Nghiên cứu các tính chất quang điện và đánh giá độ tin cậy của modul laser bán dẫn sợi quang bước sóng đỏ dùng trong thiết bị quang trị liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---Đỗ Đức Hưng Nghiên cứu các tính chất quang điện và đánh giá độ tin cậy của modul laser bán dẫn sợi quang bước sóng đỏ dùng tro

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-Đỗ Đức Hưng

Nghiên cứu các tính chất quang điện và đánh giá

độ tin cậy của modul laser bán dẫn sợi quang bước sóng đỏ dùng trong thiết bị quang trị liệu

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Nguyễn Thanh Phương

Hà Nội – Năm 2017

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu

Danh mục bảng

Danh mục hình

Mở đầu……… 1

Chương 1.TỔNG QUAN LÝ THUYẾT……… 3

1.1 Nguyên lý hoạt động của laser bán dẫn……….3

1.1.1 Sự hấp thụ và sự phát xạ trong laser bán dẫn……… 3

1.1.2 Các thành phần cơ bản của laser……… 7

1.1.3 Khuếch đại quang và điều kiện ngưỡng………9

1.2 Các đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn ……… 12

1.2.1 Đặc trưng công suất quang và thế phụ thuộc vào dòng bơm………12

1.2.2 Phổ quang của laser bán dẫn………16

1.2.2.1 Phổ quang phụ thuộc dòng bơm……….16

1.2.2.2 Phổ quang phụ thuộc nhiệt độ……….17

1.3 Các cơ chế giảm độ phẩm chất của laser bán dẫn……… 18

1.3.1 Suy giảm theo vị trí……….….19

1.3.2 Các chế độ già hóa cơ bản………20

1.4 Laser bán dẫn ứng dụng trong y tế……… 21

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM……… 24

2.1 Cấu tạo laser bán dẫn vùng bước sóng 650nm và 780nm……… 24

2.1.1 Cấu tạo laser bán dẫn vùng bước sóng 650nm……… 24

2.1.2 Cấu tạo laser bán dẫn vùng 780nm 25

2.2 Quy trình chế tạo modul laser……….….26

2.2.1 Linh kiện cho chế tạo modul……… 26

2.2.2 Chuẩn bị linh kiện……… 30

2.2.3 Ghép bức xạ laser vào sợi quang và định vị……….….30

2.2.4 Đóng vỏ modul……… 31

2.3 Các phương pháp khảo sát đặc trưng của laser……… 31

2.3.1 Phương pháp khảo sát đặc trưng công suất-điện áp-dòng điện………31

2.3.2 Phương pháp khảo sát đặc trưng phổ laser bán dẫn………33

2.4 Quy trình già hóa……….….34

Chương 3: CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN………….……… 36

3.1 Laser – modul laser vùng sóng 650nm……….……….… 36

3.1.1 Đặc trưng vật lý cơ bản của laser vùng 650nm……….……….… 36

3.1.1.1 Đặc trưng công suất quang, thế, nhiệt độ phụ thuộc vào dòng bơm….…… 36

3.1.1.2 Đặc trưng phổ laser vùng 650 nm phụ thuộc vào nhiệt độ, dòng bơm…….…41

3.1.2 Khảo sát quá trình ghép nối laser bán dẫn vùng 650 nm với sợi quang để chế tạo modul laser……….43

3.1.3 Đặc trưng vật lý cơ bản của modul laser vùng 650 nm……… 45

3.1.3.1 Đặc trưng công suất quang, thế, nhiệt độ phụ thuộc vào dòng bơm………….45

3.1.3.2 Đặc trưng phổ phụ thuộc vào dòng bơm tại cùng một nhiệt độ đối với modul laser vùng 650 nm……… 50

3.1.4 Hiệu suât ghép nối của module laser bán dẫn 650nm……….53

3.2 Laser – modul laser vùng sóng 780 nm……… 56

3.2.1 Đặc trưng vật lý cơ bản của laser vùng 780 nm……… 56

3.2.1.1 Đặc trưng công suất quang, thế phụ thuộc vào dòng bơm……… 55

3.2.1.2 Đặc trưng phổ laser vùng 780 nm phụ thuộc vào dòng bơm, nhiệt độ……….61

3.2.2 Khảo sát quá trình ghép nối laser bán dẫn vùng 780 nm với sợi quang để chế tạo modul laser ……… … 63

3.2.3 Đặc trưng vật lý cơ bản của modul laser vùng 780 nm……… ….…65

3.2.3.1 Đặc trưng công suất quang, thế phụ thuộc vào dòng bơm……….… 65

3.2.3.2 Đặc trưng phổ quang của module laser vùng sóng 780nm……….….69

3.2.4 Hiệu suất ghép nối module laser bán dẫn 780 nm……… 71

3.3 Già hóa modul laser 650 nm và 780 nm……….……76

Kết luận………81 Bài báo công bố

Tài liệu tham khảo

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn với đến TS.Nguyễn Thanh Phương, người

đã hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này Người thầy đã tạo điệu kiện, động viên, chỉ bảo tận tình cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Tôi xin cảm ơn Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi tập trung học tập và nghiên cứu trong thời gian thực hiện luận văn

Tôi trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Trần Quốc Tiến cùng tập thể cán bộ phòng laser bán dẫn Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam, đã chia sẻ kinh nghiệm quý báu, tạo điều kiện, động viên, khích lệ trong suốt thời gian tôi học tập

và nghiên cứu tại viện

Trong thời gian tôi học tập và nghiên cứu tại bộ môn Quang học - Quang điện tử, Viện Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và phòng laser bán dẫn Viện Khoa Học Vật Liệu thuộc Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam Tôi luôn nhận được sự giúp đỡ trong công việc cũng như sự đoàn kết trong cuộc sống của các cô chú anh chị em làm việc tại phòng cùng các bạn sinh viên học tập nghiên cứu tại đây Tôi xin ghi nhận tình cảm quý báu, chân thành từ các cô chú anh chị em đã dành cho tôi

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã ủng hộ động viên tinh thần giúp tôi hoàn thành luận văn

Hà Nôi, tháng 9 năm 2017

Tác giả

Đỗ Đức Hưng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS.Nguyễn Thanh Phương Các số liệu và kết quả trong luận án là hoàn toàn trung

thực và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nào

Tác giả luận án

Đỗ Đức Hưng

Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu

Danh mục bảng

Bảng 3.1 Giá trị dòng ngưỡng và hiệu suất độ dốc của laser 650 nm tại nhiệt độ

250C………38

Bảng 3.2 Hiệu suất độ biến đổi điện quang laser 650 nm tại nhiệt độ 250C………… 38

Bảng 3.3 Điện trở nối tiếp và thế của laser bán dẫn vùng 650 nm với dòng 80 mA…39 Bảng 3.4 Độ dịch bước sóng trung tâm theo dòng bơm tại nhiệt độ 250C………42

Bảng 3.5 Giá trị dòng ngưỡng, hiệu suất độ dốc modul laser 650 nm tại nhiệt độ 250C………47

Bảng 3.6 Hiệu suất biến đổi điện quang của modul laser vùng 650 nm………47

Bảng 3.7 Điện trở nối tiếp của các module laser bán dẫn vùng 650 nm tại dòng 80 mA……… 48

Bảng 3.8 Dịch chuyển bước sóng trung tâm modul theo dòng bơm tại nhiệt độ 250C………51

Bảng 3.9: Hiệu suất ghép nối của 4 module laser bán dẫn 650 nm tại dòng 80mA……… 54

Bảng 3.10 Giá trị dòng ngưỡng và hiệu suất độ dốc của laser 780 nm……….57

Bảng 3.11 Hiệu suất biến đổi điện quang của laser vùng 780 nm………58

Bảng 3.12 Điện trở nối tiếp của laser 780 nm tại tại dòng bơm 80 mA……… 59

Bảng 3.13 Độ dịch bước sóng trung tâm theo dòng bơm tại nhiệt độ 250C………… 61

Bảng 3.14: Giá trị dòng ngưỡng và hiệu suất độ dốc của 3 module laser 780 nm……66

Bảng 3.15 Hiệu suất biến đổi điện quang của modul laser vùng 780 nm……… 67

Bảng 3.16 Điện trở nối tiếp của modul laser 780 nm tại tại dòng bơm 80 mA………67

Bảng 3.17 Giá trị đỉnh phổ thuộc dòng bơm module laser 780nm tại nhiệt độ 250C………70

Danh mục hình

Hình 1.1: Giản đồ cấu trúc vùng dẫn E(k) với các điện tử trong bán dẫn vùng cấm

thẳng Khe năng lượng Eg khoảng cách giữa vùng dẫn và vùng hóa trị……… 4

Hình 1.2: Giản đồ chuyển mức phát xạ vùng – vùng trong vật liệu bán dẫn………… 5

Hình 1.3: Cấu trúc laser khi phân cực thuận với chuyển tiếp p-n………6

Hình 1.4: Sự giam giữ của các hạt tải điện và điện trường sử dụng cấu trúc dị thể kép theo trục thẳng đứng x của laser bán dẫn phát cạnh Sơ đồ vùng năng lượng E(x) với vùng dẫn và vùng hóa trị (trên), phân bố chiết suất n(x) của dẫn sóng điện môi (giữa), sự phân bố điện trường (x) của mode quang cơ bản chạy dọc theo hướng z……… 8

Hình 1.5: Giản đồ phổ khuếch đại quang của vật liệu bán dẫn khối GaAs ở mật độ hạt tải N=2-6x1018 cm-3 ……… 10

Hình 1.6:Đặc trưng công suất quang phụ thuộc dòng bơm của laser bán dẫn……… 13

Hình 1.7: Đặc trưng I-V của một laser……… 14

Hình 1.8: Đường không liền nét là hiệu suất biến đổi điện quang phụ thuộc dòng bơm laser bán dẫn phát xạ vùng 940nm……….15

Hình 1.9: Giản đồ hiển thị phổ quang của một laser bán dẫn tại các giá trị dưới ngưỡng (a), gần ngưỡng (b,c) và trên ngưỡng phát laser(d)………16

Hình 1.10: Phổ quang phụ thuộc dòng bơm của laser bán dẫn vùng 940nm đo tại nhiệt độ 25oC……… 17

Hình1.11: Phổ quang phụ thuộc nhiệt độ của laser bán dẫn tại dòng bơm 200mA… 18

Hình 1.12 chế độ suy giảm của laser bán dẫn………20

Hình 2.1 : Cấu trúc các lớp của laser bán dẫn vùng sóng 650 nm……….24

Hình 2.2 Cấu trúc các lớp của laser bán dẫn vùng sóng 780 nm……… 25

Hình 2.3 laser bán dẫn loại TO5………25

Hình 2.4 Cấu trúc sợi quang……… 26

Hình 2.5 Linh kiện cơ khí……… 26

Hình 2.6 Bản vẽ chi tiết đế tản nhiệt dùng làm modul ……….27

Hình 2.7 Bản vẽ chi tiết đĩa định vị sợi quang……… 27

Hình 2.8 bản vẽ chi tiết vỏ làm modul……… 28

Hình 2.9 Đóng vỏ modul……… 30

Hình 2.10 Hệ đo PUI……… 31

Hình 2.11 Hệ đo phổ laser……… 32

Hình 2.12 Hệ già hóa modul laser……… 33

Hình 2.13 modul laser………34

Hình 3.1 Đặc trưng PUI phụ thuộc vào dòng bơm LD 650 nm 01………36

Hình 3.2 Đặc trưng PUI phụ thuộc vào dòng bơm LD 650 nm 02………36

Hình 3.3 Đặc trưng PUI phụ thuộc vào dòng bơm LD 650 nm 03………37

Hình 3.4 Đặc trưng PUI phụ thuộc vào dòng bơm LD 650 nm 04………37

Hình 3.5 Ảnh hưởng nhiệt độ lên công suất laser LD 650 nm 01……… 49

Hình 3.6 Đặc trưng của phổ LD 650 nm 01 phụ thuộc vào dòng bơm ……….41

Hình 3.7 Sự dịch phổ LD 650 nm 01 phụ thuộc dòng bơm theo nhiệt độ……….41

Hình 3.8 Mô phỏng quá trình dịch chuyển sợi quang theo chiều ox,oy,oz………42

Hình 3.9 Công suất phụ thuộc vào sự dịch chuyển sợi quang theo trục OX………….43

Hình 3.10 công suất phụ thuộc vào sự dịch chuyển sợi quang theo trục OY…………43

Hình 3.11 Công suất phụ thuộc vào sự dịch chuyển sợi quang theo trục OZ…………44

Hình 3.12 Đặc trưngPUI của MD 650 nm 01 phụ thuộc vào dòng bơm……… 45

Hình 3.13 Đặc trưng PUI cuả MD 650 nm 02 phụ thuộc vào dòng bơm……… 45

Hình 3.14 Đặc trưng PUI của MD 650 nm 03 phụ thuộc vào dòng bơm……… 46

Hình 3.15 Đặc trưng PUI của MD 650 nm 04 phụ thuộc vào dòng bơm……… 46

Hình 3.16 Ảnh hưởng nhiệt độ lên công suất modul laser MD 650 nm 01………… 49

Hình 3.17: Phổ quang của module laser MD 650 nm 01……… 50

Hình 3.18 Sự dịch phổ MD 650 nm 01 phụ thuộc dòng bơm theo nhiệt độ………… 51

Hình 3.19: Đặc trưng công suất quang phụ thuộc dòng bơm LD 650 nm 01 và MD 650 nm 01……… 52

Hình 3.20: Đặc trưng công suất quang phụ thuộc dòng bơm LD 650 nm 04 và MD 650

nm 04……… 53

Hình 3.21: Hiệu suất ghép nối của modul Laser 650nm 01……… 53 Hình 3.22: Hiệu suất ghép nối của modul Laser 650nm 04……….54 Hình 3.23: Đặc trưng PUI laser LD 780 nm 01 phụ thuộc vào dòng bơm………… 56

Hình 3.24: Đặc trưng PUI laser LD 780 nm 02 phụ thuộc vào dòng bơm………… 56 Hình 3.25: Đặc trưng PUI laser LD 780 nm 03 phụ thuộc vào dòng bơm………… 57

Hình 3.26 Ảnh hưởng nhiệt độ lên công suất laser LD 780 nm 01………59

Hình 3.27 Đặc trưng phổ laser LD 780 nm 01 phụ thuộc vào dòng bơm……… 60

Hình 3.28 Sự dịch phổ LD 780 nm 01 phụ thuộc vào nhiệt độ, dòng bơm………… 61 Hình 3.29 công suất phụ thuộc vào sự dịch chuyển sợi quang theo trục OX…………63 Hình 3.30 công suất phụ thuộc vào sự dịch chuyển sợi quang theo trục OY…………63 Hình 3.31 công suất phụ thuộc vào sự dịch chuyển sợi quang theo trục OZ………….64 Hình 3.32 Đặc trưng công suất quang, điện áp và hiệu suất điện quang phụ thuộc dòng bơm của module laser MD 780 nm 01 tại nhiệt độ 25oC……… 65 Hình 3.33 Đặc trưng công suất quang, điện áp và hiệu suất điện quang phụ thuộc dòng bơm của module laser MD 780 nm 02 tại nhiệt độ 25oC……… 65 Hình 3.34 Đặc trưng công suất quang, điện áp và hiệu suất điện quang phụ thuộc dòng bơm của module laser MD 780 nm 03 tại nhiệt độ 25oC……… 65 Hình 3.35 Ảnh hưởng nhiệt độ lên công suất modul laser 780nm….………68 Hình 3.36: Phổ quang của module laser MD 780nm 01………69 Hình 3.37 Sự dịch phổ của MD 780 nm 01 phụ thuộc dòng bơm theo nhiệt độ…….69 Hình 3.38: Đặc trưng công suất quang phụ thuộc dòng bơm của LD-MDm 780nm

01 71

Hình 3.39 Đặc trưng công suất quang phụ thuộc dòng bơm của LD-MD 780 nm 02………72

Hình 3.40 Đặc trưng công suất quang phụ thuộc dòng bơm của LD-MD 780 nm

03………72

Hình 3.41 Hiệu suất ghép nối laser bán dẫn 780 nm 01 với sợi quang……… 73

Hình 3.42 Hiệu suất ghép nối laser bán dẫn 780 nm 02 với sợi quang……… 74

Hình 3.43 Hiệu suất ghép nối laser bán dẫn 780 nm 03 với sợi quang……… 74

Hình 3.44: Công suất quang theo thời gian già hóa của MD 650 nm tại dòng 80 mA nhiệt độ 250C……… 75

Hình 3.45 Công suất quang theo thời gian già hóa của MD 780 nm tại dòng 80 mA nhiệt độ 250C……… 77

1

MỞ ĐẦU

Laser bán dẫn dựa trên lớp chuyển tiếp p-n Chất bán dẫn được chế tạo lần đầu vào năm 1962 và được phát triển mạnh mẽ đến tận ngày nay Ngày nay, chất bán dẫn chiếm phần lớn thị phần laser thương mại trên thế giới Trên cơ sở các vật liệu bán dẫn khác nhau người ta đã có thể chế tạo các loại laser bán dẫn với các bước sóng phát trong một dải rộng từ vùng nhìn thấy đến hồng ngoại gần Các loại laser bán dẫn được chế tạo với công nghệ tiên tiến hiện nay có dòng ngưỡng thấp, công suất quang ra cao Hiện nay trên thế giới, các laser bán dẫn được ứng dụng hết sức rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: thông tin quang, cảm biến quang, gia công vật liệu, nghiên cứu , đặc biệt trong y tế và chăm sóc sức khoẻ con người Các laser bán dẫn công suất thấp được

sử dụng phổ biến trong trị liệu như châm cứu, hồi phục vết thương diện nhỏ

Ở Việt Nam, các thiết bị laser trong lĩnh vực y tế nhập ngoại có giá thành cao như thiết bị Laser Megasonic 681 (Tây ban nha) có một đầu phát laser 658 nm, công suất ra

40 mW hiện đang sử dụng ở Viện Bỏng Quốc gia có giá ~ 7000 USD, thiết bị Laser diode Milon Lanta (Nga) một đầu phát có công suất ra tối đa ở đầu sợi quang 2,2 W (

= 660 nm) và 14 W ( = 940 nm) dùng cho trị liệu và phẫu thuật có giá ~ 15000 USD.… Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo thiết bị laser bán dẫn công suất thấp ở trong nước với mục đích làm chủ công nghệ nhằm giảm giá thành, giúp việc bảo hành, bảo trì thiết bị thuận tiện, kịp thời hơn đối với người sử dụng là vấn đề cần thiết, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao đối với các thiết bị laser y tế ở trong nước Xuất phát từ thực tiễn nêu trên, chúng tôi thấy rằng việc nghiên cứu và chế tạo các modul laser bán dẫn công suất thấp ứng dụng điều trị trong vật lý trị liệu và phục hồi chức năng là cần thiết Trong giới hạn của luận văn với mục đính nghiên cứu và đánh giá độ tin cậy của modul laser để thực hiện hóa việc chế tạo Chúng tôi đã lựa chọn đề tài nghiên cứu cho luận

văn: “ Nghiên cứu các tính chất quang điện và đánh giá độ tin cậy của modul laser

bán dẫn sợi quang bước sóng đỏ dùng trong thiết bị quang trị liệu”

2

Mục tiêu của đề tài:

 Nghiên cứu các tính chất quang điện của modul laser bán dẫn sợi quang

 Đánh giá độ tin cậy của modul laser bán dẫn sợi quang

Nội dung nghiên cứu:

 Khảo sát đặc trưng quang điện và đặc trưng phổ của laser bán dẫn vùng 650 nm

và 780 nm

 Ghép nối laser với sợi quang, chế tạo modul

 Khảo sát đặc trưng quang điện và đặc trưng phổ của modul laser bán dẫn vùng

650 nm và 780 nm

 So sánh, đánh giá hiệu suất ghép nối sợi quang

 Già hóa, đánh giá độ tin cậy của modul được chế tạo

Phương pháp nghiên cứu:

Luận văn được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm Các mẫu trong luận văn đều

là các mẫu được chế tạo và khảo sát tại Bộ môn Quang học và Quang điện tử, Viện Vật

lý kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội và phòng thí nghiệm laser bán dẫn, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàm Lâm và Khoa học Công nghệ Việt Nam

Bố cục của luận văn gồm có các phần:

MỞ ĐẦU: Giới thiệu lý do chọn đề tài, đối tượng và mục đích nghiên cứu

Chương 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

Chương 2: THỰC NGHIỆM

Chương 3: CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Tài liệu tham khảo

3

Chương 1.TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1 Nguyên lý hoạt động của laser bán dẫn

Laser diode là một thiết bị quang điện hoạt động dưới điều kiện phát xạ kích thích

Để tạo ra phát xạ laser cần có một môi trường khuếch đại đồng thời giam giữ quang, được biết đến như là miền tích cực của thiết bị Miền tích cực của laser bán dẫn dựa trên tiếp xúc của bán dẫn không pha tạp vùng cấm thẳng giữa lớp bán dẫn loại p có độ rộng vùng cấm lớn và lớp bán dẫn loại n có chiết suất thấp Ở đây hình thành một lớp chuyển tiếp p-n với cấu trúc dị thể kép Trong lớp chuyển tiếp p-n, sự giam giữ hạt tải

và giam giữ quang đã đạt được Gần đây tất cả các laser bán dẫn cấu trúc dị thể kép được thay thế bằng một cấu trúc giếng lượng tử, do có những ưu điểm vượt trội Bên cạnh môi trường khuếch đại, buồng cộng hưởng là một phần không thể thiếu của laser nói chung Trong phần này chúng tôi sẽ khái quát cấu tạo và nguyên lý hoạt động của laser bán dẫn, các quá trình sảy ra trong môi trường khuếch đại Từ đó, nghiên cứu các đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn [1]

1.1.1 Sự hấp thụ và sự phát xạ trong laser bán dẫn

Đối với những loại laser rắn và laser khí có các vạch năng lượng hẹp đó là các mức năng lượng của của các nguyên tử riêng biệt Vì sự chồng phủ các quỹ đạo năng lượng, các mức năng lượng trong bán dẫn được mở rộng thành vùng năng lượng Vùng năng lượng được gọi là vùng dẫn khi trong bán dẫn không pha tạp không có sự kích thích từ

bên ngoài tại nhiệt độ T=00K, tại đó, được bỏ trống hoàn toàn Bên dưới vùng dẫn gọi

là vùng hóa trị được các điện tử lấp đầy hoàn toàn Với vật liệu bán dẫn thì vùng dẫn cách vùng hóa trị một khe năng lượng Eg = 0.5-2.5eV Hạt tải điện tử trong vùng dẫn

và hạt tải lỗ trống trong vùng hóa trị góp phần vào quá trình dẫn điện Chúng ta có giản

đồ các mức năng lượng điện tử trong vùng dẫn E c (k) và trong vùng hóa trị E v (k) với k

là số sóng được biểu diễn [1]:

2 ) ( , 2 )

(

2 2 2

2

h v

e g

c

m

k k

E m

k E

Ge thì giá trị k tại đỉnh và đáy là khác nhau, chính vì vậy khi tái hợp vùng-vùng có thể

5

xảy ra và có sự tham gia của phonon hoặc tham gia các bẫy Sự tham gia của nhiều hạt

có xác xuất rất nhỏ thường không bức xạ khi tái hợp Do đó, các bán dẫn vùng cấm xiên không phù hợp cho chế tạo laser bán dẫn [1] Đối với trạng thái cân bằng nhiệt tại nhiệt độ T, hàm Fermi f E,T mô tả trạng thái có xác xuất với năng lượng E bị điện tử chiến giữ:

1exp

1,

E E T

E f

B F

(1.2)

Tại nhiệt độ T= 0 K, bên dưới mức năng lượng Fermi EF thì giá trị bằng 1 và bằng 0 với mức năng lượn cao hơn Mức Fermi nằm giữa vùng bán dẫn và vùng hóa trị trong trường hợp bán dẫn không pha tạp Hàm Fermi nhòe trong dải E F2k B T , kB

=8,617347 x 10-5 eV/K (hằng số Boltzmann)

Hình 1.2: Giản đồ chuyển mức phát xạ vùng – vùng trong vật liệu bán dẫn [1]

Quá trình hấp thụ, điện tử nhận năng lượng chuyển từ trạng thái năng lượng thấp lên trạng thái năng lượng cao Quá trình phát xạ tự phát xảy ra khi điện tử ở vùng dẫn tái hợp lỗ trống vùng hóa trị sau khoảng thời gian sống nhất định tại đó phát ra photon có bước sóng, pha, hướng lan truyền khác nhau, ngẫu nhiên Quá trình thứ ba là phát xạ cưỡng bức Sự tái hợp cặp điện tử - lỗ trống có sự kích thích một photon, tạo ra một photon thứ hai có cùng hướng và pha với photon thứ nhất Với khuếch đại quang quá

6

trình này có thể sử dụng, do các photon phát ra và photon kích thích giống nhau về tần

số, pha, phân cực, hướng, sự phát xạ có tính kết hợp là kết quả của quá trình này Laser bán dẫn hoạt động khi EFc – EFv >  > Eg với EFc và EFv là các mức năng lượng mức năng lượng Fermi tương ứng cho hạt ở vùng dẫn và vùng hóa trị [3] Trong trạng thái này, gọi là trạng thái đảo, tốc độ phát xạ kích thích lớn hơn tốc độ hấp thụ Hoạt động laser yêu cầu một quá trình được gọi là bơm tạo thành một sự phân bố hạt tải giả cân bằng trong vật liệu bán dẫn Mặc dù quá trình bơm cũng có thể được cung cấp bằng sự kích thích quang của các cặp điện tử lỗ trống, một ưu điểm chính của laser bán dẫn so với các loại laser khác là chúng có thể dễ dàng bơm bởi dòng điện khi diode bán dẫn được phân cực thuận (hình 1.3) Vì lý do này, laser bán dẫn được bơm bằng điện cũng được gọi là laser diode

Hình 1.3: Cấu trúc laser khi phân cực thuận với chuyển tiếp p-n [1]

Laser bán dẫn sử dụng cấu trúc p-i-n dị thể kép phân cực thuận để đạt được sự đảo mật

độ Cấu trúc này gồm một lớp bán dẫn không pha tạp vùng cấm thẳng chiết suất cao được kẹp giữa các vật liệu pha tạp loại n – pha tạp loại p có chiết suất thấp hơn Trong laser bán dẫn để thu được mật độ photon cao, cấu trúc dẫn sóng quang được tạo ra để

7

giam giữ các photon trong miền tích cực của linh kiện, bộ dao động quang gồm một môi trường khuếch đại và một buồng cộng hưởng để tạo ra sự khuếch đại hồi tiếp

1.1.2 Thành phần cơ bản của laser bán dẫn

Laser bán dẫn gồm các thành phần cơ bản sau

 Môi trường khuếch đại tạo ra sự khuếch đại quang bởi phát xạ kích thích

 Cấu trúc dẫn sóng quang giam giữ các photon trong miền tích cực của linh kiện

 Buồng cộng hưởng tạo ra sự hồi tiếp quang, lọc lựa bước sóng phát xạ

 Sự giam giữ dòng bơm vào, các hạt tải và các photon theo chiều ngang cần thiết cho hoạt động đơn mode ngang (mode không gian) cơ bản

8

Hình 1.4: Sự giam giữ của các hạt tải điện và điện trường sử dụng cấu trúc dị thể kép theo trục thẳng đứng x của laser bán dẫn phát cạnh Sơ đồ vùng năng lượng E(x) với vùng dẫn và vùng hóa trị (trên), phân bố chiết suất n(x) của dẫn sóng điện môi (giữa),

sự phân bố điện trường (x) của mode quang cơ bản chạy dọc theo hướng z [1] Môi trường khuếch đại tạo ra khuếch đại quang bởi phát xạ kích thích gồm lớp tích cực

là bán dẫn vùng cấm thẳng không pha tạp đưa vào giữa lớp bán dẫn pha tạp loại p và loại n có độ rộng vùng cấm lớn hơn Khi lớp chuyển tiếp p-n-i phân cực thuận các điện

tử và lỗ trống vào miền tích cực lúc này phát xạ kích thích có thể xảy ra Với cấu trúc

dị thể kép giúp đảm bảo cho việc giam giữ các hạt tải được tốt hơn Cấu trúc dẫn sóng

n m L

eff

321 ,2

1.1.3 Khuếch đại quang và điều kiện ngưỡng

Sóng quang phẳng giảm theo hàm mũ khi đi qua một vật liệu hấp thụ theo hướng z,

đại vật liệu g có mối liên hệ được xác định bằng hệ số giam giữ  Hệ số giam giữ này phụ thuộc vào sự chồng phủ mode quang với vùng khuếch đại hay vùng tích cực của laser J(x) chính là cường độ quang của mode quang cơ bản trong laser cấu trúc dị thể với độ dày miềm tích cực d, Từ đó, ta có:

dx x J d d

2 2

Với lớp tích cực có độ dày từ 50-300nm trong cấu trúc dị thể, giá trị của hệ số giam giữ  là 10%-70% Nếu thu được hệ số giam giữ cỡ một vài phần trăm thì lớp tích cực gồm giếng lượng tử có độ dày trung bình 10nm Mode lan truyền dọc theo dẫn sóng quang thì hệ số hấp thụ cường độ quang  tách thành hai phần, phần thứ nhất diễn tả

Dẫn sóng quang được kết hợp với buồng cộng hưởng Fabry-Perot có hai gương phản xạ R1 và R2 trong linh kiện laser bán dẫn Một phần thoát ra ngoài buồng ở mặt gương là cường độ quang và tạo thành chùm laser ở đầu ra, cường độ J rtcủa mode quang là [2]:

R R J

Lase phát khi khuếch đại quang bù trừ được sự hấp thu nội và mất mát tại gương Với g

là hệ số khuếch đại nhỏ nhất mà tại đó linh kiện bắt đầu phát laser, nó được gọi là hệ

số khuếch đại ngưỡngg th Với trường hợp này thì cường độ J rt sau một chu kì trong buồng cộng hưởng lại có giá trị ban đầu J0

1

2 1

m irror i

i th

R R L

 là sự hấp thụ nội, mất mát ở gương m irror Chiều dài buồng cộng hưởng L và các hệ

số phản xạ gương R1 và R2 quyết định đến sự mất mát của gương

1.2 Các đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn

12

1.2.1 Đặc trưng công suất quang và thế phụ thuộc vào dòng bơm

a)Đặc trưng công suất bức xạ phụ thuộc dòng bơm (P –I)

Đặc trưng công suất quang của laser bán dẫn thể hiện sự phụ thuộc vào dòng bơm công suất quang ra Qua đường đặc trưng này ta có thể xác định được thông số và tính chất quan trọng của laser, module laser đó là thông số về điện trở nối tiếp của laser, thông số về hiệu suất độ dốc hay hiệu suất ghép nối từ đó, làm sáng tỏ một số vấn đề

về công nghệ chế tạo

Khi dòng điện có trị số nhỏ kích thích cho laser bán dẫn, thì laser sẽ hoạt động ở chế

độ phát xạ tự phát Vì vây, công suất quang rất thấp Nếu kích thích với dòng điện lớn, laser bán dẫn sẽ phát xạ ở chế độ kích thích, đồng thởi công suất phát quang sẽ tăng nhanh theo dòng kích thích

b)Sự phụ thuộc của đặc trưng (P –I) vào nhiệt độ

Đặc trưng công suất quang của laser bán dẫn phụ thuộc vào dòng bơm tại các giá trị nhiệt độ khác nhau ( Hình 1.6)

Hình 1.6:Đặc trưng công suất quang phụ thuộc dòng bơm của laser bán dẫn [5]

Dòng điện mA

slope P

I

 (1.12)

Với ∆P là độ chênh lệch công suất quang khi thay đổi dòng bơm lượng ∆I

-Nhược điểm của laser bán dẫn chính là phụ thuộc vào nhiệt độ Nó hạn chế hoạt động của laser trong các thiết bị Vì thế chúng ta cần phải ổn định được nhiệt độ hoạt động của laser và module laser bán dẫn

c) Đặc trưng dòng thế ( I –V)

Đặc trưng I-V là đường thể hiện mối quan hệ dòng điện chạy qua laser bán dẫn và điện thế đặt trên chuyển tiếp Hình 1.7 cho ta thấy tại dòng kích rất nhỏ, điện thế tăng rất nhanh khi đạt đến mức điện thế phân cực thuận đặt trên chuyển tiếp Lúc này, tốc

độ tăng của thế so với dòng giảm đi Từ đó, chứng tỏ điện trở của laser là phi tuyến, nó phụ thuộc vào dòng bơm Khi điện áp chưa phân cực thì điện trở laser rất lớn Khi đạt trạng thái điện áp phân cực thuận thì điện trở laser bán dẫn giảm xuống rất nhỏ

14

Hình 1.7: Đặc trưng I-V của một laser[1]

Hình 1.7 biểu diễn đặc trưng I-V của một laser bán dẫn Khi dòng tăng qua laser, thế trên chuyển tiếp nhanh chóng tăng và đạt đến một giá trị ngưỡng Vf, bên trên giá trị ngưỡng thế trên chuyển tiếp của laser tăng rất chậm Quá trình tăng này nhỏ theo dòng gây ra bởi điện trở nối tiếp của laser Điện trở nối tiếp theo dòng của laser tính theo công thức [2]:

d) Hiệu suất biến đổi điện quang

- Hiệu suất biến đổi điện quang ηc là đặc trưng 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 Hiệu suất biến đổi điện quang phụ thuộc nhiều yếu tố điển hình là công suất và chiều dài buồng cộng hưởng

- 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 [2] :

ηc (I) = Popt/Pelec (1.14)

15

Tại đó, Popt là công suất quang đầu ra của laser, có giá trị được hiển thị cụ thể trên thiết

bị thu; Pelec = IxV là công suất điện cung cấp cho laser, nó tính qua đặc trưng dòng thế I-V

Hình 1.8: Đường không liền nét là hiệu suất biến đổi điện quang phụ thuộc dòng bơm

laser bán dẫn phát xạ vùng 940nm [1]

Hình 1.8 là hiệu suất biến đổi phụ thuộc dòng bơm của một laser bán dẫn phát xạ vùng 940nm Tại đó, hiệu suất biến đổi cực đại ηc(max)= 65% ứng với giá trị dòng I = 100A

1.2.2 Phổ quang của laser bán dẫn

1.2.2.1 Phổ quang phụ thuộc dòng bơm

Hình 1.9 phổ quang của một laser bán dẫn buồng cộng hưởng Fabry-Perot dẫn sóng gò với các giá trị trên, dưới ngưỡng phát laser Tại dòng có giá trị khác nhau, phổ quang sẽ

16

Hình 1.9: Giản đồ hiển thị phổ quang của một laser bán dẫn tại các giá trị dưới

ngưỡng (a), gần ngưỡng (b,c) và trên ngưỡng phát laser(d)[5]

- Dưới giá trị dòng ngưỡng I << Ith (hình 1.9a): vùng phát laser bức xạ huỳnh quang

- Gần giá trị dòng ngưỡng I ~ Ith (hình 1.9b và 1.9c): vùng phát laser siêu huỳnh quang là vùng cạnh tranh giữa bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức

- Trên giá trị dòng ngưỡng I >> Ith (hình 1.9d): vùng phát laser có đầu ra công suất quang tăng tuyến tính với dòng cung cấp

Khi dòng bơm thay đổi, lúc này đỉnh phổ của laser bán dẫn có sự dịch chuyển Khi tăng giá trị dòng bơm đỉnh phổ sẽ dịch chuyển về phía bước sóng dài và ngược lại nếu giá trị dòng bơm giảm đỉnh phổ sẽ dịch chuyển về phía bước sóng ngắn Hình 1.10

Bước sóng nm

17

Hình 1.10: Phổ quang phụ thuộc dòng bơm của laser bán dẫn vùng 940nm

đo tại nhiệt độ 25 o C[5]

1.2.2.2 Phổ quang phụ thuộc nhiệt độ

Laser hoạt động trên ngưỡng, thì chỉ có những mode sóng dọc gần với đỉnh khuếch đại

sẽ được khuếch đại Laser bán dẫn có bước sóng phát xạ thay đổi theo nhiệt độ, độ rộng vùng cấm của lớp vật liệu tích cực giảm nên khi nhiệt độ tăng bước sóng phát dịch về phía hồng ngoại Hệ số chiết suất tăng tỉ lệ với nhiệt độ nên ở mode dọc m bước sóng sẽ tăng tương ứng Do chiều dài của buồng cộng hưởng tăng với nhiệt độ vì

sự dãn nở của vật liệu dẫn đến bước sóng phát xạ cao hơn Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của phổ quang được mô tả cụ thể trên hình 1.11 đối với một laser bán dẫn tại giá trị

18

Hình1.11: Phổ quang phụ thuộc nhiệt độ của laser bán dẫn tại dòng bơm 200mA

1.3 Các cơ chế giảm độ phẩm chất của laser bán dẫn

Trong quá trình làm việc, có một số thông số ảnh hưởng tới sự ổn định của laser bán dẫn Thông thường, theo thời gian công suất quang bức xạ của laser giảm nếu giữ nguyên dòng bơm hoặc ta phải tăng dòng bơm nếu muốn công suất quang ra không thay đổi Nói chung những thay đổi này là do việc giảm số lượng hạt tải được bơm vào

và mất mát nội tăng Những nguyên nhân này ảnh hưởng trực tiếp tới đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm của laser vì dòng ngưỡng bị tăng lên, giảm hiệu suất độ dốc

và hiệu suất biến đổi quang điện

Chúng tôi phân loại các cơ chế làm giảm độ phẩm chất của laser ban dẫn như sau:

1.3.1 Suy giảm theo vị trí

Sự suy giảm bên ngoài chỉ xảy ra bên ngoài tinh thể laser, sự suy giảm bên trong chỉ xảy ra bên trong tinh thể laser Loại thứ nhất là sự suy giảm của gương, điện cực tiếp xúc và mối hàn Loại thứ hai là sự suy giảm của miền tích cực bao gồm chuyển tiếp p-

19

Sự suy giảm phẩm chất của gương là mặt gương bị oxy hóa và hiện tượng phá hủy mặt gương xảy ra đột ngột (CMOD) Sự ổn định lâu dài và thời gian sống của laser bị ảnh hưởng Độ dày của lớp oxit tỷ lệ với căn bậc hai thời gian hoạt động của lase, và phụ thuộc vào công suất đầu ra, mật độ công suất, độ ẩm, thành phần của miền tích cực CMOD được kích hoạt bởi sự hấp thụ ánh sáng quang học của laser được phát ra ở

bề mặt khi tăng dòng bơm Do nồng độ các bẫy trên bề mặt nhỏ Sự tái kết hợp không phân cực cùng với dòng bơm trên bề mặt lớn Điều này làm giảm năng lượng bandgap tại bề mặt dẫn đến sự hấp thụ ánh sáng tăng lên Do đó, làm tăng nhiệt trong một khu vực không có điện tích với một tỷ lệ hấp thụ phát xạ kích thích dẫn đến sự thoát nhiệt

Vì vây, cần tăng nhiệt độ ở bề mặt

Sự suy giảm lớp tiếp xúc là do sự khuếch tán của điện cực kim loại và hợp kim giữa điện cực kim loại và chất bán dẫn trong quá trình laser hoạt động tại dòng bơm cao do hiện tượng “Joule heating” xảy ra tại vùng tiếp xúc Hiện tượng suy giảm này xảy ra bên ngoài miềm tích cực, tuy nhiên với dòng bơm cao và lượng nhiệt lớn sự suy giảm của lớp hợp kim có xu hướng tấn công về phía vùng tích cực

Sự suy giảm phẩm chất của mối hàn: Tại bề mặt giữa kim loại và mối hàn các hiệu ứng như khuếch tán kim loại, hình thành các hợp chất kim loại và giảm khả năng chịu nhiệt có thể xảy ra Những ảnh hưởng này phụ thuộc vào vật liệu làm điện cực và mối hàn Chúng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của laser vì những thay đổi đặc tính điện và nhiệt

Sự suy giảm bên trong

Phần lớn hiện tượng suy giảm bên trong xảy ra ở vùng tích cực Cấu trúc và quá trình chế tạo laser dị thể vùi dẫn đến những cơ chế suy giảm mới Sự suy giảm phẩm chất của laser dị thể vùi do sự gia tăng các khuyết tật tại mặt phân cách dưới dòng bơm Mật

độ khuyết tật tăng dẫn đến sự gia tăng tái hợp không bức xạ, tuổi thọ giảm và làm tăng dòng ngưỡng Có thể làm giảm cơ chế này bằng cách chế tạo bề mặt cấu trúc dị thể vùi không có lỗi [3]

20

1.3.2 Các chế độ già hóa cơ bản

Các cơ chế suy giảm cơ bản ( Hình 1.12)

Hình 1.12 chế độ suy giảm của laser bán dẫn [3]

Có 3 quá trình suy giảm xảy ra đối với laser bán dẫn, mỗi quá trình ứng với một số nguyên nhân chủ yếu sau:

a) Suy giảm nhanh: Quá trình xảy ra trong vùng tích cực làm giảm hiệu suất lượng

tử ngoài và công suất quang đầu ra, dòng ngưỡng tăng Thời gian sống nhỏ hơn 100h Nguyên nhân chính do sự hình thành và phát sinh sai hỏng mạng, đôi khi

là những sai hỏng như dư thừa các nguyên tử chủ (chẳng hạn như thừa In và P trong các laser dựa trên InP) Ngoài ra xảy ra quá trình biến dạng nhiệt trong quá trình epitaxy và chế tạo laser (hàn, cắt…)

b) Suy giảm chậm: Quá trình suy giảm chậm của công suất quang ra, dòng ngưỡng

tăng chậm theo thời gian hoạt động Chế độ suy giảm chậm giúp xác định tuổi thọ tối đa, đối với laser bán dẫn công suất cao hiện nay hoạt động ở điều kiện lý thuyết có thể đạt được hơn 30 năm Nguyên nhân gây ra suy giảm chậm thường

do sai lệch hằng số mạng giữa các lớp trong quá trình epitaxy.Các bề mặt tinh

21

thể sau khi tách chẻ bị oxy hóa do không được bảo vệ khỏi tác động của môi trường và ánh sáng bức xạ Từ đây, hình thành các khuyết tật ở bề mặt giữa màng oxit và chất bán dẫn Các khuyết tật này hoạt động như các tâm tái hợp không bức xạ đóng góp vào quá trình suy giảm chậm

c) Suy giảm đột ngột: Tổn thất quang học diễn ra một cách đột ngột trong quá trình

hoạt động do mật độ năng lượng quang cao Trường hợp này ngoài hiện tượng chính COMD thì còn do các sai hỏng trong các khối của buồng cộng hưởng Đối với laser hoạt động dưới ngưỡng phá hủy gương quang, quá trình già hóa này được đẩy nhanh cả do nhiệt độ và dòng hoạt động

1.4 Laser bán dẫn ứng dụng trong y tế

Laser bán dẫn ngày càng trở nên phổ biến trong các ứng dụng y tế vì các đặc điểm ưu việt của nó như: tính gọn nhỏ, độ tin cậy và thời gian sống cao, dễ dàng trong việc điều chỉnh công suất phát, hiệu suất hơn hẳn so với các loại laser khác, dễ dàng chọn được mọi bước sóng trong vùng từ ánh sáng đỏ 630 nm cho tới vùng hồng ngoại 1800 nm Các laser bán dẫn công suất thấp được sử dụng phổ biến trong trị liệu như châm cứu, hồi phục vết thương diện nhỏ Phạm vi ứng dụng điểu trị của laser rất phong phú Chỉ riêng ứng dụng laser công suất thấp đã có nhiều chỉ định có hiệu quả cao, trong đó chống viêm nhiễm trùng liền vết thương là một trong những chỉ định phổ biến đạt hiệu quả cao

Đối với các laser bán dẫn công suất thấp phát xạ ở vùng sáng đỏ- vùng hồng ngoại từ 635 nm 780 nm có thể thấy được các ứng dụng y tế nổi bật của chúng như sau:

 Điều trị ung thư bằng phương pháp trị liệu quang động (photodynamic therapy) trên cơ sở kết hợp với các hoạt chất sinh học tổng hợp nhạy quang (Photosensitizer)

 Ứng dụng các laser nội mạch dùng thông tắc các mạch máu và các trị liệu liên quan đến hệ thần kinh

Tác dụng trị liệu (therapy) của chùm tia laser:

Laser trị liệu “ hay quang sinh học "( photobiomodulation) , là việc sử dụng các bước sóng laser cụ thể (đỏ và hồng ngoại gần ) để tạo ra hiệu ứng điều trị Những hiệu ứng này bao gồm cải thiện thời gian chữa bệnh, giảm đau, tăng cường lưu thông, tăng

và giảm sưng tấy Điều trị bằng laser đã được sử dụng rộng rãi ở châu Âu trong vật lý trị liệu từ những năm 1970 Sau khi FDA (Food and Drug Administration) phê chuẩn vào năm 2002, laser trị liệu đã được sử dụng rộng rãi tại Hoa Kỳ Mức trị liệu laser thấp hay còn gọi là trị liệu laser lạnh gây nên các hiệu ứng trên các vết thương hay vết bỏng như sau: làm tăng sự sinh sôi và tái tạo mô, làm tăng sự lưu thông bạch huyết, tăng cường sự tái tạo và chức năng thần kinh, tăng cường sự chuyển hóa tế bào, tăng cường lưu thông máu và giảm mức độ đau đớn Các bước sóng bức xạ khác nhau có tác dụng điều trị khác nhau Ánh sáng vùng đỏ 630 - 670 nm có tác dụng điều trị vết thương, viêm nhiễm, vết bỏng khi kết hợp với thuốc điều trị Ánh sáng hồng ngoại có thể chia thành các vùng hồng ngoại gần (= 760 - 15000 nm) và hồng ngoại xa ( = 15

000 - 30 000 nm) Các tác dụng của tia hồng ngoại bao gồm sự kích thích sinh học như tăng nhiệt cục bộ, liên kết các ligan trên bề mặt tế bào, chuyển hoá sinh học của tế bào (tinh thể hoá cấu trúc bộ khung tế bào làm kích thích sự phân chia tế bào, tổng hợp ATP) Ngoài ra, tia hồng ngoại còn có tác dụng làm giãn mạch vùng hấp thụ tia giúp tăng tuần hoàn máu cục bộ, gia tăng thân nhiệt tổng quát, tác dụng lên các nhánh thần kinh dưới da, giảm viêm, đau cơ, khớp,…

23

Trong mỗi lần điều trị laser, điều quan trọng là năng lượng laser làm tăng lưu thông máu, nước, oxy và chất dinh dưỡng đến khu vực bị hư hỏng Điều này tạo ra một môi trường chữa trị tối ưu làm giảm viêm, sưng , co thắt cơ, cứng khớp và đau đớn Như vậy, vùng bị thương trở lại bình thường, chức năng được khôi phục và cơn đau được giảm

24

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Cấu tạo laser bán dẫn vùng bước sóng 650nm và 780nm

Trong laser bán dẫn thông thường, đặc tính của laser phụ thuộc vào tính chất của vật liệu sử dụng trong việc thiết kế và chế tạo laser Để xem xét lựa chọn vật liệu thích hợp dựa vào thông số vật liệu đó là: bề rộng năng lượng vùng cấm,(quyết định bước sóng của laser) và , hằng số mạng (quyết định việc tạo nên một bề mặt không có khuyết tật giữa hai chất bán dẫn có năng lượng vùng cầm khác nhau) Hằng số mạng của các lớp khác nhau theo chiểu dọc không được sai khác quá 0,1%

2.1.1 Cấu tạo laser bán dẫn vùng bước sóng 650nm

Với laser bán dẫn bước sóng vùng ánh sáng đỏ từ 600 nm đến 700 nm vật liệu sử dụng tốt nhất là AlGaInP Đối với Gax In1-x P có vùng cấm thẳng với giá trị của x có thể lên đến 0.7 và vùng cấm xiên tại các giá trị cao hơn Tại x = 0.51 vật liệu có hằng

số mạng phù hợp với chất nền GaAs Khi Ga được thay thế bằng Al thì hằng số mạng không có bất kỳ sự thay đổi nào vì các ion có kích thước tương đương nhau Vì vây, tỉ

lệ In được giữ ở 0.49, Ga có thể được thay thế một phần Al để tạo ra các khe năng lượng khác nhau trong khi hằng số mạng không thay đổi [5]

Nghiên cứu trong phạm vi khuôn khổ để tài là laser bán dẫn vùng 650nm, có lớp tích

cực GaInP tích hợp, lớp dẫn sóng AlGaInP trên đế GaAs Hiện thực hóa các cấu trúc laser phù hợp với xuất phát ban đầu là sự khác nhau rất ít giữa độ rộng vùng năng lượng của vật liệu chế tạo giếng lượng tử thường là GaInP, vật liệu AlGaInP chế tạo các lớp dẫn sóng có độ rộng năng lượng Vì vậy, chiều cao hàng rào là khá thấp với các hạt tải nằm trong miền tích cực Các lớp vỏ, lớp dẫn sóng, các thành phần vật liệu có

độ rộng vùng năng lượng vùng lớn hơn 1.8 eV ứng với bước sóng 650nm Sử dụng cho cấu trúc dẫn sóng là vật liệu (Al x Ga1x)0.5In0.5P) trong đó với thành phần Al cao hơn được sử dụng cho các lớp vỏ, đối với nhiều trường hợp là AlInP Hình 2.1 mô tả cấu trúc vùng bước sóng 650 nm

25

Hình 2.1 : Cấu trúc các lớp của laser bán dẫn vùng sóng 650 nm [1]

Trong các laser bán dẫn công suất thấp hai gương laser được tạo ra ở hai đầu của buồng cộng hưởng được phủ các lớp màng phản xạ để kết hợp cả hệ số phản xạ cao và

hệ số phản xạ thấp với mục đích nâng cao chất lượng buồng cộng hưởng

2.1.2 Cấu tạo laser bán dẫn vùng 780nm

Vật liệu AlGaAs /GaAs cho các laser bán dẫn bước sóng vùng từ 700 nm đến 900 nm

AlxGa1-xAs được phát triên trên nền GaAs sai khác hằng số mạng nhỏ hơn 0.1% Do

đó, trong hợp chất này thì giá trị của x có thể được thay với bất kỳ giá trị nào mà không

có khuyết tật Tuy nhiên, chỉ trường hợp x < 0.45, vùng cấm thẳng, còn x > 0.45, bán dẫn có vùng cấm xiên Khe năng lượng trong trường hợp này Eg(x < 0.45) = (1.424 +

cấu trúc giếng lượng tử kẹp giữa các lớp dẫn sóng và lớp đệm AlGaAs với thành phần thay đổi (như trong hình 2.2) Toàn bộ cấu trúc được phát triển trên đế GaAs

26

2.2 Quy trình chế tạo modul laser

2.2.1 Linh kiện cho chế tạo modul

a Laser

Trong luận văn này chúng tôi sử dụng laser loại TO5 có bước sóng vòng 650 nm và

780 nm Với nhiệt độ làm việc từ 50C đến 400C, thời gian sống khoảng 10000 h ( hình 2.3)

Hình 2.3 laser bán dẫn loại TO5

27

b Sợi quang

Dây nhảy quang đa mode có đường kính vỏ 3mm có tác dụng bảo vệ tránh những va chạm bên ngoài, lớp gia cường vật liệu thường được dùng là sợi tơ Aramit (Kevlar), lớp phủ 0.9mm có tác dụng tránh trầy xước, gập gãy sợi quang, lớp bọc 125 μm có chiết suất nhỏ hơn lớp lõi tác dụng phản xạ các tia sáng hướng về lõi, lõi 62.5μm ( hình 2.4)

Hình 2.4 Cấu trúc sợi quang c.Đế tản nhiệt ( hình 2.5)

Hình 2.5 Linh kiện cơ khí

28

Hình 2.6 Bản vẽ chi tiết đế tản nhiệt dùng làm modul

Hình 2.6 là bản thiết kế chi tiết của chúng tôi về đế tản nhiệt dùng tạo modul laser bán dẫn Đế tản nhiệt có dạng hình chữ nhật được bo tròn ở hai đầu có chiều dài 23 mm Rành là hình tròn hai đầu có đường kính 1.6 mm có tác dụng định vị Rãnh tròn ở giữa lần lượt có đường kính là 0.5 mm, 1.8 mm, 2.9 mm để định vị chịp laser Vật liệu làm

là đồng hợp kim( hình 2.3) để đảm bảo tính dẫn nhiệt, điện tốt

d Đĩa định vị sợi quang ( hình 2.5)

Hình 2.7 Bản vẽ chi tiết đĩa định vị sợi quang