Laser bán dẫn buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình littrow

-1- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ---------------- ĐẶNG ĐÌNH HỢP LASER BÁN DẪN BUỒNG CỘNG HƯỞNG MỞ RỘNG CẤU HÌNH LITTROW Chuyªn ngµnh: Quang häc M· sè: 62.44.11.01 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ VINH - 2010 -2- LỜI CẢM ƠN Tôi đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn đến thầy giáo TS. Nguyễn Huy Bằng, thầy đã giúp tôi định hướng đề tài, chỉ dẫn tận tình, chu đảo và dành nhiều công sức cũng như sự ưu ái cho tôi trong quá trình làm luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các thầy giáo: PGS.TS.Nguyễn Hoa Lư, TS. Võ Thanh Cương, PGS.TS. Đinh Xuân Khoa, PGS.TS. Nguyễn Đình Huân, PGS.TS.Nguyễn Huy Công, TS. Đinh Phan Khôi đã góp ý chỉ dẫn cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơnBan chủ nhiệm Khoa sau đại học, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý, Trường Đại học Vinh, Sở Giáo dục và Đào tạo Nghệ An, Ban Giảm Hiệu trường THPT Anh Sơn1 đã tạo điều kiện cho phép tôi được tham gia học tập. Tôi xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và tất cả học viên Cao học khoá 16 đã động viên và giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và hoàn thành luận văn . Vinh tháng 12 năm 2010 Tác giả MỤC LỤC -3- Trang -4- Lời cảm ơn 1 Mục lục . 2 Mở đầu 4 Chương I. Cơ sở lí thuyết của laser bán dẫn . 7 1.1 Nguyên lý hoạt động của laser bán dẫn . 7 1.1.1 Sự hấp thụ, sự phát xạ tự phát, sự phát xạ cảm ứng 7 1.1.2 Các yêu càu cho sự phát laser của các laser diode bán dẫn 8 1.2 Các loại cấu trúc của laser bán dẫn 12 1.2.1 Cấu trúc dị thể đơn 12 1.2.2 Cấu trúc dị thể kép 13 1.2.3 Cấu trúc giếng lượng tử 15 1.2.4 Cấu trúc điểm lượng tử . 17 1.3 Các đặc trưng của laser bán dẫn 19 1.3.1 Điều kiện ngưỡng 19 1.3.2 Công suất phát 22 1.3.3 Độ phân kỳ 25 1.3.4 Đặc trưng phổ 26 Kết luận chương I 28 Chương II. Câu trúc của laser bán dẫn buồng cộng hưởng mở rộng loại Littrow 28 2.1 Bộ phận quang học . 28 2.1.1 Lớp phủ quang học trên bề mặt laser 28 2.1.2 Bộ chuẩn trực 29 2.1.3 Bộ mở rộng chùm tia 30 2.2 Bộ phận điện 30 2.2.1 Thanh tản nhiệt Peltier . 30 2.2.2.Sensor nhiệt 31 2.2.3 Điều khiển nhiệt độ và dòng điện . 31 2.2.4 Phần tử điện giảo 31 2.3 Lựa chọn mode bằng cách tử . 32 2.3.1 Đặc trưng của cách tử 32 2.3.2 Sự lựa chọn mode . 34 Kết luận chương II 36 Chương III. Tối ưu công suất phát của laser bán dẫn buồng cộng hưởng mở rộng loại Littrow 37 3.1 Sự phản hồi quang học trong BCH mở rộng 37 3.1.1 Các tác dụng chung của sự hồi tiếp quang ngoài lên diode laser 37 -5- 3.1.1.1 Mô hình buồng cộng hưởng ba gương . 38 3.1.1.2 Các mode của buồng cộng hưởng ngoài . 39 3.2 Các tính chất động học của laser bán dẫn 42 3.2.1 Công suất phát . 45 3.2.2 Điều hưởng đơn mode 47 3.2.3 Độ rộng vạch phổ 48 3.2.4 Sự phụ thuộc bước sóng vào nhiệt độ . 50 3.3 Tối ưu công suất phát cho laser diode BCH mở rộng 51 3.3.1 Dòng ngưỡng . 58 3.3.2 Tối ưu công suất phát . 59 Kết luận chương III 65 Hướng mở rộng đề tài 66 Kết luận chung 67 Tài liệu tham khảo 68 MỞ ĐẦU Laser là một trong những phát minh khoa học quan trọng nhất trong thể kỷ XX. Sự phát minh ra lý thuyết bức xạ cưỡng bức bởi Einstein năm 1917 và được quan sát bằng thực nghiệm bởi Fabricant ( người Nga) năm 1940 đã làm cơ sở để Townes ( người Mỹ) phát minh ra máy khuếch đại sóng điện từ bằng bức xạ kích thích (MASER). Tháng 2- 1960, Maiman đã chể tạo ra LASER rubi (laser đầu tiên trên thể giới).Tháng 6-1960, Javan đã chế tạo ra laser khi He– Ne. Từ đó, vật lý laser đã phát triển như một lĩnh vực khoa học thú vị trong hệ thống khoa học vật lý. Laser là một công cụ mạnh của vật lý quang phổ để nghiên cứu và khám phá các hiện tượng mới. Với tính chất kết hợp, tính đơn sắc và tính định hướng cao, mật độ công suất lớn của chùm laser. Nó đã đáp ứng được các yêu cầu của những thí nghiệm đòi hỏi năng lượng và công suất lớn. Ngày nay việc nghiên cứu và ứng dụng laser là một lĩnh vực không thể thiếu trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và công nghệ tiên tiến trên thế giới. Các thành tựu nổi bật của laser đang được ứng dụng rộng rãi trong các -6- ngành công nghiệp, nông nghiệp, quốc phòng, xây dựng, y học, phổ học… và đặc biệt là trong thông tin quang Như chúng ta đã biết, trong thông tin quang yêu cầu về tốc độ truyền dẫn đòi hỏi sự điều biến một chiều trong miền GHz của sóng mang khi sử dụng laser với môi trường hoạt là chất màu tán sắc, cường độ bức xạ phát ra sẽ tăng lên nhưng các mode lân cận hạn chế tốc độ truyền dẫn do tán sắc vật liệu trong sợi quang. Vì vậy ngay từ thập kỷ 70 của thế kỷ XX, việc nghiên cứu chế tạo các nguồn phát quang với các bức xạ đơn mode dọc có tốc độ điều biến cao đã đặt ra. Trong số các ứng dụng yêu cầu laser có độ rộng phổ bé (độ đơn sắc cao) tốc độ điều biến nhanh, kích thước bé và có hiệu suất phát cao thì laser bán dẫn chiếm ưu thế hơn cả. Ngoài ra, với sự phát triển của công nghệ bán dẫn thì hiện nay có thế chế tạo được các laser giá thành của laser bán dẫn thấp hơn nhiều so với các loại laser khác. Tuy nhiên, với các laser bán dẫn thông thường (sử buồng cộng hưởng Fabry-Perot) thì có nhiều mode dọc được phát ra đồng thời nên chưa thể đáp ứng được các tiêu chí nêu trên. Một trong các giải pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao là đưa thêm buồng cộng ngoài để tạo chế độ phản hồi lọc lựa mode cần sử dụng. Hiện nay, lý thuyết mô tả quá trình vật lý của các hệ laser này đang được quan tâm nghiên cứu và phát triển. Mặt khác laser bán dẫn buồng cộng hưởng mở rộng hiện nay ở việt nam rất ít phòng thí nghiệm của các viện nghiên cứu được trang bị, tuy nhiên ở phòng thí nghiệm Quang - Quang phổ của Đại Học Vinh đã được trang bị nhưng chưa có lí thuyết mô tả các quá trình vật lí để vận hành chúng. Vì vậy, chúng tôi chọn “Laser bán dẫn buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình Littrow” làm đề tài nghiên cứu luận văn tốt nghiệp của mình. Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được chia làm ba chương như sau. -7- Chương I. Cơ sở vật lý của các laser bán dẫn Trong chương này, chúng tôi sẽ giới thiệu một số nội dung cơ bán cần thiết để tìm hiểu sự hoạt động của các laser diode bán dẫn. Trước tiên chúng tôi trình bày sự tương tác của ánh sáng với một hệ nguyên tử hai mức năng lượng và các yêu cầu cho sự phát laser trong laser bán dẫn. Sau đó chúng tôi mô tả các mức năng lượng và dải năng lượng trong những cấu trúc laser bán dẫn khác nhau. Cuối cùng, các đặc trưng cơ bán của laser diode bán dẫn được tóm tắt một cách ngắn ngọn. Chương II. Cấu trúc của laser bán dẫn buồng cộng hưởng mở rộng loại Littrow Trong chương này, chúng tôi bắt đầu phân tích một số cơ sở quang học và điện tử học căn bản nhưng cần thiết cho các laser bán dần buồng cộng huwowngrmowr rộng cấu hình Littrow( ECDL). Sau đó, chúng tôi đánh giá các bộ lọc chọn lọc mốt dùng làm các thành phần khuếch tán trong các hệ ECDL. Chương III. Tối ưu công suất phát của laser bán dẫn buồng cộng huởng mở rộng cấu hình Littrow Trong chương này, chúng tôi khảo sát hệ thống laser diode buồng cộng hưởng mở rộng. Sự hồi tiếp quang bên ngoài tác dụng lên laser diode được xem xét với một mô hình buồng cộng hưởng laser ba gương ở trạng thái dừng và trạng thái động với những cường độ hồi tiếp khác nhau. Các đặc trưng phổ của (ECDL) được biểu diễn theo công suất phát, khả năng điều chỉnh mode đơn, bề rộng vạch phổ và sự phụ thuộc bước sóng của nhiệt độ. Cuối cùng, chúng tôi tìm hiểu các cách điều chính sự hoạt động đơn mode và cơ cấu cho sự nén mode ở những hệ diode laser buồng cộng hưởng ngoài -8- Chương I CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA CÁC LASER BÁN DẪN 1.1 Nguyên lý hoạt động của laser bán dẫn 1.1.1 Sự hấp thụ, sự phát xạ tự phát, sự phát xạ cảm ứng Giả sử một nguyên tử ban đầu cư trú ở trạng thái cơ bản có năng lượng E i và được kích thích bởi ánh sáng có tần số v trùng với tần số dịch chuyển v o giữa hai mức năng lượng. Dưới tác dụng của ánh kích thích, hệ nguyên tử thực hiện ba quá trình dịch chuyển hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ cảm ứng như trên hình 1.1. Hình 1.1. Các quá trình: hấp thụ (a, sự phát xạ tự phát (b) và phát xạ cưỡng bức (c). -9- Khi nguyên tử hấp thụ phô tôn (hình 1.1a) thì nó nhảy lên trạng thái kích thích E f và tồn tại ở trạng thái này trong một khoảng thời gian nào đó sau đó nguyên tử tự động nhảy xuống trạng thái dưới đồng thời phát xạ phô tôn có năng lượng bằng hv (hình 1.1b). Song song với quá trình phát xạ tự phát, dưới tác động của trường ngoài hệ có thể bị “cưỡng bức” phát xạ phô tôn để nhảy xuống trạng thái dưới E i . Trong phát xạ tự phát thì phô tôn được phát ra một cách ngẫu nhiên, đẳng hướng và không có liên hệ gì với phô tôn kích thích nhưng trong phát xạ cưỡng bức thì phô tôn phát xạ là có đặc tính giống hệt (năng lượng, phân cực, hướng phát xạ) với phô tôn kích thích. Điều này có nghĩa là phô tôn phát xạ cảm ứng và phô tôn kích thích có độ kết hợp cao. 1.1.2 Các yêu cầu cho sự phát laser của các laser diode bán dẫn Để phát laser, người ta phải làm cho các nguyên tử hay phân tử hoạt động trong điều kiện phát xạ cảm ứng. Hai điều kiện phải được thỏa mãn để sự phát xạ cảm ứng xảy ra: Thứ nhất, phải có nhiều nguyên tử ở trạng thái kích thích cao hơn so với số nguyên tử ở mức năng lượng thấp hơn, tức là phải có sự đảo lộn mật độ cư trú (điều kiện cần cho sự phát laser). Mặt khác, ánh sáng phát xạ cảm ứng được hấp thụ trở lại bởi các nguyên tử cư trú ở những trạng thái năng lượng thấp hơn. Nhưng thường thì nguyên tử cư trú ở các mức năng lượng thấp nhiều hơn ở các mức năng lượng cao vì sự cư trú tuân theo định luật phân bố nhiệt Bolztman. Do đó, sự bơm từ bên ngoài đưa các nguyên tử lên các trạng thái cao hơn là cần thiết để đạt được sự đảo lộn cư trú. Điều kiện quan trọng thứ hai là phải có sự phát xạ cảm ứng nhiều hơn sự phát xạ tự phát trong một môi trương hoạt tính (điều kiện đủ cho sự phát laser). Do đó, một buồng cộng hưởng quang phải được sử dụng để hồi tiếp ánh sáng kết hợp mới sinh ra trở lại môi trường. Hai thành phần quan trọng -10- nhất trong một laser, đó là môi trường hoạt tính phát laser và buồng cộng hưởng quang . Trong tinh thể bán dẫn thì những mức năng lượng nguyên tử rời rạc bị nhòa đi thành những dải năng lượng của chất rắn, chúng khác đáng kể so với các mức năng lượng rời rạc như thể hiện trên hình 1.2. Dải hóa trị của bán dẫn được hình thành bởi sự phân tách bội của mức năng lượng nguyên tử bị chiếm giữ cao nhất của các nguyên tử thành phần.Tương tự , mức năng lượng nguyên tử cao kế tiếp tách ra thành dải dẫn. Hình 1.2. Biểu đồ mức năng lượng trong nguyên tử và các chất rắn. Xét một số electron trong dải hóa trị bị kích thích lên dải dẫn qua nguồn bơm thích hợp. Dải hoá trị chứa đầy các electron khi dải dẫn trống không, như trên hình 1.3(a). . phát của laser bán dẫn buồng cộng huởng mở rộng cấu hình Littrow Trong chương này, chúng tôi khảo sát hệ thống laser diode buồng cộng hưởng mở rộng. Sự. đặc trưng cơ bán của laser diode bán dẫn được tóm tắt một cách ngắn ngọn. Chương II. Cấu trúc của laser bán dẫn buồng cộng hưởng mở rộng loại Littrow Trong