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 HƢỞNG MỞ RNG CU HèNH LITTROW Chuyên ngành: Quang học MÃ số: 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 giúp định hướng đề tài, dẫn tận tình, chu đảo dành nhiều cơng sức ưu cho tơi q trình làm luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo: PGS.TS.Nguyễn Hoa Lư, TS Võ Thanh Cương, PGS.TS Đinh Xuân Khoa, PGS.TS Nguyễn Đình Hn, PGS.TS.Nguyễn Huy Cơng, TS Đinh Phan Khơi góp ý dẫn cho tơi q trình học tập 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 Đào tạo Nghệ An, Ban Giảm Hiệu trường THPT Anh Sơn1 tạo điều kiện cho phép tham gia học tập Tôi xin chân thành cảm ơn người thân gia đình, bạn bè, đồng nghiệp tất học viên Cao học khoá 16 động viên giúp đỡ thời gian học tập hoàn thành luận văn Vinh tháng 12 năm 2010 Tác giả -3- MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Mục lục Mở đầu Chƣơng I Cơ sở lí thuyết laser bán dẫn 1.1 Nguyên lý hoạt động laser bán dẫn 1.1.1 Sự hấp thụ, phát xạ tự phát, phát xạ cảm ứng 1.1.2 Các yêu càu cho phát laser laser diode bán dẫn 1.2 Các loại cấu trúc 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 trƣng 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 chƣơng I 28 Chƣơng II Câu trúc laser bán dẫn buồng cộng hƣởng mở rộng loại Littrow 28 2.1 Bộ phận quang học 28 2.1.1 Lớp phủ quang học 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 -4- 2.2.1 Thanh tản nhiệt Peltier 30 2.2.2.Sensor nhiệt 31 2.2.3 Điều khiển nhiệt độ dòng điện 31 2.2.4 Phần tử điện giảo 31 2.3 Lựa chọn mode cách tử 32 2.3.1 Đặc trưng cách tử 32 2.3.2 Sự lựa chọn mode 34 Kết luận chƣơng II 36 Chƣơng III Tối ƣu công suất phát laser bán dẫn buồng cộng hƣởng mở rộng loại Littrow 3.1 Sự phản hồi quang học BCH mở rộng 3.1.1 Các tác dụng chung hồi tiếp quang lên diode laser 37 37 37 3.1.1.1 Mơ hình buồng cộng hưởng ba gương 38 3.1.1.2 Các mode buồng cộng hưởng 39 3.2 Các tính chất động học 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 ƣu công suất phát cho laser diode BCH mở rộng 51 3.3.1 Dòng ngưỡng 58 3.3.2 T i ưu công suất phát 59 Kết luận chƣơng III 65 Hƣớng mở rộng đề tài 66 Kết luận chung 67 Tài liệu tham khảo 68 -5- MỞ ĐẦU Laser phát minh khoa học quan trọng thể kỷ XX Sự phát minh lý thuyết xạ cưỡng Einstein năm 1917 quan sát thực nghiệm Fabricant ( người Nga) năm 1940 làm sở để Townes ( người Mỹ) phát minh máy khuếch đại sóng điện từ xạ kích thích (MASER) Tháng 2- 1960, Maiman chể tạo LASER rubi (laser thể giới).Tháng 6-1960, Javan chế tạo laser He– Ne Từ đó, vật lý laser phát triển lĩnh vực khoa học thú vị hệ thống khoa học vật lý Laser công cụ mạnh vật lý quang phổ để nghiên cứu khám phá tượng Với tính chất kết hợp, tính đơn sắc tính định hướng cao, mật độ cơng suất lớn chùm laser Nó đáp ứng yêu cầu thí nghiệm địi hỏi lượng cơng suất lớn Ngày việc nghiên cứu ứng dụng laser lĩnh vực thiếu lĩnh vực khoa học, kỹ thuật công nghệ tiên tiến giới Các thành tựu bật laser ứng dụng rộng rãi ngành cơng nghiệp, nơng nghiệp, quốc phịng, xây dựng, y học, phổ học… đặc biệt thông tin quang Như biết, thông tin quang yêu cầu tốc độ truyền dẫn đòi hỏi điều biến chiều miền GHz sóng mang sử dụng laser với môi trường hoạt chất màu tán sắc, cường độ xạ phát tăng lên mode lân cận hạn chế tốc độ truyền dẫn tán sắc vật liệu sợi quang Vì từ thập kỷ 70 kỷ XX, việc nghiên cứu chế tạo nguồn phát quang với xạ đơn mode dọc có tốc độ điều biến cao đặt -6- Trong số ứng dụng yêu cầu laser có độ rộng phổ bé (độ đơn sắc cao) tốc độ điều biến nhanh, kích thước bé có hiệu suất phát cao laser bán dẫn chiếm ưu Ngoài ra, với phát triển cơng nghệ bán dẫn chế tạo laser giá thành laser bán dẫn thấp nhiều so với loại laser khác Tuy nhiên, với laser bán dẫn thơng thường (sử buồng cộng hưởng Fabry-Perot) có nhiều mode dọc phát đồng thời nên chưa thể đáp ứng tiêu chí nêu Một giải pháp mang lại hiệu kinh tế cao đưa thêm buồng cộng để tạo chế độ phản hồi lọc lựa mode cần sử dụng Hiện nay, lý thuyết mơ tả q trình vật lý hệ laser quan tâm nghiên cứu phát triển Mặt khác laser bán dẫn buồng cộng hưởng mở rộng việt nam phịng thí nghiệm viện nghiên cứu trang bị, nhiên phịng thí nghiệm Quang Quang phổ Đại Học Vinh trang bị chưa có lí thuyết mơ tả q trình vật lí để vận hành chúng Vì vậy, chúng tơi chọn “Laser bán dẫn buồng cộng hƣởng mở rộng cấu hình Littrow” làm đề tài nghiên cứu luận văn tốt nghiệp Ngồi phần mở đầu kết luận, luận văn chia làm ba chương sau Chƣơng I Cơ sở vật lý laser bán dẫn Trong chương này, giới thiệu số nội dung bán cần thiết để tìm hiểu hoạt động laser diode bán dẫn Trước tiên trình bày tương tác ánh sáng với hệ nguyên tử hai mức lượng yêu cầu cho phát laser laser bán dẫn Sau chúng tơi mơ tả mức lượng dải lượng cấu trúc laser bán dẫn khác Cuối cùng, đặc trưng bán laser diode bán dẫn tóm tắt cách ngắn -7- Chƣơng II Cấu trúc laser bán dẫn buồng cộng hƣởng mở rộng loại Littrow Trong chương này, chúng tơi bắt đầu phân tích số sở quang học điện tử học cần thiết cho laser bán dần buồng cộng huwowngrmowr rộng cấu hình Littrow( ECDL) Sau đó, chúng tơi đánh giá lọc chọn lọc mốt dùng làm thành phần khuếch tán hệ ECDL Chƣơng III Tối ƣu công suất phát laser bán dẫn buồng cộng huởng mở rộng cấu hình Littrow Trong chương này, khảo sát hệ thống laser diode buồng cộng hưởng mở rộng Sự hồi tiếp quang bên tác dụng lên laser diode xem xét với mô hình buồng cộng hưởng laser ba gương trạng thái dừng trạng thái động với cường độ hồi tiếp khác Các đặc trưng phổ (ECDL) biểu diễn theo công suất phát, khả điều chỉnh mode đơn, bề rộng vạch phổ phụ thuộc bước sóng nhiệt độ Cuối cùng, chúng tơi tìm hiểu cách điều hoạt động đơn mode cấu cho nén mode hệ diode laser buồng cộng hưởng -8- Chƣơng I CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA CÁC LASER BÁN DẪN 1.1 Nguyên lý hoạt động laser bán dẫn 1.1.1 Sự hấp thụ, phát xạ tự phát, phát xạ cảm ứng Giả sử nguyên tử ban đầu cư trú trạng thái có lượng Ei kích thích ánh sáng có tần số v trùng với tần số dịch chuyển vo hai mức lượng Dưới tác dụng ánh kích thích, hệ nguyên tử thực ba trình dịch chuyển hấp thụ, phát xạ tự phát phát xạ cảm ứng hình 1.1 Hình 1.1 Các trình: hấp thụ (a, phát xạ tự phát (b) phát xạ cưỡng (c) Khi nguyên tử hấp thụ phô tơn (hình 1.1a) nhảy lên trạng thái kích thích Ef tồn trạng thái khoảng thời gian sau nguyên tử tự động nhảy xuống trạng thái đồng thời phát xạ phơ tơn có lượng hv (hình 1.1b) Song song với trình phát xạ tự phát, tác động trường ngồi hệ bị “cưỡng bức” phát xạ phô tôn để nhảy xuống trạng thái Ei Trong phát xạ tự phát phơ tơn phát cách ngẫu nhiên, đẳng hướng khơng có liên hệ với phơ tơn -9- kích thích phát xạ cưỡng phơ tơn phát xạ có đặc tính giống hệt (năng lượng, phân cực, hướng phát xạ) với phơ tơn kích thích Điều có nghĩa phơ tơn phát xạ cảm ứng phơ tơn kích thích có độ kết hợp cao 1.1.2 Các yêu cầu cho phát laser laser diode bán dẫn Để phát laser, người ta phải làm cho nguyên tử hay phân tử hoạt động điều kiện phát xạ cảm ứng Hai điều kiện phải thỏa mãn để phát xạ cảm ứng xảy ra: Thứ nhất, phải có nhiều nguyên tử trạng thái kích thích cao so với số nguyên tử mức lượng thấp hơn, tức phải có đảo lộn mật độ cư trú (điều kiện cần cho phát laser) Mặt khác, ánh sáng phát xạ cảm ứng hấp thụ trở lại nguyên tử cư trú trạng thái lượng thấp Nhưng thường nguyên tử cư trú mức lượng thấp nhiều mức lượng cao cư trú tuân theo định luật phân bố nhiệt Bolztman Do đó, bơm từ bên đưa nguyên tử lên trạng thái cao cần thiết để đạt đảo lộn cư trú Điều kiện quan trọng thứ hai phải có phát xạ cảm ứng nhiều phát xạ tự phát môi trương hoạt tính (điều kiện đủ cho phát laser) Do đó, buồng cộng hưởng quang phải sử dụng để hồi tiếp ánh sáng kết hợp sinh trở lại môi trường Hai thành phần quan trọng laser, mơi trường hoạt tính phát laser buồng cộng hưởng quang Trong tinh thể bán dẫn mức lượng nguyên tử rời rạc bị nhòa thành dải lượng chất rắn, chúng khác đáng kể so với mức lượng rời rạc thể hình 1.2 Dải hóa trị bán dẫn hình thành phân tách bội mức lượng nguyên tử bị chiếm giữ cao nguyên tử thành phần.Tương tự , mức lượng nguyên tử cao tách thành dải dẫn -10- Hình 1.2 Biểu đồ mức lượng nguyên tử chất rắn Xét số electron dải hóa trị bị kích thích lên dải dẫn qua nguồn bơm thích hợp Dải hoá trị chứa đầy electron dải dẫn trống khơng, hình 1.3(a) Hình 1.3 (a) Năng lượng electron theo s sóng chất bán dẫn nguyên kh i, chuyển tiếp mức lượng dải dẫn dải hóa trị (b) Xác suất chiếm giữ mức fc(E) fv(E) đ i với dải dẫn dải hóa trị cân nhiệt bên dải Bề rộng hữu hạn mức lượng thể độ bất định lượng hữu hạn trình hồi phục hạn chế thời gian s ng hạt mang Giữa dải vùng cấm, chênh lệch lượng đáy dải dẫn đỉnh dải hóa trị lượng khe dải E g có giá trị khác chất liệu khác Dải hóa trị hồn tồn lấp -56-  dg  2c q1 q2 cos1  w (2  ) d1cos1 d cos cos1 (3.34) c vận tốc ánh sáng, w bán kính chùm tia, d d2 khoảng cách khe cách tử tới sớt qua cách tử Littow, q q2 bậc nhiễu xạ tương ứng α1 góc tới, β1 góc nhiễu xạ cách tử thứ nhất, β2 góc Littrow cách tử thứ hai λ bước sóng laser Phương trình (3.34) suy cho kết hợp cách tử-gương (q2 =0) là:  sg  cd1 cos1  q1w (3.35) So sánh phương trình (3.34) (3.35), người ta thấy cấu hình cách tử kép cho phép băng thông nhỏ (1+d1 cos β1/2d2 cos β2) lần so với buồng cộng hưởng cách tử-gương (q1 = q2 =1) Với khoảng cách khe cố định cách tử góc tới là, độ giảm phụ thuộc nhiều vào khoảng cách khe cách tử Littrow Sử dụng cách tử Littrow với chu kì cách tử 1200vạch/mm góc tới tiêu biểu 80o bước sóng 770 nm, người ta thu giảm băng thơng 1,3 lần Hình 3.13 Sơ đồ cấu tạo cách tử kép LD: laser diode, AR: lớp tráng ch ng phản xạ, L: ng chuẩn trực -57- Tuy nhiên, cách sử dụng tham số dùng cách tử có chu kì cách tử lớn gấp đơi số vừa nói trên, người ta thu độ giảm 2,6 lần Do đó, góc tới α1 giảm xuống hoạt động băng thông cho trước Điều làm giảm mát buồng, làm tăng ngưỡng điều chỉnh Ngồi ra, cách xếp cách tử kép cho phép người ta đồng hóa việc quét mode buồng việc quét bước sóng hồi tiếp cấu trúc đơn giản, điều chỉnh bước sóng với mode không nhảy Đường cong điều hưởng hệ laser 80 nm tối ưu hóa mơ tả hình 3.14(a), laser điều chỉnh liên tục mode đơn dọc mà khơng có bước sóng bước sóng từ 805 nm lên 840 nm dịng điện 90 mA nhiệt độ 20oC Tại đường cong điều chỉnh 820 nm thu cơng suất phát cực đại mW Hình 3.14 Đồ thị cơng suất phát theo bước sóng đ i với: (a) hệ laser 820 nm (b) laser buồng cộng hưởng ngồi 775 nm Sự điều chỉnh bước sóng thực mà khơng có mode nhảy tồn phổ Sự phụ thuộc cơng suất phát vào bước sóng laser buồng cộng hưởng ngồi 775 nm minh họa hình 3.14(b) Laser -58- điều chỉnh liên tục từ 758 nm đến 785 nm với công suất phát 4,5 mW cực đại đường cong điều chỉnh 775 nm Hình 3.15 mơ tả cấu tạo laser diode buồng cộng hưởng ngồi cấu hình Littrow ECDL gồm đế thép có tác dụng làm giàn khung cho cộng hưởng laser để tản nhiệt Hình 3.15 Sơ đồ cấu tạo hệ laser diode buồng cộng hưởng gương tùy chỉnh đơn giản, gồm ba thành phần bản: giá laser, gương cách tử Diode laser, máy lạnh Peltier, ng chuẩn trực kết hợp chung với giàn khung laser ổn định LD: diode laser, PZT: ng áp điện Một laser diode Sharp có phủ lớp chống phản xạ gắn lên miếng đồng nhỏ nối với máy lạnh Peltier gắn với giá đỡ laser Giá đỡ lắp cố định lên đế thép Thấu kính chuẩn trực nối với giá laser miếng lò xo thép cứng kẹp chặt, thấu kính gắn lên vịng lệch tâm kẹp chặt chỗ sau tuỳ chỉnh lúc đầu Việc điều chỉnh tiêu điểm thực với đai ốc xoắn Một gương điện môi chất lượng cao gắn lên giá gương với đai ốc xoắn tốt Một đổi điện (PZT) kẹp gương giá Một phần chùm tia tới cách tử bị phản xạ khỏi cộng hưởng tạo thành đầu -59- laser Tỉ số công suất hồi tiếp tiêu biểu từ đến 50% kết hợp vào bậc nhiễu xạ thứ nhất, cách tử gắn lên miếng nhôm gắn đế thép Hình 3.16 mơ tả đóng góp khác cơng tua khuếch đại lase Mơi trường laser, phụ thuộc vào tính chất chất liệu laser diode, đặc biệt độ rộng vùng cấm : Hình 3.16 Đồ thị mơ tả thành phần quang khác hệ s khuếch đại laser diode buồng cộng hưởng Độ khuếch đại từ đóng góp thể phổ rộng, có cực đại chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ chip laser Sự điều quang học laser buồng cộng hưởng ngồi địi hỏi độ xác cao Có số phương pháp xét hồi tiếp quang với tần số đơn mode mong muốn ν0, độ khuếch đại thành phần đạt cực đại ν0 mơ tả hình 3.16 Dưới hai phương pháp sử dụng phổ biến để thu hồi tiếp quang 3.3.1 Dòng ngƣỡng -60- Chúng ta bắt đầu với việc đưa dòng điện bơm vào cho laser diode hoạt động ngưỡng Bằng cách điều chỉnh đai ốc cách tinh vi, hai chùm tia huỳnh quang từ cách tử (một chùm yếu chùm nhiều thực chu trình buồng cộng hưởng laser) chồng lên Điều có tăng đột ngột độ sáng phát xạ từ laser Dòng điện bơm sau giảm hoạt động laser biến chỉnh lặp lại Sự chỉnh đủ tốt thực cách giảm dòng điện ngưỡng khoảng 10 15% so với dòng điện ngưỡng diode điều hưởng tự 3.3.2 Tối ƣu công suất phát Chúng ta bắt đầu với việc theo dõi công suất phát hàm dòng điện bơm quét qua, thiết lập dốc tam giác lên dịng điện bơm Theo dõi cơng suất phát ECDL với diode phát quang diện tích rộng dao động kí để thu đường cong L-I với hồi tiếp quang mơ tả hình 3.17(a) Khi có hồi tiếp từ buồng cộng hưởng mở rộng có biến thiên khơng liên tục trạng thái ngưỡng Sự điều chỉnh tiêu điểm lặp lặp lại chỉnh buồng mở rộng cho đồ thị hình 3.17(c) Hình 3.17 Đồ thị cơng suất phát ECDL theo dịng điện bơm quét qua gần ngưỡng với sóng tam giác Ba đường cong L-I mô tả cho canh -61- chỉnh khác Đường cong (a) canh hàng hộp không t t hoạt động đa mode, (b) bước nhảy gián đoạn cho thấy hoạt động đơn mode, (c) chỉnh t i ưu Phương pháp thứ hai đơn giản thường sử dụng để canh chỉnh ECDL Đồng thời, người ta sử dụng camera để theo dõi biến thiên cường độ nhằm đạt tới hồi tiếp tối ưu Sự triệt tiêu mode nhảy laser tùy chỉnh cách sử dụng cách tử Littrow thu theo quét đồng thời góc cách tử Littrow chiều dài buồng Cách đơn giản để thu chuyển động kết hợp quay cách tử Littrow xung quanh trục đặc biệt Người ta chứng minh tìm điểm quay tối ưu để thu ngưỡng điều chỉnh cực đại Người ta điều chỉnh laser đơn mode cách di chuyển cách tử Để tìm hiểu tần số biến thiên di chuyển cách tử, nghiên cứu vài trường hợp Trên hình 3.18(a), cách tử di chuyển dọc theo hướng chùm tia laser, dao động sóng dừng bên hộp căng ra, mang lại điều chỉnh liên tục tần số Nhưng tần số biến thiên, kéo căng làm thay đổi góc nhiễu xạ từ cách tử, sau thời gian mode có chu kì nửa bước sóng bên hộp hướng thẳng phía gương; tức mode có mát thấp, dẫn tới mode nhảy gián đoạn tần số thể phía bên phải hình 3.18(a) Tuy nhiên, cách tử di chuyển vng góc với chùm tia minh họa hình 3.18(b), khoảng cách khe đặc biệt cách tử gương không thay đổi, có nghĩa hộp cộng hưởng trở nên dài hơn, khơng có thay đổi tần số hết Người ta cịn làm thay đổi tần số laser cách quay góc cách tử, nhờ chọn lọc hồi tiếp tần số đến gương -62- Nếu cách tử xoay xung quanh điểm chùm tia, hình 3.18(c), tần số hộp cộng hưởng chùm tia khơng thay đổi Điều có nghĩa khơng có biến thiên tần số mode có độ mát thấp hơn, mode laser nhảy sang tần số Có thể quay cách tử tối ưu hóa vị trí xác trục quay để thu điều chỉnh bước sóng liên tục Sơ đồ cấu tạo ECDL trình bày hình 3.18 Giao điểm trục laser mặt phẳng cách tử kí hiệu G, gốc trục điểm O xác định OG = L, L độ dài quang học buồng cộng hưởng laser Hình 3.18 Các cách khác để di chuyển cách tử thay đổi bước sóng tương ứng Bậc nhiễu xạ thứ cách tử bị nhiễu xạ trở vào buồng với góc cách tử θ Với chu kì cách tử d, λr cho bởi: r  2d sin  (3.38) Bước sóng mode buồng cộng hưởng λq cho biểu thức biết -63- λq = 2L/q, xét đến dịch chuyển cách tử mặt phẳng Ta tìm λq: q  2L q  t0 ( ) d , (3.39) t0(θ) khoảng cách từ G đến điểm khe cách tử lấy làm tham chiếu Giả sử cách tử quay xung quanh trục R(z0,y0) song song với vạch cách tử trước có chuyển động quay cách tử góc ban đầu θ0, chiều dài hộp quang L(θ0) = L0, tần số mode thứ q tần số tổn thất cực tiểu λr: q ( L0 )  r (0 ) (3.40) Khi cách tử quay góc θ biến thiên λ r dịch chuyển Người ta quan tâm độ chênh lệch: F ( )  q ( )   ( ) (3.41) Độ chênh lệch zero với θ = θ0, trì quay cách tử lớn Nếu F(θ) giữ nhỏ nửa khoảng cách mode buồng cộng hưởng, mode thứ q trội khơng có mode xuất bước sóng điều chỉnh Do đó, điều kiện cho kiềm chế mode nhảy là: F ( )  (3.42) Điều kiện thu với θ = θ0 trì với giá trị (θ−θ0) lớn đạo hàm F(θ) triệt tiêu θ = θ0 Bước sóng sử dụng phương trình (3.38) (3.39), (3.41) viết lại sau: F ( )  L( )  2d sin  q  t0 ( ) / d (3.43) -64- Để cho đơn giản, giả sử với θ = θ0, mặt cách tử tham chiếu nằm trục laser [t0(θ0) = 0] có mode cộng hưởng bước sóng độ mát cực tiểu F(θ0) = λq(θ0) − λr(θ0) Khi F(θ) viết sau: F ( )  2d [ L( ) sin   sin  ] L0  t ( ) sin  (3.44) Để xác định điểm quay tối ưu, người ta lấy đạo hàm bậc F(θ) L, ( ) sin   t , ( ) sin  F ( )  2d [  cos ] L0 , (3.45) Hình 3.19 Sơ đồ cấu tạo laser Để đạo hàm bậc gần θ = θ0 ta có t0 (0 )  [ L(0 )  zR ](  0 ) cos 0 (3.46) Suy t , ( )  [ L0  z R ] cos (3.47) -65- L’(θ0) tính từ biểu thức cho L(θ), thu từ sở hình học hình 3.18, cho bởi: L( )   yR [ sin 0 cos 0 cos0  tan  ]  zR [ 1]  L0 cos cos cos (3.48) Khi ta dễ dàng tìm thấy F’(θ0) = với yR  L0 tan  (3.49) Do đó, điểm quay tối ưu dẫn đến điều chỉnh liên tục bậc điểm thuộc đường R1R2 rõ hình 3.20 Nếu ta khai triến biểu thức F(θ) với bậc hai cho điểm thuộc đường R1R2 sử dụng giá trị yR cho phương trình (3.49) ta có: F ( )  d sin(0 )( zR  1)(   ) L0 (3.50) Phương trình triệt tiêu với zR = −L0 Như vậy, điểm quay tối ưu dẫn đến điều chỉnh liên tục với bậc hai F(θ) R4, trình bày hình 3.20 Hình 3.20 Các trục quay đặc biệt: R4 điểm quay t i ưu LD: diode laser, G: cách tử -66- Kết luận chƣơng III Trong chương này, khảo sát hệ thống diode laser hộp cộng hưởng cụ thể: - Sự hồi tiếp quang bên ngồi nói chung tác dụng lên diode laser xem xét với mơ hình buồng cộng hưởng laser ba gương trạng thái dừng trạng thái động với cường độ hồi tiếp khác - Các đặc trưng phổ ECDL biểu diễn theo công suất phát, khả điều chỉnh mode đơn, bề rộng vạch phổ phụ thuộc bước sóng nhiệt độ - Các hệ thống laser diode buồng cộng hưởng tùy chỉnh giới thiệu với kiểu thiết kế hộp cộng hưởng ngồi cấu hình Littrow Cuối cùng, chúng tơi tìm hiểu thao tác điều chỉnh cho hoạt động đơn mode cấu cho nén mode hệ diode laser hộp cộng hưởng ngồi cấu hình Littrow -67- Hƣớng mở rộng đề tài Những đề nghiên cứu chí xét cho trường hợp chung loại laser diode buồng cộng hưởng mở rộng Hiện nay, trường Đại học Vinh trang bị hệ laser diode bándẫn buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình Littrow hãng Moglabs hình 3.21 Tuy nhiên, điều kiện thời gian nên luận văn chưa sử dụng thiết bị làm nghiên cứu kiếm chứng đề lí thuyết nêu Đây định hướng cho tác giả tiếp tục sâu nghiên cứu vấn đề tương lai Hình ánh cụ thể laser diode mơ tả hình 3.21 Hình 3.21 Cấu tạo bên laser diode -68- KẾT LUẬN CHUNG Trong nội dung luận văn “ Laser bán dẫn buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình Littrow ”, chúng tơi tập trung tìm hiểu cấu trúc buồng cộng hưởng mở rộng Những kết thu tóm tắt sau: + Sự hoạt động diode laser bán dẫnChúng mô tả mức lượng dải lượng cấu trúc laser bán dẫn khác so sánh ưu, nhược điểm chúng Các đặc trưng laser diode bán dẫn tìm hiểu mơ tả lí thuyết + Tìm hiểu lớp phủ quang học bề mặt laser diode vai trò chức lớp phủ + Tìm hiều cấu trúc thiết bị dùng để điều chùm tia laser phát từ buồng cộng hưởng Fabry- Perot lên cách tử nhiễu xạ ( phận chuẩn trực) + Tìm hiểu nguyên lí hoạt động mở rộng chùm tia , cách li quang buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình Littrow + Tìm hiểu phận điện buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình Littrow tản nhiệt Peltier, sensor nhiệt, điều khiển nhiệt độ dòng điện, phần tử điện giảo -69- + Tìm hiểu cách lựa chọn mode cách tử, chúng tơi vào tìm hiểu lựa chọn mode cách tử nhiễu xạ + Sự hồi tiếp quang bên tác dụng lên laser diode mơ hình buồng cộng hưởng laser ba gương trạng thái dừng trạng thái động với cường độ hồi tiếp khác + Các đặc trưng phổ ECDL biểu diễn theo công suất phát, khả điều chỉnh mode đơn, bề rộng vạch phổ phụ thuộc bước sóng nhiệt độ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Đức Hân, Nguyễn Minh Hiển (2001), Cơ sở kỹ thuật laser, NXB Giáo dục [2] Đinh Văn Hồng, Trịnh Đình Chiến (2004), Vật lý Laser ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội [3] Trần Bá Chữ (2002), Laser quang phi tuyến, NXB ĐHQG Hà Nội [4] Hồ Quang Quý, Vũ Ngọc Sáu (2005), Laser bước sóng thay đổi ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội [5] Akifumi Takamizawa, Littrow-type external-cavity diode laser with a triangular prism for suppression of the lateral shift of output beam, 2006 American Institute of Physics [6] G P Barwood, P Gill, andW R C Rowley, Frequency Measurements on Optically Narrowed Rb-Stabilised Laser Diodes at 780 nm and 795 nm, Applied Physics B 53, 142 (1991) [7] Kawaguchi H (1984), Optical bistability and chaos in a semiconductor laser with a saturable absorber, Appl Phys Lett., Vol 45, No 12, pp 12641266 -70- [8] M Ohstu, Frequency Control of Semiconductor Lasers, Wiley, NewYork 1996 [9] Yu S F., Ngo N Q (2002), Simple model for a distributed feedback laser integrated with a Mach-Zehnder modulator, IEEE J Quantum Electron., Vol 38, No 8, pp 1062-1074 [10] C.E Webb, J D C Jones (Eds): Handbook of Laser Technology and Applications, Vol 2: Laser Design and Laser Systems, IOP 2004 [11] W Demtroder: Laser spectroscopy, 3rd ed, Springer 2003 [12] Tarasov L.V., Laser physics, Mir Publisher, Moscow, 1983 ... trình buồng cộng hưởng mở rộng 3.1.1.1 Mơ hình buồng cộng hƣởng ba gƣơng Mơ hình tương đương laser diode Fabry-Perot với buồng cộng hưởng mở rộng rõ hình 3.1 Hình 3.1 Sơ đồ tương đương hệ laser buồng. .. -30- Chƣơng II CẤU TR C CỦA LASER BÁN DẪN BUỒNG CỘNG HƢỞNG MỞ RỘNG CẤU HÌNH LITTROW 2.1 Bộ phận quang học 2.1.1 Lớp phủ quang học bề mặt laser Trong laser diode buồng cộng hưởng mở rộng hiệu suất... lượng dải lượng cấu trúc laser bán dẫn khác Cuối cùng, đặc trưng bán laser diode bán dẫn tóm tắt cách ngắn -7- Chƣơng II Cấu trúc laser bán dẫn buồng cộng hƣởng mở rộng loại Littrow Trong chương