STT Điện áp so sánh (V) Nhiệt độ điều khiển (0C) STT Điện áp so sánh (V) Nhiệt độ điều khiển (0C) 1 1.80 45.00 5 2.80 25.00 2 2.00 40.00 6 3.10 20.00 3 2.20 35.00 7 3.40 15.00 4 2.50 30.00 8 3,7 10.00
Từ bảng số liệu 3.10, chúng ta có thể biểu diễn sự phụ thuộc giữa điện áp so sánh và nhiệt độ điều khiển như sau (hình 3.33)
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO ĐIỆN ÁP SO SÁNH
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 50.00 Nhiệt độ (0C) Đ i ệ n á p s o s ánh ( V ol ta ge )
3.5. Chế tạo bộ điều chế xung
Hiện nay trên thị trường có nhiều loại IC chuyên dụng cho phép điều chế xung PWM. Trong luận văn này, chúng tôi đã sử dụng IC LM555 của hãng Texas Instruments. IC LM555 được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển. Nó có thể hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau như:
• Chế độ tạo xung đơn (Monostable operation): IC tạo ra những xung đơn nhờ mắc thêm trở, tụ bên ngồi;
• Chế độ tạo dao động (Astable operation): IC tự động tạo xung triger và tự tạo xung đa hài. Độ rộng xung phụ thuộc vào trở, tụ mắc thêm bên ngồi;
• Làm việc với vai trò bộ chia tần (frequency divider): IC được sử dụng như một bộ chia tần số nhờ điều chỉnh độ dài chu kỳ xung;
• Chế độ điều chế độ rộng xung (Pulse width modulation): Khi đó, IC làm việc trong chế độ xung đơn và được giữ nhịp bởi một xung có thể điều chỉnh liên tục. Độ rộng của xung lối ra sẽ được điều chế theo tín hiệu bên ngồi;
• Chế độ điều chế vị trí xung (Pulse position modulation): IC được đấu như
trong sơ đồ tạo dao động (astable). Tín hiệu điều chế được đưa đến chân điều khiển điện áp của IC. Nhờ thay đổi điện áp và do đó thay đổi thời gian trễ, vị trí xung cũng bị thay đổi theo;
• Chế độ dao động với độ rộng xung 50% chu kỳ: IC tạo dao động có độ rộng xung bằng 50% chu kỳ. Độ rộng xung phụ thuộc vào các điện trở, tụ điện mắc thêm bên ngoài.
3.5.1. Sơ đồ nguyên lý
Trong luận văn này, chúng tôi đã thiết kế IC LM555 hoạt động trong chế độ
Hình 3. 34: LM555 trong chế độ dao động có độ rộng xung bằng 50% chu kỳ Thời gian xung ở mức cao t1 được tính theo cơng thức sau: Thời gian xung ở mức cao t1 được tính theo cơng thức sau:
C R
t2 =0,693.( A). (3.19) Thời gian xung ở mức thấp t2 được tính theo cơng thức sau:
( ) ( ) [ ] ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − + = A B A B B A B A R R R R C R R R R t 2 2 ln . / . 2 (3.20)
Chu kỳ dao động được tính theo cơng thức sau:
2 1 t t T = + (3.31) Tần số dao động sẽ là: T f = 1 (3.32)
Để tạo dao động tần số 10 kHz, chúng tôi đã lựa chọn các linh kiện với giá
trị như sau : RA = 30kΩ, RB = 20 kΩ, C = 100nF.
3.5.2. Đo đạc, kiểm tra chất lượng xung dao động
Hình ảnh thực tế của mạch dao động được mơ tả trên hình 3.34.
Sau khi chế tạo xong, chúng tôi đã tiến hành đo đạc các thông số kỹ thuật
của mạch dao động.
Mạch được cấp điện áp 12VDC. Dạng tín hiệu được quan sát trên
oscilloscope. Hình 3.36 mơ tả một số kết quả đo đạc được hiển thị trên màn hình.
Hình 3. 36: Dạng xung và thơng số kỹ thuật của dao động 10 kHz
Các thơng số kỹ thuật được hiển thị trên màn hình của oscilloscope cho thấy tần số dao động là 10kHz, xung có dạng xung vng với độ rộng xung là 50%, thời gian sườn lên và sườn xuống lần lượt là 89,15 ns và 28,92 ns.
KẾT LUẬN
Ngày nay, laser bán dẫn công suất cao đã được ứng dụng rộng khắp trên thế
giới nhờ có nhiều đặc điểm nổi trội hơn so với nhiều hệ laser khác như hiệu suất
chuyển đổi quang điện cao hơn; tuổi thọ cao hơn; kích thước gọn nhẹ hơn; yêu cầu về hệ thống làm mát đơn giản hơn; có ngưỡng dịng bơm thấp; có thể phát xạ trên nhiều dải sóng; dễ điều chế; cho phép hoạt động ở cả chế độ xung lẫn chế độ phát xạ liên tục, trong khi đó, vẫn đảm bảo độ tin cậy và chất lượng chùm tia.
Tại Việt Nam, laser bán dẫn cũng ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt trong lĩnh vực truyền thông (thông tin quang sợi, dẫn đường, đo xa bằng laser,…), trong
lĩnh vực y tế (thẩm mỹ, nội soi, quang châm, vật lý trị liệu, chăm sóc sắc đẹp,…), trong lĩnh vực công nghiệp (khắc, gia công vật liệu,…),….
Mặc dù cơng nghệ chế tạo chíp laser bán dẫn công suất cao đã đạt nhiều
thành tựu trong thời gian qua nhưng nhìn chung, cơng đoạn gia công mô đun laser bán dẫn công suất cao vẫn luôn là vấn đề thời sự.
Bên cạnh đó, để đảm bảo điều kiện cần thiết cho laser bán dẫn cơng suất cao hoạt động bình thường, việc duy trì nguồn bơm có dịng DC lớn, có độ tin cậy cao, việc giữ ổn định điểm làm việc và duy trì nhiệt độ làm việc trong khoảng cho phép là nhiệm vụ bắt buộc.
Trong luận văn này, chúng tôi đã chế tạo được 01 mô đun laser bán dẫn công suất cao; thiết kế, chế tạo nguồn cấp dịng cho mơ đun laser bán dẫn; thiết kế, chế tạo mạch phát xung, cho phép laser bán dẫn làm việc ở hai chế độ phát xạ liên tục và điều chế và thiết kế chế tạo mạch điều khiển và ổn định nhiệt độ làm việc của mô
đun laser bán dẫn. Sau đây là một số kết quả chính đã đạt được:
• Tìm hiểu một cách tổng quan về laser bán dẫn và công nghệ chế tạo laser bán dẫn cơng suất cao;
• Tìm hiểu về các cơ chế điều chế trực tiếp và điều chế gián tiếp laser bán dẫn;
• Chế tạo 01 mô đun laser bán dẫn công suất cao từ chíp đơn với các cơng nghệ
đóng vỏ mô đun trong môi trường sạch, kỹ thuật căn chỉnh và ghép nối với
sợi quang đa mốt;
• Thiết kế, chế tạo mạch phát xung vng có độ rộng xung bằng 50% chu kỳ, tần số 10kHz, có thể diều chỉnh được biên độ xung từ 0,5 V đến 4,5 V;
• Thiết kế, chế tạo nguồn dòng DC cho phép thay đổi dòng trong phạm vi từ 0 A đến 20 A với bước thay đổi là 200 mA, độ ổn định trung bình là ± 5mA;
• Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển Peltier Cooler để ổn định nhiệt độ hoạt động
của mô đun laser bán dẫn. Bộ điều khiển sử dụng sensor nhiệt NTC có điện
trở là 10k ở 250C. Dòng DC tối đa cho phép là 12 A. Khoảng nhiệt độ điều
khiển là 150C đến 300C;
• Xác định một số đường đặc trưng của mô đun laser bán dẫn gồm: đặc trưng P- I, đặc trưng V-I; đo phổ, phân bố năng lượng và chất lượng chùm tia. Các
thơng số kỹ thuật chính của mô đun laser là: Công suất quang lối ra (POPT) ~ 4 W; Dòng điện ngưỡng (ITH) ~ 0,9 A; Điện áp hoạt động (VOP) ~ 1,74 V; Bước sóng đỉnh (Λ) 940 nm; Độ rộng phổ FWHM (Δλ) ~ 5 nm; Góc phân kỳ chùm tia theo trục X ~ 3,16, trục Y ~ 3,75; Độ bất đối xứng chùm tia ~ 1,04;
Một cách tổng quát, trong khuôn khổ đề tài luận văn, chúng tôi đã hoàn thành các nội dung nghiên cứu như đã đặt ra ban đầu. Chúng tôi đã xây dựng được 01 hệ laser bán dẫn công suất cao bao gồm mô đun laser bán dẫn công suất cao và hệ thống cấp nguồn, hệ thống điều khiển nhiệt độ, hệ thống làm mát.
Tuy nhiên, để hệ thống hoạt động ổn định trong mơi trường thực tế, chúng tơi cịn phải tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện ví dụ như đánh giá tuổi thọ của mô đun
laser bán dẫn, đánh giá tính lặp lại trong cơng nghệ chế tạo mô đun laser bán dẫn,
đánh giá độ ổn định của toàn hệ thống khi hoạt động ở mức phát xạ công suất cao
trong thời gian dài, đánh giá ảnh hưởng nhiệt lên quá trình hoạt động của hệ thống. Những công việc này sẽ được chúng tôi tiếp tục thực hiện trong thời gian tới
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. C. Hanke, L. Korte, B. Acklin, J. Luft, S. Grötsch, G. Herrmann, Z. Spika, M. Marciano, B. De Odorico, J. Wilhelmi (1999), “Highly reliable 40 W-cw- InGaAlAs/GaAs-808 nm laser bars”, SPIE, 3462, pp. 47-53.
2. Christophe Peucherer (2009), “Direct and External Modulation of Light”, DTU
Photonik, Department of Photonics Engineering Technical University of Denmark.
3. Das P. (1991), “Lasers and optical engineering”, New York Springer-Verlag. 4. D.Z. Garbuzov, N.Y. Antonishkis, A.D. Bondarev, A.B. Gulakov, S.N. Zhigulin, N.I. Katsavets, A.V. Kochergin, E.V. Rafailov (1991) “High power 0.8 µm InGaAsP-GaAs SCH DQW lasers”, IEEE, J. Quantum Electron., 27 (6), pp. 1531- 1536.
5. F. Bachmann P. Loosen, R. Poprawe (2007), “High Power Diode Lasers”,
Springer, 200, pp.197-200.
6. H Blauvelt, S. Margalit, and Yariv, Large optical cavity AlGaAs buried
heterostructure window lasers, Califonia Institute of Technology, Pasadena,
Califonia 91125, 1982 7. http://britneyspears.ac/physics/fplasers/fplasers.htm 8. http://en.wikipedia.org 9. http://www.fbh-berlin.com 10. http://www.industrial-lasers.com 11. http://www.laserfocusworld.com 12. http://www.ni.com/white-paper/14878/en
13. Lee R. Levine (2001), “Wire Bonding Optoelectronics Packages,” Chip Scale
Review.
14. P. Even, D. Pureur (2002), “High power double clad fiber laser: a review”,
Proc. SPIE – Int, Soc. Opt. Eng., 4638, pp. 1-12.
15. R. Diehl (2000), “High-Power diode laser”, Topics Appl. Phys. Springer.
16. R. Rodwell and D. A. Worrall (1985), “Quality Control in Ultrasonic Wire Bonding,” International Journal for Hybrid Microelectronics, Vol. 8, No. 2, pp.1-8. 17. Uri Lachish (2014), "Thermoelectric Effects Peltier Seebeck and Thomson",