Phõn bố mật độ cụng suất cỏch xa nguồn phỏt chựm cú thể được diễn tả bởi sự phõn bố cụng suất của chựm theo gúc. Nú được gọi là phõn bố trường xa.
Phõn bố trường xa của chựm cú thể được tớnh từ phõn bố Wigner.
� � x y x y y x ff WD x y d d I (� ,� ) ( , ,� ,� ) (1.33) 1.3.4. Phõn loại chựm tia
Chựm tia được phõn loại dựa trờn sự truyền của độ rộng chựm qua cỏc hệ thống quang đối xứng [10, 12,13, 14]
Một chựm tia với đường bao phõn bố mật độ cụng suất theo hướng x và hướng y,
y
x d
d � , theo tất cả mặt phẳng ngang của đường truyền được gọi là đối xứng (stigmatic). Một chựm cú độ rộng chựm theo hướng x và hướng y khụng bằng nhau
và hướng của trục chớnh khụng thay đổi theo phương truyền trong khụng gian được gọi là astigmatic (loạn thị) đơn. Tất cả cỏc dạng chựm khỏc được gọi là chựm tổng quỏt astigmatic, trong hầu hết cỏc trường hợp này chựm thay đổi trục của nú theo phương truyền. Hỡnh 1.15 là phõn bố mật độ cụng suất của cỏc dạng chựm tia.
Chương - 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1. Laser bỏn dẫn cụng suất cao 670nm
2.1.1. Laser bỏn dẫn cấu trỳc dải rộng (Broad Area) dựng trong nghiờn cứu cứu
Laser bỏn dẫn CSC cấu trỳc dải rộng BA dựng trong nghiờn cứu trong khuụn khổ luận văn là loại laser cú lớp tớch cực GaInP tớch hợp với lớp dẫn súng là AlGaInP trờn đế GaAs. Cỏc khú khăn để hiện thực húa cỏc cấu trỳc laser phự hợp xuất phỏt từ sự khỏc nhau rất ớt giữa độ rộng vựng năng lượng của vật liệu chế tạo giếng lượng tử (thụng thường GaInP) và độ rộng năng lượng của vật liệu chế tạo cỏc lớp dẫn súng (AlGaInP). Bởi vậy chiều cao hàng rào là khỏ thấp cho cỏc hạt tải trong miền tớch cực. Cỏc giếng lượng tử với biến dạng căng hoặc nộn được hiện thực húa bằng cỏch sử dụng tỉ lệ Ga/In xỏc định. Với cỏc lớp vỏ và lớp dẫn súng, cỏc thành phần vật liệu với độ rộng vựng năng lượng vựng lớn hơn 1.8 eV tương ứng với bước súng 670nm được yờu cầu. Vật liệu (AlxGa1�x)0.5In0.5P được sử dụng cho cấu trỳc dẫn súng, vật liệu như vậy với thành phần Al cao hơn được sử dụng cho cỏc lớp vỏ, trong nhiều trường hợp là AlInP. Hỡnh 2.1 mụ tả cấu trỳc ở vựng bước súng 670 nm.
Hỡnh 2.1 : Cấu trỳc cỏc lớp của laser phỏt ở vựng súng 670 nm
Do hàng rào thế thấp cho cỏc hạt tải trong giếng lượng tử, thừa số giam giữ quang cao là quan trọng cho laser hoạt động trong vựng súng dài hơn, bởi vậy cấu trỳc dẫn súng bờn trỏi của hỡnh 1.13 được sử dụng. Cỏc lớp dẫn súng cú độ dày từ 30 nm đến 100nm và sự khỏc nhau về chiết suất giữa lớp dẫn súng và lớp vỏ là đủ
lớn. Tuy nhiờn do bước súng ngắn gúc phõn kỳ thường là 400 cho cỏc lớp dẫn súng dày, và khoảng 200 cho cỏc lớp dẫn súng từ 30 nm đến 40 nm.
2.1.2. Laser bỏn dẫn cấu trỳc Taper.
Buồng cộng hưởng của laser Taper (vuốt thon) được chế tạo cú cấu trỳc lớp epitaxy HMG (high modal gain) và LMG (low modal gain) [6]. Hỡnh 2.2 chỉ ra một cấu trỳc hỡnh hỡnh học của laser Taper. Ở mặt hẹp, cỏc rónh được chế tạo bằng ăn mũn khụ tạo ra bộ lọc mốt ngang để cải thiện chất lượng chựm tia. Một Taper cú gúc 6o (gúc vuốt thon) cựng với chiều dài 2 mm tạo ra một khẩu độ phỏt cú độ rộng 200 àm. Mặt laser lối ra cú diện tớch lớn làm giảm được mật độ cụng suất quang trờn bề mặt laser. Cỏc mặt được phủ màng chống phản xạ (R=0.05%) và màng phản xạ cao (R= 90 %) để đạt được cụng suất tối đa ở mặt chống phản xạ. Giống với laser dải rộng cỏc mặt được phủ bằng phương phỏp phỳn xạ magnetron của Si với oxy và nitơ. Cỏc màng phản xạ cao bao gồm hai cặp lớp Si/SiO2. Linh kiện được hàn bằng indium để cho phộp hoạt động ở dũng cao.
.
Hỡnh 2.2 : Cấu trỳc Taper, với L1 là độ dài phần tạo dao động, L2 chiều dải của Taper, w1
2.2. Phương phỏp đo cỏc đặc trưng của Laser bỏn dẫn cụng suất cao 2.2.1. Đặc trưng I-V , P-I 2.2.1. Đặc trưng I-V , P-I
Những ưu điểm quan trọng nhất để ứng dụng laser CSC đú là hiệu suất biến đổi cao và khả năng điều chỉnh trực tiếp cụng suất ra bằng cỏch thay đổi dũng cung cấp. Ở dưới dũng ngưỡng, ta thấy chỉ cú cỏc photon phỏt xạ tự phỏt ở cụng suất quang rất thấp. Ở trờn dũng ngưỡng, cụng suất ra tăng tuyến tớnh với dũng cung cấp. Hiệu suất độ dốc phụ thuộc vào hiệu suất lượng tử nội, sự phản xạ ở cỏc bề mặt, sự hấp thụ bờn trong vật liệu bỏn dẫn, và phụ thuộc vào bước súng của photon phỏt.
Khi tăng dũng qua laser, thế sụt trờn chuyển tiếp nhanh chúng tăng đến một giỏ trị ngưỡng, bờn trờn giỏ trị ngưỡng này thế sụt trờn laser tăng rất chậm. Sự tăng này là rất nhỏ trong cỏc laser diode mới nhất.
Đặc trưng I-V, P-I của laser được đo sử dụng cỏc thiết bị chớnh dưới đõy: - Nguồn dũng một chiều 0ữ2A
- Đầu đo cụng suất dải rộng 0ữ2W - Đồng hồ đo thế
- Bộ điều khiển nhiệt độ sử dụng pin peltier.
Hỡnh 2.3: Sơ đồ phương phỏp đo đặc trưng I-V-P của Laser
Laser được cấp dũng liờn tục, được ổn định nhiệt độ bằng sử dụng pin peltier. Một đầu thu dải rộng dạng đĩa nhiệt hoặc photodiode được đặt ngay sỏt
V A Nguồn dũng LD Đầu thu . . . Bộ ghi dữ liệu
laser để thu toàn bộ bức xạ ra khỏi laser. Trong trường hợp cần thiết cú thể sử dụng kớnh lọc trung tớnh đặt trước đầu thu.
2.2.2. Đặc trưng phổ
Laser CSC dạng BA hay Taper dựng trong nghiờn cứu là cỏc dạng cấu hỡnh đặc biệt của laser buồng cộng hưởng Fabry Perot. Khi laser hoạt động trờn ngưỡng, chỉ những mode súng dọc gần với đỉnh khuếch đại là được khuếch đại. Bước súng phỏt xạ của laser diode thay đổi theo nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng bước súng phỏt dịch về phớa hồng ngoại do độ rộng vựng cấm của vật liệu lớp tớch cực giảm. Vỡ hệ số chiết suất tăng tỉ lệ với nhiệt độ nờn bước súng ở mode dọc m sẽ tăng tương ứng. Hơn nữa, chiều dài của buồng cộng hưởng tăng với nhiệt độ do sự dón nở của vật liệu dẫn đến bước súng phỏt xạ cao hơn.
Đặc trưng phổ của laser cú thể được đo sử dụng mỏy phõn tớch phổ quang spectrum analyzer Advantest Q8384 cú độ phõn giải nhỏ hơn 0,02 nm. Sơ đồ đo được minh họa trong hỡnh dưới. Nguồn dũng cấp dũng một chiều cho laser và bộ điều khiển pin peltier (TEC) để đặt nhiệt độ hoạt động cho laser. Một thấu kớnh phi cầu tiờu cự 8 mm cú nhiệm vụ hội tụ bức xạ laser vào đầu sợi quang, sợi quang đơn mode 9/125 μm thu bức xạ laser đưa vào mỏy phõn tớch phổ. Laser, thấu kớnh, và sợi quang được đặt trờn một hệ thống bàn vi dịch chuyển để điều chỉnh thu tớn hiệu phổ cao nhất.
Hỡnh 2.4: Sơ đồ đo phổ của laser
2.2.3. Đặc trưng Phõn bố trường xa
Phõn bố trường xa là phõn bố cường độ quang trong khụng gian của laser, phõn bố này cú thể được đo sử dụng phương phỏp quay đầu phỏt laser. Laser được đặt trờn tõm của một đế cú thể điều chỉnh quay theo cỏc gúc khỏc nhau, đầu thu là
LD Dũng bơm OSA Mỏy phõn tớch phổ OSA Sợi quang TEC
photodiode được gắn sau một khe hẹp cỡ 100 àm dựng để thu bức xạ laser trong một gúc đủ hẹp. Khoảng cỏch giữa laser và photodiode khoảng 10 cm, ở trước đầu thu ta cú thể dựng cỏc kớnh lọc trung tớnh để trỏnh bóo hũa đầu thu. Hỡnh dưới minh họa sơ đồ đo phõn bố trường xa của laser. Laser được cấp dũng xung từ mỏy phỏt xung cú độ rộng xung thay đổi từ 200ns tới 5μs, tần số 1-10 KHz, biờn độ xung dũng 0-1,5A do chỳng tụi tự chế tạo. Xung thu từ photodiode được đo trờn dao động ký KIKUSUI 100 MHz.
Hỡnh 2.5: Sơ đồ minh họa phương phỏp đo phõn bố trường xa
2.3. Kỹ thuật ghộp nối module laser 670nm với sợi quang đa mốt
Laser được ghộp nối với sợi quang sử dụng bàn vi dịch chuyển sỏu chiều 6-axis positioner Nanomax-HS (Melles Griot) với độ chớnh xỏc dưới μm được quan sỏt qua kớnh hiển vi soi nổi stereo microscope Stemi-2000C (Carl Zeiss) cú độ phúng đại tối đa 230 lần. Nhiệt độ hoạt động của laser được ổn định trong quỏ trỡnh ghộp nhờ bộ điều khiển nhiệt độ với độ chớnh xỏc ± 1oC. Vị trớ của sợi quang được điều chỉnh qua bàn vi dịch chuyển sỏu chiều sao cho tớn hiệu quang ghộp được vào sợi quang là lớn nhất. Hỡnh 2.6 là hệ ghộp nối, chế tạo module quang cụng suất cao.
Hỡnh 2.6 : Hệ ghộp nối module laser Hiệu suất ghộp quang cú thể được tớnh như sau:
Giả sử sợi quang cú bỏn kớnh lừi là r, khẩu độ số NA�sin�max. Khoảng cỏch từ mặt phỏt đến đầu sợi quang là d. I� là phõn bố cường độ quang theo hướng x. Hiệu suất ghộp quang theo hướng x sẽ là:
; � � � � � � � � � � � � � � d I d I x với d r arctan � � nếu � ��max Hoặc ; max max � � � � � � � � � � � � � � d I d I x nếu � ��max (2.1)
Sau khi ghộp nối với sợi quang laser được đặt trờn đế tản nhiệt trong vỏ module laser như chỉ ra trờn hỡnh 2.7. 1 2 3 4 5 1. Kớnh hiển vi 2. Bàn vi chỉnh 3. Bộ điều khiển nhiệt độ 4. Laser 5. Sợi quang
Hỡnh 2.7: Hỡnh ảnh bờn trong của module laser 670nm
2.4. Phương phỏp đo hệ số M2
2.4.1. Phương phỏp khe hẹp (slit method)
Phương phỏp khe hẹp sử dụng một khe hẹp đặt giữa chựm tia laser và đầu thu quang diện rộng. Mục đớch là tạo ra một khe hẹp đủ nhỏ để đo phõn bố cường độ của chựm theo vị trớ khi quột khe hẹp dọc theo phương khảo sỏt.
Hỡnh 2.8: Phương phỏp đo độ rộng cổ chựm tia sử dụng kỹ thuật quột khe hẹp Hỡnh 2.8 minh họa phương phỏp đo độ rộng cổ chựm tia (beam waist) sử dụng kỹ thuật quột khe hẹp (slit method). Laser được đặt trờn một bàn vi dịch chuyển để điều chỉnh dũ vị trớ cổ chựm. Thấu kớnh phi cầu L1 cú tiờu cự f1 = 8 mm, khẩu độ số NA = 0.5 để thu được hầu hết tớn hiệu quang ra khỏi laser. Thấu kớnh L2 cú tiờu cự f2 = 500 mm được đặt cỏch L1 một khoảng f1 + f2. Đầu thu khe hẹp được đặt cỏch
L1 L2 f1 f1+f2 f2 L1: f1 = 8 mm, NA = 0,5 L2: f2= 500 mm, CCD Gương phản xạ Bộ thu khe hẹp Laser Sợi quang
thấu kớnh L2 một khoảng f2. Một gương phản xạ dựng để quan sỏt hỡnh ảnh chựm trờn một camera hồng ngoại được đặt giữa gương L2 và bộ thu khe hẹp sao cho khoảng cỏch từ gương tới đầu thu bằng khoảng cỏch từ gương tới Camera. Camera được nối với thiết bị quan sỏt đề tỡm vị trớ chựm cú độ rộng nhỏ nhất.
Hỡnh 2.9: Dịch chuyển khe để đo phõn bố mật độ cụng suất
Hỡnh 2.9 minh họa phõn bố mật độ cụng suất đo bằng phương phỏp quột khe hẹp. Độ rộng cổ chựm d1/e2 được tớnh tại vị trớ 1/e2 (13,5%) của cụng suất đỉnh.
2.4.2. Thừa số truyền chựm M2
Hỡnh 2.10: Minh họa cỏc thụng số cơ bản của chựm tia
Giả sử một chựm cú dạng như trong hỡnh 2.10 với d0 là độ rộng cổ chựm nhỏ nhất, �là gúc phõn kỳ của chựm khi đú thừa số truyền chựm là:
M � d � � � 4 2 (2.2) Tại vị trớ 1/e2 thừa số truyền chựm là:
2 2 2 1/ 1/ 2 / 1e 4 d e e M � � � � (2.3) d1/e2
Chương - 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.
3.1. Cỏc đặc trưng cơ bản của của laser bỏn dẫn BA và laser bỏn dẫn Taper Taper
3.1.1. Đặc trưng I-V của laser bỏn dẫn cụng suất cao 670 nm.
Hỡnh 3.1: Đặc trưng I-V của laser Taper FBHCO15761
Hỡnh 3.1 biểu diễn đặc trưng I-V của laser cấu trỳc Taper 3o. Ta thấy rằng thế thuận sụt trờn chuyển tiếp p-n Vf của laser là 1,8V. Khi tăng dũng qua laser, thế sụt trờn chuyển tiếp nhanh chúng tăng đến một giỏ trị ngưỡng Vf, bờn trờn giỏ trị ngưỡng này thế sụt trờn laser tăng rất chậm. Sự tăng này là rất nhỏ theo dũng điều này gõy ra bởi điện trở nối tiếp của laser. Từ hỡnh 3.1 ta cú thể tớnh được điện trở nối tiếp của laser là ~ 0,54 �.
0 200 400 600 800 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Vf = 1,8V Đ iệ n t h ế , V Dòng, mA
Hỡnh 3.2: Đặc trưng I-V của laser BA FBHCO160033
Đặc trưng I- V của laser cấu trỳc BA cú dạng tương tự như của laser cấu trỳc Taper. Từ hỡnh 3.2 ta thấy rằng thế thuận Vf của laser là 1,76 V. Khi tăng dũng qua laser, thế sụt trờn chuyển tiếp nhanh chúng tăng đến một giỏ trị ngưỡng Vf, bờn trờn giỏ trị ngưỡng này thế sụt trờn laser tăng rất chậm. Sự tăng này là rất nhỏ theo dũng, điện trở nối tiếp của laser tớnh được trờn đồ thị là 0,47 �.
3.1.2. Đặc trưng Cụng suất quang phụ thuộc dũng bơm
Hỡnh 3.3: Đặc trưng cụng suất phụ thuộc dũng bơm của laser Taper 3o
0 200 400 600 800 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Đ iệ n thế , V Dòng, mA Vf = 1.76V 0 200 400 600 800 0 50 100 150 200 250 300 P ( m W ) I (mA) T=20 T=25 T=30 ������
Đặc trưng cụng suất phụ thuộc dũng bơm được đo nhờ sử dụng một nguồn dũng điều chỉnh được. Hỡnh 3.3 biểu diễn đặc trưng cụng suất phụ thuộc dũng bơm của laser Taper với gúc vuốt thon 3o. Ở dưới dũng ngưỡng I~400mA, ta thấy chỉ cú cỏc photon phỏt xạ tự phỏt ở cụng suất quang rất thấp. Vựng này chớnh là vựng laser phỏt bức xạ huỳnh quang. Ở gần giỏ trị dũng ngưỡng laser phỏt siờu huỳnh quang là vựng cạnh tranh giữa bức xạ tự phỏt và bức xạ cưỡng bức. Ở trờn dũng ngưỡng, cụng suất ra tăng tuyến tớnh với dũng cung cấp. Khi tăng nhiệt độ hoạt động của Laser ta thấy rằng, dũng ngưỡng của laser cũng tăng theo. Điều này phự hợp với lý thuyết về sự phụ thuộc của dũng ngưỡng vào nhiệt độ hoạt động:
� 0�
0exp / )
(T I T T
Ith � (3.1)
Với Ith(T) là giỏ trị dũng ngưỡng tại nhiệt độ T, Io là giỏ trị dũng ngưỡng tại nhiệt độ đặc trưng To
Hiệusuất độ dốc của laser được tớnh theo cụng thức
I P � � � � (3.2)
Với P là cụng suất quang ra, I là dũng hoạt động của laser. Cỏc giỏ trị dũng ngưỡng, hiệu suất độ dốc được trỡnh bày trong bảng 3.1
Bảng 3.1: Dũng ngưỡng, hiệu suất độ dốc phụ thuộc theo nhiệt độ của LD Taper 3o
T (oC) 20 25 30
th
I (mA) 380 400 420
�(W/A) 0,51 0,50 0,49
Từ bảng 3.1 ta tớnh được nhiệt độ đặc trưng To của laser là 97K và khi nhiệt độ tăng hiệu suất độ dốc của laser giảm điều này liờn quan đến sự giảm hiệu suất lượng tử nội của laser. Khi tăng nhiệt độ sự mất mỏt nội gõy ra bởi hấp thụ hạt tải tự do tăng dẫn đến sự tăng dũng ngưỡng, cũng như giảm hiệu suất độ dốc.
Hỡnh 3.4: Đặc trưng cụng suất phụ thuộc dũng bơm của laser Taper 4o
Hỡnh 3.4 là đặc trưng cụng suất quang phụ thuộc dũng bơm của laser cú cấu trỳc Taper với gúc vuốt thon 4o. Kết quả chỉ ra rằng trờn đặc trưng P(I) của laser này cú xuất hiện điểm góy khỳc (kink) trong khoảng từ 700 ữ 800 mA. Điều này cú thể cú thể được giải thớch với cỏc cơ chế như sau:
- Trường quang bờn trong buồng cộng hưởng tại một dũng bơm nào đú làm