2.3.1. Đặc trưng I-V
Đặc trƣng I-V của laser đƣợc đo sử dụng các thiết bị chính dƣới đây: Để kiểm tra, đặt chế độ hoạt động của laser ta dùng nguồn Thorlabs ITC4005 dùng với dải dòng cấp 0 – 5A cho laser diode, ổn định dòng 0,1% ; dải cấp dòng cho pin Peltier (TEC) -15A ÷ +15A, độ ổn định nhiệt độ 0,20C. Dùng máy này nhằm đặt dòng ngƣỡng cho laser, bảo vệ laser khỏi hỏng laser bán dẫn khi là việc.
Hình 2.8: Sơ đồ phương pháp đo đặc trưng I-V của Laser.
Tín hiệu quang đƣợc đƣa đến đầu thu photodiode đặt ngay sau laser để thu toàn bộ bức xạ laser (hình 2.8), đầu thu nối với máy đo công suất. Máy đo công suất dùng máy đo công suất dải rộng Melles Griot 13 PEM001. Laser đƣợc cấp dòng liên tục, ổn định nhiệt độ bằng pin peltier. Chúng tôi sử dụng thí nghiệm với các thành phần đƣợc mô tả nhƣ hình 2.8 để đo đặc trƣng I-V của laser 670 nm phát ở chế độ liên tục.
2.3.2. Đặc trưng P-I
Đặc trƣng cơ bản nhất của laser bán dẫn nói chung và laser bán dẫn công suất cao nói riêng là đƣờng biểu diễn sự phụ thuộc của công suất bức xạ laser vào dòng bơm chạy qua lớp chuyển tiếp p-n (hay còn gọi là đƣờng đặc trƣng P-I). Thông số đặc trƣng này có thể xác định đƣợc nhiều thông số cũng nhƣ nhiều tính chất quan trọng của laser. Đƣờng đặc trƣng P-I cho chúng ta biết ngƣỡng phát của laser cũng nhƣ dòng bơm cần đặt vào chuyển tiếp p-n để có một công suất bức xạ nhất định.
Do đặc trƣng của từng loại laser mà chúng thực hiện đo đạc ở chế độ khác nhau là chế độ liên tục với laser phát bƣớc sóng 670 nm. Chúng tôi sử dụng thí nghiệm với các thành phần đƣợc mô tả nhƣ hình 2.8 để đo công suất dòng bơm của laser 670 nm phát ở chế độ liên tục.
2.4. Kỹ thuật đo phổ phát xạ của laser bán dẫn công suất cao
Hình 2.9 sơ đồ đo phổ của laser. Nguồn cấp dòng bơm cho laser và cấp dòng cho bộ điều khiển peltier (TEC), thấu kính phi cầu có tiêu cự 8 mm hội tụ các bức
Máy đo công suất quang dải rộng
Melles Griot 13 PEM001
Laser
Nguồn nuôi Thorlabs ITC4005 Đầu thu
photodiod Laser đƣợc cố định trên pin
xạ laser vào sợi quang đƣa tới máy phân tích phổ quang spectrum analyzer Advantest Q8384 OSA (Hình 2.10) độ phân giải của máy 0,02 nm. Laser, thấu kính, và sợi quang đƣợc đặt trên một hệ thống bàn vi dịch chuyển để điều chỉnh thu tín hiệu phổ cao nhất.
Hình 2.9: Sơ đồ đo phổ của laser
Hình 2.10: Máy phân tích phổ quang Advantest Q8384 OSA
2.5. Phƣơng pháp khảo sát tính chất chùm tia của laser taper
Phƣơng pháp khe hẹp (slit method)
Mục đích là tạo ra một khe hẹp đủ nhỏ để đo phân bố cƣờng độ của chùm theo vị trí khi quét khe hẹp dọc theo phƣơng khảo sát. Hình 2.11 minh họa phƣơng pháp đo độ rộng cổ chùm tia (beam waist) sử dụng kỹ thuật quét khe hẹp (slit method). - Laser đƣợc đặt trên một bàn vi dịch chuyển để điều chỉnh dò vị trí cổ chùm. - Thấu kính phi cầu L1, tiêu cự f1 = 8 mm, khẩu độ 0,5.
- Thấu kinh L2 , tiêu cự f2 = 500 mm. Khoảng cách giữa hai thấu kính L = f1 + f2 - Đầu thu khe hẹp đặt tại tiêu điểm ảnh của thấu kính L2.
- Một gƣơng phản xạ dùng để quan sát hình ảnh chùm trên một camera hồng ngoại đƣợc đặt giữa gƣơng L2 và bộ thu khe hẹp sao cho khoảng cách từ gƣơng tới đầu thu bằng khoảng cách từ gƣơng tới Camera. Camera đƣợc nối với thiết bị quan sát đề tìm vị trí chùm có độ rộng nhỏ nhất.
LD
Dòng bơm
OSA
Máy phân tích phổ OSA
Sợi quang
Hình 2.11: Phương pháp đo độ rộng cổ chùm tia, sử dụng kỹ thuật quét khe hẹp
Hình 2.12: Dịch chuyển khe để đo phân bố mật độ công suất
Hình 2.12 minh họa phân bố mật độ công suất đo bằng phƣơng pháp quét khe hẹp. Độ rộng cổ chùm d1/e2 đƣợc tính tại vị trí 1/e2 (13,5%) của công suất đỉnh.
Phƣơng pháp khảo sát phân bố trƣờng xa
Phân bố trƣờng xa là phân bố cƣờng độ quang trong không gian của laser, phân bố này có thể đƣợc đo sử dụng phƣơng pháp quay đầu phát laser.
Hình 2.14 là sơ đồ minh họa đo phân bố trƣờng xa.
- Laser đƣợc đặt trên tâm của một đế có thể điều chỉnh quay theo các góc khác nhau.
- Đầu thu là photodiode có kính lọc, đƣợc gắn sau một khe hẹp cỡ 100 µm, đặt cách laser cỡ 10 cm dùng để thu bức xạ laser trong một góc đủ hẹp.
- Dao động ký KIKUSUI 100 MHz.
Hoạt động: Laser đƣợc cấp dòng xung từ máy phát xung có độ rộng xung thay đổi từ 200 ns tới 5 μs, tần số 1-10 KHz, biên độ xung dòng 0-1,5 A. Xung thu từ photodiode đƣợc đo trên dao động ký KIKUSUI 100 MHz.
L1 L2 f1 f1+f2 f2 L1: f1 = 8 mm, NA = 0,5 L2: f2= 500 mm, CCD Gƣơng phản xạ Bộ thu khe hẹp
Hình 2.13: Sơ đồ minh họa phương pháp đo phân bố trường xa
Thừa số truyền chùm M2
Hình 2.14: Minh họa các thông số cơ bản của chùm tia Hình 2.14: Minh họa các thông số cơ bản của chùm tia
Giả sử một chùm có dạng nhƣ trong hình 2.14 với d0 là độ rộng cổ chùm nhỏ nhất, là góc phân kỳ của chùm khi đó thừa số truyền chùm là:
Hằng số truyền M2 : Sử dụng công thức 2 2 2 / 1 / 1 2 / 1 4 e e e d M Với M2
là thừa số truyền chùm hay còn gọi là hệ số phẩm chất của chùm tia
d: là độ rộng cổ chùm
: là góc phân kỳ; : Bƣớc sóng phát của laser
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN VÀ THẢO LUẬN
3.1. Tính chất quang điện của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng bƣớc sóng 670 nm bƣớc sóng 670 nm
3.1.1. Đặc trưng dòng thế (I-V)
Đƣờng đặc trƣng dòng thế I-V của laser cấu trúc taper φ = 30
đƣợc đo bởi hệ đo mô tả tại sơ đồ hình 2.8 trong chƣơng trƣớc, phép đo thực hiện tại nhiệt độ phòng 25oC, kết quả đo điện thế trên chuyển tiếp phụ thuộc dòng bơm đƣợc biểu diễn trên đồ thị hình 3.1.
Hình 3.1: Đặc trưng I-V của laser taper φ = 30 .
Từ hình 3.1 ta xác định đƣợc thế thuận mở trên chuyển tiếp p-n của laser là Vf ~ 1,8 V. Khi bắt đầu tăng dòng qua laser thế rơi trên chuyển tiếp p-n tăng nhanh đến giá trị ngƣỡng Vf. Ở trên giá trị thế mở thuận (V > Vf), thế rơi trên laser tăng chậm theo dòng bơm, từ đồ thị hình 3.1 ta xác định đƣợc khi dòng bơm tăng từ 0 đến 1A thì thế rơi trên chuyển tiếp laser tăng từ 1,8 V đến 2,4 V. Nguyên nhân tăng thế theo dòng bơm là do laser có điện trở nối tiếp. Cũng từ đồ thị 3.1 có thể xác định đƣợc điện trở nối tiếp của laser vào khoảng 0,54 Ω.
Thực hiện các phép đo tƣơng tự với laser cấu trúc taper φ = 40, ta thu đƣợc kết quả nhƣ trên đồ thị hình 3.2. Với laser cấu trúc taper φ = 40, ta xác định đƣợc Vf ~ 1,78 V. Khi dòng bơm tăng từ 0 đến 1,2 A thì thế rơi trên laser tăng từ 1,78 V đến 2,39 V.
Đồ thị hình 3.2 cũng cho phép ta xác định đƣợc điện trở nối tiếp của laser cấu trúc taper φ = 40, so với laser cấu trúc taper φ = 30
giá trị điện trở nối tiếp của laser này thấp hơn chỉ xấp xỉ 0,36 Ω.
Hình 3.2: Đặc trưng I-V của laser taper φ = 40 .
3.1.2. Đặc trưng công suất phát xạ phụ thuộc dòng bơm (P-I)
Đặc trƣng công suất phát xạ phụ thuộc 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 đặc trƣng P-I đƣợc mô tả tại phần 2.3.2 chƣơng 2 (sơ đồ hệ đo trên hình 2.8).
Kết quả trên đồ thị hình 3.3 biểu diễn đặc trƣng công suất phụ thuộc dòng bơm của laser taper với góc mở của taper φ = 30. Trên đồ thị này, ta thấy dòng ngƣỡng của laser taper vào khoảng Ith ~ 400 mA, ở dƣới dòng ngƣỡng (I = 1 – 400 mA) chỉ tồn tại các photon phát xạ tự phát, công suất quang ra tăng rất thấp khi tăng dòng bơm. Vùng này chính là vùng mà laser chỉ phát bức xạ huỳnh quang. Ở gần giá trị dòng ngƣỡng, laser phát siêu huỳnh quang là vùng cạnh tranh giữa bức xạ tự phát và bức xạ cƣỡng bức. Ở trên dòng ngƣỡng, khi linh kiện đã chuyển hoàn toàn sang chế độ phát laser, công suất quang ra khi đó tăng tuyến tính với dòng cung cấp. Từ đồ thị 3.3 có thể xác định đƣợc ở dòng bơm 1 A công suất tối đa thu đƣợc là P ~ 314 mW.
Hình 3.3: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm của laser taper 3 o
Với laser cấu trúc taper φ = 40, ta cũng tiến hành phép đo tƣơng tự tại nhiệt độ 25oC, kết quả thu đƣợc đƣờng đặc trƣng P-I nhƣ biểu diễn trên đồ thị hình 3.4. Từ kết quả này xác định đƣợc dòng ngƣỡng Ith ~ 380 mA, ở dƣới dòng ngƣỡng (I = 1 – 380 mA) chỉ tồn tại các photon phát xạ tự phát, công suất quang ra tăng rất thấp khi tăng dòng bơm. Vùng này chính là vùng mà laser chỉ phát bức xạ huỳnh quang. Ở gần giá trị dòng ngƣỡng, laser phát siêu huỳnh quang là vùng cạnh tranh giữa bức xạ tự phát và bức xạ cƣỡng bức. Ở trên dòng ngƣỡng, khi linh kiện đã chuyển hoàn toàn sang chế độ phát laser, công suất quang ra khi đó tăng tuyến tính với dòng cung cấp.
Hình 3.4: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm của laser taper 40
.
3.1.3. Hiệu suất độ dốc và hiệu suất biến đổi điện quang
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,