Diodo laser: differenze tra le versioni

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[[File:Lasers.JPG|thumb|DiodeModuli e puntatori a diodo laser con lunghezze d'onda, dal basso verso l'alto, di 660, 635, 532, 520, 445, 405nm.]]

Un '''diodo laser''' (o '''LD''', da ''Laser Diode'' in [[Lingua inglese|inglese]]) è un dispositivo [[Optoelettronica|optoelettronico]] in grado di emettere un fascio [[laser]] emesso dalla regione attiva del [[semiconduttore]] con cui viene realizzato il dispositivo stesso. La struttura del semiconduttore è molto simile a quella impiegata nella realizzazione di [[LED]] (''Light Emitting Diode'').

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== Principio di funzionamento ==

[[File:Laser diode chip.jpg|thumb|Immagine del chip del diodo laser (mostrato affiancato ad una cruna d'ago per mostrare la scala) interno al contenitore mostrato nell'immagine precedente.]]

Un diodo laser, come molti altri dispositivi elettronici, è composto da materiale [[Semiconduttore#I Semiconduttori estrinseci|semiconduttore drogato]] presente su uno strato molto sottile sulla superficie di un wafer di cristallo. Il cristallo viene [[drogaggio|drogato]] per produrre una regione di [[semiconduttore]] di tipo n e una regione di [[semiconduttore]] di tipo p, una sopra l'altra, per ottenere una [[giunzione p-n]], cioè un [[diodo]].

Come in altri tipi di diodi, quando la struttura viene polarizzata direttamente, le [[Lacuna (fisica)|lacune]] provenienti dalla regione p vengono iniettate nella regione n, dove gli [[elettroni]] sono i ''portatori maggioritari'' di carica. Analogamente, gli elettroni dalla regione n sono iniettati nella regione p, dove le lacune sono i portatori maggioritari. Quando un elettrone e una lacuna sono presenti nella stessa regione, possono [[ricombinazione (fisica)|ricombinarsi]] per [[emissione spontanea]], cioè l'elettrone può rioccupare lo stato energetico della lacuna, emettendo un [[fotone]] con un'energia uguale alla differenza tra gli stati dell'elettrone e della lacuna coinvolti. Questi elettroni e lacune iniettati rappresentano la [[corrente elettrica|corrente]] di iniezione del diodo, e l'emissione spontanea dà al diodo laser sotto la [[soglia laser]] proprietà simili a un [[LED]]. L'emissione spontanea è necessaria per iniziare l'oscillazione laser, ma è causa di inefficienza una volta che il laser è in oscillazione.

[[File:simple laser diode.svg|frame|right|Diagramma (non in scala) di un semplice diodo laser.]]

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Nella forma più semplice di un diodo laser, si realizza sulla superficie del cristallo una guida ottica,

strutturata in modo tale da confinare la luce in una linea relativamente stretta.

I due capi del cristallo vengono incisi per ottenere le superfici piane e perfettamente parallele di un risuonatore [[Interferometro di Fabry-Pérot|Fabry-Perot]].

I fotoni emessi in un certo modo di propagazione della [[guida d'onda]] viaggeranno lungo la guida d'onda e saranno riflessi molte volte dalla faccia di ciascuna estremità prima di essere emessi.

Quando un'onda luminosa passa attraverso la cavità è amplificata per [[emissione stimolata]],

ma parte della luce è anche persa per assorbimento e riflessione incompleta sulla faccia.

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In generale il guadagno massimo si ottiene per fotoni con energia leggermente superiore a quella del gap, e i modi di propagazione più vicini al picco di guadagno emetteranno in modo predominante.

Se il diodo è pilotato con sufficiente potenza, si avranno anche emissioni addizionali, dette ''modi laterali''.

Alcuni diodi laser, tra cui la maggior parte di quelli operanti a [[Spettro visibile|luce visibile]], operano a lunghezza d'onda fissa, ma la lunghezza d'onda non è stabile e cambia nel tempo in funzione della temperatura e della corrente.

Per via della [[diffrazione]], il raggio diverge (si allarga) rapidamente dopo avere lasciato la cavità, con un angolo tipico di 30 gradi verticalmente e 10 gradi lateralmente.

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Il primo a mostrare l'emissione di luce coerente da un [[diodo a semiconduttore]] (il primo diodo ''laser''), fu [[Robert N. Hall]] ed il suo gruppo di lavoro al centro di ricerca General Electric nel novembre del 1962<ref>{{Cita pubblicazione |cognome=Hall |nome=Robert N. |coautori=G. E. Fenner, J. D. Kingsley, T. J. Soltys, and R. O. Carlson |anno=1962 |mese=novembre |titolo=Coherent Light Emission From GaAs Junctions |rivista=Physical Review Letters |volume=9 |numero=9 |pagine=366–369 |doi=10.1103/PhysRevLett.9.366 }}</ref>

Altri gruppi alla [[IBM]], al MIT Lincoln Laboratory, alla [[Texas Instruments]], e nei laboratori RCA furono coinvolti e ricevettero riconoscimenti per le prime dimostrazioni di emissione di luce efficiente e di luce laser in diodi a semiconduttore nel 1962 e successivamente.

Il primo diodo laser funzionante in modalità ad

''[[onda continua]]'' fu un dispositivo a [[doppia eterostruttura]] dimostrato praticamente simultaneamente da [[ZhoresŽores AlferovAlfërov]] e collaboratori (incluso [[DmitriDmitrij Garbuzov|Dmitrij Z. Garbuzov]]) dell'[[Unione Sovietica]], e [[Morton Panish]] e [[Izuo Hayashi]] che lavoravano invece negli Stati Uniti.

In questi dispositivi, uno strato di materiale a bassa [[bandgap]] viene posto tra due strati ad alta bandgap. Un paio di materiali molto usati sono l'[[arseniuro di gallio]] (GaAs) con l'[[arseniuro di alluminio-gallio]] (Al_xGa_(1-x)As). Ogni giunzione tra differenti materiali bandgap viene chiamata una ''[[eterostruttura]]'', e da questo fatto deriva il nome "laser a doppia eterostruttura" o laser '''DH'''. Il tipo di diodo laser descritto nella prima parte dell'articolo si può anche chiamare un laser ''omogiunzione'', in contrapposizione con questi dispositivi più diffusi.

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<!-- [[File:Simple vcsel.svg|thumb|350px|Schema di una struttura VCSEL semplice.]] -->

I laser a emissione superficiale a cavità verticale (o Vertical cavity surface emitting lasers [[VCSEL]]) possiedono l'asse della cavità ottica lungo la direzione del flusso corrente invece che perpendicolarmente al flusso corrente come nei diodi laser convenzionali. La lunghezza della regione attiva è molto breve se comparata con le dimensioni laterali, di modo che la radiazione emerge dalla ‘‘superficie'’‘‘superficie’’ della cavità piuttosto che dai bordi, come mostrato in Fig.&nbsp;2. I riflettori ai lati della cavità sono [[specchi dielettrici]] costruiti alternando strati con indici di rifrazione alto e basso di film spesso multistrato in quarto d'onda.

<!-- Such dielectric mirrors provide a high degree of wavelength-selective reflectance at the required free surface wavelength λ if the thicknesses of alternating layers ''d''₁ and ''d''₂ with refractive indices ''n''₁ and ''n''₂ are such that ''n''₁''d''₁ + ''n''₂''d''₂ = ½λ which then leads to the constructive interference of all partially reflected waves at the interfaces. Because of the high mirror reflectivities, VCSELs have lower output powers when compared to edge emitting lasers.-->

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-->

=== Diodi laser a cavità esterna ===

== Applicazioni dei diodi laser ==

I diodi laser a cavità esterna sono laser sintonizzabili che usano principalmente diodi con eterostruttura doppia del tipo Al_xGa_(1-x). I primi diodi laser a cavità esterna usavano etalon intracavità e semplici reticoli di sintonizzazione in configurazione Littrow. In alternativa si possono usare reticoli in configurazione di incidenza tangenziale e configurazioni di reticoli con prismi multipli.

== ApplicazioniAltre applicazioni dei diodi laser ==

<!--

[[File:Laser diode array.jpg|thumb|250px|Laser diodes can be arrayed to produce very high power (continuous wave or pulsed) outputs. Such arrays may be used to efficiently pump solid state lasers for [[inertial confinement fusion]] or high average power drilling or burning applications.]]

-->

Una delle applicazioni del Diodo laser è in [[vulcanismo]], dove si misura la presenza di gas emessi dal vulcano e la tipologia.<ref>Chiarugi, A., Viciani, S., D'Amato, F., and Burton, M.: Diode laser-based gas analyser for the simultaneous measurement of CO2 and HF in volcanic plumes, Atmos. Meas. Tech., 11, 329-339, https://doi.org/10.5194/amt-11-329-2018, 2018.</ref>

I diodi laser sono il tipo più diffuso di laser, con vendite approssimative (nel [[2004]]) di 733 milioni di esemplari (Steele 2005), se confrontato con i soli 131,000 di tutti gli altri tipi di laser (Kincade and Anderson 2005).

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Applications which may today or in the future make use of the "coherent" properties of diode-laser-generated light include interferometric distance measurement, holography, coherent communications, and coherent control of chemical reactions.

Applications which may make use of "narrow spectral" properties of diode lasers include

telecommunications, infra-red countermeasures, spectroscopic sensing, generation of radio-frequency or terahertz waves, atomic clock state preparation, quantum key cryptography, frequency doubling and conversion, water purification (in the UV), and photodynamic therapy (where a particular wavelength of light would cause a substance such as [[porphyrin]] to become chemically active as an anti-cancer agent only where the tissue is illuminated by light).

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I diodi laser hanno [[affidabilità]] e guasti simili a quelli dei [[LED]]. Inoltre essi sono soggetti a [[danneggiamenti ottici catastrofici]] (COD) quando funzionano ad alta potenza. Molti dei miglioramenti nell'affidabilità dei diodi laser negli ultimi 20 anni rimangono di proprietà dei rispettivi sviluppatori. L'affidabilità di un diodo laser può creare o distruggere una linea di produzione. Inoltre la tecnica del [[reverse engineering]] non è sempre in grado di permettere di scoprire le differenze esistenti tra i diodi laser più affidabili e quelli meno affidabili.

Sul bordo del diodo laser, quando la luce viene emessa, spesso si crea uno specchio per [[fessurazione]] del wafer del semiconduttore per formare un piano riflettente speculare. Questo approccio è semplificato dalla debolezza del [110] piano [[cristallografia|cristallografico]] nei cristalli semiconduttori tipo III-V (come l'[[arseniuro di gallio]], il [[fosfuro di indio]], l'[[antimoniuro di gallio]], ecc.) in confronto ad altri piani. UnUna graffiatura sul bordo del wafer e una leggera forza torcente crea un piano fenditura simil speculare quasi atomicamente perfetto tale da formarsi e propagarsi in linea retta attraverso il wafer.

Succede però che gli stati atomici sul piano di fenditura siano alterati (in rapporto alle proprietà grezza del cristallo) dalla terminazione della perfetta periodicità della grata al piano.

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Il risultato in pratica è che quando la luce si propaga attraverso il piano di fenditura e transita

verso lo spazio libero da dentro il cristallo semiconduttore, una frazione dell'energia della luce viene assorbita dagli stati di superficie da dove viene convertita in calore dalle interazioni [[fonone]]-[[elettrone]]. Tutto ciò scalda lo specchio a fenditura. Inoltre, lo specchio può scaldarsi semplicemente a causa del fatto che il bordo del diodo laser, pompato elettricamente, è in contatto non proprio perfetto con il supporto che fornisce un percorso per la dissipazione del calore. Lo scaldarsi dello specchio provoca una riduzione della [[banda proibita]] del semiconduttore nelle aree più calde. Il restringimento della banda proibita porta più elettroni nelle transizioni elettroniche banda-a-banda ad allinearsi con l'energia fotonica provocando un assorbimento ancora maggiore. Questo [[effetto termico a valanga]], una forma di [[retroazione positiva]], può provocare la fusione delle sfaccettature, ed è conosciuto come ''danneggiamento ottico catastrofico'', o COD (dall'inglese Catastrophic Optical Damage).

Questo problema, particolarmente insidioso per i laser all'GaAs di lunghezza d'onda tra gli 1&nbsp;µm e 0.630&nbsp;µm (meno per quelli basati su InP usati per le comunicazioni a lungo raggio che emettono tra gli 1.3&nbsp;µm e i 2&nbsp;µm), fu identificato negli [[Anni 1970|anni settanta]] del '900. Michael Ettenberg, ricercatore, e successivamente vicepresidente dei laboratori [[Radio Corporation of America|RCA]], del [[David Sarnoff Research Center]] a [[Princeton]] ([[New Jersey]]), creò una soluzione. Un sottile strato di [[ossido di alluminio]] fu deposto sulla sfaccettatura. Se lo spessore dell'ossido di alluminio viene scelto correttamente, esso funziona come un [[trattamento anti-riflesso]], riducendo la riflessione sulla superficie. Ciò riduce il riscaldamento e quindi il COD sulle sfaccettature.

Da allora, sono state sviluppate e affinate molte altre tecniche. Un altro approccio è di creare un cosiddetto specchio a non assorbimento (NAM) tale che nei finali 10&nbsp;µm circa prima che la luce venga emessa dalla sfaccettatura fessurata venga resa non assorbente alla lunghezza d'onda di interesse.

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Verso la metà del 1990, IBM Research ([[Rüschlikon]], [[Svizzera]]) annunciò di aver sviluppato il cosiddetto "processo E2" che conferiva straordinarie doti di resistenza alla COD nei diodi laser basati su GaAs. Anche i dettagli di questo processo non sono stati divulgati a tutt'oggi (giugno 2006).

L'affidabilità delle barre pompa a diodi laser ad alta potenza (utilizzate per pompare i [[laser a stato solido]]) rimane un problema in molte applicazioni, malgrado tutti questi miglioramenti proprietari. In effetti la fisica dei guasti dei diodi laser non è ancora del tutto chiara e la ricerca in questo campo è molto attiva, anche se spesso non pubblica.

L'allungamento della vita di un diodo laser è critica per l'applicazione di questi in una grande varietà di campi.

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* [[LED]]

* [[Meccanica quantistica]]

*[[Lavorazione con fascio laser]]

== Altri progetti ==

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== Collegamenti esterni ==