Tổng quan về laze bán dẫn

PHẦN 1: MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài Như biết lasre đời năm 1960, từ mở thời kỳ mới, có ý nghĩa to lớn lịch sử kỹ thuật Trong thông tin quang yêu cầu tốc độ truyền dẫn, đòi hỏi điều biến chiều tromg miền GHz sóng mang Khi sử dụng laser với mơi trường hoạt chất màu tán sắc, cường độ xạ phát tăng lên mode lân cận hạn chế tộc độ chuyền dẫn suy hao tán sắc vật liệu sợi quang Vì từ ngững thập kỷ 70 kỷ 20, việc nghiên cứu nguồn phát quang với xạ đơn mode trục dọc, có tốc độ điều biến cao đặt Tuy nhiên với laser sử dụng hoạt chất khí hay rắn, xạ thu có cường độ lớn độ mở rộng phổ lớn trình đa mode làm cho xạ áp dụng công nghệ truyền dẫn quang Với laser bán dẫn thơng thường có nhiều ưu điểm bật cường độ cao, dòng ngưỡng thấp, thời gian hoạt động, …nhưng bị giới hạn ứng dụng truyền thơng q trình đa mode Để hạn chế trình đa mode, chế lựa chọn tần số phát lasre bán dẫn sử dụng chế phản hồi phân bố- phản xạ Bragg Do giới hạn điều kiện Bragg nên xạ laser phát với bước sóng nhất, phù hợp với hệ thống thông tin quang đường dài Với ưu điểm này, laser bán dẫn phản hồi phân bố (DistributedFeedBack- DFBlaser) nhà khoa học gối tập trung nghiên cứu mặt lý thuyết thực nghiệm Bắt đầu từ laser DFB ngăn, laser DFB hai, ba hay nhiều ngăn tập trung nghiên cứu chế độ phát dừng phát xung Các kết khảo sát cho thấy thơng số laser có ảnh hưởng lớn đến đặc trưng xung laser phát điều biến đặc trưng xung laser cách thay đổi phù hợp thông số xung bơm hay xung quang tín hiệu sử dụng DFB laser hệ thống thơng tin quang Nhằm mục đích tìm hiểu góp phần hồn thiện mặt vật lý cơng nghệ laser bán dẫn, mà tơi chon đề tài SKKN: “Tởng quan về Laze bán dẫn” II Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu Laser bán dẫn III Đối tượng phạm vi nghiên cứu Trong giới hạn đề tài này, trình bày cấu tạo, nguyên tắc hoạt 1 động, ứng dụng laser bán dẫn IV Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu thực trạng laser bán dẫn V Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu lý luận dạy học để làm sáng tỏ mặt lý luận vấn đề liên quan đến đề tài 2 PHẦN 2: NỘI DUNG TỔNG QUAN VỀ LASER BÁN DẪN Như biết, xạ laser có nhờ lượng bơm thơng qua hoạt chất đặt buồng cộng hưởng số q trình khác xẩy Thơng thường, lượng phải qua chuỗi biến đổi chuyển thành xạ cưỡng Chẳng hạn, laser kích thích điện, điện trước hết phải chuyển sang động hạt tích điện trường phóng điện, nguyên tử hoạt chất phóng điện kích thích để phát xạ Bức xạ không kết hợp qua loạt trình buồng cộng hưởng đạt khuyếch đại thành xạ laser Với laser kích thích quang, q trình diễn phức tạp Tuy nhiên với laser bán dẫn, lại có chuyển trực tiếp điện sang lượng xạ kết hợp Sự chuyển hóa xẩy diode laser bán dẫn dạng phun Ở kích thích kết trực tiếp cơng tạo nên điện trường đặt hạt tải điện vật chất Quá trình phun hạt tải điện trình hữu hiệu chuyển lượng điện sang lượng xạ cưỡng Tất nhiên khơng phải q trình kích thích bán dẫn thực tế laser bán dẫn họat động nhờ phương pháp kích thích khác nhau, chẳng hạn kích thích quang, hay bắn phá chùm điện tử, v.v Laser bán dẫn có phổ phát xạ rộng khoảng định Bằng phương pháp thay đổi nhiệt độ, thay đổi dòng bơm, sử dụng buồng cộng hưởng lọc lựa thay đổi bước sóng, mặt khác laser bán dẫn có kích thước nhỏ dễ chế tạo giá thành thấp nên đáp ứng yêu cầu công nghệ truyền dẫn quang Các nguồn laser bán dẫn sử dụng loại vật liệu bán dẫn với tiếp giáp p-n để làm môi trường họat, nên đề tài trước hết nghiên cứu số tính chất chất bán dẫn tiếp giáp p-n Laser bán dẫn 1.1 Lịch sử chế tạo laser bán dẫn LASER viết tắt cụm từ Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation nghĩa khuếch đại ánh sáng xạ cưỡng Năm 1960, Herbert Nelson phịng thí nghiệm RCA chế tạo lớp tiếp xúc dị thể dùng LASER bán dẫn Năm 1963, Nikolay Basov cộng sản xuất LASER bán dẫn chế tạo từ GaAs Liên Xô Ngay sau thành tựu này, với nhiệm vụ làm nguồn bơm cho LASER rắn thông thường, LASER bán dẫn thay cho nguồn bơm phức tạp tốn khác Hiện nhà khoa học Mỹ nghiên cứu LASER bán dẫn hồng ngoại mơ hình nhỏ 3 1.2 Cấu tạo laser bán dẫn Laser bán dẫn với môi trường họat chất bán dẫn chế tạo sở tiếp giáp p-n tạo bán dẫn pha tạp khác GaAs, AlGaAs/GaAs hay InGaAsP/InP có cấu trúc dị thể kép, hai mặt bên đánh bóng tạo thành buồng cộng hưởng quang học Trong cơng nghệ đại, hai mặt bên gắn hai gương phản xạ cực nhỏ Nhờ buồng cộng hưởng mà phổ phát laser bán dẫn có tính kết hợp, đơn sắc, chùm laser phát định hướng cơng suất phát lớn nhiều so với diode phát quang (Light Emision Diode - LED) Ngồi nhằm mục đích thay đổi bước sóng, buồng cộng hưởng laser bán dẫn có cấu trúc lọc lựa Đơn giản sử dụng buồng cộng hưởng lọc lựa như: Cách tử Littman cách tử Littrov Phức tạp buồng cộng hưởng dùng cách tử phản xạ Bragg sở trình phản hồi phân bố 1.3 Tạo nghịch đảo mật độ tiếp xúc p-n laser bán dẫn Trong laser bán dẫn dịch chuyển hạt tải xẩy từ vùng dẫn vùng hóa trị Để xuất nghịch đảo mật độ cư trú phương pháp đơn giản tạo chênh lệch hạt tải hai phía tiếp xúc Nếu kết việc đưa dịng điện vào mơi trường họat theo chiều dẫn mà hai vùng dẫn hóa trị xuất số lớn điện tử lỗ trống quay trạng thái cân hạt tải theo hai đường: 1) Hạt tải lượng đến giá trị kT sau va chạm với lưới Đây trình làm lạnh hạt tải đến nhiệt độ lưới Quá trình xẩy thời gian τ1 2) Xuất trình tái hợp điện tử lỗ trống giải phóng lượng dạng xạ Quá trình xẩy thời gian τ2 Νghịch đảo mật độ cư trú bán dẫn xẩy τ1 Eg) Khi q trình bơm cho laser bán dẫn phải cho điều kiện nêu thỏa mãn Cần ý cấu trúc mức lượng chất bán dẫn bị suy biến (cùng giá trị lượng ứng với trạng thái điện tử khác nhau) Do áp vào bán dẫn điện trường theo chiều thuận, cấu trúc lượng thay đổi Khi để mơ tả cách xác q trình định cư điện tử cần đưa hai hàm Fermi, mô tả hai mức giả Fermi ứng với hai vùng dẫn hóa trị 1.4 Các phương pháp kích thích Laser bán dẫn kích thích nhiều phương pháp khác Các phương pháp thường sử dụng là: • Phương pháp kích thích điện trường Khi đặt điện trường mạnh vào chất bán dẫn, điện trường tạo nên điện tử lỗ trống không cân vùng dẫn vùng hoá trị đẩy trực tiếp điện tử nhờ điện trường từ vùng hoá trị lên 4 vùng dẫn để lại lỗ trống • Phương pháp kích thích quang Phương pháp phổ biến với chất bán dẫn có khả phát quang Sự nghịch đảo độ tích luỹ thu nhờ dịch chuyển gián tiếp đó, đồng thời với q trình xạ photon cịn có xạ phonon Theo phương pháp này, vai trò định khả hấp thụ photon sóng ngắn dẫn tới mát lượng lớn tích hạt tải mức thấp, cịn hấp thụ photon sóng dài khơng dẫn đến khích thích hiệu suất thấp Ngồi với ánh sáng kích thích dải rộng gặp phải phản xạ ánh sáng bề mặt làm giảm hệ số hiệu dụng Trong thực tiễn, để tránh thiếu sót nói người ta sử dụng nguồn laser để kích thích nguồn laser bán dẫn chuyển xạ laser từ vùng bước sóng ngắn sang vùng bước sóng dài • Phương pháp dùng chùm điện tử để kích thích Phương pháp áp dụng cho bán dẫn có độ rộng vùng cấm rộng Để có nghịch đảo độ tích lũy người ta dùng chùm điện tử có lượng lớn bơm vào họat chất Tuy nhiên nhược điểm phương pháp dễ tạo nên khuyết tật bán dẫn làm tăng dịch chuyển khơng xạ • Phương pháp phun hạt tải không cân qua lớp tiếp xúc p-n Trong phương pháp này, điện trường đặt vào bán dẫn tạo dòng dịch chuyển p - n theo chiều thuận Điều dẫn đến khơng địi hỏi điện trường cao laser làm việc chế độ liên tục Hiệu suất phương pháp đạt tới 70% Nội dung phương pháp hiểu sau: hai chất bán dẫn loại p loại n tiếp xúc với nhau, lớp tiếp xúc có hệu điện tiếp xúc, tương ứng với hiệu mức Fermi thành phần p n Hiệu điện ngăn cản khuếch tán điện tử lỗ trống qua miền tiếp xúc p-n Tuy nhiên hiệu điện đặt theo chiều thuận, chắn bị giảm có mặt điện tích khơng gian, làm dễ dàng dịch chuyển điện tử lỗ trống qua lớp tiếp xúc tạo nghịch đảo độ tích luỹ Nguyên tắc làm việc laser bán dẫn Trên sở có nghịch đảo độ tích luỹ, laser bán dẫn hoạt động Nguyên tắc làm việc chung laser bán dẫn là: sau nhờ kích thích bán dẫn có nghịch đảo độ tích luỹ sau thời gian ngắn điện tử lỗ trống chuyển động để tái hợp tạo xạ laser có cường độ lớn Như laser bán dẫn, xạ laser có nhờ tái hợp điện tử lỗ trống Do tái hợp xẩy vùng tương đối lớn so với kích thước hạt tải nên độ rộng xạ cỡ ∆λ = 0.45 A0 Khi giảm nhiệt độ nói chung ∆λ giảm ngược lại 5 6 Nắm chế kích thích nguyên tắc làm việc laser bán dẫn dễ dàng tìm hiểu đặc trưng xạ laser bán dẫn thu từ thực nghiệm Ứng dụng laser bán dẫn 3.1 Trong thơng tin quang: Tín hiệu quang dùng quang sợi LASER bán dẫn Sở dĩ LASER bán dẫn lựa chọn ưu điểm gọn nhẹ, nguồn ni có điện thấp trực tiếp điều khiển dịng điện với tần số cao Sử dụng laser với cáp quang cho đường truyền tới 100 terabit/s 7 3.2.Trong công nghiệp: LASER bán dẫn sử dụng việc đọc đĩa Compact - Trong đĩa Compact thông tin mã hóa dạng mã nhị phân, ghi lên đĩa với tín hiệu hốc rãnh - Người ta dùng LASER bán dẫn loại (AlGa)As có bước sóng 0.83 µm chiếu lên hốc rãnh này, đĩa quay tia phản xạ mặt hốc đĩa truyền qua hệ quang học thu qua photodiode - Đĩa Compact với ưu điểm lưu lượng thông tin chất lượng tuyệt hảo, sử dụng bền, ngồi tìm thơng tin ở vị trí đĩa cách dễ dàng Vì ngày đĩa Compact sử dụng rộng rãi  Ngày cịn có đĩa Blu-ray có cơng suất lưu trữ lớn ghi nội dung độ phân giải cao, gấp lần so với chuẩn DVD trước Loại đĩa có 25 GB nhớ ghi mặt đĩa đơn 12 cm, cho phép thu hình tới 13 (Ở độ phân giải chuẩn DVD, tức khoảng 720*480) so với đĩa 4,7 GB trước thu Đĩa quang có tên Disque Blu-ray áp dụng tia laser màu xanh để nạp dung lượng vào đĩa  Việc sử dụng laser có bước sóng ngắn tăng mật độ lưu trữ thiết bị lưu trữ quang học, bước sóng LASER cỡ 405nm 8  Đầu đọc đĩa CD laser bán dẫn Máy đọc mã vạch laser Các máy quét mã vạch dùng tia sáng laser cho tia sáng mãnh cắt ngang bề mặt mã vạch Ưu điểm máy quét dùng tia laser qt nhạy, xác, quét mã vạch bề mặt cong có khả quét tầm xa 9  Máy in laser Tạo tia laser có cường độ phát xạ thay đổi theo cấp độ xám điểm ảnh (pixel) - Bắn tia laser trải suốt chiều dài trống (theo dòng ảnh) - Như vậy, cường độ tia laser liên tục thay đổi (lúc yếu/lúc mạnh) phụ thuộc vào điện áp điểm ảnh 3.3 Trong y học:  Trong y học LASER ứng dụng theo phương thức sau  Phản ứng quang hóa hiểu sau: phân tử trạng thái trung hịa (ở mức lượng bản) hoạt tính sinh học yếu (thí dụ oxy phân tử tổ chức sinh học) Dưới tác động photon chùm tia Laser phân tử chuyển lên trạng thái kích thích hoạt tính sinh học mạnh mẽ Dùng làm quang châm  Cấu tạo phận điều trị -Bộ phận điều trị gồm 10 kênh, 10 kênh hoàn toàn giống nhau, độc lập với - Mỗi kênh có đầu châm Đầu châm lase bán dẫn có bước sóng 940 nm Tần số điều biến đầu châm thay đổi từ - 100HZ 10 10 + Đầu châm laser có bước sóng 940nm có điểm quý giá, sử dụng chúng làm kim quang học thay kim kim loại châm cứu cổ truyền + Có khả xuyên sâu vào mô – 6cm  Ứng dụng điều trị - Di chứng liệt nửa người tai biến mạch máu não - Bại não trẻ em - Đau thoái hoá cột sống cổ, cột sống thắt lưng - Đau dây thần kinh toạ liệt mặt ngoại biên - Đau quanh khớp vai đau dây thần kinh sau zona Thiết bị LASER bán dẫn quang trị liệu đa bước sóng Multil  Cấu tạo: - LASER quang trị liệu đa bước sóng dựa tảng kỹ thuật thiết bị LASER bán dẫn hồng ngoại chiếu ngồi đầu phát chùm bước sóng 650 nm, tăng cường thêm bước sóng vùng hồng ngoại bước sóng 940 nm - Trong thiết bị, hai tia laser làm việc hai bước sóng khác kết hợp nhờ vào hệ thống quang học cho hai chùm tia trộn lẫn vào tạo nên tác dụng cộng hưởng đồng thời lên điểm vị trí tổn thương Ứng dụng điều trị thiết bị LASER bán dẫn quang trị liệu đa bước sóng Multilaser plus 11 11 -Tổn thương gân, cơ: Tổn thương bao hoạt dịch, bong gân, xuất huyết não, tai biến mạch máu não, dãn dây chằng, chứng đau vận động nhiều, t ổn thương gân điểm vận động -Tổn thương khớp mãn kinh niên: Viêm khớp mãn tính, chứng viêm khớp thấp khớp, viêm dây chằng, viêm gân, tổn thương xương bánh chè -Đau mãn tính: Mụn giộp, đau lưng cổ, đau xương bàn chân, đau dây th ần kinh sinh ba, thần kinh sọ, đau dây thần kinh cánh tay, ch ứng tê b ại, đau cứng vai -Chấn thương, gãy: Đứt gân, cơ, rách vận động… 3.4 Trong quân sự: Máy đo khoảng cách laser quân loại thiết bị quan trọng Có nhiều loại khác nhau: máy đo cự ly hàng không, máy đo cự ly xe tăng, máy đo cự ly xách tay v.v Máy đo cự ly hàng khơng đo xác cự ly từ máy bay đến mục tiêu mặt đất, nâng cao độ trúng đích ném bom Nguyên lý hoạt động: đo khoảng thời gian chênh lệch xung laser phát xung phản hồi nhân với tốc độ ánh sáng(300.000km/s), lấy kết chia 2, cự ly cần đo Ứng dụng làm động tên lửa Laser bán dẫn có độ định hướng cao cho tập 12 12 trung lượng góc khối nhỏ tạo nên cường độ lớn Vì laser bán dẫn ứng dụng chế tạo động tên lửa… -Laser từ thời điểm phát minh (1960) trở thành đối tượng ý sát giới quân Nó mang lại nhiều ích lợi - laser bán dẫn nhanh chóng ứng dụng quân đội với tư cách máy đo xa-chỉ thị laser hay radar laser * Tia laser cịn dùng làm vũ khí, chưa phổ biến Vũ khí laser cơng suất thấp làm loá mắt đối phương, dùng tác chiến gần, khoảng cách vài km, trời mưa mù khoảng cách cịn ngắn hơn, xách tay, lắp xe tăng, máy bay trực thăng * Rada laser có độ xác cao rada thơng thường, hướng dẫn hai tàu vũ trụ ghép nối xác không gian Máy bay chiến đấu bay tầm siêu thấp, trang bị rada laser né xác tất chướng ngại vật, kể đường dây điện Tuy nhiên, thiết bị laser chịu ảnh hưởng thời tiết, trời mù mưa khoảng cách đo bị giảm nhiều * Vũ khí laser lượng cao dùng chùm tia laser cực mạnh chiếu đến điểm mục tiêu, dừng lại thời gian ngắn để vật liệu chảy khí hố Chùm tia laser mạnh phá huỷ đường điện, gây cháy thùng nguyên liệu máy bay, gây nổ đạn đạo Lắp đặt mặt đất, tàu, máy bay, vệ tinh, có tốc độ nhanh, xác cao, khơng cần thuốc mồi, khơng sinh lực đẩy phía sau, khơng tạo nhiễm nên loại vũ khí "sạch sẽ" Vũ khí laser lắp đặt vệ tinh bắn hạ tên lửa đạn đạo vệ tinh đối phương 13 13 Laser sử dụng bom để định vị hay sử dụng làm vũ khí để hạ gục mục tiêu 3.5 Trong đời sống: Ngồi laser bán dẫn cịn dùng làm bút bảng , máy chống trộm,… Bút bảng 14 14 PHẦN 3: KẾT LUẬN Kết nghiên cứu Trong giới hạn đề tài nghiên cứu, thu thập tổng hợp số thông tin laser bán dẫn Các laser với môi trường hoạt chất bán dẫn hoạt động dựa chế bơm khác Tuy nhiên xạ laser bán dẫn có phổ phát xạ lớn đa mode Kiến nghị đề xuất Với đề tài tơi mong góp ý bạn đọc người làm chuyên môn để đề tài tơi hồn thiện mở rộng thêm phần Trong trình nghiên cứu, khó tránh khỏi sai sót chưa phát Mong quý vị đồng nghiệp cho ý kiến để tơi hồn thiện XÁC NHẬN CỦA THỦ TRƯỞNG ĐƠN VI Thanh Hóa, ngày tháng năm 2020 Tơi xin cam đoan SKKN viết, không chép nội dung người khác ( ký và ghi rõ họ tên) Hà Thị Thủy 15 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đinh Xuân Khoa, Hồ Quang Quý (2007), Nhập môn thông tin quang, NXB ĐHQG Hà Nội Hồ Quang Quý, Vũ Ngọc Sáu (2005), Laser bước sóng thay đổi và ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội 3.Trần Bá Chữ (2002), Laser và quang phi tuyến, NXB ĐHQG Hà Nội Trần Đức Hân, Nguyễn Minh Hiển (2001), Cơ sở kỹ thuật laser, NXB Giáo dục, tr 127-134 Đinh Văn Hoàng (2000), Những vấn đề đại Quang học và quang phổ - Tập II, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2000, tr 406-411 Đinh Văn Hồng, Trịnh Đình Chiến (2004), Vật lý Laser và ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội Nguyn Vn Th(2008), Khảo sát trình điều biến xung phát laser bán dẫn phản hồi phân bố hai ngăn-Lun Thc s khoa hc, i hc Vinh 2008 Vật lý laze;Ứng dụng laser bán dẫn, Nguồn tham khảo: Thuvienvatly, Internet 2013; 2014 16 16 ... tin quang: Tín hiệu quang dùng quang sợi LASER bán dẫn Sở dĩ LASER bán dẫn lựa chọn ưu điểm gọn nhẹ, nguồn ni có điện thấp trực tiếp điều khiển dịng điện với tần số cao Sử dụng laser với cáp quang... Khoa, Hồ Quang Quý (2007), Nhập môn thông tin quang, NXB ĐHQG Hà Nội Hồ Quang Quý, Vũ Ngọc Sáu (2005), Laser bước sóng thay đổi và ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội 3.Trần Bá Chữ (2002), Laser và quang... thần kinh toạ liệt mặt ngoại biên - Đau quanh khớp vai đau dây thần kinh sau zona Thiết bị LASER bán dẫn quang trị liệu đa bước sóng Multil  Cấu tạo: - LASER quang trị liệu đa bước sóng dựa tảng