Hiệu suất độ dốc của laser đƣợc tính theo công thức I P (3.1)
Với ∆P là độ chênh lệch công suất quang khi thay đổi dòng bơm một lƣợng ∆I. Hiệu suất biến đổi điện quang là đặc trƣng của laser bán dẫn, nó cho biết hiệu suất biến đổi công suất điện đầu vào biến đổi thành công suất quang ở đầu ra.
Một laser bán dẫn có hiệu suất biến đổi xác định bằng tổng công suất quang đầu ra chia cho công suất điện đầu vào:
ηC(I) = Popt /Pelec (3.2) Với Popt công suất quang đầu ra của laser.
Pelec = I.V công suất điện cấp cho laser; I dòng bơm, V giá trị thế tƣơng ứng.Ví dụ: Từ hình 3.3 và 3.4, ta xác định đƣợc:
Hiệu suất độ dốc của laser taper 3o
ở nhiệt độ 250C (W/A) = 0,5
Hiệu suất độ dốc của laser taper 4o
3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên các đặc trưng quang điện
a. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của dòng ngƣỡng phát laser
Dòng ngƣỡng phát laser phụ thuộc vào nhiệt độ của laser cấu trúc taper φ = 30
đƣợc đo bởi hệ đo mô tả tại sơ đồ hình 2.9 trong chƣơng trƣớc, phép đo thực hiện tại nhiệt độ phòng 20o
C, 25oC, 30oC, kết quả đo dòng ngƣỡng phụ thuộc vào nhiệt độ đƣợc biểu diễn trên đồ thị hình 3.5.
Hình 3.5: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm ở các nhiệt độ khác nhau của laser taper 3o
Từ đồ thị ta thấy, khi tăng nhiệt độ hoạt động của laser ta thấy rằng, dòng ngƣỡng của laser cũng tăng theo. Điều này phù hợp với lý thuyết về sự phụ thuộc của dòng ngƣỡng vào nhiệt độ hoạt động:
0
0exp / )
(T I T T
Ith (3.3)
Với Ith(T) là giá trị dòng ngƣỡng tại nhiệt độ T, Io là giá trị dòng ngƣỡng tại nhiệt độ đặc trƣng To .
Bảng 3.1: Dòng ngƣỡng phụ thuộc theo nhiệt độ của laser taper 3o
T (oC) 20 25 30
th
I (mA) 380 400 420
Từ bảng dòng ngƣỡng phụ thuộc nhiệt độ ta tính đƣợc nhiệt độ đặc trƣng của laser T0 ~ 97K.
dẫn. Khi nhiệt độ tăng sẽ làm mở rộng dải năng lƣợng cho phép của hạt tải, dẫn đến có nhiều điện tử nhảy lên các mức năng lƣợng cao hơn. Vì vậy có sự tăng mật độ theo nhiệt độ dẫn đến làm tăng dòng dò qua chuyển tiếp gây mất mát hạt tải điện vô ích và làm tăng tái hợp, không bức xạ. Do đó dòng ngƣỡng tăng theo nhiệt độ.
b. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của đặc trƣng P-I
Hình 3.6: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm ở các nhiệt độ khác nhau của laser taper 4o
Hình 3.6 là đặc trƣng công suất quang phụ thuộc dòng bơm của laser có cấu trúc Taper với góc vuốt thon 4o
. Từ đồ thị ta thấy trên đƣờng đặc trƣng P(I) của laser này có xuất hiện điểm gãy khúc (kink) trong khoảng từ 700 ÷ 800 mA. Điều này có thể có thể đƣợc giải thích với các cơ chế nhƣ sau:
- Khi dòng bơm tăng tăng đến giá trị đủ lớn nào đó, điều này làm mở rộng vùng tích cực bên trong buồng cộng hƣởng, làm tăng mất mát các hạt tải bên trong vùng tích cực, làm giảm hiệu suất lƣợng tử tạo nên “kink” trên đƣờng đặc trƣng P- I[9].
- Khi tăng dòng bơm, nếu sự phân bố các mode không đồng nhất, khi đó mật độ photon tăng xẩy ra hiện tƣợng đốt lỗ không gian (spatial hole burning), dẫn đến chiết suất, độ khuếch đại của mode không đồng nhất. Điều này làm thay đổi phân bố cƣờng độ mode dọc (hệ số khuếch đại mode, mật độ hạt tải trung bình và chiết
suất của mode thay đổi). Kết quả là đặc trƣng công suất quang – dòng là phi tuyến khi công suất quang tăng [21].
Bảng 3.2: Hiệu suất độ dốc phụ thuộc theo nhiệt độ của laser taper 4o
T (oC) 20 25 30
(W/A) 0,82 0,79 0,77
3.2. Tính chất phổ phát xạ của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng 670 nm 670 nm
3.2.1. Phổ phát xạ của laser
Đặc trƣng phổ của laser cho biết bƣớc sóng phát xạ trung tâm, hoạt động chế độ đơn mode dọc, tỉ số nén mode giữa mode trung tâm và mode bên. Hình 3.7 mô tả cụ thể phổ quang của một laser bán dẫn có buồng cộng hƣởng Fabry-Perot ở các giá trị trên và dƣới ngƣỡng phát laser.
Hình 3.7: Phổ quang của laser bán dẫn tại các giá trị khác nhau a: dưới ngưỡng; b, c: gần ngưỡng ; d: trên ngưỡng
Tại các giá trị dòng khác nhau, phổ quang của laser bán dẫn sẽ có giá trị khác nhau.
- Ở dƣới giá trị dòng ngƣỡng I << Ith (hình 3.7a): là vùng laser phát bức xạ huỳnh quang;
- Gần giá trị dòng ngƣỡng I ~ Ith (hình 3.7b và 3.7c): laser phát siêu huỳnh quang là vùng cạnh tranh giữa bức xạ tự phát và bức xạ cƣỡng bức
- Trên giá trị dòng ngƣỡng I >> Ith (hình 3.7d): là vùng phát laser; công suất quang đầu ra tăng tuyến tính với dòng cung cấp.
3.2.2. Sự phụ thuộc vào dòng bơm của phổ phát xạ
Sự phụ thuộc của phổ phát xạ vào dòng bơm của các laser taper cũng đã đƣợc nghiên cứu khảo sát. Trong luận văn này, các phép đo đƣợc thực hiện tại nhiệt độ 25oC trên hệ đo phổ laser mô tả tại phần 2.4 chƣơng 2 (sơ đồ hệ đo trên hình 2.9).
Hình 3.8: Phổ quang của laser taper 40 tại các giá trị dòng hoạt động khác nhau, nhiệt độ hoạt động 25o
C
Từ hình 3.8 ta xác định đƣợc các giá trị đỉnh phổ trong bảng số liệu sau
Bảng 3.3: Các giá trị đỉnh phổ theo dòng hoạt động của laser taper 4o Dòng
(mA) 400 500 600 700 750 800 850 900
Đỉnh phổ
(nm) 670,48 671,13 671,28 671,43 671,49 671,79 670,99 671,03
Hình 3.8 là phổ quang của laser taper cấu trúc 4o tại các dòng bơm khác nhau. Khi dòng bơm tăng phổ quang của laser này có xu hƣớng mở rộng độ rộng, khi dòng bơm tăng từ 400mA đến 900 mA đỉnh phổ thay đổi từ 670,48nm đến 671,79 nm. Ta thấy rằng ở dòng hoạt động thấp độ rộng phổ khuếch đại (< 3nm), điều này đƣợc giải thích là do trong cấu trúc taper có phần gò dẫn sóng hẹp có chức
năng nhƣ bộ lọc các mode xiên. Tuy nhiên với dòng bơm cao trên 700 mA phổ quang của của laser mở rộng hơn đáng kể so với các giá trị dòng bên dƣới do hiệu ứng nhiệt và khuyết tất trong laser làm thay đổi cấu trúc dẫn sóng dẫn đến suy giảm khả năng lọc lựa mode.
3.2.3. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của phổ phát xạ
Hình 3.9: Phổ quang của laser taper 40
tại dòng hoạt động 600 mA với các giá trị nhiệt độ hoạt động khác nhau
Hình 3.9 là phổ quang của laser taper với dòng bơm cố định (I = 600 mA) tại nhiệt độ 200
C, 250C và 300C. Khi nhiệt độ tăng từ 200C đến 300C thì đỉnh phổ thay đổi trong khoảng 670,2 nm đến 672.5 nm. Đỉnh phổ có xu hƣớng dịch về phía sóng dài do độ rộng vùng cấm của vật liệu bán dẫn trong vùng tích cực Eg(T) tăng theo nhiệt độ T nhƣ sau:
Eg(T)= Eg(0)-T (3.4) Eg(0): độ rộng vùng cấm ở T = 0K.
: hệ số thay đổi theo nhiệt độ của độ rộng vùng cấm.
Sự thay đổi theo nhiệt độ của cấu trúc phổ dọc của laser taper là do sự thăng giáng mode nhƣ đã nêu ở trên. Khi nhiệt độ tăng độ rộng phổ có xu hƣớng giảm. Vì khi nhiệt độ tăng có thể do sự tăng hấp thụ hạt tải tự do theo nhiệt độ. Một số mode
có thể bị hấp thụ bởi hạt tải tự do nhiều hơn các mode khác nên bị biến mất khỏi phổ dọc. Từ đồ thị hình độ dịch phổ trung bình là 0.12 nm/o
C.
Bảng 3.4: Sự phụ thuộc đỉnh phổ theo nhiệt độ của laser cấu trúc taper 4o
Nhiệt độ 20 25 30
Đỉnh phổ (nm) 670,46 671,24 671,72
3.3. Tính chất chùm tia của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng 670 nm 670 nm
3.3.1. Phân bố trường xa của chùm tia
Hình 3.10: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3o a. Hướng vuông góc với chuyển tiếp
b. Hướng song song với chuyển tiếp
Xác định phân bố trƣờng xa của chùm tia laser là xác định phân bố cƣờng độ quang trong không gian của laser, phân bố này đo đƣợc nhờ sử dụng phƣơng pháp quay đầu phát laser, sơ đồ đo nhƣ hình 2.13. Xung thu từ photodiode đƣợc đo trên dao động ký KIKUSUI 100 MHz. Phân bố trƣờng xa của laser đƣợc đo theo cả hai hƣớng song song và vuông góc với phƣơng chuyển tiếp. Hình 3.10a; hình 3.10b là phân bố trƣờng xa của laser taper cấu trúc 3o
Hình 3.11: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3o theo hướng song song với chuyển tiếp ở các dòng bơm khác nhau.
Ta xác định đƣợc độ rộng góc tại vị trí 1/e2
là 8,1o theo phƣơng song song. Độ rộng góc là 50,6o
theo phƣơng vuông góc. Khi dòng bơm tăng tới giá trị đủ lớn thì xuất hiện hai đỉnh rõ rệt trong phân bố trƣờng xa. Nguyên nhân do sự không đồng nhất trong cấu trúc taper gây ra.
Hình 3.12: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3o tại các nhiệt độ khác nhau
Hình 3.12 là phân bố trƣờng xa của laser cấu trúc taper 30 ở các giá trị nhiệt độ 200
C, 250C và 30oC. Khi nhiệt độ thay đổi thì phân bố trƣờng xa tƣơng tự nhau. Vậy phân bố trƣờng xa không ảnh hƣởng nhiều bởi nhiệt độ.
Hình 3.13: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 4o
a. Hướng song song với chuyển tiếp ở các dòng khác nhau
b. Hướng vuông góc với chuyển tiếp
Hình 3.13 là phân bố trƣờng xa của laser taper cấu trúc 4o dòng hoạt động 700 mA và nhiệt độ 25oC. Từ đồ thị ta xác định đƣợc độ rộng góc tại vị trí 1/e2 là 6,9o theo phƣơng song song, độ rộng góc là 54o theo phƣơng vuông góc. Ta nhận thấy khi tăng dòng bơm cho laser tới giá trị đủ lớn thì phân bố trƣờng xa cũng tạo thành hai đỉnh rõ rệt.
3.3.2. Độ rộng cổ chùm và tính toán hằng số truyền M2
Hình 3.14 là phân bố cƣờng độ công suất theo vị trí cổ chùm (khoảng cách tính từ tâm của chùm tia tại cổ chùm) của laser cấu trúc taper 3o
và 4o. Từ hình vẽ ta xác định các thông số độ rộng cổ chùm tại vị trí 1/e2
với dòng hoạt động 700 mA ở nhiệt độ 250
C: Laser taper 3o : 16,7 m Laser taper 4o : 15,1 m
Hình 3.14: Phân bố cường độ công suất theo vị trí cổ chùm a) laser cấu trúc taper 3o
,b) laser cấu trúc taper 4o
Bảng 3.5: Các thông số chùm của laser taper cấu trúc 3o và 4o
Laser Taper 3o Taper 4o
Thông số Đơn vị (//) 2 / 1 e Độ 8.1 6.9 ) ( 2 / 1 e Độ 50.6 54 2 / 1e d µm 16.7 15,1 nm 671 671 M1/e2 (//) 2.7 2.1 M1/e2 () 1.01 1.1
Qua bảng số liệu trên ta thấy hằng số truyền laser taper theo phƣơng vuông góc với lớp chuyển tiếp p-n vào khoảng 1, do vậy chất lƣợng chùm tia chủ yếu phụ thuộc vào thừa số truyền theo hƣớng song song với chuyển tiếp.
Từ trên bảng 3.5 ta thấy các laser Taper có chùm tia có phân bố gần với phân bố gauss hay chất lƣợng chùm tia của laser taper tốt. Laser taper cấu trúc 4o
có hệ số truyền là M1/e2(//) = 2,1 nhỏ hơn laser cấu trúc 3o
(M1/e2(//) = 2,7) có độ rộng cổ chùm nhỏ hơn và chất lƣợng chùm tia tốt hơn. Nhƣ vậy, ƣu điểm chủ yếu của laser taper là
độ công suất quang lối ra tại cổ chùm đạt đƣợc cao. Điều này rất quan trọng cho nhiều ứng dụng thực tế, đặc biệt trong việc dùng laser bán dẫn công suất cao làm nguồn bơm cho laser rắn, nguồn kích thích trong việc đo phổ huỳnh quang của các vật liệu khác nhau [8].
3.4. Phân tích kết quả khảo sát đặc trƣng của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng 670 nm và đánh giá về khả năng ứng dụng làm nguồn bơm taper phát tại vùng 670 nm và đánh giá về khả năng ứng dụng làm nguồn bơm trong hệ laser rắn Cr3+
Tinh thể colquiriite pha tạp Cr3+ đƣợc xem giải pháp thay thế hứa hẹn nhất cho các tinh thể laser rắn Ti: Sapphire đang sử dụng hiện nay để phát ra laser xung cực ngắn với độ rộng xung cỡ femto giây. Các tinh thể colquiriite điển hình nhƣ Cr3 +: LiSAF, Cr3 +: LiSGaF và Cr3 +: LiCAF cũng có băng thông rộng khoảng 800 nm, có khả năng điều chỉnh bƣớc sóng tổng thể từ 720 nm đến 1065 nm và cho phép tạo xung trên mức 10 fs, trong khi chi phí xây dựng hệ laser thấp hơn so với các hệ laser xung cực ngắn trên cơ sở tinh thể Ti: Sapphire. Bên cạnh đó tinh thể colquiriite pha tạp Cr3+ có mất mát thụ động thấp, tích số của thời gian sống huỳnh quang và tiết diện phát xạ cao vì thế có thể dễ dàng phát laser với ngƣỡng bơm rất thấp. Hiệu suất độ dốc của các laser rắn này cao vì thế cho phép laser hoạt động một cách hiệu quả. Tinh thể colquiriite pha tạp Cr3+ có các dải hấp thụ rộng và tƣơng đối mạnh xung quanh 650 nm, cho phép bơm trực tiếp bằng các laser bán dẫn màu đỏ chi phí thấp, làm giảm đáng kể sự phức tạp của hệ thống và cải thiện hiệu suất tổng thể của toàn hệ. Nhiều loại laser bán dẫn khác nhau đã đƣợc sử dụng để bơm các laser Cr: Colquiriite ví dụ nhƣ các laser mảng (array), các laser dải rộng còn gọi là laser BA (Broad-Area), các laser dẫn sóng gò còn gọi là laser RW (Ridge-Waveguide). Các loại laser bán dẫn đã đƣợc sử dụng này có nhƣợc điểm là độ sáng tƣơng đối thấp vì vậy cần phải sử dụng nhiều laser cùng một lúc để có đƣợc mật độ kích thích đủ lớn.
Laser mảng tích hợp nhiều chip laser bán dẫn đơn dễ dàng cho phát ra mức công suất laser rất cao (lên đến hàng chục W), tuy nhiên chất lƣợng chùm tia ở các laser loại này giảm mạnh đồng thời chi phí của nguồn bơm cũng tăng đáng kể. Các tác giả trong [17] đã sử dụng một mảng diode 15 W (M2
~ 1200 theo chiều song song và M2 < 1.1 theo chiều vuông góc, độ sáng ~ 28 mW/μm2) để bơm một laser Cr: LiSAF đƣợc thiết kế đặc biệt với buồng cộng hƣởng profile chùm tia bất đối xứng. Laser rắn này đạt công suất laser liên tục 1,42 W và công suất laser trung bình 500 mW ở chế độ khóa mode.
Nhƣng do profile chùm tia chất lƣợng thấp nên hiệu suất độ dốc ở chế độ liên tục giới hạn ở 18% [17].
Laser RW đơn mode ở 650 nm công suất đầu ra là 170 mW với M2
<1.1 cho độ sáng 360 mW/μm2
. Vì vậy để có công suất laser liên tục 335 mW và công suất laser trung bình 250 mW ở chế độ khóa mode (mode-locking) chúng ta cần tới bốn laser RW nhƣ đã đề cập [6].
Với các laser BA hiện có, công suất cực đại có thể đạt tới 1,5 W nhƣng miền tích cực phát laser là rất bất đối xứng (chiều rộng có thể gấp tới vài chục lần bề dày) dẫn đến chùm phát ra là bất đối xứng và có chất lƣợng chùm tia rất thấp (M2 ~ 10 theo chiều song song và M2 <1,1 theo chiều vuông góc). Do đó, mặc dù các laser này có công suất đầu ra khá cao nhƣng độ sáng của chúng cũng chỉ đạt ~ 340 mW/μm2
thậm chí còn thấp hơn các laser RW đơn mode. Khi sử dụng bốn laser BA thì cũng chỉ đạt công suất laser liên tục 590 mW và công suất laser trung bình 390 mW ở chế độ khóa mode. Bên cạnh đó, việc sử dụng laser có chất lƣợng chùm bơm thấp sẽ giới hạn hiệu suất độ dốc của laser rắn (chỉ đạt 19% khi laser hoạt động ở mode TEM 00) đồng thời sinh ra một lƣợng nhiệt lớn cho laser [5].
Tóm lại, các nghiên cứu vừa trình bày đã phải sử dụng cấu hình bơm phức