Laser ống dẫn sóng dải chiết suất mạnh
Trong cấu trúc laser dải chiết suất mạnh, vùng tích cực nằm trong những lớp có vùng cấm lớn hơn. Vì lý do đó, các laser này được gọi là laser dị thể vùi. Bước nhảy chiết suất bề mặt dọc theo mặt của lớp chuyển tiếp vào cỡ 0.2 trong các laser cấu trúc này. Các đặc trưng phát xạ của các laser dị thể vùi chủ yếu được xác định bằng ống dẫn sóng chữ nhật giam mode ở bên trong vùng tích cực. Những loại laser này được chia thành hai nhóm: Nhóm các cấu trúc có lớp tích cực phẳng và nhóm các cấu trúc có lớp tích cực khơng phẳng như hình 2.10 và 2.11.
n – InP (đế) n – InP InGaAsP p-InP n – InP (đế) n – InP InGaAsP p-InP
a) Laser dẫn sóng ridge b) Laser lớp epitaxi dị thể
c) Laser đế ghép kênh d)Laser rib đơn giản
p-InGaAsP p-InP n-InGaAsP (ống dẫn sóng) n-InP (đế ) p-InGaAsP p-InP InGaAsP (lớp tích cực) n-InP (đế)
2.3.2 Nguyên lý hoạt động của laser
Laser bán dẫn bức xạ ra ánh sáng thơng qua q trình tái hợp cưỡng bức, và đó chính là sự khác nhau cơ bản giữa qúa trình bức xạ tự phát của LED và bức xạ kích thích của LD. Nguyên lý hoạt động của laser dựa trên hiện tượng đảo mật độ.
Ban đầu ở điều kiện bình thường, khi khơng có điện áp đặt vào chuyển tiếp P- N, laser bán dẫn ở trạng thái bình thường cân bằng nhiệt, tức là khơng có hiện tượng đảo mật độ xảy ra. Khi chuyển tiếp P-N được phân cực thuận, các điện tử và lỗ trống được bơm vào trong vùng tích cực của laser. Các điện tử và lỗ trống tái hợp với nhau để phát sinh ra các photon. Tuy nhiên vì số lượng các điện tử và lỗ trống lúc này cịn ít (vì dịng bơm chưa đủ lớn) khơng đủ để xảy ra hiện tượng đảo mật độ, nên quá trình phát xạ ở đây là tự phát, LD hoạt động như một LED. Khi dòng bơm vào tiếp tục tăng lên, nhiều hạt tải được đưa vào vùng tích cực, cung cấp cho buồng cộng hưởng một số lượng photon đủ lớn và số photon này bị giữ lại trong buồng cộng hưởng, chưa kịp phát xạ ra khỏi laser. Chúng phản xạ qua lại hai thành của buồng cộng hưởng (chính là hai gương phản xạ) như hình 2.12, va chạm với các nguyên tử
n-InP n-InP n-InP InGaAsP n-InP n-InP InGaAsP InGaAsP (lớp tích cực) n-InP Hình 2.11 Cấu trúc Laser dị thể n-InGaAsP n-InP p-InP p-InP p- InGaAsP
Q trình phát xạ kích thích xảy ra và chiếm ưu thế hơn q trình phát xạ tự phát, tín hiệu laser tăng mạnh và có sự đồng nhất về pha. Ánh sáng này là ánh sáng kết hợp,
có dạng hình elip, có chiều hẹp khoảng 100 chiều rộng khoảng 300. Laser phát xạ ánh
sáng có độ mở nhỏ nhưng tính định hướng cao.
Để hiểu được toàn bộ hoạt động của laser bán dẫn thì cần phải xét cụ thể các quá trình khuếch đại và điều kiện dịng ngưỡng trong laser.
Q trình khuếch đại và hệ số khuếch đại của LD
Để q trình kích thích chiếm ưu thế hơn so với q trình phát xạ tự phát thì trước hết ta phải có điều kiện để xảy ra trạng thái đảo mật độ như nói ở chương I
Bề mặt phản xạ Dịng bơm Vùng tích cực Mơi trường khuếch đại L Gương phản xạ
Hình 2.12 Buồng cộng hưởng của laser và các q trình bên trong nó
z = 0 z = L
chênh lệch E càng lớn. Và với mỗi một giá trị mật độ phổ cơng suất khác nhau thì một hệ số khuếch đại khác nhau.
Như vậy hệ số khuếch đại tăng tuyến tính theo nồng độ hạt tải N. Tính gần đúng giá trị ta có cơng thức của hệ số khuếch đại như sau:
gm = σg (N-NT)
Trong đó: NT là mật độ hạt tải tại gm = 0.
σg là hằng số tỷ lệ phụ thuộc từng vật liệu.
Điều kiện ngưỡng
Quá trình hồi tiếp qua lại của các photon bị giữ trong hộp cộng hưởng thực hiện bởi hai gương có độ phản xạ là R=
2 1 1 + − n n
Ngưỡng trong laser là sự cân bằng photon sinh ra do phát xạ kích thích và photon bị mất đi do các suy hao trong môi trường hộp. Để số lượng photon được khuếch đại thì số photon sinh ra phải lớn hơn số photon bị mất đi. Tức là dòng bơm (Ib ) vào phải lớn hơn dịng ngưỡng (Ith). Lúc đó laser mới có thể phát ánh sáng ra
g(cm-1) E g Efc- Efv E + - 0 N=1,6.1018 N=1,4.1018 N=1,2.1018 N=1.1018
ngồi được. Gọi độ phản xạ của hai gương trong hộp cộng hưởng là R1 và R2. Chiều dài hộp cộng hưởng (hay lớp tích cực) là L ta có biên độ tín hiệu quang sau một lộ trình (đi và phản xạ về) là:
E(z+2L)=E0. R1R2 exp(g.L)exp(-αintL)exp(2ikL)
với αint là suy hao trong hộp.
Để sau một lộ trình biên độ tín hiệu được khuếch đại hơn thì E(z+2L)≥E(z), và điều kiện ngưỡng là khi dấu bằng xảy ra.
Về biên độ: điều kiện ngưỡng là khi E(z+2L)=E(z), nó phải thỏa mãn:
• Biên độ sau mỗi lộ trình phải tăng lên
• Pha của tín hiệu sau mỗi lộ trình là khơng đổi.
Từ đó ta có: R1R2 exp[(g-αint)L] ≥ 1. Dấu bằng xảy ra ta có: gth = αitn + 2 1 1 ln 2 1 R R
L = αint + αmir = αcav
Như vậy hệ số khuếch đại tới hạn là giá trị phụ thuộc vào suy hao lớp tích cực, suy hao của gương gọi chung là suy hao tổng của hộp cộng hưởng.
Về pha: điều kiện về pha khơng đổi nên ta có: exp(i2kL)=1 ⇒ 2kL= 2mπ .
Mà k = λ π 2 = c f π 2 nên ta có tần số phát xạ mode thứ m : fm = nL c m 2 . với m ∈Z. Từ đó ta có khoảng cách các mode phát xạ là Δf =fm+1 –fm= nL c 2 .
Hình 2.14 mô tả khoảng cách giữa các mode phát xạ. Trong đó các mode lớn hơn mức suy hao thì mới phát xạ ra ngồi.
g
Δf
Suy hao Khuếch đại
2.3.3 Đặc tính của laser bán dẫna. Đặc tính cơng suất a. Đặc tính cơng suất
Một đặc trưng không thể thiếu của laser bán dẫn là sự phụ thuộc của năng lượng quang ra vào dịng bơm cho laser, gọi là đặc trưng cơng suất. Tùy vào đặc điểm cấu tạo và điều kiện hoạt động mà mỗi LD có các đặc trưng cơng suất khác nhau. Khi dòng qua LD tăng, đầu tiên bức xạ tự phát tăng chậm (tỉ lệ với dòng qua LD – ID). Sau đó, khi dịng tăng trên mức dịng ngưỡng thì dao động laser bắt đầu và cơng suất ra tăng đột ngột. Ta có thể xác định được dịng ngưỡng của laser bằng cách kéo dài đoạn đặc trưng công suất ở trên dịng ngưỡng cho cắt trục hồnh tại một điểm. Đó chính là dịng ngưỡng của laser. Khi nhiệt độ tăng lên làm cho dịng ngưỡng tăng lên và cơng suất ra ở một dòng cố định giảm đi nên các đường đặc trưng công suất bị dịch dần về bên phải. Nhiệt độ tăng thì độ nghiêng của đoạn trên dịng ngưỡng của đặc trưng công suất ra cũng giảm đi. Điều này càng thể hiện rõ nét ở các nhiệt độ cao. Hình 2.15 biểu diễn các đường đặc trưng cơng suất ra phụ thuộc vào dịng kích thích ở các nhiệt độ khác nhau của LD cấu trúc dải dị thể vùi.
b. Đặc trưng phổ I b [mA] 100 200 300 115o 95o 45o 20o 35o Pra [mw] 25
Hình 2.15 Đặc trưng cơng suất ra phụ thuộc vào dịng kích thích ở các nhiệt độ khác nhau của LD dải dị thể vùi
Phổ phát xạ của LD có dạng phổ vạch và đường bao quanh phổ quyết định bởi
mặt cắt khuếch đại thường có dạng hình Gauss: g(λ)= g(0)exp[ 20 2
2 ) ( σ λ λ − − ].
Phổ laser có dạng như hình 2.16. Ảnh hưởng chính đến đặc tính phổ là số các mode dọc được kích thích.
2.3.4 Ứng dụng của laser
a. Ứng dụng laser trong trong công nghiệp
Các nhà công nghiệp đánh giá rất cao tính chất hội tụ cùng mật độ quang năng lớn của tia laser (độ hội tụ ấy lên tới hàng triệu Watt trên một cm2) với độ chính xác đáng nể của nó. Nhưng năng lực thấu của laser phụ thuộc vào môi trường sử dụng. Laser công suất cao khoảng 20 kW hoặc hơn thì có thể sử dụng trong cơng nghiệp. Với mơi trường cơng nghiệp thì laser khí từ CO2 hoặc từ argon được sử dụng thích hợp nhất. Người ta có thể thiết kế lên những cỗ máy tự động sử dụng laser cơng suất mạnh, kết nối với máy tính để điều khiển dùng trong các nhà máy cơ khí chính xác. Những tia laser mầu xanh có thể trở thành những dao tiện sắc bén, tiện được, cắt, gọt được, qua đó gia cơng được những chi tiết máy phức tạp, hoặc những chi tiết máy
g(λ) λ λ0 λ1 …..λm-1 λm Độ rộng phổ Hình 2.16 Độ rơng phổ của laser bán dẫn
khoét đủ hình dáng lên ống thép của các nhà máy hoá chất, hoặc bồn chứa, ống dẫn dầu-khí, hoặc để cưa cắt những tấm thép hợp kim rất dầy (tới 20 mm) phục vụ cơng nghệ đóng tầu biển. Ngồi ra, để phá dỡ những tầu đã quá niên hạn, hoặc xe quân sự đã thanh lý đưa vào lị luyện thép, phải dùng laser hố học cơng suất tới 100 kW thì mới thực hiện được. Hoặc laser cũng được sử dụng để chạm khắc lên những vật liệu khác như giấy carton, nhựa, gỗ... cũng như áp dụng để hàn các loại kim loại (từ kim loại mềm đến kim loại cứng nhất mà ta có thể gặp).
Trong lĩnh vực công nghiệp nhẹ, thương mại và viễn thông, laser được ứng dụng vào các công đoạn cắt vải đạt độ chính xác cao, rà sốt mã số sản phẩm cơng nghiệp, báo giá các mặt hàng cho người thu ngân lưu giữ vào máy, để phát hiện tiền giả, để in bao bì sản phảm có độ nét cao, để đánh dấu những sợi cáp nhỏ nhất trong công nghiệp điện tử, hay vẽ đường nét (theo thiết kế) lên những vi mạch…
Trong viễn thông, tia laser đã được ghép vào một cáp quang rất mảnh (nhỏ hơn sợi tóc) và được điều khiển bởi một hệ thống phức tạp. Loại dây dẫn này có khả năng chứa nhiều thơng tin hơn các loại dây dẫn khác nhiều lần. Hệ thống này, ngoài việc phục vụ điện tín, fax, điện thoại... nó cịn hỗ trợ đắc lực cho hệ thống Internet trên toàn cầu.
b. Ứng dụng laser trong đời sống
Người ta có thể sử dụng các nguồn laser với cơng suất khác nhau, vì rất thuận tiện trong việc sử dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống.
Trong y học, laser được sử dụng như một dao mổ, kết hợp với nội soi nên tăng thêm sự chính xác khi điều trị bằng phẫu thuật bên trong cơ thể của bệnh nhân. Laser kết nối với máy tính có thể phẫu thuật mắt, hoặc phẫu thuật thần kinh, tai mũi họng, hoặc khai thông những mạch máu bị tắc một cách chính xác và hiệu quả. Có thể dùng tia laser để đốt những vết sắc tố ngoài da, tẩy vết săm, hoặc tẩy mụn.
Nhờ độ phân giải cao, laser đã nhanh chóng xâm nhập vào đĩa compact và video. Trong trường hợp này người ta dùng nhiều đến laser xanh vì so với laser đỏ thì laser xanh có thể đọc được nhiều tin hơn trên cùng một không gian ghi. Ngày nay trong các buổi trình diễn nghệ thuật, thể thao, trong công viên nước, trong vũ trường...không thể thiếu những ánh sáng kỳ diệu nhiều mầu sắc: xanh, đỏ, hồng, vàng, cam, tím...của laser.
c. Ứng dụng trong quân sự
Từ khi laser ra đời, một thế hệ vũ khí mới xuất hiện, chúng rất nguy hiểm cho
lồi người, chỉ với những gì đã biết dưới đây đã nói lên điều đó:
Súng laser dùng cho bộ binh thường hướng vào làm thế nào vơ hiệu hố được chiến binh của đối phương, cản trở sự triển khai vũ khí và phương tiện chiến tranh của đối phương. Ví dụ, ta biết rằng, hệ tiêu hố của chúng ta ln có tần số tự nhiên khoảng dưới 10 hertz. Do vậy vào những năm sau 1960, người Mỹ đã chế tạo ra “súng âm thanh trầm” có tần số tương ứng như vậy. Khi súng hướng vào bụng, dạ dầy của đối phương tạo ra sự cộng hưởng với biên độ tăng dần, làm cho đối phương buồn nôn kèm theo chóng mặt, hoa mắt mà khơng sao cưỡng lại được. Người trúng loại “đạn âm thanh” đó tức khắc bị loại ra khỏi cuộc chiến. Cũng như vậy, người ta đã dùng sóng radio xấp xỉ với sóng của não người để gây rối loạn đầu óc của đối phương. Những loại súng này thường gọn nhẹ (chỉ bằng cây bút chì). Có khi dùng tia laser làm mù mắt của đối phương.
Người ta dùng laser để chế tạo ra súng phun nhựa (lanceglu) phun vào đối
phương, ngay tức khắc người bị dính nhựa khơng cựa qy được (giống như mạng nhện bao bọc lấy con ruồi), đến mức không thể sử dụng súng để chống trả được nữa, chỉ chờ được cứu, hoặc chờ bị bắt. Vẫn biết rằng, khơng thiếu gì dung mơi hồ tan nhựa, nhưng hồ tan được nhựa thì cũng hồ tan cả tế bào da, nên lại bị bỏng nặng. Hoặc có khi bơm vào đối phương “những bọt dầu nhớt” như bọt xà phòng. làm đối phương khơng nghe thấy gì.
Ngồi ra, laser cịn dùng để đo khoảng cách các mục tiêu quân sự, biết được thời gian đi và về của tia sáng ta dễ dàng tính ra được khoảng cách. Bằng cách này, các nhà khoa học đã dùng laser đo được khoảng cách từ trái đất tới mặt trăng một cách chính xác. Như trong cuộc chiến ở Irắc vừa qua, người Mỹ dùng laser để điều khiển các tên lửa và kích cho nó nổ khi đã đến mục tiêu.
CHƯƠNG III. MỘT SỐ NGUỒN QUANG MỚI
3.1Laser điều hưởng được (Tunable-laser) 3.1.1 Giới thiệu chung
Laser điều hưởng được là loại laser cho phép thay đổi bước sóng đầu ra dưới sự điều khiển beeb ngoài. Một vài loại cho phép điều chỉnh liên tục một dãy bước sóng. Loại laser này có nhiều ứng dụng trong quang phổ, quang hóa hay viễn thơng. Như ta đã biết thì nguồn quang dùng trong hệ thống WDM thành phần quan trọng nhất là laser và nó có những quy định rất nghiêm ngặt đặc biệt là bước sóng phát. Khi sử dụng laser loại này ta có thể sử dụng một laser duy nhất thay thế cho nhiều laser vì có thể điều chỉnh để thay đổi được bước sóng đầu ra.
3.1.2 Các phương pháp điều hưởng
Có ba phương pháp để tạo ra nguồn quang điều hưởng cho hệ thống WDM là điều hưởng dòng điện, điều hưởng nhiệt và điều hưởng cơ học. Cả ba phương pháp đều thay đổi độ dài đường dẫn của hốc quang và cho phép tia laser phát ra những bước sóng riêng như mong muốn.
a. Điều hưởng dịng: Dịng điện ni được sử dụng làm nguồn điều hưởng. Trong
trường hợp này, cơ cấu điều hưởng phải hợp nhất giữa sự lựa chọn bước sóng, độ tăng ích. Những điều chỉnh phải địi hỏi được trình diễn và điều khiển bước sóng ánh sáng phát ra. Tuy nhiên, phương pháp điều hưởng dòng điện tạo ra một đường cong điều hưởng có dạng bậc thang mà sẽ làm giới hạn sự linh hoạt của laser.
b. Điều hưởng nhiệt: Khi ta thay đổi nhiệt độ của một hốc cộng hưởng của laser sẽ
tác động đến độ dài hốc. Một số nhà sản xuất dùng điều hưởng nhiệt để đạt được những đường cong điều hưởng liên tục và rất chính xác. Tuy nhiên, sự điều hưởng theo nhiệt làm giảm thời gian sống của một nguồn laser. Hơn nữa, những nguồn laser điều hưởng sử dụng phương pháp này có phạm vi điều hưởng giới hạn. Một vài nguồn sáng được điều hưởng nhiệt có thể chậm phản ứng nên chúng khơng thích hợp với những ứng dụng ngầm, yêu cầu tốc độ điều hưởng nhỏ hơn 1ms.
c. Điều hưởng cơ học: Với một laser được điều hưởng theo phương pháp cơ học,
bước sóng được điều chỉnh nhờ việc di chuyển vật lý một cách tử nhiểu xạ hay một gương phản xạ. Phương pháp này còn cung cấp đường cong điều hưởng liên tục và