một số tính chất đặc biệt của laser diode công suất cao với cấu trúc mảng ở chế độ xung ngắn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ LUẬN VĂN THẠC SỸ Đề tài: MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO VỚI CẤU TRÚC MẢNG Ở CHẾ ĐỘ XUNG NGẮN Học viên : Nguyễn Mạnh Thắng Cán bộ hướng dẫn: PGS.TSKH Vũ Văn Lực Chuyên ngành: Quang Lượng Tử HÀ NỘI - 2007 3 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO. 3 1.1 KHÁI NIỆM LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO 1.2 MỘT SỐ CẤU TRÚC LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO 4 1.2.1 LASER MA TRẬN (MATRIX) 4 1.2.2 LASER BUỒNG CỘNG HƯỞNG RỘNG LOC 5 1.2.3 LASER DIODE DẠNG MẢNG (THANH) 6 1.3 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LASER DIODE DẠNG MẢNG 7 1.3.1 SỬ LÝ CỬA SỔ TIẾP XÚC 7 1.3.2 CẤY GHÉP ION 8 1.3.3 SỬ LÝ LỚP CÁCH ĐIỆN 9 1.3.4 SỬ LÝ CẤU TRÚC MESA 11 1.3.5 PHỦ KIM LOẠI 12 1.3.6 TỔ HỢP LASER MẢNG CÔNG SUẤT CAO 13 1.3.7 KỸ THUẬT PHỦ MẶT GƯƠNG 14 1.3.7.1 NGUYÊN TẮC 1.3.7.2 THỤ ĐỘNG HOÁ MẶT TÁCH CHIP LASER 1.4 CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CHẤT LƯỢNG CHÙM TIA 15 1.4.1 THÔNG SỐ KHUẾCH ĐẠI HẠT TẢI CẢM ỨNG VÀ CHIẾT SUẤT KHÚC XẠ 15 1.4.2 MẬT ĐỘ CÔNG SUẤT BÃO HOÀ 16 1.4.3 ĐỘ SÁNG, TỶ SỐ STREHL VÀ THÔNG SỐ 2 M 17 1.4.3.1 ĐỘ SÁNG 17 1.4.3.2 TỶ SỐ STREHL 18 1.4.3.3 THÔNG SỐ 2 M 18 1.5 MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT CỦA LASER DIODE 19 CÔNG SUẤT CAO 1.5.1 ĐẶC TRƯNG CÔNG SUẤT PHỤ THUỘC VÀO DÒNG BƠM 19 1.5.2 SỰ PHỤ THUỘC DÒNG NGƯỠNG VÀO NHIỆT ĐỘ 20 1.5.3 SỰ UỐN CONG ĐƯỜNG ĐẶC TRƯNG (P-I) DO NHIỆT 20 1.5.4 HOẠT ĐỘNG ĐA MỐT 21 1.5.5 SỰ PHÁ HUỶ PHẨM CHẤT QUANG HỌC 22 1.5.6 TUỔI THỌ CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO 22 4 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1 CHẾ TẠO NGUỒN PHÁT XUNG NGẮN, DÒNG CAO ĐỂ NUÔI CHO LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO 2.2 CÁC CHIP LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU 2.3 ĐẦU THU PHOTODIODE. 2.4 HỆ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN ĐẶC TRƯNG CÔNG SUẤT P-I CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO Ở CHẾ ĐỘ XUNG. 2.5 HỆ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT SỰ UỐN CONG ĐẶC TRỪN CÔNG SUẤT GÂY RA DO NHIỆT 2.6 HỆ THÍ NGHIỆM ĐO P-I CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO SỬ DỤNG MÁY PHÁT XUNG DÒNG CAO, ĐỘ RỘNG XUNG NGẮN CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO 5 MỞ ĐẦU Lasers được viết tắt từ những chữ cái đầu trong tiếng Anh (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), đó là sự khuếch đại bức xạ cưỡng bức ánh sáng để tạo ra chùm tia có cường độ lớn, có tính định hướng cao. Lasers là một trong những phát minh mang tính đột phá của thế kỷ 20, phát minh kỳ diệu này không những làm nức lòng các nhà khoa học mà còn kích thích sự quan tâm tìm hiểu của nhiều người trong kỷ nguyên công nghệ cao. Kể từ khi ra đời lần đầu tiên (Laser rubi) năm 1960 do Maiman phát minh, đến nay rất nhiều loại laser đã được nghiên cứu, phát triển và đưa vào ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khoa học, đời sống như y học, thông tin quang sợi, điều khiển và đo xa laser, đo cắt chính xác công nghiệp v.v Cùng với sự ra đời nhiều loại laser khác, laser diode bán dẫn được Robert Hall công bố lần đầu tiên năm 1962. Nó sử dụng liên kết p-n trong bán dẫn GaAs, phát ở chế độ mode xung tại nhiệt độ rất thấp K 0 77 , bước sóng ra đỉnh 842 nm, độ rộng phổ cỡ 1.5nm, mật độ dòng bơm ngưỡng tới 2 /85000 cmAJ th ≈ , có tần số lớn hơn gấp 109 lần tần số radio và gấp 105 lần tần số của vi sóng. Đến đầu năm 1963 thì các loại laser bán dẫn đã được cải tiến hơn bằng cách sử dụng một lớp bán dẫn kẹp giữa hai lớp bán dẫn vỏ, gọi là bán dẫn cấu trúc dị thể, lớp bán dẫn ở giữa có độ rộng vùng cấm khác với độ rộng vùng cấm của hai lớp vỏ. Loại laser này được chia làm hai loại: chuyển tiếp dị thể đơn và chuyển tiếp dị thể kép, tuỳ thuộc vào miền tích cực được bao quanh bởi một hay hai loại lớp vỏ. Với cấu trúc dị thể, hằng số mạng của lớp tích cực và lớp vỏ phải bằng nhau hoặc khác nhau không đáng kể (có cấu trúc tương tự nhau). Trên cơ sở vật liệu bán dẫn GaAs cấu trúc dị thể, đến những năm 1969 thì Charles Kao và Geoger Hockhan chế tạo được laser bán dẫn có hoạt động trong chế độ xung tại nhiệt độ phòng, mật độ dòng bơm ngưỡng đã giảm xuống 2 /8000 cmAJ th ≈ , giá trị dòng ngưỡng này giảm xuống chỉ còn 2 /600.1 cmA vào năm 1970 và đến năm 1975 thì chỉ còn cỡ 2 /500 cmA . Để giảm mật độ dòng ngưỡng xuống giá trị trên, người ta chế tạo laser có vật liệu lớp tích cực AlGaAs với độ dày m µ 1.0~ có cấu trúc dị thể kép. Sự khác nhau về độ rộng vùng cấm giữa lớp tích cực và các lớp vỏ giúp cho việc giam giữ tốt hơn các mốt quang học, hoạt động như một dẫn sóng điện môi. Nhưng chính sự giam giữ này làm giảm đáng kể hao tổn nội, gây ra sự mở rộng mốt trong các vùng lân cận. Một trong những mục tiêu quan trọng của laser diode đó là nâng cao công suất laser ra đồng thời giảm độ rộng xung nhỏ nhất có thể nhằm nâng cao chất lượng chùm tia và ứng dụng sâu hơn trong cuộc sống cũng như khoa học. Mục tiêu này luôn luôn được duy trì và mở rộng phát triển kể từ khi nó ra đời. Vậy tại sao chúng ta cần phải chế tạo laser diode công suất cao? Đầu những năm 1990 đánh dấu bước đột phá trong công nghệ laser bán dẫn khi lần đầu tiên chế tạo thành công các thanh laser kích thước cmcm 06.01 × phát ra công suất trên 20W, thời gian sống cỡ 10.000 giờ, mở ra khả năng ứng dụng to lớn trong khoa học ứng dụng. Quá trình tiếp theo chủ yếu tập chung vào việc cải tiến laser bán dẫn trên cơ sở nền GaAs, tạo ra nền có mật độ phản xạ thấp bằng các quá trình epitaxy của các lớp AlGaInAs và GaInAsP trên nền GaAs. Các lợi thế của laser bán dẫn công suất cao: So với với đèn bơm hoặc khí tích điện cho việc tạo ra ánh sáng kết hợp, như kích thức nhỏ gọn, hiệu suất chuyển đổi điện quang cao hơn, nguồn cấp và làm lạnh đơn giản, độ tin cậy cao hơn. Kích thước nhỏ gọn nên chiếm ưu thế hơn so với laser rắn và laser khí do sự cồng kềnh và bất tiện. Dòng bơm ngưỡng thấp (chỉ cỡ vài trăm 6 mA), dải sóng ứng dụng rộng, dễ điều chế, hoạt động từ chế độ xung tần số thấp đến cao, cả chế độ xung và chế độ liên tục. Nó là thiết bị không thể thiếu trong thông tin cáp quang, cho phép truyền thông tin đi khoảng cách rất lớn với tốc độ siêu cao. Mặt khác, laser diode đóng vai trò như chiếc chìa khoá mở ra rất nhiều ứng dụng, từ những sản phẩm thông thường phục vụ cho mục đích dân sự đến những ứng dụng cho mục đích quân sự. Đối với một số ứng dụng thông thường của laser diode như: máy scan, máy in, bút chỉ laser, đầu đọc đĩa compact và trong thông tin cáp quang thì công suất chỉ cỡ vài mW. Nhưng đối với một loạt ứng dụng khác thì công suất cần tới cỡ từ vài Watts tới hàng ngàn Watts tuỳ theo ứng dụng như: đo xa laser phát hiện khoảng cách mục tiêu, nguồn chiếu sáng trong ống nhòm nhìn đêm, trong y tế (châm cứu, cắt khối u, thẩm mỹ, trị ung thư…), xác định xon khí, lỏng trong khí quyển.v.v Trong luận văn này chúng tôi sẽ tiến hành nghiên cứu một số tính chất đặt biệt của laser diode công suất cao với cấu trúc mảng ở chế độ xung ngắn. 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO 1.1 KHÁI NIỆM LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO Đã hơn 40 năm kể từ khi laser bán dẫn phun ra đời, rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm nâng cao công suất và mở rộng vùng bước sóng phát. Với lợi thế nhỏ gọn, hiệu suất cao và thời gian sống lớn, laser diode có khả năng thay thế phần lớn các laser khác trong ứng dụng khoa học và trở thành cầu nối giữa các hệ điện tử và thông tin liên lạc. Phần lớn các ứng dụng đều nhằm duy trì công suất ra và chất lượng chùm tia theo thời gian. Trong chương này chúng ta sẽ xem xét một số cấu trúc laser diode công suất cao và công nghệ sử dụng cho việc chế tạo laser diode công suất cao laser dạng mảng (thanh). Sau đó là nghiên cứu một số thông số đặc trưng cho chất lượng chùm tia laser ra và những thông số ảnh hưởng đến công suất phát. Trong thực tế không có qui định rõ ràng giữa laser diode thường và laser diode công suất cao, nó phụ thuộc vào loại laser và ứng dụng cho mục đích gì mà nó được thiết kế cho phù hợp. Nói chung, đối với các loại laser tần số đơn, laser đơn mốt liên tục có công suất 50mW trở lên và các laser đa mốt dải rộng, mảng laser có tần số 50mW trở lên thì được gọi là laser diode công suất cao. Mặc dù các laser diode có thể phát ra công suất đỉnh lên tới vài kW ở chế độ xung, nhưng năng lượng xung bị giới hạn nhỏ hơn rất nhiều so với các loại laser rắn khác do thời gian sống của hạt tải diode ngắn (cỡ vài ns). Để hiểu được sự cần thiết phải chế tạo laser diode công suất cao chúng ta hãy đưa ra những lợi ích mà laser bán dẫn công suất cao mang lại khi sử dụng chúng trong ứng dụng thực tiễn [17]: • Hiệu suất chuyển đổi điện quang của các đèn trong khoảng trên dưới 50% [1] mang lại tiêu chuẩn đầu tiên cho laser diode công suất cao. Trong khi hiện nay nếu sử sụng laser diode thì hiệu hiệu suất lên đến trên 60% [2]. • Thời gian sống đặc trưng của các đèn khoảng 1000 giờ nhỏ hơn thời gian sống của laser diode công suất cao hơn 10.000 giờ. • Công suất quang học của các đèn bơm cho các hệ laser diode công suất cao cần tới cỡ vài kW. Để thực hiện một công suất tương tự với các laser diode thì chúng ta chỉ cần sử dụng khoảng 100 thanh diode công suất cao. • Laser diode công suất cao được sử dụng làm nguồn bơm cho hệ laser rắn cho hiệu suất rất cao vì bước sóng bơm của laser diode có thể phù hợp chính xác với bước sóng hấp thụ của tinh thể được kích thích. Còn nếu sử dụng các loại đèn bơm thì do phụ thuộc vào các dịch chuyển điện tử của các nguyên tử kích thích nên các bước sóng này chỉ phụ thuộc bản chất, các giá trị cố định khí bơm vào, vì thế các dịch chuyển có thể tốt hoặc không tốt, mang lại hiệu suất kém hơn rất nhiều. • Vấn đề mang tính cạnh tranh quyết định là giá cả của toàn bộ hệ thống máy phát laser. Đối với các hệ laser diode công suất cao thì vấn đề này chủ yếu được xác định bới giá của các laser diode thành phần (laser diode thông thường). Vì thế, các nỗ lực chủ yếu được tập chung vào công nghệ bán dẫn tái chế, chính vì vậy laser diode công suất cao được xem như là công nghệ đơn giản nhất, dẫn đến giá cả cạnh tranh hơn so với các loại laser khác. 8 1.2 MỘT SỐ CẤU TRÚC LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO 1.2.1 LASER MA TRẬN (MATRIX) Khái niệm Laser ma trận là một trong những cấu trúc được sử dụng hiệu quả trong việc nâng cao công suất của laser diode. Cấu trúc của laser ma trận được bố trí bao gồm nhiều lớp tích cực nằm sát nhau, mỗi lớp tích cực này bức xạ riêng rẽ và tạo thành mối quan hệ về pha giữa chúng. Cụ thể là hợp pha hoặc ngược pha, nếu hợp pha thì công suất ra tổng hợp được tăng cường và kết hợp, còn nếu ngược pha thì công suất ra bị triệt tiêu. Kết quả tạo thành chùm bức xạ hẹp, có tính kết hợp cao. Cấu trúc laser ma trận được nghiên cứu nhiều hiện nay sử dụng hệ vật liệu InGaAsP. Cấu trúc laser ma trận được chia thành hai nhóm: laser ma trận chỉ số khuếch đại và laser chỉ số chiết suất yếu (cấu trúc dẫn sóng), sự khác nhau của hai loại là do mode công tua dọc theo mặt phẳng chuyển tiếp được xác định bằng chỉ số khuếch đại và chỉ số chiết suất yếu. Hình 1.1 minh hoạ hai cấu trúc laser ma trận trên: lớp điện môi λ ~1.3µm (InGaAsP) λ ~1.3µm (InGaAsP) (lớp tích cực) đế a/ λ ~1.3µm (InGaAsP) (lớp tích cực) λ ~1.03µm (InGaAsP) b/ Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc laser ma trận trên cơ sở vật liệu InGaAsP a/ Cấu trúc laser diode ma trận chỉ số khuếch đại. b/ Cấu trúc laser diode ma trận chỉ số chiết suất yếu. Trong đó laser ma trận chỉ số khuếch đại là một laser dải điện môi, các khe điện môi (SiO 2 ) và không gian giữa các tâm được chọn sao có sự chồng chập của các mốt dao động từ các bức xạ lân cận. Laser ma trận chỉ số chiết suất yếu có thể sử dụng cấu trúc dẫn sóng ở đỉnh. Các hướng không gian giữa các bức xạ được khuếch đại lọc lựa thông qua sự chồng chập của các mốt dao động. Sự chồng chập này chứng tỏ sự liên 9 n-InP p-InP p-InP n-InP p-InP kết cần thiết cho chặn pha. Đối với laser ma trận InGaAsP phát trong vùng 1.3µm hoạt động ở chế độ xung có thể cho công suất ra tới 800mW. 1.2.2 LASER BUỒNG CỘNG HƯỞNG RỘNG LOC (LARGE OPTICAL CAVITY) Khái niệm Hiểu một cách đơn giản nhất, để có được công suất cao hơn, ta có thể tăng thể tích của buồng cộng hưởng hay tăng chiều dài vùng hoạt chất (tức là tăng chiều dài khuếch đại), dẫn đến tăng mật độ photon đi ra, tức là công suất bức xạ tăng. Laser buồng cộng hưởng rộng dựa trên cấu trúc dị thể kép gồm ba lớp “chuẩn” p-p-n (hình 1.2), có hai kiểu cấu trúc là cấu trúc đối xứng và cấu trúc phản xứng, trong đó cấu trúc phản xứng dễ tạo được laser đơn mốt dọc hơn là cấu trúc đối xứng. Laser LOC bao gồm cấu trúc dị thể vùi và cấu trúc dị thể kép, trong đó cấu trúc dị thể kép cho công suất quang ra cao hơn (cỡ 100mW ở chế độ liên tục). p p (lớp tích cực) n Hình 1.2: Cấu trúc dị thể kép 3 lớp “chuẩn” Trong cấu trúc này, ở vùng lân cận của lớp tích cực thì sự tái hợp và cộng hưởng xảy ra độc lập, các mốt ngang lan truyền qua lớp bán dẫn loại n sẽ ít mất mát hơn. Đối với loại buồng cộng hưởng này, nếu chế tạo buồng cộng hưởng lớn hơn vùng tái hợp thì kích thước vết sáng đầu ra lớn hơn, đồng thời công suất lối ra cũng giảm. Laser LOC có hai đặc điểm lưu ý là: nồng độ hạt tải dò giữa lớp tích cực và ống dẫn (vỏ) lớn hơn so với cấu trúc dị thể chuẩn và có sự suy giảm chiết suất trong vùng tái hợp do mật độ tập chung hạt tải cao gây mất ổn định kích thước vết sáng ra. Cấu trúc đầu tiên [3] áp dụng khái niệm buồng cộng hưởng rộng (LOC) với dẫn sóng mở rộng cho bước sóng 808nm, cấu trúc này sử dụng lõi ống dẫn sóng có bề dày 1.2µm bao gồm AsGaAl 4.06.0 và một lớp vỏ với hợp chất của AsGaAl 4.06.0 (hình 1.3). Một cấu trúc dẫn sóng tối ưu cho laser diode công suất cao LOC cần thoả mãn yêu cầu sau [17]: - Khả năng giam hãm cao để giảm dòng ngưỡng - Bề rộng trường gần phải đủ lớn để giảm tải trọng bề mặt - Bề rộng trường gần phải đủ nhỏ để giảm bề dày tổng cộng của các lớp ghép, tức là trở nhiệt và trở hệ thống. - Bề rộng trường gần phải đủ lớn để độ phân kỳ theo chiều dọc nhỏ. - Mất mát tán xạ thấp. - Mất mát do hấp thụ hạt tải tự do nhỏ. - Mức pha tạp cao để giảm trở hệ thống. - Hàng dào chắn hạt tải đủ cao để giam hãm điện tử tốt hơn - Hàng dào giữa các lớp khác nhau đủ nhỏ để đạt thế qua diode thấp GaAs (lớp tiếp giáp) 10 AsGaAl 3.07.0 ( vỏ) 1500nm AsGaAl 35.065.0 (dẫn sóng) 500nm Cấu trúc giếng lượng tử (InGaAsP,GaAsP,InGaAlAs) AsGaAl 35.065.0 (dẫn sóng) 500nm AsGaAl 3.07.0 ( vỏ) 1500nm GaAs (đế) Hình 1.3: Sơ đồ các lớp dọc liên tiếp của chip laser diode với cấu trúc dẫn sóng LOC AlGaAs. 1.2.3 LASER DIODE DẠNG MẢNG (THANH) Khái niệm Laser mảng (hoặc thanh) là sự tổ hợp của nhiều laser riêng biệt, đặc điểm quan trọng của laser dạng thanh công suất cao là các ống đẫn sóng được đặt song song với nhau hoặc các ống dẫn được nối kề nhau như (hình vẽ 1.4). Sự liên quan về pha giữa các mốt ghép nối có ảnh hưởng quyết định đối với công suất ra và là điều kiện quan trọng của linh kiện trong hệ thông tin quang. Hình 1.4: Cấu trúc của laser diode mảng công suất cao Trong laser thanh, để hạn chế số mốt người ta đưa ra giải pháp bằng cách sử dụng mô hình cặp thanh hình chữ Y như hình 1.5. Nguyên lý hoạt động của cấu trúc được mô tả trên hình vẽ 1.5b. Các mốt từ hai nhánh có chung một gốc hình chữ Y sẽ cộng pha với nhau theo mối quan hệ như sau: hai thành phần cùng pha sẽ được tăng cường, đồng thời tạo ra mốt công suất cao hơn như hình b1, còn hai thành phần ngược pha sẽ bị triệt tiêu và công suất mất đi như hình b2. Công suất nhận được từ laser diode dạng thanh là rất lớn, công suất ra có thể lên tới trên 70W, tuy nhiên lúc đó thời gian sống sẽ ngắn hơn khi laser hoạt động ở công suất thấp. 11 pha vào pha ra 1 2 a/ b/ Hình 1.5: a/ Cặp mảng dạng chữ Y. b/Mô hình cho nguyên lý hoạt động của laser dạngthanh. 1.3 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LASER DIODE DẠNG MẢNG Có ba vấn đề cần giải quyết liên quan đến công nghệ chế tạo laser diode công suất cao dạng mảng [17]: Thứ nhất đó là thiết kế buồng cộng hưởng quang học cho dẫn sóng . Đối với dẫn sóng dọc được tạo bởi cấu trúc expitaxial, còn dẫn sóng bên đạt được bằng kỹ thuật khắc mòn mesa (kỹ thuật khắc dốc) trong trường hợp dẫn sóng chiết suất, hoặc bằng phương pháp hình học tiếp xúc trong trường hợp laser diode dẫn sóng khuếch đại. Thứ hai là các gương phải được tạo ra để buồng cộng hưởng được xác định. Đối với các laser diode công suất cao thì nó được chế tạo chủ yếu bằng cách tách các mặt tinh thể và phủ lớp chống phản xạ cho một mặt gương (mặt không phát laser). Quá trình gia công tương tự như công nghệ chế tạo thiết bị bán dẫn và cũng là yếu tố then chốt cho các laser diode phát bề mặt. Thứ ba là quá trình sử lý phải thực sự bảo đảm: tiếp xúc điện của nguồn cấp, số chíp laser diode điều khiển lớn, đồng thời tiêu tán nhiệt độ phải nhanh. Cấu trúc và quá trình phủ kim loại tiếp xúc sao cho năng lượng điện bơm vào phải đạt hiệu suất laser ra tối đa nhất, loại bỏ một cách hiệu quả nhiệt lượng hao phí do chip laser diode là các thiết bị rất nhỏ nên ảnh hưởng nhiệt của chúng là rất lớn. 1.3.1 SỬ LÝ CỬA SỔ TIẾP XÚC Cấu trúc laser diode ống dẫn khuếch đại đơn giản nhất dựa trên việc phun dòng điện bị giới hạn bên. Điều này được thực hiện thông qua cửa sổ tiếp xúc trên bề mặt bán dẫn bằng các lớp expitaxial, cửa sổ tiếp xúc này có tác dụng ngăn cản dòng điện lan tỏa trên bề mặt tiếp xúc. Dựa vào cửa sổ tiếp xúc này, dòng điện được phun vào bên trong vùng hoạt chất. Ngoài vùng cửa sổ tiếp xúc này thì bề mặt bán dẫn phải được cách điện hoàn toàn. 12 [...]... luận ở chương 3 Ảnh chụp bằng máy ảnh Cannon hệ thí nghiệm: Hình 2.10: Ảnh chụp sơ đồ thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên đặc trưng công suất P-I của laser diode công suất cao ở chế độ xung 2.5 HỆ THÍ NGHIỆM ĐO P-I CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO SỬ DỤNG MÁY PHÁT XUNG DÒNG CAO, ĐỘ RỘNG XUNG NGẮN Hệ thí nghiệm đo sự phụ thuộc công suất bức xạ laser vào dòng bơm ở chế độ xung ngắn, dòng cao tại... sát một số tính chất đặc biệt của laser diode công suất cao, chúng tôi sử dụng một số thiết bị sau: • Máy phát xung xung ngắn, dòng cao tự nghiên cứu và thử nghiệm để nuôi cho laser diode công suất cao và máy phát xung do Phòng laser bán dẫn chế tạo sẵn • Các chip laser diode công suất cao sử dụng trong nghiên cứu • Đầu thu photodiode để thu bức xạ laser và chuyển thành tín hiệu điện đưa vào dao động... xung ngắn, dòng cao tại nhiệt độ T = 26 0 C Máy phát xung ngắn (1) Chip laser diode công suất cao (2) Kênh Y Dao động ký Kênh X KIKUSUI Đầu thu photodiode PIN (3) (4) Hình 2.11: Sơ đồ khối khảo sát đặc trưng công suất P-I ở chế độ xung ngắn, dòng cao Hình 2.12: Ảnh chụp sơ đồ khảo sát công suất bức xạ laser diode công suất cao phụ thuộc dòng bơm ở chế độ xung ngắn, dòng cao Trong hệ thí nghiệm này chúng... phẩm chất quang học không thuận nghịch 1.5.6 TUỔI THỌ CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO Một trong những hạn chế của laser bán dẫn công suất cao là tuổi thọ, nó có mối quan hệ mật thiết với công suất ra quang học Chẳng hạn, một laser diode có thể cho công suất rất cao nhưng lại tắt lịm trong vài giờ sau đó, nhưng nếu công suất ra thấp hơn thì thời gian sống có thể lên tới vài nghìn giờ Thời gian sống của laser. .. được sử dụng để đặc trưng cho các tính chùm laser như: sự biến dạng, hoạt động đa mốt và tính kết hợp không gian theo một số đơn giản 1.5 MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO Laser bán dẫn khác với các hệ laser khác, thay vì mật độ nghịch đảo là điều kiện cần thiết để tiến đến ngưỡng laser, mà bơm dòng điện vào trong vùng hoạt chất Trái ngược với laser rắn, laser màu và laser khí sử... và thử nghiệm thành công máy phát xung ngắn, dòng cao để nuôi cho laser diode công suất cao Lý do ta phải sử dụng nguồn nuôi này là vì đối với laser diode công suất cao có ngưỡng phát lớn hơn rất nhiều laser diode thường (cỡ hàng trăm mA) nên cần dòng nuôi cao, đồng thời độ rộng xung nhỏ và tần số lặp lại thưa (nghỉ nhiều, làm việc ít) để bảo đảm chip laser diode công suất cao hoạt động tốt nhất (Pin... kênh X của dao động ký thông qua trở tải RT ( RT1 hoặc RT2 ) P =κ UX RT (2.2) Trong đó: P là công suất quang thu được UX là điện áp rơi trên trở tải RT κ là hệ số đặc trưng cho các loại đầu thu photodiode (trường hợp này κ=1 ) 33 2.4 HỆ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN ĐẶC TRƯNG CÔNG SUẤT P-I CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO Ở CHẾ ĐỘ XUNG Trong chương 1 chúng ta đã khảo sát một cách định tính. .. màu và laser khí sử dụng nguồn bơm quang học như đèn plash hoặc các loại laser khác Công suất ra của laser được đặc trưng bởi đường cong P-I phụ thuộc dòng nuôi Sau đây chúng tôi đưa ra một số đặc trưng công suất ra của laser bán dẫn công suất cao [16]: 1.5.1 ĐẶC TRƯNG CÔNG SUẤT PHỤ THUỘC VÀO DÒNG BƠM Đặc trưng công suất phát laser diode phụ thuộc vào dòng bơm được cho như sau (Yariv, 1985): Pout  ... số phản xạ hai gương (mặt tách) của buồng cộng hưởng Ith : Mật độ dòng ngưỡng laser 24 α : Hệ số mất mát η i : Hiệu suất lượng tử nội ( số hạt tải được tái hợp trên tổng số hạt tải được phun vào) Như vậy tại dòng ngưỡng cố định và mất mát không đáng kể thì công suất laser thay đổi gần như tuyến tính theo hàm số bậc nhất Đây cũng là đặc tính chung của laser diode nói chung và laser diode công suất cao. .. độ lên đặc trưng P-I của laser diode công suất cao ở chế độ xung Trong hệ đo này chúng tôi sử dụng máy phát xung vuông (1) chế tạo sẵn tại Phòng laser bán dẫn có tần số thay đổi 9.9 kHz, cho hoạt động ở hai mức có độ rộng xung lần lượt là 1µs và 5µs, dòng xung vuông thay đổi từ 0 tới 3 (A) Máy phát xung cấp cho laser diode công suất cao (2) hoạt động Chip laser (2) được đặt trên tấm dẫn nhiệt cách . cứu một số tính chất đặt biệt của laser diode công suất cao với cấu trúc mảng ở chế độ xung ngắn. 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO. VẬT LÝ LUẬN VĂN THẠC SỸ Đề tài: MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO VỚI CẤU TRÚC MẢNG Ở CHẾ ĐỘ XUNG NGẮN Học viên : Nguyễn Mạnh Thắng