Principios de análisis instrumental

156 Capítulo 7 Componentes de los instrumentos ópticos <« Contacto p Tira con ancho de 3¡.tm Región de la rejilla Sustrato GaAs tipo-n . Metaln Contacto n Radiación ~ emitida FIGURA 7.8 Diodo láser reflector de Bragg distribuido. (De D. W. Nam y R. G. Waarts, Laser Focus World, 1994, 30 (8), 52. (Reimpreso con autoriza– ción de PennWell Publishing Company.) par electrón-hueco. Ambos generan una emisión espontánea que depende de la corriente a través de la unión sesgada al frente. Sin embargo, los diodos láser tienen superficies reflectivas que crean una retroalimentación óptica cuando la corriente puede conse– guir la inversión de la población. El diodo láser más simple es el Fabry-Perot (véase la sección 7C.1 para una discusión sobre el estándar Fabry-Perot). En este dispositivo, dos terminales paralelas del semiconductor se cortan junto con el eje del cristal para formar espejos reflectivos de la cavidad láser (véase la figura 7.4). El semiconductor es el medio de ganancia. Los dispositivos Fabry-Perot son muy utilizados cuando se requiere reducir costos y la precisión en la longitud de onda no es crítica (reproductores de discos compactos comercia– les, apuntadores láser, etcétera). Para aplicaciones más demandantes, que requieren rangos de longitudes de onda más estrechos, se utilizan láseres de retroali– mentación distribuida. La retroalimentación distribuida limita el rango de longitudes de onda emitidos por el láser. En años recien– tes, las técnicas de fabricación de semiconductores han avanzado al grado que facilitan la elaboración de dispositivos integrados muy complejos, como el diodo láser reflector de Bragg distri– buido (DBR). Este dispositivo contiene un diodo de unión pn de arseniuro de galio que produce radiación infrarroja a casi 975 nm. Además, en el circuito integrado se incluye una banda de material que funciona como una cavidad de resonancia para la radiación, de modo que la amplificación de la luz ocurre dentro de ella. Una retícula o red proporciona retroalimentación a la cavidad de resonancia de modo que la radiación resultante es de un ancho de banda extremadamente angosto, es decir, de alrededor de 10 - 5 nm. Los diodos láser de este tipo han logrado salidas de potencia continua (> 100 mW) con alta estabilidad térmica. El rápido desa– rrollo de diodos láser es resultado de su utilidad como fuentes de luz en aparatos reproductores de discos compactos de audio, en unidades de CD-ROM, en reproductores de DVD, en los lectores de códigos de barras y otros dispositivos optoelectrónicos. El desarrollo reciente de láseres semiconductores incluye los láseres de pozo cuántico, los láseres de quantum dots y los de cas– cada cuántica. En los láseres de pozo cuántico, la región activa se adelgaza tanto que ocurre el confinamiento cuántico de fotones y electrones. La longitud de onda emitida se aparta del ancho de la poza en vez de la energía del espacio de banda del semiconductor. Los quantum dots confinan los electrones en tres dimensiones y tienen el potencial de conseguir eficiencias muy altas. El láser de cascada cuántica es muy diferente de otros tipos de láseres de semiconductores. 9 En este láser, los electrones están constreñidos dentro de una serie de trampas electrónicas o pozas cuánticas de unos cuantos nanómetros de grosor únicamente. Cuando los electrones bajan a un nivel menor dentro del pozo, pueden salir del pozo y llegar al nivel superior de un pozo adya– cente, como se muestra en la figura 7.8. Al cambiar el grosor de las capas, la longitud de onda del láser puede variarse. Los láseres de cascada cuántica emiten en la región infrarroja (3.4-9.6 p,m), y sus potencias de salida pueden ser altas (>100 mW). Los láse– res de cascada cuántica se consiguen a la venta en OC o formatos pulsados, y se han utilizado en aplicaciones analíticas que abarcan el sensado remoto de contaminantes ambientales y el análisis del aliento. Un gran obstáculo para el uso de diodos láser en las aplica– ciones espectroscópicas es que su intervalo de longitudes de onda se limita a las regiones del rojo y del infrarrojo del espectro. Esta desventaja puede subsanarse operando el diodo láser en el modo de pulsos para lograr una potencia máxima suficiente con la que se pueda usar equipo óptico no lineal y proporcionar una fre– cuencia duplicada. La radiación de un diodo láser se enfoca en un cristal duplicador para proporcionar una salida en la región azul-verde del espectro (aproximadamente 490 nm). Con equipo óptico externo adecuado, los diodos láser con frecuencia dupli– cada pueden alcanzar potencias de salida promedio de 0.5 a 1.0 W con un intervalo de espectro sintonizable de alrededor de 30 nm. Dichas fuentes de luz tienen como ventajas que son com– pactas, eficientes en cuanto a potencia, poseen alta confiabilidad y constitución fuerte. La adición de instrumentos ópticos exter– nos al diodo láser aumenta mucho el costo de los instrumentos, pero son competitivos con los rayos láser de gas menos confiables, menos efectivos y más grandes. Los diodos láser de nitruro de galio producen directamente radiación en la región azul, verde y amarilla del espectro. 10 Ahora son de uso rutinario en los estudios espectroscópicos. 9 ). Faist, Quantwn Cascade Lasers, Oxford, UK: Oxford University Press, 2013. 10 G. Faso!, Sciwce, 1996,272, 1751, DO!: 10.1126/science.272.5269.1751.