Laser bán dẫn công suất cao Taper buồng cộng hưởng 4 mm được ổn định bước sóng bằng cách tử phản xạ Bragg. Hệ laser đạt công suất phát quang đến 1 W tại nhiệt độ làm việc 25oC. Bước sóng laser hoạt động ổn định tại 670,95 nm với độ đơn cao.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 137 (2019) 080-083 Tính chất phổ tính chất chùm tia laser bán dẫn taper công suất cao buồng cộng hưởng dài phát xạ vùng đỏ hồi tiếp quang cách tử phản xạ Bragg Spectral Properties and Beam Quality of Long Cavity High Power Semiconductor Tapered Lasers Emitting at Red Region using Reflecting Bragg Grating Nguyễn Thanh Phương Trường Đại học Bách khoa Hà Nội -Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam Đến Tòa soạn: 02-11-2018; chấp nhận đăng: 27-9-2019 Tóm tắt Laser bán dẫn cơng suất cao Taper buồng cộng hưởng mm ổn định bước sóng cách tử phản xạ Bragg Hệ laser đạt công suất phát quang đến W nhiệt độ làm việc 25oC Bước sóng laser hoạt động ổn định 670,95 nm với độ đơn cao Chất lượng chùm tia thể qua hệ số truyền chùm M2 mức 1/e2 gần đạt tới giới hạn nhiễu xạ chùm Gauss với mức công suất quang tới 0,5 W Ở công suất cao hơn, hệ số truyền chùm tăng lên đáng kể nở rộng đường kính cổ chùm Từ khóa: laser bán dẫn Taper, cách tử phản xạ Bragg, ổn định bước sóng Abstract High power semiconductor Tapered lasers with cavity length of mm are stabilized their wavelength with a Reflecting Bragg Gratting The laser system reaches W optical output power at working temperature of 25oC The laser operates completely single longitudinal mode and stable at wavelength of 670,95 nm The laser beam quality that is defined by the beam propagation ratio M2 at 1/e2 intensity profile level is approximate the diffraction-limited value of the perfect Gauss beam ultil the optical output power of 0,5 W In higher optical power, the beam propagation ratio increases remarkably because of diameter beam waist broadening Keywords: semiconductor Tapered laser, Reflecting Bragg Gratting, wavelength stabilizing Mở đầu* hiệu ứng nhiệt Joule Một lọai laser khác laser “nguyên khối” MOPA (monolithicall MasterOscillator PowerAmplifiers) [2] Loại laser độ dịch đỉnh phổ phụ thuộc vào phần MO mà không phụ thuộc vào dòng khuếch đại Các laser có cấu tạo Taper [3], có cơng suất hàng W, bước sóng phụ thuộc mạnh vào dòng bơm nhiệt độ Để thỏa mãn điều kiện cơng suất bước sóng ổn định, mơ hình cách tử phản xạ Bragg (RBG) sử dụng để khóa bước sóng laser vị trí định Trong báo này, sở lý thuyết việc khóa bước sóng laser Taper phân tích Thực nghiệm tiến hành laser Taper khóa bước sóng 671 nm Các đặc trưng cơng suất đặt chuyển tiếp phụ thuộc dòng bơm laser Taper có sử dụng cách tử phản xạ Bragg phát xạ 671 nm khảo sát Sự ổn định bước sóng theo dòng bơm đo tới 1,7 A Phân bố không gian trường xa khảo sát từ cho ta biết chất lượng chùm tia laser thông qua hệ số truyền M2 Trong ứng dụng sử dụng laser, hàng năm thống kê tạp chí Laser Focus World, laser bán dẫn chiếm gần 50% tổng số Sở dĩ laser bán dẫn có ưu ưu điểm nội trội Đầu tiên laser bán dẫn có kích thước vơ gọn nhỏ so với loại laser khác Sau việc bơm laser bán dẫn đơn giản, sử dụng nguồn điện chiều liên tục xung Do điều chỉnh cơng suất phát dễ dàng, hiệu suất hẳn loại laser khác Việc tối ưu hóa laser nói chung bán dẫn nói riêng nhằm tới mục đích nâng cao cơng suất phát laser, tăng hiệu suất biến đổi điện quang, giảm độ rộng vạch phổ, ổn định tần số phát laser Có nhiều giải pháp đưa với mục đích tạo laser bán dẫn vừa có công suất cao đồng thời chất lượng chùm tia tốt Các loại laser bán dẫn cho công suất khoảng W chất lượng chùm tia tốt laser phản hồi phân bố (DFB laser) [1] Các laser có độ rộng phổ siêu hẹp, chùm tia có dạng gần Gauss Tuy nhiên, laser bán dẫn buồng cộng hưởng nội nói chung có bước sóng trung tâm phụ thuộc mạnh vào dòng bơm nhiệt độ làm việc laser * Địa liên hệ: Tel.: (+84) 936132266 Email: Phuong.nguyenthanh@hust.edu.vn 80 Tạp chí Khoa học Công nghệ 137 (2019) 080-083 Cấu tạo laser sở phương pháp ổn định bước sóng = Laser Taper 670 nm có cấu trúc giếng lượng tử đơn GaInP phát triển vật liệu GaAs Ferdinand-Braun-Institut Berlin, với bề dày miền tích cực khoảng m Toàn chiều dài chip laser mm, phần dẫn sóng gò có chiều dài mm, phần Taper khuếch đại có góc mở = 3° Mặt sau laser phủ màng phản xạ với hệ số 95%, mặt trước phủ lớp chống phản xạ có hệ số phản xạ 1% (hình 1) 2Λ (1) Trong là chu kỳ cách tử Bragg, neff chiết suất hiệu dụng cách tử, số nguyên m tương ứng bậc cách tử Chỉ bước sóng B thỏa mãn cơng thức phản xạ trở lại khuếch đại Như cách tử lựa chọn phải có bước sóng nằm vùng phổ khuếch đại laser Taper. Hình phổ khuếch đại laser Taper đo nhiệt độ 25oC tương ứng với đường đứt nét, đỉnh phổ nằm khoảng 669 nm Đường màu đỏ nét liền bước sóng phản xạ cách tử Bragg, nằm hoàn toàn vùng phổ khuếch đại laser C- ờng độ t- ơng đối / đ.v.t.đ 1.0 Hỡnh Cấu trúc Taper chip laser bán dẫn mm với góc = 3° Chíp laser gắn lên đế CuW đế vi quang AlN hàn lên đế tản nhiệt CCP (Conduction Cooled Package) Cách tử phản xạ Bragg sử dụng chế tạo OptiGrate có kích thước 3,5 x 1,5 x 2,5 mm (tương ứng chiều dài x rộng x cao) RGB có bước sóng phản xạ 671 nm, hệ số phản xạ góc tới chùm tia = 0o đạt 90%, độ chọn lọc phổ < 100 pm, bước sóng dịch theo nhiệt độ pm/K Cách tử gắn lên đế tản nhiệt keo epoxy (hỡnh 2) Phổkhuếch đạ i B- c sóng RGB 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 664 666 668 670 672 674 676 678 B- í c sãng / nm Hình Phổ khuếch đại laser Taper vùng bước sóng 670 nm (đường đứt nét màu đen) bước sóng phản xạ cách tử Bragg 671 nm (đường liền nét màu đỏ) Kết thực nghiệm Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dòng bơm đo đến giá trị I = 1,7 A Đường liền nét hình cơng suất laser Taper khơng sử dụng cách tử ổn định bước sóng, đường đứt nét đặc trưng cơng suất có cách tử Bragg Dòng ngưỡng khơng thay đổi Ith = 0,54 A Tại dòng bơm cực đại cơng suất laser Taper 1,1 W, sử dụng RBG công suất giảm 1,0 W, cơng suất giảm khoảng 11% Từ ngưỡng đến 1,4 A hai đường đặc trưng tăng tuyến tính, cho hiệu suất độ dốc 0,98 W/A 0,87 W/A Dòng bơm lớn 1,4 A đường đặc trưng bắt đầu ngả xuống, hiệu suất độ dốc giảm Hiện tượng phổ biến laser bán dẫn công suất cao nguyên nhân cho dòng bơm lớn dẫn đến dòng rò tăng, mát nội tăng nhiệt độ tăng làm giảm thời gian tái hợp hạt tải [4] Thế đặt chuyển tiếp laser tăng từ 1,6 V đến 2,5 V, giống hai lần đo việc sử dụng RBG khơng tác động đến cấu trúc laser (đường chấm chấm màu đen) Hình Cấu hình chip laser bán dẫn Taper kết hợp cách tử phản xạ Bragg (RBG) Cơ sở phương pháp ổn định bước sóng mặt lý thuyết sau: thân laser Taper có chế lọc lựa sóng cấu trúc phần dẫn sóng gò, nhiên chế lọc lựa nội nên bước sóng phụ thuộc mạnh vào dòng bơm nhiệt độ chuyển tiếp Phần tín hiệu khỏi gương trước đến đập vào RBG Cách tử Bragg tuân theo điều kiện: 81 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 137 (2019) 080-083 hiệu ứng đốt cháy lỗ không gian tượng chiết suất thay đổi không đồng nhiệt độ cao dẫn đến phổ laser Taper bị nở rộng Bên cạnh đỉnh phổ bị dịch hiệu ứng Joule sinh buồng cộng hưởng laser [4] Khi sử dụng RGB bước sóng thu bị “khóa” vị trí 670,95 nm Độ rộng phổ 10% cường độ tăng lên công suất cao nhiên 0,18 nm công suất 1W Phổ thu hồn tồn khơng có mode bên Phổ laser Taper dùng RGB đo hàm dòng bơm tới 1,7 A thể hình Phổ đo từ 0,4 A với bước thay đổi 0,1 A Đỉnh phổ hoàn toàn ổn định 670,95 nm khơng có mode bên 1.4 2.5 1.2 1.0 Laser Taper Laser Taper + RBG 1.5 0.8 0.6 1.0 0.4 0.5 0.2 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Dòng điện I / A 1.4 Công suất quang P / W Hiệu điện thếU / V 2.0 0.0 1.8 1.6 C- êng ®é bøc xạ t- ơng đối 674 Hỡnh Cụng sut quang phụ thuộc dòng bơm laser Taper vùng bước sóng 670 nm khơng sử dụng RGB (đường liền nét màu đỏ) sử dụng RGB (đường đứt nét màu xanh) 25oC P = 0,50 W P = 0,25 W C- êng ®é chuÈn hãa laser Taper + RBG laser Taper laser Taper + RBG 0.6 671 672 4,22 nm 0,12 nm 668 669 670 P = 1,00 W 671 671,0 nm C- êng ®é chuÈn hãa laser Taper + RBG laser Taper + RBG 671,6 nm 0.6 = laser Taper 0.4 0.2 2.69 nm 0.15 nm 0.8 1.0 1.2 Dòng điện I / A 1.6 (2) Trong wo độ rộng cổ chùm, góc phân kỳ trường xa theo phương ngang với bước sóng laser 0,18 nm 2,35 nm 1.4 Để xác định chất lượng chùm tia tăng công suất quang hệ laser nghiên cứu, phương pháp đo caustic sử dụng Giá trị hệ số truyền M2 lấy mức 1/e2 profile độ rộng cổ chùm phân bố không gian trường xa [5,6] 672 0.8 laser Taper 0.6 Hình Đặc trưng phổ phụ thuộc dòng bơm laser Taper sử dụng RGB ổn định bước sóng 670,95 nm nhiệt độ làm việc 25oC 0.2 0.0 669 670 1.0 668 P = 0,75 W 670 0.4 0.4 0,03 nm 671 668 669,8 nm 0,74 nm 672 669 laser Taper 670,3 nm 0.8 B- í c sãng / nm 1.0 0.063 0.13 0.19 0.25 0.31 0.38 0.44 0.50 0.56 0.63 0.69 0.75 0.81 0.88 0.94 1.0 673 0.0 668 669 670 671 B- í c sãng / nm 672 668 669 670 671 672 Hình 7a phân bố khơng gian cổ chùm hệ laser công suất quang 0,50 W Tại vị trí 1/e2, độ rộng cổ chùm có giá trị wo = 12 m Độ rộng góc phân kỳ trường xa = 5,4o xác định hình 7b Với bước sóng= 670,95 nm, sử dụng cơng thức (2) tính M2 xấp xỉ 1,33 (lưu ý góc phân kỳ trường hợp đo rad) Tương tự đo đặc trưng phân bố không gian giá trị công suất 0,25 W; 0,75 W W kết chất lượng chùm tia thể bảng B- í c sãng / nm Hình Phổ laser Taper khơng sử dụng RBG sử dụng RBG 25oC công suất quang tương ứng thay đổi từ 0,25 W đến W Kết phân tích đặc trưng phổ trước sau sử dụng RBG laser Taper thể hình Phổ laser Taper đo công suất quang tương ứng từ 0,25 W đến W nhiệt độ làm việc 25oC Ở công suất 0,25 W phổ laser đơn sắc có đỉnh 670,30 nm, nhiên vị trí 10% cường độ, xuất nhiễu mode bên Tại mức cơng suất cao 82 C- êng ®é t- ơng đối / Đ v.t.đ C- ờng độ t- ơng ®èi / § v.t.® Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 137 (2019) 080-083 a) 1/e 12 m -20-15-10 -5 10 15 20 Vịtríx / àm nhit độ 25oC Hiệu suất độ dốc đạt tới 0,87 W/A Việc sử dụng cách tử phản xạ Bragg khóa bước sóng 670,95 nm Chất lượng chùm tia đến 0,50 W gần hồn hảo, cơng suất cao hệ số truyền tăng nguyên nhân độ rộng cổ chùm tăng Như với mơ hình laser Taper sử dụng RBG thỏa mãn tiêu chí: cơng suất quang cao, chất lượng chùm tia tốt đồng thời ổn định bước sóng b) 1/e o 5,4 Lời cảm ơn -15 -10 -5 10 15 Gãc / ° Tác giả cảm ơn Viện Ferdinand Braun, CHLB Đức tài trợ nghiên cứu Hình Phân bố khơng gian cổ chùm (a) trường xa theo phương ngang (b) laser Taper sử dụng RGB ổn định bước sóng cơng suất 0,50 W nhiệt độ làm việc 25oC Tài liệu tham khảo Khi tăng cơng suất laser Taper có sử dụng RBG đến 1W giữ nguyên nhiệt độ làm việc laser 25oC, hệ số truyền tăng đến 3,44 độ rộng cổ chùm vùng công suất cao nở rộng Tuy nhiên, công suất quang 0,50 W, hệ số truyền nhỏ 1,33 gần với giá trị giới hạn nhiễu xạ chùm Gauss hoàn hảo (M2 = 1) Bảng Chất lượng chùm tia thể hệ số truyền phụ thuộc vào công suất quang Công suất P (W) 2 Hệ số truyền M (1/e ) 0,25 0,50 0,75 1,00 1,3 1,33 3,35 3,44 Kết luận Laser bán dẫn Taper sử dụng cách tử phản xạ Bragg cho công suất quang đạt tới W hoạt động 83 [1] S D de Mars, K M Dzurko, R J Lang, D F Welch, D R Scifres, A Hardy, Angled grating distributedfeedback laser with W single-mode, diffractionlimited output at 980 nm, Techn Digest CLEO ’96 (1996), paper CTuC2, 77–78 [2] S O’Brien, D F Welch, R A Parke, D Mehuys, K Dzurko, R J Lang, R Waarts, D Scifres, Operating characteristics of a high-power monolithically integrated flared amplifier master oscillator power amplifier, IEEE J QE 29, (1993), 2052–2057 [3] N Michela, M Krakowskia et al., High-brightness quantum well and quantum dot tapered lasers, Novel In-Plane Semiconductor Lasers VII, Proc of SPIE Vol 6909, (2008), 690918-1-10 [4] P A Govind, K D Niloy, Semiconductor Lasers, Springer US, (1993) [5] H Sun, A Practical Guide to Handling Laser Diode Beams, SpringerBriefs in Physics, Springer (2015) [6] N Reng and B Eppich, Definition and measurements of high power laser beam parameters, Optical and Quantum Electronics, 24, (1992), 973–992 ... (M2 = 1) Bảng Chất lượng chùm tia thể hệ số truyền phụ thuộc vào công suất quang Công suất P (W) 2 Hệ số truyền M (1/e ) 0,25 0,50 0,75 1,00 1,3 1,33 3,35 3,44 Kết luận Laser bán dẫn Taper sử dụng... Hình Phổ laser Taper không sử dụng RBG sử dụng RBG 25oC công suất quang tương ứng thay đổi từ 0,25 W đến W Kết phân tích đặc trưng phổ trước sau sử dụng RBG laser Taper thể hình Phổ laser Taper. .. làm việc laser 25oC, hệ số truyền tăng đến 3,44 độ rộng cổ chùm vùng công suất cao nở rộng Tuy nhiên, công suất quang 0,50 W, hệ số truyền nhỏ 1,33 gần với giá trị giới hạn nhiễu xạ chùm Gauss