Laser bán dẫn công suất cao

N i dung ô

M Đ U Ở Ầ 1

CH ƯƠ NG 1: LASER BÁN D N CÔNG SU T CAO Ẫ Ấ 2

1 Khái ni m laser diode công su t cao ệ ấ 2

2 Nguyên lý ho t đ ng c b n c a laser ạ ộ ơ ả ủ 2

3 M t s c u trúc c b n c a laser bán d n công su t cao ộ ố ấ ơ ả ủ ẫ ấ 5

4 Ứ ng d ng laser diode công su t cao ụ ấ 9

CH ƯƠ NG 2: ĐÓNG GÓI LASER BÁN D N CÔNG SU T CAO Ẫ Ấ 10

1 Vai trò c a đóng gói laser ủ 10

2 G n các thanh Laser Diode ắ 10

3 Kỹ thu t hàn ậ 12

4 Thông s đóng gói nh h ố ả ưở ng đ n tu i th và đ tin c y ế ổ ọ ộ ậ 13

CH ƯƠ NG 3: TH C NGHI M ĐÓNG GÓI LASER BÁN D N CÔNG SU T CAO Ự Ệ Ẫ Ấ 15

1 Các linh ki n c n thi t ệ ầ ế 15

2 Thi t b và d ng c th c nghi m ế ị ụ ụ ự ệ 17

3 Các b ướ c ti n hành đóng gói laser ế 18

4 Đ nh v các chi ti t c a module laser diode công su t cao ị ị ế ủ ấ 24

5 Đóng v cho module laser diode công su t cao ỏ ấ 25

6 Kh o sát các thông s c a module laser diode công su t cao ả ố ủ ấ 26

KẾT LUẬN 27

TÀI LI U THAM KH O Ệ Ả 28

Danh m c hình nh ụ ả

Hình 1: (a) Laser chuy n ti p đ ng ch t (b) Laser v i chuy n ti p d ch t képể ế ồ ấ ớ ể ế ị ấ 3

Hình 2: C u trúc bu ng c ng hấ ồ ô ưởng 3

Hình 3: Đ r ng vùng c m c a v t li u bán d n nhóm III-Vô ô ầ ủ ậ ệ ẫ 4

Hình 4: S đ m c năng lơ ồ ứ ượng c a c u trúc gi ng lủ ấ ế ượng t InGaAsử 4

Hình 5: V t li u cho c u trúc gi ng lậ ệ ấ ế ượng tử 5

Hình 6: C u trúc laser công su t cao đi n hìnhấ ấ ể 5

Hình 7: S đ c a m t laser taper v i ng d n sóng sơ ồ ủ ô ớ ố ẫ ườn đ l c ch để ọ ế ô 7

Hình 8: C u trúc laser m ng công su t caoấ ả ấ 8

Hình 9: S đ c u trúc c a m t ngăn laser diode Các b phát đơ ồ ấ ủ ô ô ược th hi n b ng màu ể ệ ằ xanh lam và b làm mát có màu xám đenô 8

Hình 10: Hình nh c a m t ngăn x p diode ngang ch a 12 thanh laserả ủ ô ế ứ 9

Hình 11: Thanh laser tr c ti p g n vào t n nhi t b ng cách s d ng hàn m mự ế ắ ả ệ ằ ử ụ ề 11

Hình 12: Đ đế ược đi u ch nh h s CTE cho thanh laser g n v i hàn c ngề ỉ ệ ố ắ ớ ứ 11

Hình 13: D ng c k p v i t n nhi t kim lo i, thanh laser và t m ti p xúcụ ụ ẹ ớ ả ệ ạ ấ ế 12

Hình 14: M u c n k t t aẫ ặ ế ủ 14

Hình 15: S sai h ng di xu t hi n nh ng l r ng b t khíự ỏ ấ ệ ữ ỗ ồ ọ 14

Hình 16: (a) Đ gia nhi t (b) Hình nh khi hoàn thành công đo n hànế ệ ả ạ 19

Hình 17: West bond 7400C version 2.8 19

Hình 18: S đ h đo các đ c tr ng quang đi n c a laser và module laser diode CSCơ ồ ệ ặ ư ệ ủ 20

Hình 19: S đ h đo các đ c tr ng ph c a laser diode CSCơ ồ ệ ặ ư ổ ủ 20

Hình 20: Đ c tr ng phân b trặ ư ố ường xa c a chip laser 940 nm t i dòng b m 2,0 A, đo t iủ ạ ơ ạ nhi t đ đ 25°C: a) hệ ô ế ướng song song v i chuy n ti p; b) hớ ể ế ướng vuông góc v i chuy n ớ ể ti pế 21

Hình 21: Đ c tr ng công su t quang – dòng b m (P-I) vào nhi t đ c a chip laser 940 ặ ư ấ ơ ệ ô ủ nm 21

Hình 22: H phóng h quang cao ápệ ồ 22

Hình 23: Hình nh c a laser sau khi c đ nh s i quangả ủ ố ị ợ 23

Hình 24: C u hình c a module laser công su t cao v i các chi ti t c n đ nh v bên trong ấ ủ ấ ớ ế ầ ị ị module 24

Hình 25: K t n i đi n c a ch t c p dòng SMA v i chíp laserế ố ệ ủ ố ấ ớ 25

Hình 26: Module laser diode hoàn ch nh sau đóng vỉ ỏ 25

Hình 27: Đ c tr ng P-I c a module laserặ ư ủ 26

Hình 28: Đ n đ nh c a công su t quang theo th i gianô ổ ị ủ ấ ờ t i dòng b mạ ơ I= 1,67 A 26

Hình 29: Đ c tr ng phân b trặ ư ố ường xa c a chip laser 940 nmủ 26

M Đ U Ở Ầ

Trong nh ng năm g n đây laser bán d n công su t cao phát đữ ầ ẫ ấ ược nghiên

c u trong nhi u phòng thí nghi m v quang t trên th gi i cũng nh đangứ ề ệ ề ử ế ớ ư

được tri n khai ng d ng trong nhi u lĩnh v c khác nhau nh ph c v nghiênể ứ ụ ề ự ư ụ ụ

c u khoa h c, trong công nghi p, y t và an ninh qu c phòng.ứ ọ ệ ế ố

Các laser bán d n công su t cao hi n nay đẫ ấ ệ ược ch t o ch y u trên c sế ạ ủ ế ơ ở

c u trúc gi ng lấ ế ượng t vùng tích c c (vùng x y ra dao đ ng laser) Vùngử ở ự ả ôtích c c thự ường g m nhi u l p gi ng lồ ề ớ ế ượng t v i đ dày kho ng vài t i vàiử ớ ô ả ớ

ch c nano mét Laser bán d n công su t cao có m t s nh ng c u trúc đi nụ ẫ ấ ô ố ữ ấ ểhình nh d i r ng, vu t thon hay c u trúc d ng m ng (laser array) và c uư ả ô ố ấ ạ ả ấtrúc d ng x p ngăn (laser stack).ạ ế

T c u trúc laser diode, ta ph i tr i qua quá trình đóng gói, k t n i cácừ ấ ả ả ế ốthành ph n quan tr ng đ t o thành m t module laser công su t cao hoànầ ọ ể ạ ô ấ

ch nh Quá trình đóng gói có nh ng công đo n c n thi t đ đ m b o cho quáỉ ữ ạ ầ ế ể ả ảtrình ho t đ ng c a laser làm vi c n đ nh, đ t hi u su t cao và kéo dài tu iạ ô ủ ệ ổ ị ạ ệ ấ ổ

th Bên c nh vi c thi t k c u trúc bên trong c a t ng thành ph n laserọ ạ ệ ế ế ấ ủ ừ ầdiode nh thì ch t lỏ ấ ượng c a quá trình đóng gói cũng sẽ quy t đ nh ch đủ ế ị ế ô

ho t đ ng và đ c tính chùm tia phát ra c a laser, cũng nh chi m ph n l nạ ô ặ ủ ư ế ầ ớgiá thành trong vi c s n su t m t laser diode hoàn ch nh.ệ ả ấ ô ỉ

Nh n th y t m quan tr ng c a quá trình đóng gói, chúng tôi đã có quáậ ấ ầ ọ ủtrình nghiên c u, làm vi c th c t v i quá trình đóng gói laser bán d n côngứ ệ ự ế ớ ẫ

su t cao Và chúng tôi xin g i l i c m n sâu s c TS Nguy n Thanh Phấ ử ờ ả ơ ắ ễ ương

đã h t lòng giúp đ , hế ỡ ướng d n chúng tôi th c hi n đê tài nghiên c u này! Xinẫ ự ệ ứtrân thành c m n Vi n Hàn Lâm Khoa H c Và Công Ngh Vi t Nam đã t oả ơ ệ ọ ệ ệ ạ

đi u ki n, cung c p trang thi t b ph c v quá trình nghiên c u!ề ệ ấ ế ị ụ ụ ứ

Đ tài đóng gói laser bán d n công su t cao c a chúng tôi sẽ đề ẫ ấ ủ ược trìnhbày nh sau: ư

M đ u.ở ầ

Chương 1: Gi i thi u v laser bán d n công su t cao.ớ ệ ề ẫ ấ

Chương 2: Đóng gói laser bán d n công su t cao.ẫ ấ

Chương 3: Th c nghi m đóng gói laser bán d n công su t cao.ự ệ ẫ ấ

K t lu n.ế ậ

1 Khái ni m laser diode công su t cao ệ ấ

Đã h n 40 năm k t khi laser bán d n ra đ i, r t nhi u nghiên c u đãơ ể ừ ẫ ớ ấ ề ứ

được th c hi n nh m nâng caao công su t và m r ng vùng bự ệ ằ ấ ở ô ước sóng phát

V i l i th nh g n, hi u su t cao và th i gian s ng l n, laser siode có khớ ợ ế ỏ ọ ệ ấ ờ ố ớ ảnăng thay th ph n l n các laser khác trong các ng d ng khoa h c và trế ầ ớ ứ ụ ọ ởthành c u n i gi a các h đi n t và thông tin liên l c Ph n l n các ngầ ố ữ ệ ệ ử ạ ầ ớ ứ

d ng đ u nh m duy trì công su t ra và ch t lụ ề ằ ấ ấ ượng chùm tia theo th i gian.ờTrong bài lu n này Chúng ra đi vào tìm hi u và nghiên c u m t s c u trúcậ ể ứ ô ố ấ

c a laser diode công su t cao và công ngh đóng gói chúng.ủ ấ ệ

Trong th c t không có quy đ nh rõ ràng gi a laser diode thự ế ị ữ ường và laserdiode công su t cao, nó ph thu c vào lo i laser và ng d ng cho m c đích gìấ ụ ô ạ ứ ụ ụ

mà nó được thi t k cho phù h p Nói chung, đ i v i các lo i laser t n s đ n,ế ế ợ ố ớ ạ ầ ố ơlaser đ n mode liên t c có công su t 50 mW tr lên và các laser đa mode d iơ ụ ấ ở ả

r ng, m ng laser có công su t l n h n 50 mW thì g i là laser diode công su tô ả ấ ớ ơ ọ ấcao M c dù các laser diode công su t cao có th phát ra công su t đ nh lênặ ấ ể ấ ỉ

đ n vài kW ch đ xung, nh ng năng lế ở ế ô ư ượng xung b gi i h n nh h n r tị ớ ạ ỏ ơ ấnhi u so v i các lo i laser r n khác do th i gian s ng c a h t t i diode ng nề ớ ạ ắ ờ ố ủ ạ ả ắ(c vài ns).ỡ

2 Nguyên lý ho t đ ng c b n c a laser ạ ộ ơ ả ủ

Laser ho t đ ng d a trên hai đi u ki n là kích thích phát x c a môiạ ô ự ề ệ ạ ủ

trường khu ch đ i và ph n h i quang h c trong bu ng c ng hế ạ ả ồ ọ ồ ô ưởng quang

h c Ngọ ưỡng ho t đ ng c a laser xác đ nh đạ ô ủ ị ược khi khu ch đ i l n h n m tế ạ ớ ơ ấmát trong bu ng c ng hồ ô ưởng quang h c.ọ

a) Khu ch đ i quang trong laser bán d nế ạ ẫ

Laser bán d n có th đẫ ể ược kích thích b i các photon có đ năng lở ủ ượng

ho c b ng các chùm electron Cách b m laser diode bán d n b ng cách sặ ằ ơ ẫ ằ ử

d ng dòng đi n v n chi m l i th Đi u ki n khu ch đ i là t n t i tr ng tháiụ ệ ẫ ế ợ ế ề ệ ế ạ ồ ạ ạ

đ o m t đ : m c năng lả ậ ô ứ ượng Efc n m trên m c năng lằ ứ ượng Ec và m c năngứ

lượng Efv n m dằ ưới m c năng lứ ượng Ev Đ pha t p ph i lên đ n 10ô ạ ả ế 18-1019 cm-3

đ photon t o ra vể ạ ượt qua t n th t, m t mát.ổ ấ ấ

Đ khu ch đ i ta c p đi n áp phân c c thu n cho laser, sẽ t o dòng phunể ế ạ ấ ệ ự ậ ạ

đi n t eệ ử - t bán d n lo i n và phun dòng l tr ng hừ ẫ ạ ỗ ố + t bán d n lo i p, m từ ẫ ạ ậ

đ dòng tăng d n đ n xác su t tái h p đi n t l tr ng và phát ra laser.ô ẫ ế ấ ợ ệ ử ỗ ố

Hình 1 : (a) Laser chuy n ti p đ ng ch t (b) Laser v i chuy n ti p d ch t kép ể ế ồ ấ ớ ể ế ị ấ

b) C u trúc bu ng c ng hấ ồ ô ưởng

B c ng hô ô ưởng quang c a laser diode bán d n bao g m c u trúc ng d nủ ẫ ồ ấ ố ẫsóng gi a các gữ ương đượ ạc t o b i m t tinh th (Hình 2).ở ặ ể

Hình 2: C u trúc bu ng c ng h ấ ồ ộ ưở ng

Nh ng m t tinh th này đữ ặ ể ược tráng đ đ t để ạ ược đ ph n x t i u,ô ả ạ ố ưvuông góc v i ti p giáp p-n Phớ ế ương th c phân b cứ ố ường đ và s mode đô ố ượcxác đ nh b i đ dày và thành ph n c a các l p v t li u.ị ở ô ầ ủ ớ ậ ệ

c) V t li u ch t o và c u trúc gi ng lậ ệ ế ạ ấ ế ượng tử

B n ch t c a laser bán d n là l p ti p xúc p-n Khi c p đi n t -l tr ngả ấ ủ ẫ ớ ế ặ ệ ử ỗ ốtái h p sẽ phát ra photon Năng lợ ượng photon sinh ra hay bước sóng phát phụthu c vào đ r ng vùng c m c a v t li u ch t o V t li u đô ô ô ấ ủ ậ ệ ế ạ ậ ệ ược s d ng làử ụ

v t li u bán d n có vùng c m th ng V t li u đ c tr ng là nhóm v t li u III-V.ậ ệ ẫ ấ ẳ ậ ệ ặ ư ậ ệCác laser bán d n công su t cao phát ra trong vùng bẫ ấ ước sóng 0,7-1,0 µm,

thường được th c hi n trên GaAs và các h p kim đự ệ ợ ược k t h p v i GaAs.ế ợ ớ

Hình 3: Đ r ng vùng c m c a v t li u bán d n nhóm III-V ộ ộ ầ ủ ậ ệ ẫ

C u trúc laser bán d n trấ ẫ ước kia được ch t o theo c u trúc chuy n ti pế ạ ấ ể ế

đ ng ch t Hi n nay, công ngh ch t o màng m ng phát tr n , ngồ ấ ệ ệ ế ạ ỏ ể ười ta áp

d ng c u trúc gi ng lụ ấ ế ượng t hay ch m lử ấ ượng t C u trúc này đ t đử ấ ạ ược b ngằcách ph ch ng các l p v t li u bán d n có đ r ng vùng c m khác nhau.ủ ồ ớ ậ ệ ẫ ô ô ấ

Ví d nh hình dụ ư ưới, gi ng lế ượng t bao g m InGaAs, đử ồ ược bao b c trongọAlGaAs có đ r ng vùng c m l n h n nh ng có h ng s m ng g n tô ô ấ ớ ơ ư ằ ố ạ ầ ương

đương

Hình 4: S đ m c năng l ơ ồ ứ ượ ng c a c u trúc gi ng l ủ ấ ế ượ ng t InGaAs ử

S d ng vùng ho t đ ng là gi ng lử ụ ạ ô ế ượng t sẽ có nh ng u đi m:ử ữ ư ể

- Vì đ r ng vùng c m tăng bên ngoài gi ng lô ô ấ ế ượng t (QW) nên chử ỉ

có vùng QW m i đớ ược b m đ t o tr ng thái đ o m t đ Do vùng này r t béơ ể ạ ạ ả ậ ô ấnên m t đ dòng tiêm vào gi m kho ng ba b c đ l n so v i laser khác.ậ ô ả ả ậ ô ớ ớ

- Hi u su t tái h p đi n t l tr ng tăng lên đ n 90% và có th đ tệ ấ ợ ệ ử ỗ ố ế ể ạ

đ n 100% n u đế ế ược ch t o v i v t li u có ch t lế ạ ớ ậ ệ ấ ượng cao

- Gi ng lế ượng t là m t l p có đ dày kho ng 10nm Các l p m ngử ô ớ ô ả ớ ỏ

nh v y cho phép các thành ph n v t li u có h ng s m ng không c n kh pư ậ ầ ậ ệ ằ ố ạ ầ ớhoàn toàn v i GaAs B ng cách thay th m t ph n gallium b ng indium, ph mớ ằ ế ô ầ ằ ạ

vi bước sóng có th tăng lên t i 1100nm Hay có th thay th Asen b ng Ph tể ớ ể ế ằ ốpho, ph m vi bạ ước sóng có th để ược m r ng xu ng t i 730nm.ở ô ố ớ

Hình 5: V t li u cho c u trúc gi ng l ậ ệ ấ ế ượ ng t ử

3 M t s c u trúc c b n c a laser bán d n công su t cao ộ ố ấ ơ ả ủ ẫ ấ

a) C u trúc bu ng c ng hấ ồ ô ưởng r ng (Large Optical Cavity) Laser BAô

C u trúc d n sóng c a l p lõi có chi t su t cao h n chi t su t c a l p v ấ ẫ ủ ớ ế ấ ơ ế ấ ủ ớ ỏ

Mi n tích c c đề ự ượ ạc t o ra trong l p lõi thớ ường là m t ho c nhi u gi ng lô ặ ề ế ượng

t ử

Hình 6: C u trúc laser công su t cao đi n hình ấ ấ ể

C u trúc bu ng c ng hấ ồ ô ưởng r ng (LOC) v i l p d n sóng đô ớ ớ ẫ ược m r ngở ô

d n đ n trẫ ế ường g n có phân b x p x d ng gauss Trong trầ ố ấ ỉ ạ ường h p nàyợ

th a s giam gi quang và m t đ công su t b m t là nh nh t H n n aừ ố ữ ậ ô ấ ề ặ ỏ ấ ơ ữphân b cố ường đ có d ng tù h n, năng lô ạ ơ ượng được truy n trong l p v là r tề ớ ỏ ấ

nh , b i v y l p v có th đỏ ở ậ ớ ỏ ể ược pha t p tạ ương đ i m nh và đố ạ ược ch t o cóế ạkích thước m ng Đi u này d n đ n nhi t tr là nh Suy gi m th p cho phépỏ ề ẫ ế ệ ở ỏ ả ấchúng ta ch t o bu ng c ng hế ạ ồ ô ưởng dài trong d i 2 mm mà v n gi đả ẫ ữ ược

hi u su t ngo i cao S phân kỳ theo phệ ấ ạ ự ương th ng đ ng là do s chênh l chẳ ứ ự ệchi t su t gi a l p v và l p d n sóng M t c u trúc d n sóng kh thi phế ấ ữ ớ ỏ ớ ẫ ô ấ ẫ ả ụthu c vào thành ph n v t li u và đ dày c a các l p epitaxy t o thành l pô ầ ậ ệ ô ủ ớ ạ ớ

d n sóng cũng nh các l p v ẫ ư ớ ỏ

Laser BA là laser phát c nh, vùng phát m t trạ ở ặ ước có hình d i r ng Doả ô

s b t đ i x ng c a vùng phát, tính ch t chùm theo hai hự ấ ố ứ ủ ấ ướng là khác nhau:

Đ l n theo hô ớ ướng th ng đ ng là đ nh c m t vài µm đ t o đẳ ứ ủ ỏ ỡ ô ể ạ ược sự

d n đ n m t Do kh u đ s nh , s phân kỳ theo hẫ ơ ố ẩ ô ố ỏ ự ướng này là tương đ iốnhanh nên tr c theo hụ ướng này còn đượ ọc g i là tr c nhanh (fast axis).ụ

Theo hướng ngang, đ r ng d i có th là 50, 100, 200ô ô ả ể m th m chí là l nμ ậ ớ

h n nên ánh sáng đơ ược phân b qua nhi u mode không gian theo hố ề ướng này

K t qu s phân kỳ theo hế ả ự ướng này là nh h n so v i hỏ ơ ớ ướng th ng đ ngẳ ứ(thông thường là 5-10o FWHM)

b) Laser bán d n c u trúc Taperẫ ấ

Ngày nay, laser diode d i r ng đả ô ượ ử ục s d ng đ đ t để ạ ược công su t đ uấ ầ

ra cao Nh ng các thi t k ng d n sóng d i r ng tiêu chu n d b m t nư ế ế ố ẫ ả ô ẩ ễ ị ấ ổ

đ nh, t o s i và h h ng gị ạ ợ ư ỏ ương quang h c (COMD) Đi u này d n đ n ch tọ ề ẫ ế ấ

lượng và đ l n c a chùm tia th p, v i cô ớ ủ ấ ớ ường đ gi i h n trong kho ng 1 ×ô ớ ạ ả

107 Wcm-2sr-1 M t khác, ch t lặ ấ ượng chùm tia cao đượ ạc t o v i các tia laserớphát ra trong chùm tia quang h c gi i h n nhi u x Do chi u r ng s c nhọ ớ ạ ễ ạ ề ô ọ ỏ

ch m t vài micron, công su t đ u ra thỉ ô ấ ầ ường b gi i h n kho ng 700 mW,ị ớ ạ ở ả

d n đ n cẫ ế ường đ dô ưới 7 × 107 Wcm-2sr-1

Hình 7: S đ c a m t laser taper v i ng d n sóng s ơ ồ ủ ộ ớ ố ẫ ườ n đ l c ch đ ể ọ ế ộ

R t nhi u gi i pháp khác nhau đã đấ ề ả ược đ xu t trong vài năm qua đề ấ ể

kh c ph c nh ng v n đ này và đ đ t đắ ụ ữ ấ ề ể ạ ược công su t đ u ra cao cùng v iấ ầ ớ

ch t lấ ượng chùm tia cao Các thi t b taper, laser ph n h i phân tán (DFB) vàế ị ả ồ

b khu ch đ i công su t dao đ ng t ng th (MOPAs) đã đô ế ạ ấ ô ổ ể ược ch ng minh, vàứ

t t c chúng đ u có th t o ra công su t đ u ra t t trên 1W cùng v i ch tấ ả ề ể ạ ấ ầ ố ớ ấ

lượng chùm tia cao Trong s này, các thi t b d a trên các ph n khu ch đ iố ế ị ự ầ ế ạtheo chi u ngang trong các ph n k t h p v i ng d n sóng nh n (Taper laser)ề ầ ế ợ ớ ố ẫ ọ

được mô t trong hình ả

Bu ng c ng hồ ô ưởng c a laser Taper đủ ược ch t o có c u trúc m t laser l iế ạ ấ ặ ố

ra có di n tích l n làm gi m đệ ớ ả ược m t đ công su t quang trên b m t laser.ậ ô ấ ề ặ

Ví d nh hình trên, c u trúc laser taper có chi u dài L1 c a ph n dao đ ng làụ ư ấ ề ủ ầ ô

500 µm, góc taper 6 cùng v i chi u dài ph n taper L2 là 2 mm d n đ n kh u◦ ớ ề ầ ẫ ế ẩ

đ phát ra W2 kho ng 200 m Các m t đô ả μ ặ ược ph màng ch ng ph n xủ ố ả ạ(R=0.05%) và màng ph n x cao (R= 90 %) đ đ t đả ạ ể ạ ược công su t t i đa ấ ố ở

m t ch ng ph n x ặ ố ả ạ

c) C u trúc array (d ng m ng)ấ ạ ả

N u ng d ng yêu c u công su t vế ứ ụ ầ ấ ượt quá vài watt, thì ph i k t h p đ uả ế ợ ầ

ra c a nhi u b phát laser C p đ ti p theo trong h th ng phân c p năngủ ề ô ấ ô ế ệ ố ấ

lượng laser là m ng laser, là m t dãy g m 10 đ n 50 laser đa mode song songả ô ồ ế

được tích h p vào m t chip đ n Kích thợ ô ơ ước m ng tiêu chu n có chi u r ngả ẩ ề ô

r n Do đó, các bắ ước sóng yêu c u b i các tinh th laser khác nhau Ph bi nầ ở ể ổ ế

nh t là 808nm, đấ ượ ử ục s d ng đ b m Nd: YAG Nh ng lo i khác bao g m 785,ể ơ ữ ạ ồ

đ ng Th c t , đây là m t m ng hai chi u c a các b phát c nh, trong đó t tứ ự ế ô ả ề ủ ô ạ ấ

c các thanh đả ược đi u khi n n i ti p C u trúc x p thanh cung c p m t đề ể ố ế ấ ế ấ ậ ônăng lượng cao Do các thanh được m c n i ti p nên m t thanh 40 W sẽ c nắ ố ế ô ầ

40 đ n 50 A dòng đi n đi n áp kho ng 2 V, trong khi c u trúc stack nhi uế ệ ở ệ ả ấ ềthanh yêu c u đi n áp l n h n nh ng có các yêu c u dòng đi n gi ng nhầ ệ ớ ơ ư ầ ệ ố ư

m t thanh duy nh t.ô ấ

Các ngăn diode có th cung c p công su t đ u ra c c cao hàng trăm ho cể ấ ấ ầ ự ặhàng nghìn watt, có th s d ng đ b m các laser tr ng thái r n công su tể ử ụ ể ơ ạ ắ ấcao ho c đặ ượ ử ục s d ng tr c ti p trong nhi u lĩnh v c.ự ế ề ự

Hình 9: S đ c u trúc c a m t ngăn laser diode Các b phát đ ơ ồ ấ ủ ộ ộ ượ c th hi n b ng màu ể ệ ằ

xanh lam và b làm mát có màu xám đen ộ

Đ có ch t lể ấ ượng chùm tia cao nh t, các thanh diode ph i càng g n nhauấ ả ầcàng t t M t khác, làm mát hi u qu đòi h i m t s đ dày t i thi u c a cácố ặ ệ ả ỏ ô ố ô ố ể ủ

b t n nhi t c n đô ả ệ ầ ược g n gi a các thanh Do kho ng cách c a b t n nhi tắ ữ ả ủ ô ả ệ

đó, ch t lấ ượng chùm tia c a đ u ra k t h p c a m t ngăn diode theo hủ ầ ế ợ ủ ô ướng

d c th p h n nhi u so v i m t thanh diode.ọ ấ ơ ề ớ ô

Ngoài ra còn có các ngăn x p ngang, trong đó các thanh diode đế ược s pắ

x p c nh nhau, d n đ n m t dãy các b phát tuy n tính dài S s p x p nhế ạ ẫ ế ô ô ế ự ắ ế ư

v y d dàng đậ ễ ược làm mát h n, và do đó cũng có th cho phép công su t đ uơ ể ấ ầ

ra cao h n trên m i b phát.ơ ỗ ô

Hình 10: Hình nh c a m t ngăn x p diode ngang ch a 12 thanh laser ả ủ ộ ế ứ

4 Ứ ng d ng laser diode công su t cao ụ ấ

Laser diode trong d i công su t c a m t vài mW đã xu t hi n trong nhi uả ấ ủ ô ấ ệ ề

th p k và ng d ng c a chúng trong vi n thông d a trên s i quang, thi t bậ ỷ ứ ụ ủ ễ ự ợ ế ịCD-DVD và máy quét mã v ch Laser diode công su t cao trong ph m vi hàngạ ấ ạ

ch c watt đã đụ ược gi i thi u vào cu i nh ng năm 1990 và các đ c tính c c kỳớ ệ ố ữ ặ ự

h a h n c a chúng vứ ẹ ủ ượt quá mong đ i c a chúng tôi cho các ng d ng côngợ ủ ứ ụnghi p trong tệ ương lai trong s n xu t Các ng d ng đ u tiên trong hànả ấ ứ ụ ầpolymer được th hi n trong phòng thí nghi m, và nh ng gi i thi u quy môể ệ ệ ữ ớ ệ

l n đ u tiên cho các ng d ng công nghi p cũng đớ ầ ứ ụ ệ ược hi n th c hóa vào th iệ ự ờ

đi m đó.ể

Sau nhi u năm nghiên c u và phát tri n, hi n nay laser diode công su tề ứ ể ệ ấcao có ti m năng ng d ng r ng l n Trong các quy trình s n xu t nh hànề ứ ụ ô ớ ả ấ ưkim lo i, hàn, n i polymer, c t và x lý b m t Ngoài ra, có th dùng laserạ ố ắ ử ề ặ ểdiode công su t cao đ b m laser khí ho c laser r n.ấ ể ơ ặ ắ

Trong y t , laser bán d n công su t cao đế ẫ ấ ượ ức ng d ng đ ph u thu t,ụ ể ẫ ậ

th m mỹ, c t kh i u, tr ung th và có th ch a tr m t s b nh ngoài da.ẩ ắ ố ị ư ể ữ ị ô ố ệTrong nghiên c u vũ tr , s d ng theo các hứ ụ ử ụ ướng áp d ng nh : Đo nh ngụ ư ữkho ng cách c c l n trong ngành thiên văn; Xác đ nh v trí c a các v t thả ự ớ ị ị ủ ậ ểtrong vũ tr ; Theo dõi, đi u khi n và liên l c v i các tàu vũ tr ụ ề ể ạ ớ ụ

Trong quân s , chùm tia laser năng lự ượng cao khi chi u vào v t th kimế ậ ể

lo i, trong nháy m t sẽ làm cho kim lo i nóng ch y, b c h i, th m chí bi nạ ắ ạ ả ố ơ ậ ếthành ion Tác d ng đó g i là “hi u ng lan ch y nhi t” Vũ khí laser phá ho iụ ọ ệ ứ ả ệ ạ

m c tiêu ch y u nh vào hi u ng đó.ụ ủ ế ờ ệ ứ

Ngoài ra, laser diode công su t cao còn có nhi u ng d ng h u ích trongấ ề ứ ụ ữnhi u lĩnh v c khác nhau và h a h n nhi u ng d ng khác n a trong tề ự ứ ẹ ề ứ ụ ữ ươnglai

1 Vai trò c a đóng gói laser ủ

V m t kỹ thu t:ề ặ ậ Laser không th ho t đ ng mà không để ạ ô ược đóng gói,

ch t lấ ượng đóng gói nh hả ưởng nghiêm tr ng đ n các đ c tính chính c aọ ế ặ ủlaser, ch ng h n nh công su t ra, bẳ ạ ư ấ ước sóng, tu i th và th m chí c tínhổ ọ ậ ả

ch t phân c c ấ ự

V m t kinh t :ề ặ ế Quá trình đóng gói chi m h n 50% t ng chi phí s n xu tế ơ ổ ả ấ

c a m t laser diode hoàn ch nh (bao g m th nghi m và các bi n pháp ki mủ ô ỉ ồ ử ệ ệ ểtra ch t lấ ượng)

Yêu c u đóng gói laser công su t caoầ ấ : c n đ t đầ ạ ược ch t lấ ượng ghép laser

v i đ n đ nh c h c cho l p và x lý, đáp ng s giãn n không phù h pớ ế Ổ ị ơ ọ ắ ử ứ ự ở ơ

c a laser và đ , đ m b o ti p đi m đi n c phía ti p giáp bán d n n và bánủ ế ả ả ế ể ệ ả ở ế ẫ

d n p c a thi t b , đ m b o tín hi u quang khi gh p n i v i s i quang Ngoàiẫ ủ ế ị ả ả ệ ế ố ớ ợ

ra c n đ t đầ ạ ược tiêu chu n làm mát cho laser.ẩ

Các v n đ khi ghép laser v i đ :ấ ề ớ ế H s giãn n nhi t c a đ ng làệ ố ở ệ ủ ồ17ppm/K (t n nhi t), laser GaAs ~ 6.8 ppm/K Đ giãn n khác nhau có nhả ệ ô ở ả

hưởng l n đ n tu i th và kh năng làm vi c c a laser, vì v y kỹ thu t g nớ ế ổ ọ ả ệ ủ ậ ậ ắ

k t đế ược s d ng cho các laser c n đử ụ ầ ược nghiên c u Đ kh c ph c v n đứ ể ắ ụ ấ ềtrên, s d ng hàn m m indium có kh năng bi n d ng đ g n laser v i t nử ụ ề ả ế ạ ể ắ ớ ảnhi t Đây là m t công ngh ch ch t cho vi c đóng gói các thanh laser.ệ ô ệ ủ ố ệ

2 G n các thanh Laser Diode ắ

a) Nguyên t c l p ắ ắ

C n đáp ng nh ng yêu c u sau:ầ ứ ữ ầ

- Đ nh v chính xác ti p xúc nhi t và đi n cao ị ị ế ệ ệ

- Ổn đ nh (các ti p xúc chính xác gi a t t c các v t li u liên quanị ế ữ ấ ả ậ ệtrong su t th i gian v n hành).ố ờ ậ

- Đáp ng các đi u ki n ho t đ ng nh t đ nh - ví d , v n hành trongứ ề ệ ạ ô ấ ị ụ ậsóng bán liên t c (xung).ụ

Hình 12: Đ đ ế ượ c đi u ch nh h s CTE cho thanh laser g n v i hàn c ng ề ỉ ệ ố ắ ớ ứ

Trong h u h t các trầ ế ường h p, m t hàn d o đợ ô ẻ ược s d ng đ c đ nhử ụ ể ố ịlaser 10 mm vào t n nhi t L a ch n ch t hàn thích h p ph thu c vào khả ệ ự ọ ấ ợ ụ ô ảnăng kh c ph c cho s chênh l ch giãn n nhi t c a laser và v t li u t nắ ụ ự ệ ở ệ ủ ậ ệ ảnhi t Đ i v i v t li u CTE không phù h p, hàn d o đệ ố ớ ậ ệ ợ ẻ ược s d ng Ngoài raử ụ

ph i có nhi t đ nóng ch y thích h p.ả ệ ô ả ợ

Bên c nh kỹ thu t gia công kim lo i, công ngh đạ ậ ạ ệ ượ ử ục s d ng đ s p x pể ắ ế

và n i laser v i t n nhi t cũng r t quan tr ng đ cho k t qu đ t ch t lố ớ ả ệ ấ ọ ể ế ả ạ ấ ượngcao

b) Quy trình đ nh v trí c a thanh laser ị ị ủ

Quá trình PPJ:

Laser được gi b ng công c gi chân không có đ chính xác cao và cânữ ằ ụ ữ ô

b ng Đi u khi n v trí c a thanh laser b ng d ng c căn ch nh nhi u tr c,ằ ề ể ị ủ ằ ụ ụ ỉ ề ụ

đi u khi n quang v i ph n m m x lý hình nh phù h p D ng c gi sẽ giề ể ớ ầ ề ử ả ợ ụ ụ ữ ữthanh trong quá trình hàn k t ti p Đi u này đ m b o s sê d ch không đángế ế ề ả ả ự ị

k c a thanh laser sau khi l p, vì công c chân không gi thanh v trí cânể ủ ắ ụ ữ ở ị

b ng ằ

Quy trình đ nh v thanh laser có th ph thu c nhi u vào ngị ị ể ụ ô ề ườ ậi v n hành

M t khác, trong m t quy trình l a ch n và đ t đ đi u ch nh thanh vào t nặ ô ự ọ ặ ể ề ỉ ảnhi t có th s d ng máy t o xung Nh v y, quy trình có th hoàn toàn tệ ể ử ụ ạ ờ ậ ể ự

đ ng, tránh s ph thu c c a ngô ự ụ ô ủ ườ ậi v n hành Trong và sau quá trình căn

ch nh này, thanh và t n nhi t đỉ ả ệ ược c đ nh nh m t công c k p, b o qu nố ị ờ ô ụ ẹ ả ả

đ c bi t là các v trí bên c a các b ph n trong các bặ ệ ị ủ ô ậ ước ti p theo (Hình 13).ế

Hình 13: D ng c k p v i t n nhi t kim lo i, thanh laser và t m ti p xúc ụ ụ ẹ ớ ả ệ ạ ấ ế

Sau đó h sẽ đệ ược chuy n sang lò đi u nhi t, có th x lý thể ề ệ ể ử ường t i 100ớ

b ph n trong m t quy trình và cho phép bu ng lò kín, đi u ki n môi trô ậ ô ồ ề ệ ường

và khí được ki m soát ch t chẽ và gi m áp su t chân không kho ng tr ngể ặ ả ấ ả ốtrong m i n i hàn Tuy nhiên, s xê d ch không th ki m soát cũng nh trongố ố ự ị ể ể ưquá trình PPJ; s d ng các công c k p r t tinh vi, có th đ t đử ụ ụ ẹ ấ ể ạ ược đ xê d chô ị

là 4 m v i năng su t cao M t u đi m khác c a quy trình này là kh năngμ ớ ấ ô ư ể ủ ảhàn các t m ti p xúc n ho c các ph n t b sung tr c ti p vào thi t b laserấ ế ặ ầ ử ổ ự ế ế ịdiode trong cùng m t bô ước quy trình Do đó, t quan đi m kinh t , quy trìnhừ ể ếliên t c sẽ cho năng su t cao và ti t ki m chi phí, càng nhi u thành ph n cóụ ấ ế ệ ề ầ

th để ượ ắc g n vào thi t b laser diode.ế ị

Nhược đi m: Nhi t đ ho t đ ng h n ch n u c ho c nhi t v i t c để ệ ô ạ ô ạ ế ế ơ ặ ệ ớ ố ô

bi n d ng d o cao tác đ ng lên l p indium.ế ạ ẻ ô ớ

Kỹ thu t: Phậ ương pháp bay h i tr c ti p v t li u hàn vào t n nhi t ho cơ ự ế ậ ệ ả ệ ặ

đ tế ương ng; phứ ương pháp s d ng phôi, m u phôi indium m ng nh t có đử ụ ẫ ỏ ấ ôdày 20 m; phμ ương pháp l ng đ ng h i (PVD) là phù h p nh t, đ tinh khi tắ ọ ơ ợ ấ ô ế

c a ch t hàn indium l ng đ ng có th đủ ấ ắ ọ ể ược ki m soát b i các thông s PVD,ể ở ố

ch y u là áp su t còn l i trong quá trình l ng đ ng (<10−6 mbar).ủ ế ấ ạ ắ ọ

Công ngh AuSnệ

AuSn có đ c ng tô ứ ương đ i.ố

u đi m: Đ tin c y c a kh p AuSn r t t t Không suy gi m trong quáƯ ể ô ậ ủ ớ ấ ố ảtrình dao đ ng c h c, khi thi t k thi t b yêu c u đô ơ ọ ế ế ế ị ầ ược đ t ra là không vặ ượtquá bi n d ng đàn h i c a kh p hàn.ế ạ ồ ủ ớ

Nhược đi m: AuSn không cho phép nén giãn và bi n d ng, toàn b l cể ế ạ ô ựgây stress truy n vào laser, gi i h n đ b n đ i v i dòng đi n cao gây ra đi nề ớ ạ ô ề ố ớ ệ ệ

đ ng ho c chu kỳ co giãn gây ra các l r ng và v t n t là r t cao N u khôngô ặ ỗ ỗ ế ứ ấ ế

có v t li u t n nhi t r t g n v i h s giãn n nhi t là 6,5×10ậ ệ ả ệ ấ ầ ớ ệ ố ở ệ −6 K−1, AuSn có

th gây ra stress r t cao trong laser, b t đ u xu ng c p nhanh.ể ấ ắ ầ ố ấ

Kỹ thu t: phậ ương pháp s d ng phôi ho c b ng cách bay h i tr c ti pử ụ ặ ằ ơ ự ế

v t li u hàn vào t n nhi t ho c đ tậ ệ ả ệ ặ ế ương ng (m u phôi AuSn có s n v i đứ ẫ ẵ ớ ôdày dưới 20 m).μ

4 Thông s đóng gói nh h ố ả ưở ng đ n tu i th và đ tin c y ế ổ ọ ộ ậ

Có m t t p h p r ng các tham s nh hô ậ ợ ô ố ả ưởng đ n giao di n hàn gi aế ệ ữlaser/t n nhi t nh : Nhi t đ /th i gian, l c nh n/k p, kim lo i hóa b m tả ệ ư ệ ô ờ ự ấ ẹ ạ ề ặ

và đ tinh khi t c a chúng, đ l ch hình h c, đi u ki n môi trô ế ủ ô ệ ọ ề ệ ường trong quátrình hàn, v.v Các thông s này ph i đố ả ược đi u ch nh và t i u hóa cho quyề ỉ ố ưtrình riêng và thi t b đế ị ượ ử ục s d ng

Laser là m t thi t b r t d v vì v y đòi h i m t s bi n pháp tránh gâyô ế ị ấ ễ ỡ ậ ỏ ô ố ệ

v nh t đ nh trong quá trình x lý và quy trình s n xu t đ ngăn ng a l i ỡ ấ ị ử ả ấ ể ừ ỗ

Ví d , đ i v i m t s laser, vi c làm s ch m t trụ ố ớ ô ố ệ ạ ặ ước sẽ gây thi t h i, doệ ạquá trình ph chúng đủ ược làm b i nhà s n xu t laser diode Do đó, ph i tránhở ả ấ ảnhi m b n ho c khuy t t t do ch m vào các b m t này b ng các d ng c ,ễ ẩ ặ ế ậ ạ ề ặ ằ ụ ụ

b ng cách lo i b c n t b m t hàn ho c làm ằ ạ ỏ ặ ừ ề ặ ặ ướt ph i đả ược tránh tuy t đ i.ệ ố

Hình 14: M u c n k t t a ẫ ặ ế ủ

S không đ ng nh t c a giao di n hàn (ch ng h n nh b t khí và lự ồ ấ ủ ệ ẳ ạ ư ọ ỗ

r ng) là nguyên nhân gây sai h ng (Hình 15) ho c không song song gi a laserỗ ỏ ặ ữ

và b m t l p t n nhi t Đi u này không ch d n đ n s thay đ i đi n trề ặ ắ ả ệ ề ỉ ẫ ế ự ổ ệ ởnhi t, mà còn có th gây ra các khu v c giòn c c b trong m i hàn do s hìnhệ ể ự ụ ô ố ựthành c a v t li u đ i x ng gi a v t li u hàn và các l p m kim lo i, cu iủ ậ ệ ố ứ ữ ậ ệ ớ ạ ạ ốcùng d n đ n vi c không đ ng nh t các laser, d n đ n nhanh h ng.ẫ ế ệ ồ ấ ẫ ế ỏ