BÀI BÁO CÁO VẬT LÝ LASER VÀ QUANG TỬ HỌC

Năng lượng của photon phát ra dưới dạng bức xạ tái hợp bằng độ rộng dải của vật liệu đối với laser bán dẫn... Các electron và các lỗ trống sẽ kết hợp lại → giải phóng một photon điều này

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT

BÀI BÁO CÁO

VẬT LÝ LASER VÀ QUANG TỬ HỌC

Nhóm 4: 21130080 – Nguyễn Thị Lam Quỳnh

21130225 – Nguyễn Lê Phương Như

Lớp: 21VLUD

GVHD: TS Võ Thị Ngọc Thủy

TP.HCM, ngày 03 tháng 01 năm 2024

Nội dung

I Lịch sử hình thành: 3

II Laser bán dẫn là gì? 3

III Cấu tạo + vật liệu 4

IV Nguyên lý hoạt động 5

Tùy theo Vật liệu mà ta có 3 loại cấu trúc: 8

V Quantum Well Laser 9

VI Ứng dụng 15

VII.Tài liệu tham khảo 20

I Lịch sử hình thành:

1962: Một số nhóm và Phòng thí nghiệm Lincoln của MIT đồng thời phát triển

laser gallium-arsenide (GaAs), một thiết bị bán dẫn chuyển đổi năng lượng điện trực tiếp thành ánh sáng hồng ngoại nhưng phải được làm lạnh bằng đông lạnh

1963: Herbert Kroemer thuộc trường Đại học California độc lập đề xuất ý tưởng

chế tạo laser bán dẫn từ các thiết bị có cấu trúc dị thể (Hetero-structure lasers)

1970: Laser bán dẫn đầu tiên được phát minh hoạt động ở nhiệt độ phòng bởi sóng

liên tục

1972: Charles H Henry phát minh ra laser giếng lượng tử.

II Laser bán dẫn là gì?

Laser bán dẫn về cơ bản là diode tiếp giáp PN

Diode laser là loại laser có cấu tạo tương tự như một diode Nó có môi trường kích thích là chất bán dẫn tiếp giáp p-n

III Cấu tạo + vật liệu

1 Cấu tạo:

 Mirror polished reflecting surface: bề mặt phản chiếu được đánh bóng bằng gương

 Polished, partically reflecting surface: đánh bóng, phản ánh một phần

 Residual light: Ánh sáng dư

 Laser light emitted: Tia laser phát ra

 Intrinsic (un-doped) active region: vùng hoạt động nội tại (không pha tạp)

2 Vật liệu:

Laser bán dẫn được làm từ các vật liệu khác nhau như gallium arsenide (Ga As), Indium phosphide (InP), gallium nitride (GaN),

 Gallium arsenside (GaAs)  Gallium nitride (GaN)

Độ rộng dải của laser bán dẫn là khác nhau và do đó ánh sáng có bước sóng khác nhau được phát ra bởi tia laser này

IV.

Nguyên lý hoạt động

Khi chất bán dẫn loại p (thừa lỗ trống) tiếp xúc chặt với chất bán dẫn loại n (dư thừa electron), tiếp giáp PN được hình thành tại bề mặt phân cách

Khi điểm nối PN được phân cực thuận với điện áp nguồn bên ngoài, các electron

từ vùng n và lỗ trống từ vùng p bị ép vào điểm nối

Các electron và lỗ trống hút nhau Khi va chạm, chúng trung hòa lẫn nhau và kết quả là phát ra bức xạ tái hợp

Các electron trong chất bán dẫn loại n nằm trong vùng dẫn (tức là năng lượng cao hơn) và lỗ trống trong chất bán dẫn loại p nằm trong vùng hóa trị (tức là năng lượng thấp hơn)

Sự chênh lệch năng lượng giữa dải dẫn và dải hóa trị được gọi là khoảng cách dải hoặc khoảng cách năng lượng bị cấm của vật liệu nhất định Năng lượng của photon phát ra dưới dạng bức xạ tái hợp bằng độ rộng dải của vật liệu đối với laser bán dẫn

Diode laser gồm: chất bán dẫn loại n (dư thừa electron) và chất bán dẫn loại p (thừa lỗ trống) Khi được phân cực thuận với điện áp nguồn bên ngoài, các electron

từ vùng n đi qua vùng lỗ trống của bán dẫn loại p

Khi va chạm, sự phát xạ tự phát sẽ xảy ra tại điểm tiếp xúc Các electron và các lỗ trống sẽ kết hợp lại → giải phóng một photon điều này là do khác biệt về lượng năng lượng mà các electron có thể có trong các nguyên tử của mỗi loại bán dẫn

Trong khi sự phát xạ kích thích xảy ra nếu một photon có năng lượng cần thiết, đi qua nơi electron và lỗ trống gặp nhau, chúng sẽ kết hợp lại giải phóng một photon mới có cùng tần số và pha như photon ban đầu

Điốt laser cũng có một lớp bán dẫn trung gian có chức năng kép:

 Thứ nhất: thúc đẩy sự tái hợp của các electron và lỗ trống trong thể tích nhất định

 Thứ hai: hoạt động như một kênh cho các photon vì nó có chiết suất phản xạ khác với các chất bán dẫn khác ở những góc nhất định

Tuy có lượng photon nhất định được tạo ra bởi sự phát xạ kích thích, nhưng đồng thời tiếp tục có các photon được tạo ra bởi sự phát xạ tự phát Để đạt được mục tiêu, cần một phần tử phản xạ ở đầu mỗi bán dẫn → Đặt lớp phủ phản xạ hoàn toàn

và lớp phủ có độ phản xạ cao nhưng cho ra lượng ánh sáng nhỏ (dựa trên bộ cộng hưởng fabry-perot) → Photon liên tục nảy qua lại giữa hai đầu, tạo ra nhiều phát xạ kích thích

Vấn đề: ngay cả khi tần số dao động và pha của các photon hoàn toàn giống nhau

tại thời điểm phát xạ thì pha có thể thay đổi mỗi khi photon bị phản xạ VD: nếu ta

so sánh quỹ đạo được tạo ra mỗi khi photon di chuyển theo một hướng, → pha sẽ thay đổi, các photon đi ra ngoài sẽ không kết hợp theo thời gian

Giải pháp: điều chỉnh khoảng cách hai đầu thành bội số của một nửa bước sóng

của các photon mà chúng ta muốn khuếch đại → tạo ra sóng đứng và chùm photon cuối cùng phát ra nhất quán cả về tần số và pha Do tính ngẫu nhiên trong hướng, chùm tia thu được sẽ có độ phân tán không gian → Dùng thấu kính để chuyển hướng các photon tạo ra chùm tia chuẩn trực (tất cả đều truyền song song)

Tùy theo Vật liệu mà ta có 3 loại cấu trúc:

 Nếu môi trường hoạt động hoặc điểm nối được làm từ một loại vật liệu bán

dẫn thì laser bán dẫn còn được gọi là laser đồng hợp (homostructure semiconductor lasers)

→ Vùng chấm biểu thị vùng cạn kiệt ở vùng lân cận của điểm đồng nhất

 Mặt khác, nếu điểm nối được làm bằng 2 loại vật liệu bán dẫn khác nhau thì

laser bán dẫn được gọi là laser dị thể Laser cấu trúc dị thể còn được phân

loại thành thiết bị cấu trúc dị thể đơn (single-heterostructure) hoặc cấu

trúc dị thể kép (double-heterostructure) tùy thuộc vào vùng hoạt động,nơi

xảy ra hiện tượng phát laser

→ Vùng gạch ngang hiển thị lớp hoạt động mỏng (~ 0,2 μm) của vật liệu bán dẫn m) của vật liệu bán dẫn

có khoảng cách dải thấp hơn một chút so với các lớp phủ xung quanh.

 Đặc biệt, Giếng lượng tử Laser được phát triển từ cấu trúc dị thể kép có vùng hoạt động mỏng giúp khuếch đại quang học tốt hơn (khuếch đại quang học hay còn gọi là khuyếch đại laser Trong laser bán dẫn dị thể, hai chất bán dẫn tạo ra vùng hoạt động sẽ có hai chiết suất khác nhau

V Quantum Well Laser

Trong diode laser tuỳ theo vật liệu mà ta sẽ có 3 loại cấu trúc: Homo, hetero và QW

1 Cấu tạo + Vật liệu

Cấu tạo: Laser giếng lượng tử là một loại laser bán dẫn có độ dày của vùng hoạt động rất hẹp (độ dày khoảng 100A o ) → xác định bước sóng của ánh sáng phát

ra từ tia laser (Bước sóng phát xạ thường nằm trong khoảng từ 700 nm đến 1600

nm đối với các laser này)

Vật liệu:

 Vật liệu bán dẫn: Các vật liệu phổ biến được sử dụng cho giếng lượng tử

bao gồm gallium arsenide (GaAs) và indium phosphide (InP) Độ dày của

lớp giếng lượng tử rất quan trọng để kiểm soát sự giam giữ electron và lỗ trống → nó phải mỏng hơn các lớp xung quanh để tạo ra giếng thế

 Cấu trúc giếng lượng tử: chất bán dẫn A (GaAs) được kẹp giữa hai lớp chất bán dẫn B (AlGaAs) Các chất bán dẫn A và B được xếp dọc theo

hướng z Để tạo giếng lượng tử theo hướng z, độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn A phải nhỏ hơn độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn B Để đặc tính lượng tử xuất hiện thì kích thước của giếng thường ở mức 20 nm trở xuống Kết quả là các mức năng lượng của electron và lỗ trống trong giếng

bị lượng tử hóa (các mức năng lượng rời rạc)

Sơ đồ cấu trúc và dải năng lượng của laser giếng lượng tử

2 Nguyên lý hoạt động

Khi một dòng điện được đưa vào giếng lượng tử, các lỗ trống và electron sẽ được đưa vào giếng lượng tử Sau đó, các electron sẽ tự động kết hợp lại với lỗ

trống và phát ra photon Những photon phát ra sẽ gây ra sự tái hợp nhiều hơn của các electron và lỗ trống (phát xạ kích thích) dẫn đến nhiều photon hơn.

Tuy nhiên những điều trên vẫn không đủ để xảy ra hiện tượng phát laser, người ta

còn cần một khoang quang học Trong laser QW, các loại gương phản xạ khác

nhau (ví dụ trong trường hợp này dùng gương phản xạ Bragg)

Trong sơ đồ bên trái, các gương phản xạ này được thể hiện bằng các lớp màu

xám Ở phía dưới có lớp phản chiếu cao (HR: Highly reflective layer) trong khi ở trên cùng có lớp phản chiếu thấp (LR: Low reflective layer) Với khoang quang

học này, các photon tự phát sẽ bị dội ngược lại theo hướng z, gây ra nhiều phát xạ

kích thích hơn Điều này sẽ khuếch đại số lượng photon cần thiết để phát

laser Vì tấm phản xạ phía trên có độ phản xạ thấp hơn nên các photon (ánh sáng laser) trong hộp sẽ được phát ra qua lớp này Ánh sáng laser ổn định chỉ

được tạo ra khi mức tăng vượt quá mức mất khứ hồi

Sơ đồ cấu trúc và dải năng lượng của laser giếng lượng tử

Các loại QWL: (ngoài ra, chúng ta có các loại giếng thế lượng tử khác như)

 Multi-quantum well laser (MQW): Laser giếng đa lượng tử

Cấu trúc của laser giếng đa lượng tử

Sơ đồ dải năng lượng của laser giếng đa lượng tử

 Nếu một số giếng lượng tử đơn lẻ được sắp xếp song song với nhau thì có

thể tạo ra tia laser nhiều giếng lượng tử (MQW) Laser MQW có thể tạo

ra công suất đầu ra lớn hơn và dòng ngưỡng nhỏ hơn do hệ số giam cầm quang học được cải thiện và tăng mật độ trạng thái

(Laser giếng đa lượng tử được tạo ra bằng cách sắp xếp một giếng lượng tử theo

kiểu lặp đi lặp lại Những tia laser này có vùng hoạt động đa lượng tử Laser

giếng đa lượng tử hiệu quả hơn laser giếng lượng tử và chúng có thể điều chỉnh bước sóng phát xạ bằng cách thay đổi độ dày của giếng lượng tử)

 Strained Quantum Well Lasers (Laser giếng lượng tử biến dạng)

(một loại laser giếng lượng tử phát ra chùm tia Laser tập trung hơn bất kỳ loại

laser giếng lượng tử nào khác Thiết kế cơ bản của laser giếng lượng tử biến

dạng bao gồm một lớp vật liệu bán dẫn mỏng, chẳng hạn như gallium arsenide (GaAs), được kẹp giữa hai lớp vật liệu bán dẫn khác nhau, chẳng hạn như nhôm

gallium arsenide (AlGaAs) Các hằng số mạng khác nhau của vật liệu được sử

dụng tạo ra sức căng trên lớp mỏng khiến mức năng lượng của nó bị lượng tử hóa Điều này tạo ra một số trạng thái năng lượng được xác định rõ ràng trong giếng lượng tử, dẫn đến sự phát xạ ánh sáng hiệu quả hơn nhiều so với các thiết kế laser truyền thống)

 Strain-Balanced Quantum Well Lasers (Laser giếng lượng tử cân bằng biến dạng (laser SB-QW))

Bài viết này xem xét khái niệm cân bằng biến dạng trong các lớp kéo và biến

dạng nén xen kẽ bằng cách sử dụng lý thuyết đàn hồi cổ điển và làm rõ một số

vấn đề liên quan đến định nghĩa biến dạng và không khớp Tiêu chí cân bằng biến dạng được lấy từ điều kiện ứng suất trong mặt phẳng trung bình bằng 0 và được so sánh với hai mô hình có trọng số độ dày thường được sử dụng, dựa trên tham số biến dạng và mạng tương ứng Điều kiện ứng suất bằng không giải thích đầy đủ sự khác biệt về tính chất đàn hồi của các lớp và thiết lập định nghĩa thực sự cho cấu trúc cân bằng biến dạng, trong giới hạn của lý thuyết đàn hồi tuyến tính Tính hợp

lệ của các mô hình có trọng số độ dày được thảo luận trong bối cảnh dung sai tăng trưởng epiticular, cho thấy rằng đối với một số thiết kế thiết bị, việc lựa chọn mô hình cân bằng biến dạng là rất quan trọng để tăng trưởng thành công Sự khác biệt trong các mô hình cân bằng biến dạng có ảnh hưởng đến việc mô tả đặc tính Ví

dụ, so sánh giữa các đường cong rung chuyển tia X mô phỏng từ các cấu trúc dựa trên tham số mạng có trọng số độ dày và ứng suất bằng 0 cho thấy sự trùng hợp của vệ tinh bậc 0 với đỉnh Bragg nền không tương ứng với tình huống ứng suất

bằng 0 , nhưng gần đúng với phương pháp tham số mạng trung bình Việc xác định

chính xác cấu trúc cân bằng biến dạng chính xác đòi hỏi phải có sự thống nhất giữa các đường cong rung chuyển tia X được đo bằng thực nghiệm và mô phỏng

 Ngoài bán dẫn (nguyên khối) (không giới hạn chiều) và giếng lượng tử (giới hạn 1D) ra thì có các loại khác như dây lượng tử (giới hạn 2D) và chấm lượng tử (giới hạn 3D)

→ Về chiều chuyển động: các hạt tải điện có thể di chuyển trong bao nhiêu hướng (chiều) thì tương ứng với bấy nhiêu bậc tự do

 Trong chất bán dẫn khối có n=3: tức là electron hoặc một lỗ trống có thể chuyển động tự do dọc theo 3 hướng x,y và z ⇒ các sóng có thể tự do di chuyển trong không gian 3 (theo mọi hướng)

 QW (giếng lượng tử) có n=2: nghĩa là electron hay lỗ trống là hạt tải điện có thể di chuyển theo 2 hướng ⇒ sự giam cầm lượng tử đang diễn ra theo 1 hướng mũi tên nên dọc theo hướng này thì các electrom và lỗ trống không

giam cầm lượng sẽ dọc theo cả 3 chiều (mức độ tự do bị giới hạn hoàn toàn)

→ không thể di chuyển

 So sánh giữa vật liệu nguyên khối và giếng lượng tử:

o Vật liệu bán dẫn (nguyên khối): Khi kích thước vật liệu lớn (độ dày khoảng A), các hạt hoạt động như tự do và vùng cấm vẫn ở mức năng lượng ban đầu

o Giếng lượng tử là môi trường bán dẫn lớp mỏng, độ dày của giếng

lượng tử thường là 5 - 20 nm và các hạt tải bị giam giữ trong giếng này

o Sự giam cầm lượng tử là một hiệu ứng trong đó kích thước của vật

liệu tương đương với bước sóng de Broglie của các electron (điều

này xảy ra trong vùng hoạt động của tia laser) Vì kích thước vật liệu quá nhỏ, điển hình là ở quy mô nano, phổ năng lượng trở nên rời rạc

và khoảng cách dải trở nên phụ thuộc vào kích thước

3 Ưu điểm

Đòi hỏi dòng điện ít hơn để đạt đến ngưỡng phát laser so với Laser Diode thông thường và cực kỳ hiệu quả → Dòng điện ngưỡng cực thấp

Công suất đầu ra cao

Hiệu suất lượng tử cao (photon phát ra trên mỗi electron vào) phần lớn bị hạn chế bởi sự hấp thụ quang của các electron và lỗ trống

Tốc độ điều chế cao

Có khả năng điều chỉnh bước sóng

VI Ứng dụng

 Trong truyền thông cáp quang:

→ Internet và truyền thông qua mạng cáp quang phụ thuộc vào laser diode

→ cung cấp sóng tần số cao để điều chế tín hiệu tần số thấp → Sử dụng laser với cáp quang cho đường truyền 100terabit/s

 Bút laser (laser pointer)

 Lưu trữ dữ liệu trên CD hoặc DVD

 Trong đĩa Compact thông tin được mã hóa dưới dạng mã nhị phân, ghi lên một đĩa với các tín hiệu là các hốc và rãnh

 Người ta dùng một LASER bán dẫn loại (AlGa)As có bước sóng 0.83 µm chiếu lên các hốc và rãnh này, khi đĩa quay tia phản xạ trên mặt các hốc của đĩa này được truyền qua một hệ quang học và thu qua một photodiode

 Làm nguồn bơm trong laser trạng thái rắn

 Máy đọc mã vạch bằng Laser:

Các máy quét mã vạch dùng tia sáng laser cho ra tia sáng rất mãnh cắt ngang bề mặt mã vạch Các máy quét mã vạch dùng tia sáng laser cho ra tia sáng rất mãnh cắt ngang bề mặt mã vạch Ưu điểm của các máy quét dùng tia laser là quét rất

→ Chùm tia laser hẹp cho phép kiểm soát chính xác kích thước vết cắt hoặc lỗ, trong khi cường độ cao của tia laser có thể loại bỏ vật liệu một cách hiệu quả.

 Những tia laser này được sử dụng trong y học cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm y khoa (phát hiện khối u trong não), nhãn khoa, nha khoa…

 Laser giếng lượng tử được sử dụng trong các ứng dụng quân sự và phòng thủ, chẳng hạn như chỉ định mục tiêu, tìm kiếm phạm vi laser và vũ khí laser

→ Có Công suất và độ chính xác cao.

VII Tài liệu tham khảo

Photonics Spectra

Semiconductor_Lasers_Masoller_ictp_2013.pdf?

fbclid=IwAR3YH5RbQixjc000IK5OJdKCDE4JF029LOvOLu5RPxl fBceiEe31fD2Qs00

https://www.youtube.com/watch?v=Cct2F-fp9SA&ab_channel=GyanSampada