- VLCĐ dạng giấy và các chế phẩm từ giấy
3.3.7Vật liệu sử dụng trong lĩnh vực laser
3. 2 Chất xec-nhet điện
3.3.7Vật liệu sử dụng trong lĩnh vực laser
Laser là nguồn bức xạ quang, cĩ tính chất định hướng cao và mật độ năng lượng lớn. Nguyên tắc tác động của laser là hiện tượng cưỡng bức bức xạ. Nĩ đồng thời phát xạ theo tần số và phát sĩng điện từ bằng một số lượng rất lớn nguyên tử hay phân tử dưới tác động của điện từ trường ngồi. Bản thân từ laser được ghép bằng các chữ cái đầu của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
Laser có nhiều loại :laser rắn, laser khí, laser bán dẫn.
Laser rắn là loại laser mà môi trường hoạt tính là chất rắn,thường là các điện môi dạng tinh thể hoặc vô định hình có dạng hình trụ tròn.VD: laser rubi dùng rubi là tinh thể nhôm Al2O3 trong đó một số ion Al+3 đã được thay bằng các ion Cr+3.Thanh rubi có dạng hình trụ dài 100-300mm,đường kính tới 30-50mm.Laser dùng các nguyên tố đất hiếm như Neodym,Dysprozi,Samari,Erbium…
Laser khí là laser sử dụng hoạt chất là các chất khí .Chất khí ở đây có thể bao gồm những chất khí tồn tại ở nhiệt độ thường (Argon,Neon,Kripton,Xenon…), cũng có thể là những chất hơi do vật chất được nung nóng bốc hơi,ví dụ hơi kim loại.
Laser bán dẫn (Điốt laser)
Hình 3.29a trình bày sơ đồ cấu trúc các vùng năng lượng của điốt laser khơng cĩ điện áp phân cực, và Hình 3.29b trình bày sơ đồ cấu trúc các vùng năng lượng của điốt laser với điện áp phân cực.
Hình 3.29 Sơ đồ cấu trúc các vùng năng lượng của điốt laser a/ Khơng cĩ điện áp phân cực
b/ Cĩ điện áp phân cực thuận eU > Wg
Điốt laser được đặt điện áp phân cực thuận, sao cho eU > Wg, tất cả các mức năng lượng ở phía n đều được nâng lên, cịn ở phía p thì bị hạ thấp xuống do đĩ chiều cao của rào chắn giảm xuống rất nhiều, như thấy trên hình 3.29b. Các hạt mang điện được phun với số lượng lớn vào vùng hoạt tính sát với mặt tiếp giáp, trong vùng này electron cĩ thể chuyển động từ vùng dẫn đến những mức trống trong vùng hĩa trị, và bức xạ photon. Để cĩ thể tạo được vùng hoạt tính điều kiện phải là eU > Wg.
Sự tái hợp của electron-lỗ trống bức xạ ra photon cĩ năng lượng gần bằng Wg, chiều dài bước sĩng λg, nhưng quá trình này chỉ cĩ hiệu quả ở vật liệu bán dẫn trực tiếp: do đĩ chỉ sử dụng vật liệu bán dẫn trực tiếp để chế tạo laser.
Hình 3.30 Sơ đồ cấu tạo của điốt laser bằng GaAs
Điốt laser gồm cĩ tiếp giáp p+n+ bằng GaAs hoặc vật liệu bán dẫn trực tiếp khác, cĩ tạp chất nhận và tạp chất cho, với mật độ 1024/m3. Tinh thể GaAs cĩ hai mặt đầu được xẻ rãnh rất chính xác để tạo ra mặt phẳng nhẵn, song song với nhau, gần như cĩ thể nhìn qua được, cĩ khả năng phản xạ.
Ngay khi U lớn hơn giá trị ngưỡng, thì cĩ dịng điện chảy,do sự bức xạ kích thích, những photon này đi đến những mặt phẳng được xẻ rãnh; những mặt phẳng này như những tấm gương, làm cho những photon đến phản xạ trở lại vào vùng hoạt tính. Các photon chuyển động qua vùng hoạt tính và kích thích sự bức xạ thêm photon đồng pha- cứ mỗi lần photon được bức xạ và đến mặt phẳng phản xạ như gương, thì lại một lần nữa chuyển động qua vùng hoạt tính và nhiều photon hơn được bức xạ, tất cả các photon đều đồng pha với nhau. Quá trình này cứ tiếp diễn lập lại, sự bức xạ và sự chuyển động của photon qua vùng hoạt tính xảy ra nhiều lần, kết quả là cường độ ánh sáng được khuyếch đại và bức xạ nhiều photon đồng pha.
Tuy nhiên mức độ khuyếch đại ánh sáng khơng phải tiếp tục tăng đến vơ cùng, mà bị giới hạn do hai hiện tượng: một là do một số photon bị hấp thụ vào vật liệu ở ngồi vùng họat tính, hai là những photon này đến các mặt phản xạ ở hai biên thì chỉ được phản xạ với tỷ lệ 1/3.
Cường độ ánh sáng sẽ ổn định ở giá trị cĩ được khi mà quá trình khuyếch đại của áng sáng cân bằng với quá trình tổn hao. Hai mặt trước và sau của tinh thể được gia cơng thơ nhằm để khơng cho photon được bức xạ về hướng của hai mặt đĩ.
Dịng điện ngưỡng cĩ mật độ khoảng 107A/m2 ở 77 0K, và tăng đến 109A/m2 ở 300K, với điện áp phân cực thuận cỡ 1V. Như vậy cơng suất bức xạ cỡ (107 – 109) w/m2; nếu diốt cĩ kích thướt 100μm x 100μm, thì cĩ cơng suất bức xạ bằng (10-1- 10) w, phải được giải nhiệt nhờ cĩ tấm hấp thụ nhiệt (điều này giải thích việc diốt laser thường làm việc ở chế độ xung và ở nhiệt độ thấp).
Chương 3: VẬT LIỆU ĐIỆN MƠI
Một số vật liệu bán dẫn trực tiếp như GaAs, InGaP và AlGaAs sử dụng để chế tạo laser ánh sáng hồng ngoại.Một lần nữa chúng ta hãy tính bước sĩng của ánh sáng được bức xạ từ GaAs, cho biết năng lượng vùng cấm của GaAs bằng Wg = 1,58 eV.
m m eV wg μ μ λ 0,785 58 , 1 24 , 1 ) ( 24 , 1 = =
(Đây là bước sĩng của tia hồng ngoại).
Ví dụ : Dùng chất AlxGa1-xAs để chế tạo diốt laser cĩ thể bức xạ ra ánh sáng mắt người cĩ thể nhìn thấy đượcλ= 0,650μm ,cho biết: năng lượng vùng cấm của chất AlxGa1-x As cĩ thể xác định theo phương trình sau :
Wg = 1,424 + 1,247x (eV)
Giải :Ánh sáng nhìn được cĩ bước sĩng λ= 0,650μm, thì vật liệu cần cĩ năng lượng vùng cấm bằng: ( ) eV m 907 , 1 650 , 0 24 , 1 24 , 1 eV Wg = = = μ λ Vậy 1,424 +1,247x =1,907 388 , 0 247 , 1 424 , 1 907 , 1 − = = x ~ 0,4 Vật liệu cần dùng là : Al0.4Ga0.6As
Nhược điểm của laser một lớp chuyển tiếp là cần cĩ dịng điện thuận lớn và cần phải tỏa nhiệt. Chế tạo laser cĩ nhiều lớp chuyển tiếp phân cực cĩ thể khắc phục các nhược điểm này.