Thông tin tài liệu
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TỐNG QUANG CÔNG NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG CHÙM TIA LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO CẤU TRÚC GIẾNG LƯỢNG TỬ VÀ MODULE LASER PHÁT Ở BƯỚC SÓNG 670 nm LUẬN VĂN THẠC SỸ Hà Nội – 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TỐNG QUANG CÔNG NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG CHÙM TIA LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO CẤU TRÚC GIẾNG LƯỢNG TỬ VÀ MODULE LASER PHÁT Ở BƯỚC SÓNG 670 nm Chuyên ngành: Vật liệu linh kiện nanô Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Vũ Doãn Miên Hà nội -2011 Mục lục Danh mục từ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình MỞ ĐẦU Chương - NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA LASER DIODE VÀ TÍNH CHẤT CHÙM TIA 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.2.2 1.3.1 1.3.2 1.1 Nguyên lý hoạt laser diode Sự phát xạ hấp thụ chất bán dẫn Các thành phần laser bán dẫn Khuếch đại quang điều kiện ngưỡng Sự giam giữ quang ngang 1.2 Cấu trúc laser diode công suất cao 1.2.1 Cấu trúc giếng lượng tử Khái niệm buồng cộng hưởng quang rộng (Large Optical Cavity) 1.3 Tính chất chùm tia laser diode Một số nguyên lý đánh giá thông số chất lượng chùm tia Sự phân bố mật độ công suất 1.3.3 Phân bố trường xa 1.3.4 Phân loại chùm tia Chương - KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1 Laser bán dẫn công suất cao 670nm 2.1.1 Laser bán dẫn cấu trúc dải rộng (Broad Area) dùng nghiên cứu 2.1.2 Laser bán dẫn cấu trúc T 2.2 Phương pháp đo đặc trưng Laser bán dẫn 2.2.1 Đặc trưng I-V , P-I 2.2.2 Đặc trưng phổ 2.2.3 Đặc trưng Phân bố trường xa 2.3 Kỹ thuật ghép nối module laser 670nm với sợi qua 2.4 Phương pháp đo hệ số M 2.4.1 Phương pháp khe hẹp (s 2.4.2 Thừa số truyền chùm M Chương - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1.2 3.1.3 3.1 Các đặc trưng của laser bán dẫn BA 3.1.1 Đặc trưng I-V laser Đặc trưng Công suất quang phụ thuộc dòng bơm Phổ quang laser bán dẫn 670nm 3.1.4 Phân bố trường xa 3.2 Hiệu suất ghép nối Laser 670 nm với sợi quang đa 3.3 Chất lượng chùm tia laser 670nm 3.3.1 3.3.2 Độ rộng cổ chùm (beam waist) 51 Thừa số truyền chùm M 51 KẾT LUẬN 53 Các báo công bố 55 Tài liệu tham khảo 56 Danh mục từ viết tắt BA CCD CSC GRINSCH HMG LD LED LMG LOC QWs SCH TEC ii Danh mục bảng Bảng 3.1: Dòng ngưỡng, hiệu suất độ dốc phụ thuộc theo nhiệt độ LD Taper 3o .37 Bảng 3.2: Dòng ngưỡng, hiệu suất độ dốc phụ thuộc theo nhiệt độ LD Taper 4o .38 Bảng 3.3: Dòng ngưỡng hiệu suất độ dốc phụ thuộc theo nhiệt độ LD BA 39 Bảng 3.4: Các giá trị đỉnh phổ theo dòng hoạt động laser BA 41 Bảng 3.5: Các giá trị đỉnh phổ theo dòng hoạt động laser Taper 4o 43 Bảng 3.6: phụ thuộc đỉnh phổ theo nhiệt độ laser cấu trúc Taper 4o 44 Bảng 3.7:Thông số kỹ thuật loại sợi quang đa mode sử dụng 48 Bảng 3.8: Các thông số chùm laser BA laser Taper cấu trúc o 4o 52 iii Danh mục hình Hình 1.1: Cấu trúc vùng E(k) cuả điện tử bán dẫn vùng cấm thẳng Vùng dẫn cách vùng hóa trị khe lượng Eg Hình 2: Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng vật liệu bán dẫn Hình 1.3: Chuyển tiếp p-i-n cấu trúc dị thể kép phân cực thuận 10 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 mơi (giữa), phân bố điện trường � ( ) xcủa mode quang chạy dọc theo hướng z 12 Hình 1.5: sóng đứng có m=7 buồng cộng hưởng Fabry-Perot với chiều dài buồng cộng hưởng L 13 Hình 1.6: Phổ khuếch đại quang vật liệu bán dẫn khối GaAs mật độ hạt tải N=26x1018 cm-3 Ở lượng photon nhỏ lượng độ rộng vùng cấm GaAs (Eg=1.42 eV), vật liệu suốt Khuếch đại quang xảy lượng gần độ rộng vùng cấm, đỉnh đường cong khuếch đại dịch phía sóng ngắn mật độ hạt tải tăng hiệu ứng điền đầy vùng lượng Nếu lượng photon cao tượng hấp thụ xảy [9] 14 Hình 1.7: Phân bố cường độ quang J(x) theo hướng thẳng đứng x mode quang có dạng gần gauss cho laser phát cạnh với độ dày miền tích cực d 15 Hình 1.8: Cường độ sóng quang đường truyền buồng cộng hưởng Fabry Perot với chiều dài L hệ số phản xạ R1 R2 16 Hình 1.9: Ba dạng giam giữ ngang bản: giam giữ dòng, giam giữ quang giam giữ hạt tải 17 Hình 1.10: Các cấu trúc laser với dạng giam giữ khác 18 Hình 1.11: Phổ khuếch đại vật liệu g��0 � đơn giếng lượng tử Ga0.8In0.2As có độ dày 8nm vật liệu khối mật độ hạt tải khác N=2-6.1018 cm-3 Do mật độ trạng thái D(E) giếng lượng tử cao, điểm cực đại đường cong khuếch đại gần không dịch theo bước sóng Tại mật độ điện tử cao hơn, chuyển mức gây vùng thứ hai giếng lượng tử đóng góp vào khuếch đại (tạo cực đại thứ hai) [8] 20 iv Hình 1.12: Các cấu trúc thẳng đứng khác cho giam giữ riêng biệt hạt tải điện mốt quang Đồ thị diễn tả lượng vùng cấm phụ thuộc vào vị trí theo trục thẳng đứng 21 Hình 1.13: Cấu trúc laser cơng suất cao điển hình 22 Hình 1.14: Cấu trúc dẫn sóng thẳng đứng, tính toán phân bố cường độ trường gần cho laser bán dẫn 23 Hình 1.15: Phân bố mật độ công suất dạng chùm tia 26 Hình 2.1 : Cấu trúc lớp laser phát vùng sóng 670 nm 27 Hình 2.2 : Cấu trúc Taper, với L1 độ dài phần tạo dao động, L2 chiều dải Taper, w1 độ rộng vùng tạo dao động 28 Hình 2.3: Sơ đồ phương pháp đo đặc trưng I-V-P Laser 29 Hình 2.4: Sơ đồ đo phổ laser 30 Hình 2.5: Sơ đồ minh họa phương pháp đo phân bố trường xa 31 Hình 2.10: Minh họa thông số chùm tia 34 Hình 3.1: Đặc trưng I-V laser Taper FBHCO15761 35 Hình 3.2: Đặc trưng I-V laser BA FBHCO160033 36 Hình 3.3: Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dịng bơm laser Taper 3o 36 Hình 3.4: Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dịng bơm laser Taper 4o 38 Hình 3.5: Đặc trưng Cơng suất phụ thuộc dịng bơm LD BA FBHCO160033 39 Hình 3.6: Phổ quang laser BA FBHCO160033 40 giá trị dòng hoạt động khác 40 Hình 3.7: Phổ quang laser BA dòng hoạt động 800 mA với giá trị nhiệt độ hoạt động khác 41 Hình 3.8: Phổ quang laser Taper 4otại giá trị dòng hoạt động khác nhau, nhiệt độ hoạt động 25oC 42 Hình 3.9: Phổ quang laser Taper 4o dòng hoạt động 600 mA với giá trị nhiệt độ hoạt động khác 43 Hình 3.10: Độ rộng phổ laser Taper 44 Hình 3.11: Phân bố trường xa laser dải rộng (BA) FBHCO160033 45 a) Hướng song song với chuyển tiếp 45 v b) Hướng vng góc với chuyển tiếp 45 Hình 3.12: Phân bố trường xa laser cấu trúc Taper 3o 45 Hình 3.13: Phân bố trường xa laser cấu trúc Taper 3o nhiệt độ khác .46 Hình 3.14: Phân bố trường xa laser cấu trúc Taper 4o 47 Hình 3.15: Phân bố trường xa module laser 48 Hình 3.16: a) Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dịng bơm LD module LD 49 b) Sự phân bố thành phần cơng suất theo góc 49 Hình 3.17: Mơ chùm sáng laser ghép với sợi quang kích thước 400 �m, ứng với độ số khác laser cấu trúc Taper (a, b, c)và laser cấu trúc dải rộng (BA) (d, e, f) 50 Hình 3.18: Phân bố cường độ cơng suất theo vị trí cổ chùm 51 MỞ ĐẦU Trong năm gần laser bán dẫn cơng suất cao phát bước sóng khác vùng nhìn thấy hồng ngoại gần nghiên cứu nhiều phịng thí nghiệm quang tử giới triển khai ứng dụng nhiều lĩnh vực khác phục vụ nghiên cứu khoa học, công nghiệp, y tế an ninh quốc phịng Laser bán dẫn cơng suất cao cấu trúc giếng lượng tử phát vùng ánh sáng đỏ quan tâm nghiên cứu nhiều ứng dụng to lớn mà mang lại Ví dụ laser rắn (Cr:LiSAF) phát xung femto giây bơm laser bán dẫn phát vùng 650nm tới 740nm [5] Trong tương lai thị trường laser đỏ (630nm tới 640nm) phục vụ cho cơng nghệ trình chiếu lớn Một ứng dụng khác với tiềm to lớn thấy trước ứng dụng trị liệu y học [3,6] Các laser bán dẫn công suất cao chế tạo chủ yếu sở cấu trúc giếng lượng tử vùng tích cực (vùng xảy dao động laser) Vùng tích cực thường gồm nhiều lớp giếng lượng tử với độ dày khoảng vài tới vài chục nano mét Các cấu trúc laser bán dẫn vùng ánh sáng đỏ có khác độ rộng khe lượng (vùng cấm) vật liệu chế tạo giếng lượng tử (thông thường GaInP với độ dày từ ÷ 10 nm) độ rộng khe lượng vật liệu chế tạo lớp dẫn sóng (AlGaInP) Bởi chiều cao hàng rào thấp cho hạt tải miề n t ích c ực Vật liệ u sử dụng cho cấ u tr úc dẫn sóng, ( AlxGa �x ) In 1P 0.5 0.5 vật liệu với thành phần Al cao sử dụng cho lớp vỏ, nhiều trường hợp AlInP Các cấu trúc hình học sử dụng để chế tạo laser công suất cao vùng ánh sáng đỏ cấu trúc dải rộng BA (Broad Area) cấu trúc vuốt thon (taper) 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 phục vụ cho mục đích ứng dụng khác Đặc trưng quan tâm laser diode công suất cao phát vùng sóng 670nm cơng suất phát phụ thuộc dịng bơm tính chất chùm tia Đối với laser chế tạo với lớp epitaxy nhau, laser bán dẫn cấu trúc BA có công suất phát lớn so với laser cấu trúc Taper thường có dịng ngưỡng hoạt động lớn Tuy nhiên chất lượng chùm tia laser Taper tốt so với laser cấu trúc BA Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dịng bơm đo giá trị nhiệt độ khác từ tính nhiệt độ đặc trưng laser cấu trúc loại Sự phân bố mật độ công suất đo giá trị dòng khác nhau, nhiệt độ hoạt động khác Hiệu suất ghép nối xạ laser với sợi quang tính từ phân bố mật độ công suất laser Các đặc trưng phổ quang, độ rộng cổ chùm tia khảo sát nhằm mục đích tính tốn hệ số truyền chùm tia M2.` Việc đo đạc tính chất đặc trưng P-U-I, đặc trưng phổ, phân bố trường xa, độ rộng cổ chùm, hệ số truyền chùm M laser bán dẫn có ý nghĩa quan trọng thiết kế hệ thống tạo chùm tia cho mục đích sử dụng khác là: � Tạo chùm tia song song với đường kính chùm xác định � Tạo chùm tia hội tụ với đường kính cổ chùm xác định � Tạo chùm tia có góc phân kỳ định � Thay đổi hướng, vị trí chùm tia theo phương vng góc với hướng lan truyền chùm tia � Tạo ảnh phóng đại vị trí xác định Các tính chất đặc trưng laser đo đạc, tính tốn hai loại laser bán dẫn cấu trúc BA cấu trúc Taper có góc mở o 4o Các kết nghiên cứu trình bày ba chương luận văn sau: Chương 1: Nêu nguyên lý laser diode tính chất chùm tia laser Chương 2: Trình bày phương pháp kỹ thuật thực nghiệm để đo tính tốn thơng số laser bán dẫn Chương 3: Trình bày kết đo đặc trưng tính tốn thơng số laser công suất cao vùng ánh sáng 670nm có cấu trúc BA cấu trúc Taper 44 Hình 3.9 phổ quang laser Taper với dịng bơm cố định (I= 600 mA) giá trị nhiệt độ hoạt động khác Ta thấy đỉnh phổ thay đổi khoảng 670,2 đến 672.5 nm nhiệt độ thay đổi từ 20 đến 35oC Đỉnh phổ có xu hướng dịch phía sóng dài với nguyên nhân giải thích phần cho trường hợp laser BA Độ dịch phổ trung bình 0.12 nm/oC Bảng 3.6: phụ thuộc đỉnh phổ theo nhiệt độ laser cấu trúc Taper 4o Nhiệt độ Đỉnh phổ (nm) §é réng phỉ �� (1/e2), nm 400 600 800 1000 Dòng hoạt động, mA Hình 3.10: Độ rộng phổ laser Taper Hình 3.10 biểu diễn độ rộng phổ laser Taper mức cường độ phổ 1/e cường độ phổ cực đại theo dòng hoạt động Ta thấy dòng tăng độ rộng phổ tăng theo, với dòng đủ lớn độ rộng phổ tăng đáng kể Điều giải thích hiệu ứng điền đầy hạt tải gây 3.1.4 Phân bố trường xa a Phân bố trường xa laser BA Phân bố trường xa laser đo theo hai hướng song song vng góc với chuyển tiếp o I = 600 mA, T=25 C 1.0 tơng đối 0.8 Công suất 0.6 0.4 � (1/e2) 0.2 0.0 Hình 3.11: Phân bố trường xa laser dải rộng (BA) FBHCO160033 a) Hướng song song với chuyển tiếp b) Hướng vng góc với chuyển tiế Hình 3.11 phân bố trường xa laser BA dòng hoạt động 900 mA nhiệt độ 25oC Độ rộng góc vị trí 1/e2 theo hướng song song 11o, độ rộng góc theo hướng vng góc 52,8o b Phân bố trường xa laser Taper I = 700 mA, T=25oC độtơng đối 1.0 0.8 0.4 Cêng 0.6 0.2 ��� � 0.0 -40 -20 a) Hình 3.12: Phân bố trường xa laser cấu trúc Taper 3o 46 a) Hướng vng góc với chuyển tiếp b) Hướng song song với chuyển tiếp c) Hướng song song với chuyển tiếp dịng khác Hình 3.12 phân bố trường xa laser Taper cấu trúc o dòng hoạt động 700 mA nhiệt độ 25oC Độ rộng góc vị trí 1/e2 theo hướng song song 8,1o, độ rộng góc theo hướng vng góc 50,6o Khi tăng dịng hoạt động laser tới giá trị đủ lớn cấu trúc phân bố trường xa tạo thành hai đỉnh rõ rệt Điều giải thích khơng đồng cấu trúc vuốt thon (Taper) gây Ph©n bè trêng xa Tapered Laser FBHCO15761; I = 700 mA 40 20 20 Côngsuất tơng đối 40 -8-6-4-2 Gãc (®é) a) Hình 3.13: Phân bố trường xa laser cấu trúc Taper 3o nhiệt độ khác Hình 3.13 phân bố trường xa laser cấu trúc Taper giá trị nhiệt độ 20, 25 30oC Ta thấy hình dạng phân bố tương tự nhau, không bị ảnh hng nhiu bi nhit Công suất tơng đối 47 Hình 3.14: Phân bố trường xa laser cấu trúc Taper 4o a) Hướng song song với chuyển tiếp dịng khác b) Hướng vng góc với chuyển tiếp Hình 3.14 phân bố trường xa laser Taper cấu trúc o dòng hoạt động 700 mA nhiệt độ 25oC Độ rộng góc vị trí 1/e2 theo hướng song song 6,9o, độ rộng góc theo hướng vng góc 54o Khi tăng dịng hoạt động laser tới giá trị đủ lớn ta thấy dạng phân bố trường xa tạo thành hai đỉnh rõ rệt c Phân bố mật độ công suất module laser Phân bố mật độ công suất đầu module laser đo tương tự với laser Hình 3.15 góc phân kỳ công suất 1/e 30o Công suất quang vùng góc nhỏ (± 10o) khơng Sự khơng đồng có ngun nhân cấu trúc đa mốt ngang chùm tia laser sau qua sợi quang đa mốt 48 Ph©n bố trờng xa module Laser, Công suất tơng đối 1.0 0.5 0.0 -20 -10 10 20 Gãc (®é) Hình 3.15: Phân bố trường xa module laser 3.2 Hiệu suất ghép nối Laser 670 nm với sợi quang đa mốt Bảng 3.7:Thông số kỹ thuật loại sợi quang đa mode sử dụng Loại Sợi 62.5 �m Sợi 200 �m Sợi 400 �m Từ thông số kỹ thuật sợi quang đặc trưng phân bố trường xa laser, chúng tơi tính tốn hiệu suất ghép nối xạ laser vào sợi quang theo công thức: � ����// ; với �� : hiệu suất ghép nối theo hướng vng góc với chuyển tiếp � // : hiệu suất ghép nối theo hướng song song với chuyển tiếp 49 Ở �// � 1, góc phân bố theo hướng song song nhỏ so với độ sợi quang nên toàn xạ theo hướng ghép vào sợi quang cách dễ dàng Bởi vậy, � ��� Dựa vào đặc trưng phân bố trường xa ta tính tỉ lệ xạ ghép tối đa vào sợi quang hình 3.16 b TØ lệ công suất tính theo góc phân bố Theo hớng vu«ng gãc víi chun tiÕp LD 800 600 , P /P total 0.8 0.6 � C«ng suÊt quang, mW module LD 400 200 0.4 0.2 0.0 10 15 20 25 30 35 Gãc � (®é) b) a) Hình 3.16: a) Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dịng bơm LD module LD b) Sự phân bố thành phần cơng suất theo góc Hình 3.16a đặc trưng cơng suất phụ thuộc dịng bơm laser module laser chế tạo với hiệu suất ghép nối xấp xỉ 70% Hình 3.16b xấp xỉ phân bố thành phần cơng suất theo góc laser bán dẫn công suất cao thường Ta thấy rằng: - Với sợi đa mốt kích thước lõi 62,5 �m, độ số 0,275 hiệu suất ghép lớn cỡ 75% Hiệu suất đạt khoảng cách ghép sợi quang chíp laser d
Ngày đăng: 11/11/2020, 21:47
Xem thêm:
