Nghiên cứu một số đặc trưng cơ bản của taper laser diode công suất cao vùng 670nm

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN MINH TUẤN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA TAPER LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO VÙNG 670nm LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ THÁI NGUYÊN – 2018 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN MINH TUẤN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA TAPER LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO VÙNG 670nm Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Trần Quốc Tiến THÁI NGUYÊN - 2018 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan dƣới khóa luận tốt nghiệp riêng tôi, dƣới hƣớng dẫn TS Trần Quốc Tiến - Phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học công nghệ Việt Nam Tất kết số liệu khóa luận trung thực có đƣợc từ nghiên cứu mà thực q trình làm luận văn phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học công nghệ Việt Nam Ngƣời làm luận văn Nguyễn Minh Tuấn Lời cảm ơn Cuốn luận văn đƣợc hồn thành q trình tơi làm việc phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học công nghệ Việt Nam Lời tơi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Trần Quốc Tiến, ngƣời hƣớng dẫn thực luận văn Trong suốt trình thực luận văn, thầy ln hƣớng dẫn bảo tận tình, giúp tơi hồn thành luận văn cách tốt Tôi xin chân trọng cảm ơn anh chị phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học công nghệ Việt Nam động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho thực luận văn Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, thầy khoa Vật lí - Cơng nghệ, cán phòng Đào tạo trƣờng Đại học Khoa học Đại học Thái Nguyên, cho kiến thức, kinh nghiệm vô quý giá cững nhƣ giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu Trƣờng THPT Triệu Quang Phục, anh chị em đồng nghiệp nơi công tác, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu Cuối tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, ngƣời bên tôi, động viên khích lệ tơi q trình thực đề tài nghiên cứu Thái Nguyên, ngày 12 tháng năm 2018 Nguyễn Minh Tuấn MỤC LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT i DANH MỤC HÌNH ii DANH MỤC BẢNG iii MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO PHÁT XẠ VÙNG SÁNG ĐỎ 1.1 Các vấn đề laser bán dẫn 1.1.1 Sự phát xạ hấp thụ bán dẫn 1.1.2 Cấu trúc dị thể thành phần laser bán dẫn 1.1.3 Khuếch đại quang ngƣỡng phát laser 1.1.4 Laser bán dẫn dị thể laser giếng lƣợng tử 11 1.2 Laser bán dẫn công suất cao 13 1.2.1 Laser bán dẫn buồng cộng hƣởng rộng (LOC) 13 1.2.2 Đặc điểm laser bán dẫn hoạt động chế độ công suất cao 13 1.3 Các đặc trƣng laser bán dẫn công suất cao 14 1.3.1 Đặc trƣng quang điện 14 14 1.3.2 Đặc trƣng phổ phát xạ 15 15 1.3.3 Đặc trƣng tính chất chùm tia 17 16 CHƢƠNG KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 19 19 2.1 Laser bán dẫn taper công suất cao phát xạ vùng sóng 670 nm 19 19 2.1.1 Phƣơng pháp kỹ thuật chế tạo cấu trúc, hình dạng chip laser bán dẫn vùng 670nm 19 19 2.1.2 Phƣơng pháp kỹ thuật đóng gói, chế tạo mẫu laser cơng suất cao 670 nm 19 19 2.1.3 Các thơng số kỹ thuật laser taper đƣợc nghiên cứu 21 21 2.2 Hệ ổn định điều khiển nhiệt độ làm việc cho laser bán dẫn công suất cao 22 2.2.1 Nguồn nuôi điều khiển pin Peltier 22 22 2.2.2 Hệ pin nhiệt điện đế tỏa nhiệt cho laser công suất cao 23 23 2.3 Phƣơng pháp đo đặc trƣng quang điện laser bán dẫn công suất cao 25 25 2.3.1 Đặc trƣng I-V 25 25 2.3.2 Đặc trƣng P-I 26 26 2.4 Kỹ thuật đo phổ phát xạ laser bán dẫn công suất cao 26 26 2.5 Phƣơng pháp khảo sát tính chất chùm tia laser taper 27 28 CHƢƠNG KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 Tính chất quang điện laser bán dẫn cơng suất cao taper phát vùng bƣớc sóng 670 nm 30 31 3.1.1 Đặc trƣng dòng (I-V) 30 30 3.1.2 Đặc trƣng công suất phát xạ phụ thuộc dòng bơm (P-I) 31 31 3.1.3 Hiệu suất độ dốc hiệu suất biến đổi điện quang 33 33 3.1.4 Khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ lên đặc trƣng quang điện 34 3.2 Tính chất phổ phát xạ laser bán dẫn công suất cao taper phát vùng 670nm 36 36 3.2.1 Phổ phát xạ laser 36 36 3.2.2 Sự phụ thuộc vào dòng bơm phổ phát xạ 37 38 3.2.3 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ phổ phát xạ 38 39 3.3 Tính chất chùm tia laser bán dẫn công suất cao taper phát vùng 670 nm 39 3.3.1 Phân bố trƣờng xa chùm tia 39 3.3.2 Độ rộng cổ chùm tính tốn số truyền M2 41 3.4 Phân tích kết khảo sát đặc trƣng laser bán dẫn công suất cao taper phát vùng 670 nm đánh giá khả ứng dụng làm nguồn bơm hệ laser rắn Cr3+ 43 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO: 47 i DANH MỤC VIẾT TẮT VIẾT TẮT BA TIẾNG ANH Broad-Area TIẾNG VIỆT Dải rộng Công suất cao CSC DFB Distributed FeedBack Phản xạ hồi tiếp MQW Multi Quantum Well Đa giếng lƣợng tử LOC Large Optical Cavity Buồng cộng hƣởng rộng LED Light Emitting Diode Ánh sáng phát từ diode Separate-Confinement Dị chuyển tiếp giam giữ Heterostructure tách biệt Thermoelectric Cooler Bộ làm lạnh nhiệt điện SCH TEC ii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Các q trình quang vật chất Hình 1.2: Chuyển tiếp cấu trúc dị thể kép phân cực thuận Hình 1.3: Sơ đồ cấu tạo(a), giản đồ lượng(b), phân bố chiết suất(c), ánh sáng(d) laser diode dị thể kép Hình 1.4: Sự giam giữ hạt tải điện (điện tử, lỗ trống) điện trường (photon) sử dụng cấu trúc dị thể kép theo trục thẳng đứng x laser bán dẫn phát cạnh Sơ đồ vùng lượng E(x) với vùng dẫn vùng hóa trị (trên), phân bố chiết suất n(x) dẫn sóng điện môi (giữa), phân bố điện trường  (x ) mode quang chạy dọc theo hướng z Hình 1.5: Một sóng đứng có m = buồng cộng hưởng Fabry-Perot với chiều dài buồng cộng hưởng L Hình 1.6: Độ khuếch đại quang phụ thuộc vào lượng photon tính cho mật độ hạt tải khác tiêm vào lớp tích cực InGaAsP Hình 1.7: Đặc trưng I-V laser bán dẫn 15 Hình 1.8: Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dòng bơm laser bán dẫn công suất cao 15 Hình 2.1: Cấu trúc epitaxy chip laser bán dẫn 670 nm 19 19 Hình 2.2: Mơ hình chíp laser hàn đế đồng 20 20 Hình 2.3 : Cấu trúc Taper, với L1 độ dài phần tạo dao động, L2 chiều dải Taper, w1 độ rộng vùng tạo dao động .21 21 Hình 2.4 : Một số cấu hình đóng gói laser taper 21 Hình 2.5: Nguồn ni laser ITC4005 23 23 Hình 2.6: Pin nhiệt điện 23 Hình 2.7: Hệ thống làm lạnh thiết bị nhiệt điên Peltier 24 24 Hình 2.8: Sơ đồ phương pháp đo đặc trưng I-V Laser 26 26 Hình 2.9: Sơ đồ đo phổ laser 27 27 Hình 2.10: Máy phân tích phổ quang Advantest Q8384 OSA 27 Hình 2.11: Phương pháp đo độ rộng cổ chùm tia, sử dụng kỹ thuật quét khe hẹp 28 Hình 2.12: Dịch chuyển khe để đo phân bố mật độ công suất 28 Hình 2.13: Sơ đồ minh họa phương pháp đo phân bố trường xa 29 Hình 2.14: Minh họa thơng số chùm tia 29 29 Hình 3.1: Đặc trưng I-V laser taper φ = 30 30 30 Hình 3.2: Đặc trưng I-V laser taper φ = 40 .31 31 Hình 3.3: Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dòng bơm laser taper o 33 32 Hình 3.4: Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dòng bơm laser taper 40 34 33 Hình 3.5: Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dòng bơm nhiệt độ khác laser taper 3o 35 34 Hình 3.6: Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dòng bơm nhiệt độ khác laser taper 4o 35 36 Hình 3.7:Phổ quang laser bán dẫn giá trị khác 36 36 Hình 3.8: Phổ quang laser taper 40 giá trị dòng hoạt động khác nhau, nhiệt độ hoạt động 25oC 37 Hình 3.9: Phổ quang laser taper 40 dòng hoạt động 600 mA với giá trị nhiệt độ hoạt động khác 38 Hình 3.10: Phân bố trường xa laser cấu trúc taper 3o 39 Hình 3.11: Phân bố trường xa laser cấu trúc taper 3o theo hướng song song với chuyển tiếp dòng bơm khác 40 Hình 3.12: Phân bố trường xa laser cấu trúc taper 3o nhiệt độ khác 40 Hình 3.13: Phân bố trường xa laser cấu trúc taper 4o 41 Hình 3.14: Phân bố cường độ cơng suất theo vị trí cổ chùm 42 iii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Giá trị giới hạn laser taper 2121 Bảng 2.2: Thông số hoạt động tối ưu laser taper 2122 Bảng 2.3: thông số kỹ thuật laser teper 250C 2222 Bảng 3.1: Dòng ngưỡng phụ thuộc theo nhiệt độ LD taper 30 34 Bảng 3.2: Hiệu suất độ dốc phụ thuộc theo nhiệt độ LD taper 4o 3637 Bảng 3.3: Các giá trị đỉnh phổ theo dòng hoạt động laser taper 40 37 Bảng 3.4: Sự phụ thuộc đỉnh phổ theo nhiệt độ laser cấu trúc taper 4o 39 Bảng 3.5: Các thông số chùm laser taper cấu trúc 3o 4o 42 MỞ ĐẦU Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) thiết bị tạo chùm ánh sáng có cƣờng độ mạnh có tính đơn sắc, kết hợp có tính chuẩn trực cao Bƣớc sóng (màu sắc) ánh sáng laser ánh sáng đơn sắc đƣợc so sánh với nguồn sáng khác, tất photon (lƣợng tử) tạo nên chùm laser có mối quan hệ pha cố định (tính kết hợp cao) Ánh sáng laser có tính phân kỳ thấp, qua khoảng cách lớn đƣợc tập trung tới điểm sáng nhỏ với cƣờng độ sáng lớn Do có tính chất q báu này, laser đƣợc sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực sống Từ laser diode bán dẫn đƣợc cơng bố vào năm 1962 Kể từ đến nay, trải qua nhiều giai đoạn phát triển, tính kỹ thuật laser diode khơng ngừng đƣợc hoàn thiện Từ chỗ ban đầu laser đơn chuyển tiếp có dòng ngƣỡng phát laser cao, hoạt động đƣợc nhiệt độ thấp công suất quang lối nhỏ (khoảng mW) vùng hồng ngoại gần Đến laser bán dẫn dựa sở dị chuyển tiếp kép dạng vật liệu khối hay đa giếng lƣợng tử (MQW) với dòng ngƣỡng phát laser thấp (đối với laser cơng suất thấp), hoạt động đƣợc nhiệt độ phòng cao Với loại vật liệu bán dẫn khác ngƣời ta chế tạo loại laser bán dẫn với bƣớc sóng phát nằm dải từ vùng tử ngoại đến hồng ngoại có cơng suất phát từ µW đến hàng chục W cho đơn chíp laser Laser bán dẫn cơng suất cao đời đem lại nhiều ứng dụng thiết thực y tế, cơng nghiệp, an ninh quốc phòng, nhƣ đời sống hàng ngày Đặc biệt Laser bán dẫn ổn định bƣớc sóng vùng đỏ với cơng suất cao, phổ hẹp, chất lƣợng chùm tia tốt có nhiều ứng dụng nhƣ: sử dụng quang phổ Raman [18], phổ nguyên tử [11], làm nguồn bơm cho laser rắn Cr:LiSAF [16], phát hòa ba bậc hai (SHG) tạo xạ UV [10] Trong luận văn này, chúng tơi nghiên cứu số tính chất vật lý quan trọng laser bán dẫn công suất cao phát vùng sóng ánh sáng đỏ nhằm mục đích nghiên cứu, tìm hiểu laser nhƣ phục vụ cho mục đích ứng dụng khác Đặc trƣng đƣợc quan tâm laser diode công suất cao phát vùng sóng 670nm cơng suất phát phụ thuộc dòng bơm tính chất chùm tia Đối với laser đƣợc chế tạo với lớp epitaxy nhƣ Laser cấu trúc taper thƣờng có dòng ngƣỡng hoạt động lớn, nhiên chất lƣợng chùm tia laser taper tốt Đặc trƣng cơng suất phụ thuộc dòng bơm đƣợc đo giá trị nhiệt độ khác từ tính đƣợc nhiệt độ đặc trƣng laser cấu trúc loại Sự phân bố mật độ công suất đƣợc đo giá trị dòng khác nhau, nhiệt độ hoạt động khác Hiệu suất ghép nối xạ laser với sợi quang đƣợc tính từ phân bố mật độ công suất laser Các đặc trƣng phổ quang, độ rộng cổ chùm tia đƣợc khảo sát nhằm mục đích tính tốn hệ số truyền chùm tia M2.` Việc nghiên cứu tính chất đặc trƣng nhƣ P-U-I, đặc trƣng phổ, phân bố trƣờng xa, độ rộng cổ chùm, hệ số truyền chùm M laser bán dẫn taper có ý nghĩa quan trọng ứng dụng, đặc biệt thiết kế quang cho mục đích sử dụng khác nhau: Các tính chất đặc trƣng laser đƣợc đo đạc, tính tốn laser bán dẫn cấu cấu trúc taper có góc mở 3o 4o Các kết nghiên cứu đƣợc trình bày ba chƣơng luận văn nhƣ sau: Chƣơng Tổng quan laser bán dẫn cơng suất cao phát xạ vùng sóng đỏ Chƣơng Kỹ thuật thực nghiệm Chƣơng Kết khảo sát đặc trƣng thảo luận CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO PHÁT XẠ VÙNG SÁNG ĐỎ 1.1 Các vấn đề laser bán dẫn 1.1.1 Sự phát xạ hấp thụ bán dẫn Trong điều kiện bình thƣờng, hầu hết loại vật liệu hấp thụ ánh sáng nhiều phát xạ Hình 1.1 mơ tả q trình hấp thụ ánh sáng, E E2 tƣơng ứng với mức lƣợng mức lƣợng kích thích nguyên tử mơi trƣờng hấp thụ Nếu photon có lƣợng h với  tần số ánh sáng đến với độ lệch lƣợng E g = E2 – E1 lƣợng photon bị hấp thụ nguyên tử, kết nguyên tử trạng thái mức lƣợng đƣợc chuyển lên trạng thái mức lƣợng kích thích Ánh sáng tới bị suy hao trình hấp thụ Thơng thƣờng, ngun tử tồn bền vững mức lƣợng nền, tồn mức lƣợng cao có xu hƣớng chuyển mức lƣợng thấp sau khoảng thời gian định Vì thế, nguyên tử mức lƣợng kích thích chuyển mức lƣợng giải phóng lƣợng hay phát xạ ánh sáng Quá trình phát xạ phân làm hai loại trình phát xạ tự phát phát xạ kích thích nhƣ mơ tả hình 1.1 Trong trƣờng hợp phát xạ tự phát, photon đƣợc phát xạ có hƣớng pha ngẫu nhiên Trong trƣờng hợp phát xạ kích thích, thời điểm nguyên tử mức lƣợng kích thích có photon khác đến làm tác nhân kích thích nguyên tử chuyển từ trạng thái kích trạng thái phát xạ photon ánh sáng pha tần số với ánh sáng kích thích Quá trình đƣợc sử dụng để khuếch đại xạ quang Tất laser, bao gồm laser bán dẫn phát xạ dựa trình phát xạ kích thích, ánh sáng phát xạ laser đƣợc gọi ánh sáng kết hợp Hình 1.1 Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng vật liệu bán dẫn Xét mơ hình hệ thống nguyên tử đơn giản gồm hai mức lƣợng tƣơng tác trƣờng điện từ nhƣ mơ tả hình 1.1 Nếu N1 N2 lần lƣợt mật độ nguyên tử mức lƣợng mức lƣợng kích thích ρem() mật độ phổ lƣợng điện từ, biểu thức tƣơng ứng tốc độ phát xạ tự phát, tốc độ phát xạ kích thích tốc độ hấp thụ đƣợc mô tả nhƣ sau Rspom = AN1, Rstim = BN2 ρem , Rabs = B’N1 ρem , (1.1) với A, B B’ số Trong điều kiện cân nhiệt, mật độ hạt nguyên tử đƣợc phân bố theo trình Boltzmann, N2 / N1 = exp( - Eg / kBT) = exp( -hkBT) (1.2) với kB số Bolztmann T nhiệt độ tuyệt đối Bởi N1 N2 khơng đổi theo thời gian điều kiện cân nhiệt nên tốc độ chuyển mức AN2 + BN2 ρem = B’ N1 ρem (1.3) Thay (1.2) vào (1.3), hàm mật độ phổ ρem trở thành ρem = A/ B ( B ' / B ) exp( h / k BT )  (1.4) Trong điều kiện cân nhiệt, 𝜌𝑒𝑚 đồng với mật độ phổ phát xạ blackbody đƣa công thức Plank 8h / c ρem = exp(h / k BT )  (1.5) So sánh hai biểu thức (1.4) (1.5) rút đƣợc mối quan hệ sau A = (8πhc3)B; B’ = B (1.6) Hai kết luận quan trọng đƣợc rút qua biểu thức từ (1.1) đến (1.6) Thứ nhất, Rspon vƣợt Rstim Rabs 𝑘𝐵𝑇 > h𝜐, tức điều kiện nhiệt độ cao Thứ hai, phát xạ vùng nhìn thấy vùng hồng ngoại (h𝜐 ~1𝑒𝑉), trình phát xạ tự phát thƣờng chiếm ƣu phát xạ kích thích điều kiện cân nhiệt nhiệt độ phòng (𝑘𝐵𝑇 ≈ 25 𝑚𝑒𝑉) Rstim = [exp(h𝜐/kBT) – 1]-1 N1 Điều kiện đƣợc gọi điều kiện đảo lộn mật độ, khơng xảy điều kiện cân nhiệt Điều kiện đảo lộn mật độ tiên hoạt động laser Trong hệ nguyên tử, điều đạt đƣợc cách sử dụng chế bơm hay mức cho nguồn lƣợng bên làm chuyển mật độ hạt mức lên mức cao Mặc dù q trình bơm đƣợc cung cấp kích thích quang cặp điện tử lỗ trống, ƣu điểm laser bán dẫn so với loại laser khác chúng dễ dàng bơm dòng điện diode bán dẫn đƣợc phân cực thuận nhƣ hình 1.2 Vì lý này, laser bán dẫn đƣợc bơm điện đƣợc gọi laser diode Tất laser diode bán dẫn sử dụng cấu trúc dị thể kép phân cực thuận để đạt đƣợc đảo mật độ hạt tải cách dễ dàng Trong dạng cấu trúc này, lớp bán dẫn không pha tạp với vùng cấm thẳng đƣợc kẹp vật liệu pha tạp loại n loại p với chiết suất cao Hình 1.2: Chuyển tiếp cấu trúc dị thể kép phân cực thuận Để thu đƣợc mật độ photon cao laser bán dẫn, dẫn sóng quang đƣợc tạo để giam giữ photon miền tích cực linh kiện Hơn nữa, buồng cộng hƣởng quang, hầu hết Fabry-Perot, đƣợc sử dụng để tăng mật độ photon buồng cộng hƣởng Một laser bán dẫn dùng nhƣ dao động quang bao gồm môi trƣờng khuếch đại buồng cộng hƣởng để tạo khuếch đại hồi tiếp 1.1.2 Cấu trúc dị thể thành phần laser bán dẫn Trong lớp chuyển tiếp p - n hạt tải điện không đƣợc giam giữ vùng ... TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN MINH TUẤN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA TAPER LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO VÙNG 670nm Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Ngƣời... Hình 3.2: Đặc trưng I-V laser taper φ = 40 .31 31 Hình 3.3: Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dòng bơm laser taper o 33 32 Hình 3.4: Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dòng bơm laser taper 40... mẫu laser cơng suất cao 670 nm 19 19 2.1.3 Các thơng số kỹ thuật laser taper đƣợc nghiên cứu 21 21 2.2 Hệ ổn định điều khiển nhiệt độ làm việc cho laser bán dẫn công suất cao