguientes:
a) fuentes de espectro continuo de banda ancha (lámparas incandescentes);
b) fuentes incoherentes monocromáticas (diodos emisores de luz, LED);
c) fuentes coherentes monocromáticas (láseres).
En los fotones emitidos en un LED no hay ninguna relación entre ellos, cada uno se emite sin correlación alguna con los parámetros de los otros, cada uno tiene su energía su dirección y sentido, y su fase independientemente de los parámetros de los demás fotones (por esto se describe como fuente incoherente), sin embargo, en un láser vamos a tener emisión coherente, es decir, en ésta cuando un fotón se emite tiene una correlación muy fuerte con los demás en todos los parámetros anteriores, esto debido a lo que se conoce como emisión estimulada (Fig. 1).
Figura 1. Diagrama de estados de energía. El punto negro representa el electrón antes de su cambio de estado por el fotón.
"La luz es capaz de inducir transiciones entre los niveles de energía del átomo (es decir, cambios de energía de los electrones), mediante procesos de absorción y emisión. Desde el punto de vista cuántico, la luz se encuentra formada por partículas (fotones) cuya energía es proporcional a la frecuencia de la radiación, así pues, la absorción de luz es más eficiente cuando la energía de los fotones coincide con la diferencia entre 2 niveles de energía del átomo, resultando en un mayor número de átomos excitados en la materia". Senior Jhon (1985).
Un electrón en el estado de energía excitado es inestable y, tarde o temprano, decae a un nivel de energía inferior emitiendo un fotón cuya energía corresponde a la diferencia entre esos 2 niveles. Dicho proceso se conoce como emisión espontánea y es el fundamento de las fuentes de luz más habituales (LEDs, focos, etc.). Albert Einstein, describió una nueva posibilidad a la interacción entre un fotón y un par electrón-hueco que se añade ya descrita (Fig.1 b) Emisión espontánea) con anterioridad. Esta nueva interacción consiste en que un fotón estimula a un electrón situado en la banda de conducción para que se recombine con un hueco emitiendo un fotón con la misma energía, dirección, sentido y fase que el fotón que le estimulo. (Fig. 1 c) Emisión estimulada)
De la relación de Einstein podemos obtener para ambas emisiones lo siguiente:
Permitiéndonos calcular la emisión de fotones de cada tipo, así como su posible emisión ya sea espontanea o estimulada.
Un láser comercial se encuentra adjunto a un fotodiodo en la misma carcasa, siendo este último para poder medir la potencia óptica emitida por el láser. La configuración típica con la que se pueden encontrar se muestra en la figura 2.
Figura 2. Estructura comercial de un láser.
Un fotodiodo es un dispositivo el cual se basa en el principio del efecto foto eléctrico y que se describe como una unión p-n el cual produce un cambio en el potencial de contacto de la unión o en la corriente de corto circuito, que depende de la intensidad de la radiación incidente. Sin embargo, en lugar de utilizar un fotodiodo como sensor generador, se les aplica una tensión de polarización inversa.
De esta forma, la anchura de la región desierta es controlable y se hace mucho mayor que en las células fotoeléctricas. A la vez este diseño persigue una mayor velocidad de respuesta. En la figura 3 se muestra la estructura de un fotodiodo.
Figura 3. Estructura interna de un fotodiodo.
La respuesta de un fotodiodo en ausencia de polarización es lenta, debido a la lentitud de las cargas en su camino hacia la superficie. Una vez se le comienza a aplicar una tensión inversa y pequeña (alrededor de 5v), las cargas generadas en la zona desierta son recogidas rápidamente y son responsables de la rápida respuesta inicial. Las cargas producidas fuera de dicha zona se mueven lentamente y son responsables de la parte lenta de la respuesta tal y como se muestra en la figura 4.
Figura 4. Velocidad de respuesta de un fotodiodo a diferentes voltajes.
Objetivos.
Realizar y registrar la caracterización de un diodo laser con la finalidad de comprender sus curvas características.
Observar su respuesta a señales, así como la interacción que pueda tener con otros dispositivos tales como foto detectores.
Reafirmar de manera práctica los conocimientos teóricos previos y obtener un grado más de comprensión en cuanto los estados de energía de los átomos y como se ven afectados por los fotones.
Métodos y materiales.
Para el desarrollo de la practica fueron requeridos los siguientes materiales:
Cantidad
Material
1
Diodo laser
1
Protoboard
1
Transistor 2N2222A
1
Potenciómetro 10K Ohms
1
Resistencia 2200 Ohms, ½ W
1
Resistencia 10 Ohms, 1 W
1
Arduino
2
Capacitor cerámico 10Nf
1
Resistencia 100 Omhs, ½ W
1
OP-AMP LM741
1
Fotodiodo
La caracterización del láser dio inició con el registro de sus valores de corriente, para esto fue necesario un circuito regulador de corriente (Fig. 5 -5.1). El registro de los valores de corriente y voltaje nos permitirá obtener 2 de las características que comúnmente se encuentran en las hojas de especificaciones; Corriente umbral y característica corriente-tensión (Fig. 5.2-5.3). La corriente de umbral nos indica a partir de que corriente el diodo laser va a cambiar de emisión espontanea a estimulada y por tanto cuando va a ser útil. La corriente de umbral no es una constante ya que varía según el material u otros elementos internos que se le agreguen al laser. Por otro lado, la característica corriente-tensión no es más que su relación grafica que nos indica su funcionamiento para diferentes tensiones y corrientes.
Fig. 5. Circuito regulador de corriente basado en un transistor NPN.
Fig. 5.1. Circuito armado y funcional.
Fig. 5.2 Curva tensión-corriente con sus respectivas posibles variaciones respecto a la temperatura.
Fig. 5.3. 4 métodos gráficos aceptados y más comunes para el cálculo de la corriente de umbral.
Con el desarrollo completo y funcional del circuito regulador de corriente, se procedió a desmontar el LED para montar el diodo laser y proceder con el registro de los datos tal y como se muestra en la figura 6. Los valores medidos fueron registrados para su posterior uso respecto a las características mencionadas con anterioridad.
Fig. 6. Circuito regulador de corriente con láser montado.
mA
V
mA
V
mA
V
mA
V
mA
V
mA
V
0
0
0.4
1.86
0.8
1.93
1.8
2.06
3.6
2.29
11.2
3.2
0.0002
1.8
0.5
1.87
1
1.95
2
2.1
4.1
2.37
12.6
3.37
0.2
1.8
0.5
1.88
1.1
1.97
2.2
2.13
4.9
2.43
17.5
3.92
0.2
1.82
0.6
1.89
1.2
1.99
2.4
2.14
5.7
2.55
24.6
4.73
0.3
1.83
0.7
1.9
1.3
2
2.5
2.16
6.3
2.63
28.7
5.2
0.3
1.84
0.7
1.91
1.5
2.02
2.9
2.2
7.2
2.74
31.8
5.58
0.4
1.85
0.8
1.92
1.6
2.02
3
2.22
9.8
3.05
32
5.62
Tabla 1. Valores registrados de corriente y voltaje en el láser.
Una vez se obtuvieron las respectivas mediciones de corriente y tensión, se procedió con el armado de un foto detector basado en un fotodiodo y el cual nos permitía recibir señales contenidas en el láser (al cual solo se varió una señal cuadrada a diferentes frecuencias así como anchos e pulso) como se muestra en la figura 7,7.1 y 7.2 respectivamente.
Figura 7 Circuito foto detector basado en un fotodiodo.
Figura 7.1. A) Circuito armado y funcional. B) Circuito con láser acoplado al foto detector
Figura 7.2 a) Circuito funcional con láser. b) Circuito conectado a arduino para generar un pulso cuadrado.
Resultados.
Con los valores obtenidos por la medición de corriente y voltaje en el láser se realizó una gráfica característica corriente- tensión y en la cual se visualiza de un modo más sencillo la respuesta que nos ofrece el láser antes de llegar a su funcionamiento óptimo. La figura se muestra a continuación.
Figura 1. A) Grafica corriente-tensión del láser. B) Grafica corriente tensión para un diodo LED.
Como se puede notar presenta un disparo similar al LED para los primeros volts, sin embargo, a medida que se aumenta la corriente tiende a dispararse.
Para obtener una aproximación a lo que sería la corriente de umbral Hertsens (2005) afirma lo siguiente:
"No existe una forma correcta de calcular la corriente de umbral. Existen 4 métodos comunes que son aceptados y que se describen en la tabla 1 y gráficamente en las figuras A, B, C D. Cualquiera de los 4 métodos puede ser utilizado con éxito, pero el método de la segunda derivada suele ser el más favorecido"
Ajuste lineal
El punto en el que una recta ajustada a la porción lineal de la curva L/I por encima del umbral intercepta el eje X correspondiente a la potencia óptica cero
Ajuste de 2 líneas
El punto en el cual una línea recta ajustada a la porción lineal de la curva L por encima del umbral intercepta la línea recta ajustada a la porción lineal de la curva L/I debajo de ella
Primera derivada
El punto a la mitad del máximo flanco ascendente de la curva DL / dl
Segunda derivada
El punto en el cual d^2L/dl^2 es máximo.
En la figura 1 es posible visualizar sin dificultad una característica común de los láseres, la curva corriente tensión, sin embargo, visualizar la corriente de umbral puede ser más complejo. En base a uno de los métodos se realizó una aproximación a la corriente de umbral del láser utilizado para esta práctica y en el cual el láser comienza su emisión estimulada.
Durante la práctica se variaron las frecuencias de entrada sobre el láser y se observó como el fotodiodo mediante un led de salida lograba recibir los pulsos de señal enviados por el láser como se muestra en la figura 2. El fotodiodo fue capaz de responder a todas las frecuencias recibidas desde 10 hz hasta 1khz debido a que no fue posible aumentar la frecuencia no se pudo obtener una relación de ancho de banda para el fotodiodo.
Figura 2. A) Señal en 0 B) Señal en 1
Un punto muy importante a tomar en cuenta y que se pudo observar durante el desarrollo de la práctica fue el hecho de no obtener todo el voltaje del foto detector a no ser que la luz incidiera en un ángulo muy específico así como la perdida de potencia del láser después de un determinado tiempo de función.
Discusión.
Los valores obtenidos tras la medición se pueden suponer tienen un cierto grado de error ya que durante la medición no se tomó en cuenta un factor importante para los láseres, la temperatura que como se mencionó en los resultados y se observa en la ecuación de la figura 1 provoca una pérdida de potencia tras su uso continuo.
Conclusión.
la caracterización que se realiza en los dispositivos representa una parte fundamental para el desarrollo, al conocer el dispositivo se puede ser capaz de trabajar con él a su máxima capacidad o la capacidad deseada si se busca la combinación de otros.
Al caracterizar el láser se conocen detalles tales como la corriente o el voltaje a ciertos puntos y una parte que puede ser más importante en estos dispositivos. La zona de trabajo en el cual la potencia óptica puede ser la máxima sin comprometerlo.
Las comunicaciones ópticas en el espacio abierto ofrecen enormes velocidades para las transferencias de datos, pero su operación es mucho más dependiente de las condiciones ambientales. La luz láser empleada en los sistemas de comunicaciones puede transportar grandes cantidades de información, pero el polvo, la suciedad, el vapor de agua y los gases en una nube típica como es el cúmulo, dispersan la luz y crean ecos.
Para este tipo de aplicaciones nos resulta sumamente importante las características del dispositivo ya que con ellas podremos conocer los límites de este.
Referencias.
Fernández B., Borrego R., Hernández C. (2010). El láser la luz de nuestro tiempo. Salamanca España: OSAL Salamanca.
Pallas Ramón. (2004). Sensores y acondicionadores de señal. España: Marcombo.
Zbar, Malvino, Miller. (2001). Prácticas de electrónica. México: Alfa omega.
Jhon M. Senior. (1985). Optical fiber communications principles and practice. England: PEARSON.
Serdán José. (noviembre 2000). Prácticas de laboratorio de comunicaciones ópticas I. Las palmas de gran canaria, 2, 40 paginas. Marzo 2017, De IUMA Base de datos.
