Laser bán dẫn buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình littrow

Trước tiên chúngtôi trình bày sự tương tác của ánh sáng với một hệ nguyên tử hai mức nănglượng và các yêu cầu cho sự phát laser trong laser bán dẫn.. Chương ICƠ SỞ VẬT LÝ CỦA CÁC LASER B

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

- -ĐẶNG ĐÌNH HỢP

LASER BÁN DẪN BUỒNG CỘNG HƯỞNG MỞ RỘNG

CẤU HÌNH LITTROW

Chuyªn ngµnh: Quang häc M· sè: 62.44.11.01

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

VINH - 2010

LỜI CẢM ƠN

Tôi đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn đến thầy giáo TS Nguyễn Huy Bằng , thầy đã giúp tôi định hướng đề tài, chỉ dẫn tận tình, chu đảo và dành nhiều công sức cũng như sự ưu ái cho tôi trong quá trình làm luận văn.

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các thầy giáo: PGS.TS.Nguyễn Hoa Lư, TS Võ Thanh Cương, PGS.TS Đinh Xuân Khoa, PGS.TS Nguyễn Đình Huân, PGS.TS.Nguyễn Huy Công, TS Đinh Phan Khôi đã góp ý chỉ dẫn cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơnBan chủ nhiệm Khoa sau đại học, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý, Trường Đại học Vinh, Sở Giáo dục và Đào tạo Nghệ An, Ban Giảm Hiệu trường THPT Anh Sơn1 đã tạo điều kiện cho phép tôi được tham gia học tập.

Tôi xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và tất cả học viên Cao học khoá 16 đã động viên và giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và hoàn thành luận văn.

Vinh tháng 12 năm 2010

Tác giả

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn 1

Mục lục 2

Mở đầu 4

Chương I Cơ sở lí thuyết của laser bán dẫn 7

1.1 Nguyên lý hoạt động của laser bán dẫn 7

1.1.1 Sự hấp thụ, sự phát xạ tự phát, sự phát xạ cảm ứng 7

1.1.2 Các yêu càu cho sự phát laser của các laser diode bán dẫn 8 1.2 Các loại cấu trúc của laser bán dẫn 12

1.2.1 Cấu trúc dị thể đơn 12

1.2.2 Cấu trúc dị thể kép 13

1.2.3 Cấu trúc giếng lượng tử 15

1.2.4 Cấu trúc điểm lượng tử 17

1.3 Các đặc trưng của laser bán dẫn 19

1.3.1 Điều kiện ngưỡng 19

1.3.2 Công suất phát 22

1.3.3 Độ phân kỳ 25

1.3.4 Đặc trưng phổ 26

Kết luận chương I 28

Chương II Câu trúc của laser bán dẫn buồng cộng hưởng mở rộng loại Littrow 28 2.1 Bộ phận quang học 28

2.1.1 Lớp phủ quang học trên bề mặt laser 28

2.1.2 Bộ chuẩn trực 29

2.1.3 Bộ mở rộng chùm tia . 30

2.2 Bộ phận điện 30

2.2.1 Thanh tản nhiệt Peltier 30

2.2.2.Sensor nhiệt 31

2.2.3 Điều khiển nhiệt độ và dòng điện 31

2.2.4 Phần tử điện giảo 31

2.3 Lựa chọn mode bằng cách tử 32

2.3.1 Đặc trưng của cách tử 32

2.3.2 Sự lựa chọn mode 34

Kết luận chương II 36

Chương III Tối ưu công suất phát của laser bán dẫn buồng cộng hưởng mở rộng loại Littrow 37 3.1 Sự phản hồi quang học trong BCH mở rộng 37

3.1.1 Các tác dụng chung của sự hồi tiếp quang ngoài lên diode

laser 37

3.1.1.1 Mô hình buồng cộng hưởng ba gương 38

3.1.1.2 Các mode của buồng cộng hưởng ngoài 39

3.2 Các tính chất động học của laser bán dẫn 42

3.2.1 Công suất phát 45

3.2.2 Điều hưởng đơn mode 47

3.2.3 Độ rộng vạch phổ 48

3.2.4 Sự phụ thuộc bước sóng vào nhiệt độ 50

3.3 Tối ưu công suất phát cho laser diode BCH mở rộng 51 3.3.1 Dòng ngưỡng 58

3.3.2 Tối ưu công suất phát 59

Kết luận chương III 65

Hướng mở rộng đề tài 66

Kết luận chung 67

Tài liệu tham khảo 68

MỞ ĐẦU

Laser là một trong những phát minh khoa học quan trọng nhất trong thể kỷ XX Sự phát minh ra lý thuyết bức xạ cưỡng bức bởi Einstein năm 1917 và được quan sát bằng thực nghiệm bởi Fabricant ( người Nga) năm 1940 đã làm cơ sở để Townes ( người Mỹ) phát minh ra máy khuếch đại sóng điện từ bằng bức xạ kích thích (MASER) Tháng 2- 1960, Maiman đã chể tạo ra LASER rubi (laser đầu tiên trên thể giới).Tháng 6-1960, Javan đã chế tạo ra laser khi He– Ne Từ đó, vật lý laser đã phát triển như một lĩnh vực khoa học thú vị trong hệ thống khoa học vật lý Laser là một công cụ mạnh của vật lý quang phổ để nghiên cứu và khám phá các hiện tượng mới Với tính chất kết hợp, tính đơn sắc và tính định hướng cao, mật độ công suất lớn của chùm laser Nó đã đáp ứng được các yêu cầu của những thí nghiệm đòi hỏi năng lượng và công suất lớn

Ngày nay việc nghiên cứu và ứng dụng laser là một lĩnh vực không thể thiếu trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và công nghệ tiên tiến trên thế

giới Các thành tựu nổi bật của laser đang được ứng dụng rộng rãi trong cácngành công nghiệp, nông nghiệp, quốc phòng, xây dựng, y học, phổ học… vàđặc biệt là trong thông tin quang

Như chúng ta đã biết, trong thông tin quang yêu cầu về tốc độ truyềndẫn đòi hỏi sự điều biến một chiều trong miền GHz của sóng mang khi sửdụng laser với môi trường hoạt là chất màu tán sắc, cường độ bức xạ phát ra

sẽ tăng lên nhưng các mode lân cận hạn chế tốc độ truyền dẫn do tán sắc vậtliệu trong sợi quang Vì vậy ngay từ thập kỷ 70 của thế kỷ XX, việc nghiêncứu chế tạo các nguồn phát quang với các bức xạ đơn mode dọc có tốc độđiều biến cao đã đặt ra

Trong số các ứng dụng yêu cầu laser có độ rộng phổ bé (độ đơn sắccao) tốc độ điều biến nhanh, kích thước bé và có hiệu suất phát cao thì laserbán dẫn chiếm ưu thế hơn cả Ngoài ra, với sự phát triển của công nghệ bándẫn thì hiện nay có thế chế tạo được các laser giá thành của laser bán dẫn thấphơn nhiều so với các loại laser khác

Tuy nhiên, với các laser bán dẫn thông thường (sử buồng cộng hưởngFabry-Perot) thì có nhiều mode dọc được phát ra đồng thời nên chưa thể đápứng được các tiêu chí nêu trên Một trong các giải pháp mang lại hiệu quảkinh tế cao là đưa thêm buồng cộng ngoài để tạo chế độ phản hồi lọc lựamode cần sử dụng Hiện nay, lý thuyết mô tả quá trình vật lý của các hệ lasernày đang được quan tâm nghiên cứu và phát triển Mặt khác laser bán dẫnbuồng cộng hưởng mở rộng hiện nay ở việt nam rất ít phòng thí nghiệm củacác viện nghiên cứu được trang bị, tuy nhiên ở phòng thí nghiệm Quang -Quang phổ của Đại Học Vinh đã được trang bị nhưng chưa có lí thuyết mô tảcác quá trình vật lí để vận hành chúng Vì vậy, chúng tôi chọn “Laser bán dẫn buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình Littrow” làm đề tài nghiên cứu

luận văn tốt nghiệp của mình Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn đượcchia làm ba chương như sau.

Chương I Cơ sở vật lý của các laser bán dẫn

Trong chương này, chúng tôi sẽ giới thiệu một số nội dung cơ bán cầnthiết để tìm hiểu sự hoạt động của các laser diode bán dẫn Trước tiên chúngtôi trình bày sự tương tác của ánh sáng với một hệ nguyên tử hai mức nănglượng và các yêu cầu cho sự phát laser trong laser bán dẫn Sau đó chúng tôi

mô tả các mức năng lượng và dải năng lượng trong những cấu trúc laser bándẫn khác nhau Cuối cùng, các đặc trưng cơ bán của laser diode bán dẫn đượctóm tắt một cách ngắn ngọn

Chương II Cấu trúc của laser bán dẫn buồng cộng hưởng mở rộng loại Littrow

Trong chương này, chúng tôi bắt đầu phân tích một số cơ sở quanghọc và điện tử học căn bản nhưng cần thiết cho các laser bán dần buồng cộnghuwowngrmowr rộng cấu hình Littrow( ECDL) Sau đó, chúng tôi đánh giácác bộ lọc chọn lọc mốt dùng làm các thành phần khuếch tán trong các hệECDL

Chương III Tối ưu công suất phát của laser bán dẫn buồng cộng huởng mở rộng cấu hình Littrow

Trong chương này, chúng tôi khảo sát hệ thống laser diode buồngcộng hưởng mở rộng Sự hồi tiếp quang bên ngoài tác dụng lên laser diodeđược xem xét với một mô hình buồng cộng hưởng laser ba gương ở trạng tháidừng và trạng thái động với những cường độ hồi tiếp khác nhau Các đặctrưng phổ của (ECDL) được biểu diễn theo công suất phát, khả năng điềuchỉnh mode đơn, bề rộng vạch phổ và sự phụ thuộc bước sóng của nhiệt độ.Cuối cùng, chúng tôi tìm hiểu các cách điều chính sự hoạt động đơn mode và

cơ cấu cho sự nén mode ở những hệ diode laser buồng cộng hưởng ngoài

Chương I

CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA CÁC LASER BÁN DẪN

1.1 Nguyên lý hoạt động của laser bán dẫn

1.1.1 Sự hấp thụ, sự phát xạ tự phát, sự phát xạ cảm ứng

Giả sử một nguyên tử ban đầu cư trú ở trạng thái cơ bản có năng

lượng E i và được kích thích bởi ánh sáng có tần số v trùng với tần số dịch chuyển vo giữa hai mức năng lượng Dưới tác dụng của ánh kích thích, hệ

nguyên tử thực hiện ba quá trình dịch chuyển hấp thụ, phát xạ tự phát và phát

xạ cảm ứng như trên hình 1.1.

Hình 1.1 Các quá trình: hấp thụ (a, sự phát xạ tự phát (b) và phát xạ

cưỡng bức (c).

Khi nguyên tử hấp thụ phô tôn (hình 1.1a) thì nó nhảy lên trạng

thái kích thích E f và tồn tại ở trạng thái này trong một khoảng thời gian nào đósau đó nguyên tử tự động nhảy xuống trạng thái dưới đồng thời phát xạ phô

tôn có năng lượng bằng hv (hình 1.1b) Song song với quá trình phát xạ tự

phát, dưới tác động của trường ngoài hệ có thể bị “cưỡng bức” phát xạ phô

tôn để nhảy xuống trạng thái dưới E i Trong phát xạ tự phát thì phô tôn đượcphát ra một cách ngẫu nhiên, đẳng hướng và không có liên hệ gì với phô tônkích thích nhưng trong phát xạ cưỡng bức thì phô tôn phát xạ là có đặc tínhgiống hệt (năng lượng, phân cực, hướng phát xạ) với phô tôn kích thích Điềunày có nghĩa là phô tôn phát xạ cảm ứng và phô tôn kích thích có độ kết hợpcao

1.1.2 Các yêu cầu cho sự phát laser của các laser diode bán dẫn

Để phát laser, người ta phải làm cho các nguyên tử hay phân tử hoạt độngtrong điều kiện phát xạ cảm ứng Hai điều kiện phải được thỏa mãn để sự phát

xạ cảm ứng xảy ra: Thứ nhất, phải có nhiều nguyên tử ở trạng thái kích thíchcao hơn so với số nguyên tử ở mức năng lượng thấp hơn, tức là phải có sự đảolộn mật độ cư trú (điều kiện cần cho sự phát laser) Mặt khác, ánh sáng phát

xạ cảm ứng được hấp thụ trở lại bởi các nguyên tử cư trú ở những trạng tháinăng lượng thấp hơn Nhưng thường thì nguyên tử cư trú ở các mức nănglượng thấp nhiều hơn ở các mức năng lượng cao vì sự cư trú tuân theo địnhluật phân bố nhiệt Bolztman Do đó, sự bơm từ bên ngoài đưa các nguyên tửlên các trạng thái cao hơn là cần thiết để đạt được sự đảo lộn cư trú

Điều kiện quan trọng thứ hai là phải có sự phát xạ cảm ứng nhiều hơn

sự phát xạ tự phát trong một môi trương hoạt tính (điều kiện đủ cho sự phát

laser) Do đó, một buồng cộng hưởng quang phải được sử dụng để hồi tiếpánh sáng kết hợp mới sinh ra trở lại môi trường Hai thành phần quan trọngnhất trong một laser, đó là môi trường hoạt tính phát laser và buồng cộnghưởng quang

Trong tinh thể bán dẫn thì những mức năng lượng nguyên tử rời rạc bịnhòa đi thành những dải năng lượng của chất rắn, chúng khác đáng kể so vớicác mức năng lượng rời rạc như thể hiện trên hình 1.2

Dải hóa trị của bán dẫn được hình thành bởi sự phân tách bội của mức

năng lượng nguyên tử bị chiếm giữ cao nhất của các nguyên tử thànhphần.Tương tự , mức năng lượng nguyên tử cao kế tiếp tách ra thành dải dẫn

Hình 1.2 Biểu đồ mức năng lượng trong nguyên tử và các chất rắn

Xét một số electron trong dải hóa trị bị kích thích lên dải dẫn quanguồn bơm thích hợp Dải hoá trị chứa đầy các electron khi dải dẫn trốngkhông, như trên hình 1.3(a)

Hình 1.3 (a) Năng lượng electron theo số sóng trong một chất bán dẫn nguyên khối, và các chuyển tiếp giữa các mức năng lượng trong dải dẫn và dải hóa trị (b) Xác suất chiếm giữ mức f c (E) và f v (E) đối với dải dẫn và dải hóa trị dưới sự cân bằng nhiệt bên trong mỗi dải Bề rộng hữu hạn của các mức năng lượng thể hiện độ bất định năng lượng hữu hạn do các quá trình hồi phục hạn chế thời gian sống của hạt mang.

Giữa những dải này là vùng cấm, sự chênh lệch năng lượng giữa đáycủa dải dẫn và đỉnh của dải hóa trị là năng lượng khe dải Eg có giá trị khácnhau đối với những chất liệu khác nhau Dải hóa trị được hoàn toàn được lấpđầy, nếu một số electron bị kích thích từ dải hóa trị lên dải dẫn bởi dòng phâncực thuận thì sau thời gian ngắn khoảng 1ps, các electron trong dải dẫn tựphát rơi xuống những mức thấp nhất không bị chiếm giữ trong cấu trúc dải

Ta gọi ranh giới phía trên của các mức năng lượng electron trong dải dẫn làmức Fermi (EF) Xác suất chiểm giữ của electron trong mức giả Fermi như thểhiện trên hình 1.3(b) là

mức năng lượng hóa trị chưa bị chiếm giữ để lại phía trên của dải hóa trị mộtphần trống không Ta gọi mức năng lượng ranh giới trên mới ấy của dải hóatrị là mức giả Fermi EFv Xác suất chiếm giữ của các lỗ trống trong mức giảFermi là:

Khi các electron trong dải dẫn chạy sang dải hóa trị, chúng sẽ kết hợp với các lỗ trống, đồng thời phát ra các photon, đây là bức xạ tái kết hợp Để làm cho bức xạ tải kết hợp này hoạt động tạo ra laser, một vài điều kiện phải được thỏa mãn, người ta có thể thấy những điều kiện tiên quyết này trong các chuyển tiếp dải sang dải

Hình 1.4 minh họa sự hấp thụ và phát xạ cảm ứng dải sang dải, tốc độ hấp thụcảm ứng được cho bởi

R12 = R f[ (1v  f c)] (1.3)

Hình 1.4 Sự hấp thụ và phát xạ cảm ứng trong chất bán dẫn

Lỗ trống Electron

Trong đó Rlà tốc độ chuyển tiếp của hai mức trong dải tương ứng Tốc độphát xạ cảm ứng được cho bởi

lỗ trống Biểu thức này xác định điều kiện cần thiết cho sự phát laser, độkhuếch đại là bằng không ở tần số tại đó EFc – EFv = h, ở những tần số cao,chất bán dẫn hấp thụ phô tôn

Giá trị của EFc và EFv bị ánh hướng bởi quá trình bơm, tức bởi mật độhạt mang electron(N) bị kích thích lên dải dẫn EFc tăng và EFv giảm khi Ntăng Các hạt mang được đưa vào chất bán dẫn để làm cho mật độ electron tự

do ở một giá trị ngưỡng Nth nào đó lớn hơn Ntr, khi đó chất bán dẫn có độkhuếch đại toàn phần Khi môi trường hoạt tính này được đặt trong buồngcộng hưởng thích hợp thì hoạt động laser xảy ra khi độ khuếch đại toàn phầnlớn hơn độ thất thoát Việc bơm laser bán dẫn có thể thực hiện bằng một

chùm laser khác, hoặc một chùm electron, nhưng cách thuận tiện nhất là ápdụng dòng điện xoay chiều chạy qua các lớp tiếp xúc bán dẫn.

1.2 Các loại cấu trúc của laser bán dẫn

1.2.1 Cấu trúc dị thể đơn

Xét laser diode tiếp xúc dị thể đơn, quá trình bơm thu được qua lớptiếp xúc p-n, trong đó cả vật liệu loại p lẫn loại n đều sử dụng ở dạng chất bándẫn, như thể hiện trên hình 1.5

Hình 1.5 Laser tiếp xúc dị thể đơn (a) dụng cụ mạch hở; (b) đồ thị năng lượng theo vị trí cho lớp tiếp xúc dị thể đơn; (c) phân cực thuận; (d) đồ thị năng lượng theo vị trí cho sự phân cực thuận

Khi không có dòng điện nào đặt vào lớp tiếp xúc p-n, cấu trúc dảiđược thể hiện bằng giản đồ trên hình 1.5(a) Khi hai chất liệu được mang tớitiếp xúc nhau, thì mức Fermi không còn thẳng hàng, nhưng trong một thờigian rất ngắn (ps), các lỗ trống ở bán dẫn loại p khuếch tán qua lớp tiếp xúc

từ phía p qua phía n; tương tự, các electron bán dẫn loại n khuếch tán qua lớptiếp xúc từ phía n sang phía p Vì vậy tạo nên một vùng nghèo tồn tại ở cả haibên của lớp tiếp xúc Do đó, một hàng rào thế được tạo ra và mức Fermi lại

sắp thẳng hàng, chiều cao của hàng rào năng lượng được gọi là điện áp ràonhư hình 1.5b.

Sự cân bằng động có thể bị phá hỏng khi một dòng phân cực thuậnđược đặt vào dụng cụ như thể hiện trên hình 1.5(c) Hai mức Fermi lại khôngthẳng hàng (hình 1.5(d)) Việc bơm electron vào dải dẫn và lỗ trống vào dảihóa trị làm giảm điện áp rào, nên càng có nhiều hạt mang điện giờ đã có thểbăng qua vùng nghèo hẹp, nhiều cặp electron-lỗ trống kết hợp theo kiểu phát

xạ, và tạo ra sự phát xạ tự phát Do đó, đối với những giá trị thích hợp củamật độ dòng điện thì độ trong suốt và các điều kiện ngưỡng laser có thể đượcthỏa mãn Tuy nhiên, người ta nhận thấy, để cho phát laser, thì mật độelectron và lỗ trống trong dải dẫn và dải hóa trị, tương ứng cần phải lớn hơn

1018cm−3 nhiều Một trở ngại chính đối với việc thu được những mật độ này làtrong những lớp tiếp xúc p-n hình thành với một chất liệu duy nhất thì các hạtmang nhanh chóng khuếch tán khỏi lớp tiếp xúc, cho nên laser cấu trúc dị thểđơn có mật độ dòng điện ngưỡng rất cao ở nhiệt độ phòng, gây khó khăn choviệc ứng dụng thực tiễn của loại laser bán dẫn này

1.2.2 Laser cấu trúc dị thể kép

Chúng ta đã thấy trong phần trước rằng lớp tiếp xúc p-n có thể phátlaser Nhưng dòng điện cần thiết để đạt được sự phát laser là hàng chục nghìnampere/cm2, khiến nó không thực tế cho nhiều ứng dụng Một giải pháp hiệuquả hơn là sử dụng những cấu trúc dị thể kép

Hình 1.6 thể hiện một cấu trúc dị thể kép n-p-p, khi không có dòngđiện chạy, mức Fermi không đổi trên toàn lớp tiếp xúc như trên hình 1.6(a).Khi cấu trúc dị thể kép được phân cực thuận, vùng nghèo giảm đi và các dảithuộc loại n dịch chuyển về phía đó Các electron được đưa vào vùng hoạttính khe dải từ lớp pha tạp n với độ rộng khe Eg cao hơn, đồng thời các lỗtrống đi vào vùng hoạt tính từ pha tạp p ở phía đối diện Vì lớp hoạt tính nằm

kẹp giữa vỏ có độ rộng khe lớn nên các electron không thể leo lên lớp loại p

và các lỗ trống không thể thâm nhập vào lớp loại n Cho nên các electron và

lỗ trống đưa vào bị giam giữ trong lớp hoạt tính như minh họa ở hình 1.6(b)

Hình 1.6 Nguyên lí hoạt động của diode laser tiếp xúc dị thể kép, (a) cấu trúc tiết diện, (b) tác dụng giam cầm hạt mang điện, (c) đặc trưng chiết suất, (d) đặc trưng cường độ sáng

Nơi nào sự cư trú bị đảo lộn thì nó có thể kết hợp và phát laser [sựgiam cầm hạt mang như thể hiện trên hình 1.6(c)] Chiết suất của lớp hoạt tínhcao hơn một vài phần trăm so với chiết suất của lớp giam giữ ánh sáng phát ravới lớp hoạt tính p (sự giam giữ photon trong hình 1.6(d)) Ánh sáng xuyênvào lớp p và n không bị hấp thụ do khe dải rộng của nó Ba tính chất này làmgiảm đáng kể mật độ dòng điện ngưỡng

Vì các hạt mang điện trong các laser tiếp xúc dị thể kép bị giam giữtrong một vùng nhỏ hơn nhiều so với trong laser cấu trúc dị thể đơn nên sựbiến thiên chiết suất tại lớp tiếp giáp p GaAs và p AlGaAs có thể mang lạimột hiệu ứng dẫn hướng cho chùm laser Đây được gọi là sự dẫn hướng chiếtsuất Cấu trúc tiếp xúc dị thể kép mang lại nhiều sự điều khiển hơn trên kích

cỡ của vùng hoạt tính và còn mang lại sự biến thiên chiết suất cho phép dẫnhướng chùm vi sóng.

1.2.3 Cấu trúc giếng lượng tử

Tác dụng giam giữ hạt mang điện của cấu trúc dị thể kép là một trongnhững đặc trưng quan trọng nhất của các laser diode hiện đại Với sự có mặtcủa các kĩ thuật hiện đại ngày một phát triển cho phép người ta tạo ra cácvùng hoạt tính trên cấu trúc tiếp xúc dị thể ở cấp độ nguyên tử Người ta cóthể tạo ra những lớp mỏng trong những cấu trúc dị thể bán dẫn - gọi là cấutrúc giếng lượng tử (QW) như minh họa trên hình 1.7(a)

Vì các hiệu ứng lượng tử chỉ xảy ra trong không gian một chiều, nênmức năng lượng ấy có thể đạt được bằng cách xem một electron là một hạtnằm trong một giếng thế một chiều, nó có thể được biểu diễn là

2 *2 22

2 w

n

n E m



  (1.7)Trong đó n = 1,2 là trạng thái năng lượng, m* là khối lượng hiệu dụng củamột hạt, và w là chiều dài của giếng

Hình 1.7 (a) Một giếng lượng tử InGaAsP/InP Cấu trúc lớp, biểu đồ dải năng lượng (b) Mật độ các trạng thái của giếng lượng tử và chất bán dẫn nguyên

khối (đường đứt nét) (c) Các năng lượng khe dải trong một QW mỏng, (d) trong một cấu trúc SCH QW, và (e) trong một cấu trúc MQW.

Vì thế, khi các electron bị giam giữ trong dải dẫn và các lỗ trốngtrong dải hóa trị kết hợp nhau thì pho tôn được phát ra có tần số  được chobởi

so với các laser dị thể, có thể suy ra từ hình 1.7 Một số trạng thái phải đượclấp đầy để đạt tới sự đảo lộn cư trú Do đó, dòng điện ngưỡng cũng sẽ giảm.Xét kĩ hơn cho thấy nếu chỉ một mức năng lượng được lấp đầy thì độ rộngphổ của sự phát xạ tự phát và độ khuếch đại sẽ lớn hơn nhiều so với các lasercấu trúc dị thể đơn

Giờ hãy xét sự hoạt động của laser giếng lượng tử đơn (SQW) [hình1.7(c)], nếu ta đơn giản chỉ thu nhỏ kích cỡ của một cấu trúc dị thể kép xuốngđến kích cỡ QW, thì sẽ khó cho các hạt mang điện được bơm vào trong giếng,điều này sẽ dẫn đến sự tăng dòng điện ngưỡng và mật độ khuếch đại quanghọc Một phương pháp mới giải quyết được trở ngại này là tách giếng ra khỏivùng vỏ sao cho độ cao của hàng rào thế lớn hơn nhiều so với của lớp vỏ Đây

là cấu trúc dị thể giam cầm phân tách (SCH) như minh họa trên hình 1.7(d).Một phương pháp khác là biến đổi khe dải của vùng vỏ bằng cách thu gom

các hạt mang, đây là laser cấu trúc dị thế giam cầm phân tách chiết suất bậc(GRIN-SCH) Theo cấu trúc này, sự giam cầm quang và giam cầm hạt mangđược tách riêng ra một cách hiệu quả nên sự giam cầm quang có thể được cảithiện đáng kể đối với các laser QW tiêu biểu Sự giam cầm quang hiệu quả và

độ khuếch đại quang lớn hơn cũng có thể thu được bởi cấu trúc giếng lượng

tử bội (MQW) như thể hiện trên hình 1.7(e)

1.2.4 Cấu trúc điểm lượng tử

Các chấm lượng tử được gọi là các nguyên tử nhân tạo, mặc dù trênthực tế chúng thường gồm hàng trăm nghìn nguyên tử Bị giam giữ trong mộtchấm hoặc một hộp, các electron phải chiếm giữ những mức năng lượng rờirạc ở đáy của dải dẫn và ở đỉnh của dải hóa trị Sự phát laser trong nhữngdụng cụ giam giữ như thế này do đó bị hạn chế với một ngưỡng bước sónghẹp hơn nhiều so với trong chất bán dẫn truyền thống Bước sóng phát rađược xác định bởi kích cỡ của chấm, nghĩa là bằng cách điều khiển sự phân

bố kích cỡ thì ngưỡng bước sóng phát ra có thể được điều chỉnh đối với từnglaser một Sự hạn chế khe dải tác dụng cũng làm tăng thêm hiệu suất vật liệu

và làm giảm ảnh hưởng của nhiệt độ đối với hiệu suất của laser Do đó, mộtlaser QD(Quantum dots) cho phép những ứng dụng thực tiễn của ngành vật línguyên tử trong các dụng cụ bán dẫn Điều này dẫn tới dòng điện hoạt độngthấp do độ lợi được tăng thêm, bề rộng phổ rất hẹp và những hiệu ứng nghịchrất nhỏ khi nhiệt độ tăng

Hình 1.8 Giản đồ hình dạng tinh thể và các biểu diễn cho mật độ trạng

thái là hàm của năng lượng.

Hình 1.8 minh họa bốn dạng hình học tinh thể laser bán dẫn tiêu biểu

và các hàm tương ứng của chúng cho mật độ trạng thái theo năng lượng Cácdây lượng tử cũng được kể đến

Bảng 1.1 tóm tắt các biểu thức của mật độ trạng thái cho những cấutrúc tinh thể laser bán dẫn khác nhau, trong đó m* là khối lượng hiệu dụngcủa một electron và E là năng lượng toàn phần của một electron

1.3 Các đặc trưng của laser bán dẫn

1.3.1 Điều kiện ngưỡng

Dòng điện ngưỡng là thông số cơ bản nhất và quan trọng nhất đối vớicác laser diode Hình 1.9 thể hiện cấu trúc của một laser diode Fabry-Perot

đa năng, được mô phỏng dưới dạng một bộ cộng hưởng chứa các sóng quangphẳng truyền tới lui dọc theo chiều dài của laser diode Ánh sáng tới phát xạ

tự phát truyền đến gương phản xạ được khuếch đại bởi sự phát xạ cảm ứng vàphản hồi về vị trí ban đầu sau một chu trình trong hộp laser Quá trình nàychịu sự thất thoát do ánh sáng đi qua hoặc nhiễu xạ tại các gương phản xạ và

bị tán xạ hoặc hấp thụ bên trong môi trường hoạt tính phát quang Khi sự thấtthoát toàn phần cao hơn độ lợi thì ánh sáng bị tắt dần

Dòng điện bơm vào tăng cường thêm ánh sáng khuếch đại trong laser

diode và khi độ khuếch đại và độ thất thoát cân bằng thì cường độ ánh sáng

ban đầu bằng với cường độ ánh sáng phản xạ, điều kiện này được gọi là điềukiện ngưỡng Một laser diode dao động ở trên ngưỡng khi độ khuếch đại (độlợi ) đủ cao

Hình 1.9 Cấu trúc và mốt phát laser của diode laser

Sự đảo lộn cư trú không được đảm bảo để phát laser, để làm cho

sự phát xạ cảm ứng lớn hơn sự hấp thụ, người ta phải chế tạo một buồng cộnghưởng trong đó ánh sáng phản xạ tới lui nhiều lần trước khi rời khỏi buồng.Nếu độ lợi bằng độ thất thoát thì sự phát laser có thể xảy ra trong buồng cộnghưởng

Xét một hộp laser bán dẫn chiều dài d với một sóng phẳng có hằng sốtruyền phức k =  + j(g - ), như thể hiện trên hình 1.10  là hệ số tắt dầnbên trong trên đơn vị chiều dài,  là hệ số truyền, g là độ lợi trên đơn vị chiều

dài, do hiệu ứng phát xạ cảm ứng mang lại và n là chiết suất của chất liệu làmbuồng cộng hưởng và  là bước sóng của sóng trong không gian tự do.

Biên độ của sóng Ei tới trên mặt bên trái của buồng, tỉ số ánh sángtruyền qua là t1, tỉ số của ánh sáng truyền qua với ánh sáng tới ở phía bên phải

là t2, tỉ số của ánh sáng phản xạ và ánh sáng tới với buồng cộng hưởng là r1ei1

ở gương bên trái và r2ei2ở gương bên phải Đối với một môi trường tổn thấtthấp, các dịch chuyển pha 1 và 2 là nhỏ và thường được bỏ qua Các thông

số tiêu biểu cho laser diode bán dẫn Fabry-Perot được tóm tắt trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Các thông số tiêu biểu cho diode laser bán dẫn

Hình 1.10 Giản đồ sự truyền ánh sáng bên trong hộp cộng hưởng của laser diode

Khi mẫu thức của (1.10) tiến tới không thì ta thu được điều kiện củamột sóng truyền hữu hạn E0 với Ei bằng không, đó là các điều kiện cho sự daođộng Vì thế, điều kiện dao động được thỏa mãn khi

r r e1 2  j2kd 1

 (1.11)Thay số hạng k =  + j(g - ), ở trên trong môi trường khuếch đại, thì điềukiện cộng hưởng hóa ra là

r r e1 2 2(g )de j d2  1

 (1.12)Điều kiện dao động biểu diễn một sóng thực hiện một chuyển động tròn 2dbên trong hộp với mặt phẳng xuất phát có cùng biên độ và cùng pha, trongmột bội số nguyên của 2, điều kiện biên độ tổng quát là

r r e1 2 2(g )d 1

 (1.13)Trong đó chúng ta đã đưa hệ số giam cầm  bên trong hộp vào phương trìnhkhuếch đại, phương trình (1.13) được viết tổng quát như sau

1 2

ln 2

d r r

     (1.14)

Đây là điều kiện ngưỡng, trong đó m là hệ số tổn thất của gương Hệ

số khuếch đại trên mỗi đơn vị chiều dài phụ thuộc mạnh vào năng lượng phát

xạ, vào các điều kiện hoạt động và vào cường độ ánh sáng trong lớp hoạt tính.Nếu ta thay r1 và r2 lần lượt bởi các hệ số phản xạ công suất R1 và R2, thìphương trình (1.14) có thể viết lại là

1 2

ln 2

gth



   (1.15) Điều kiện pha tìm được là

1.3.2 Công suất phát

Công suất phát là một trong những thông số quan trọng để mô tả đặctrưng một diode laser Hình 1.11 thể hiện một kết quả thực nghiệm, mô tảcông suất phát của một sóng liên tục tiêu biểu (cw) trong một laser diode bándẫn là một hàm của dòng điện bơm (đường cong L-I)

Khi dòng phân cực thuận là thấp thì laser diode hoạt động giống như mộtdiode phát quang (LED) trong đó mật độ hạt mang trong lớp hoạt tính không

đủ cho sự đảo lộn cư trú, sự phát xạ tự phát xảy ra trong vùng này Khi dòngphân cực thuận tăng, sự đảo lộn cư trú xảy ra, sự phát xạ cảm ứng trở thành áttrội tại một giá trị dòng điện thuận nhất định, dòng điện tại điểm này được gọi

là dòng điện ngưỡng Dòng điện bơm ở trên giá trị ngưỡng gây ra sự tăng bấtngờ của hoạt động laser và ánh sáng kết hợp được phát ra từ laser diode Độdốc của đoạn tăng trong vùng hoạt động laser tỉ lệ với vi phân hiệu suất lượng

tử ngoại như mô tả bên dưới

Trong đó  là thời gian sống kết hợp của hạt mang, p là thời giansống của pho tôn trong buồng, V là thể tích của môi trường khuếch đại, I làdòng điện bơm, Nth là mật độ ngưỡng của hạt mang, e là điện tích electron, S

là các thừa số kết hợp cho hệ số giam cầm

Theo điều kiện trạng thái bền dN dN p 0

dt  dt  , ta có mật độ hạt mang và mật độphô tôn

E = NpVh, trong đó h là năng lượng phô tôn Do đó, công suất quang phát

ra bởi sự phát xạ cảm ứng trong buồng là

Công suất thực tế là công suất phát ra từ mỗi đầu gương của buồng laser

( ) ( )

m

ex in

tot

P d h I d e

Nếu dòng điện bơm tăng đến những giá trị quá cao, thì đường cong L-I trởnên mất tuyến tính Sự hoạt động ở giá trị dòng điện quá cao làm thu ngắnthời gian sống và có thể làm hỏng laser.

1.3.3 Độ phân kỳ

Độ phân kì của chùm laser phát ra từ một laser diode được mô tả trênhình 1.10 Chùm tia bị nhiễu xạ giới hạn trong mặt phẳng vuông góc và songsong của lớp tiếp xúc do kích cỡ nhỏ của chip diode laser Giả sử d và d|| làkích cỡ chùm tia (bề rộng trọn vẹn giữa 1/e điểm của điện trường) trong haihướng trên, và giả sử có sự phân bố trường Gauss trong cả hai hướng truyền

Độ phân kì chùm tia || trong mặt phẳng song song với lớp tiếp xúc và 

trong mặt phẳng vuông góc với lớp tiếp xúc tương ứng được cho bởi || = 2/

d|| và  = 2/d, trong đó  là bước sóng phát laser Với một chùm phát cótiết diện elip (thí dụ  1µm × 5µm), thì m × 5µm × 5µm), thì m), thì  lớn hơn ||

Nhiều loại laser diode có một chút phân kỳ trong chùm tia phát ra.Đây là do sự có mặt của sự tổn thất quang ở cả hai phía của buồng laser cùngvới thực tế là các hạt mang điện bơm vào trong buồng góp phần làm giảmchiết suất Độ lớn của vùng phân kỳ D phụ thuộc vào bước sóng , bán kínhcong của đầu sóng R, và bề rộng của trường gần tại gương laser w Mối liên

hệ giữa những đại lượng này cho sự truyền một chùm Gauss có thể viết nhưsau

w2 có thể so sánh hoặc nhỏ hơn đơn vị; đối với các laser dẫn hướng chiếtsuất, nó lớn hơn đơn vị nhiều R thường vào cỡ 20µm × 5µm), thì m  80µm × 5µm), thì m Có thể suy ra

từ phương trình (1.28) là đối với các laser dẫn hướng khuếch đại, D  R, cònđối với các laser dẫn hướng chiết suất, D << R

Laser diode trên (Sharp LTO24 MD, công suất chuyên dụng 30 mW)

là laser đơn mốt, dẫn hướng chiết suất, nhiệt độ của nó có thể điều khiển bằng

độ điều khiển nghiên cứu chính xác cao Dòng điện có thể chỉnh dễ dàng bởimột biến áp ngoài Do đó, bước sóng phát của laser diode có thể điều chỉnhbằng cách thay đổi nhiệt độ hoặc dòng điện Hình 1.13(a) thể hiện các mốtdao động chip là một hàm của bước sóng cho một diode laser tiêu biểu SharpLTO24 780 nm Phổ này thu được mà không có buồng cộng hưởng ngoài vàlaser hoạt động ở giá trị dòng điện nằm ngay dưới ngưỡng Toàn bộ các bướcsóng lắp vừa trong buồng bởi một số nguyên lần nửa bước sóng đều đượckhuếch đại cường độ Hình 1.13(b) thể hiện cường độ phổ khi quét bằng giaothoa kế Fabry-Perot, ngưỡng phổ tự do của hộp F-P này là 1,5 GHz Ta có thểthấy bề rộng vạch của diode laser này là khoảng 150 MHz

Hình 1.13 Phổ của diode laser không sơn phủ hoạt động tự do, (a) cường

độ phổ là hàm của bước sóng, (b) cường độ theo phân tích phổ của laser phát ra thu được bằng giao thoa kế quét Fabry-Perot

Kết luận chương 1

Trong chương này chúng tôi đã trình bày được:

- Nguyên lí hoạt động của laser bán dẫn dựa trên :

+ Sự hấp thụ, sự phát xạ tự phát, sự phát xạ cảm ứng đó là: Thứ nhấtphải có sự đảo lộn mật độ cư trú; thứ phải có nguồn bơm

+ Các yêu cầu cho sự phát laser của các laser diode bán dẫn

- Tìm hiểu được cẩu trúc và so sánh được ưu điểm của các cấu trúccủa các loại laser bán dẫn như:cấu trúc dị thể đơn, cấu trúc dị thể kép, cấu trúcgiếng lượng tử, cấu trúc điểm lượng tử

- Tìm hiểu được các đặc trưng của laser bán dẫn như điều kiệnngưỡng, công suất phát, độ phân kỳ, đặc trưng phổ

Chương II CẤU TRÚC CỦA LASER BÁN DẪN BUỒNG CỘNG HƯỞNG

MỞ RỘNG CẤU HÌNH LITTROW 2.1 Bộ phận quang học

2.1.1 Lớp phủ quang học trên bề mặt laser

Trong các laser diode buồng cộng hưởng mở rộng thì hiệu suất thunhận sóng hồi tiếp từ bề mặt cách tử đóng một vai trò quan trọng Vì vậy,hiệu suất phát sẽ càng cao nếu hệ số phản xạ của bề mặt đầu laser thấp Do

đó, các đầu diode sử dụng cho ECDL thường được mạ lớp chống phản xạ SiO

Đối với một hệ ECDL, một mức hồi tiếp ngoài cỡ 0,1 đến 0,3 Do

đó, hệ số phản xạ thường cỡ 1 × 10−3 hoặc thấp hơn để duy trì hiệu suất phátcủa ECDL Mặt khác, vì trong ECDL cần sử dụng miền phổ điều hưởng rộngnên để đảm bảo duy trì hệ số phản xạ bề mặt thấp thì người ta thường dùngnhiều lớp phủ điện môi khác nhau ở bề mặt diode Các lớp phủ thường đượcsắp xếp thành các lớp có chiết suất cao thấp khác nhau

- Vật kính hiển vi

- Thanh GRIN và các thấu kính silicon

- Các thấu kính chỏm cầu và cầu và các thấu kính camera

2.1.3 Bộ mở rộng chùm tia

Thông thường các laser phát ra có tiết diện hình elíp nên không tiệncho sử dụng Mặt khác để nâng cao hiệu suất phân giải phổ của cách tử ởBCH mở rộng thì số các vạch cách tử được chiểu phải lớn vì vậy chúng taphải mở rộng chùm tia trước khi lên bề mặt cách tử Để đạt được điều nàyngười ta thường dùng hệ hai lăng kính được ghép với nhau như trên hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của bộ mở rộng chùm tia .

2.2 Bộ phận điện

2.2.1 Thanh tản nhiệt Peltier

Nguyên lí làm lạnh Peltier hoạt động trên hiệu ứng Peltier Hiệu ứngxảy ra khi dòng điện chạy qua hai chất bán dẫn không giống nhau, phụ thuộcvào hướng của dòng điện, lớp tiếp xúc giữa hai chất bán dẫn hoặc sẽ hấp thụ,hoặc sẽ giải phóng nhiệt

Hình 2.2 Sơ đồ máy lạnh Peltier

Phía lạnh của máy Peltier sẽ dễ hấp thụ nhiệt và dòng electron sẽ thựchiện công truyền nhiệt sang phía nóng đã bị tiêu tán Toàn bộ hiệu ứng nàychỉ thu được với dòng electron (dòng điện) một chiều, hình 2.2 thể hiện quátrình chạy

2.2.2 Sensor nhiệt

Nhiệt điện trở là các điện trở nhạy với nhiệt độ và tùy theo loại, có hệ

số nhiệt điện trở âm (NTC) hoặc dương (PTC) Được chế tạo từ oxide của cáckim loại chuyển tiếp – mangan, cobalt, đồng và nickel, các nhiệt trở NTC làcác điện trở bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ NTC mang lại tính ổn định cơ,nhiệt, và điện, cùng với một độ nhạy cao

2.2.3 Điều khiển nhiệt độ và dòng điện

Vì công suất và tần số phát của laser phụ thuộc nhạy vào nhiệt độchip và dòng điện bơm, cho nên cả hai thông số cần phải được điều khiểnchính xác Để cho laser diode hoạt động ổn định, cần thiết phải điều khiển cảdòng điện bơm và nhiệt độ laser Cách làm là sử dụng một cái nhiệt trở làmmột chân trong một mạch cầu cân bằng; mọi điện áp giữa hai bên cầu đềuđược khuếch đại và dùng để điều khiển một máy lạnh Peltier, điện áp thamchiếu và các điện trở cầu phải có hệ số nhiệt thấp Chúng ta phải chú ý sự trễthời gian nhiệt và các hằng số thời gian trong thiết bị điện tử để thu được hiệusuất tối ưu Điều cần thiết là nhiệt trở phải rất gần laser diode để đo chính xácnhiệt độ của laser, đồng thời rất gần máy lạnh Peltier sao cho độ trễ thời giantrong phần phụ là nhỏ có thể có phản ứng nhanh và độ khuếch đại lớn

2.2.4 Phần tử điện giảo

Bộ phận điện cuối cùng đề cập tới là máy điện giáo (PZT).Máy điệngiáo là máy biến năng rắn (ceramic) biến đổi điện năng trực tiếp thành cơnăng bởi chuyển động có độ phân giải cực cao Trong các ECDL, chúng ta sửdụng PZT để thay đổi chiều dài hộp cộng hưởng, từ đó mang lại sự điều chỉnhtần số laser với sự điều khiển bằng điện Thông thường, người ta sử dụngchồng PZT hoặc đĩa PZT để mang lại sự dịch chuyển khoảng vài micrometbằng cách thiết lập điện áp quét cho PZT

2.3 Lựa chọn mode bằng cách tử

2.3.1 Đặc trưng của cách tử

Cách tử nhiễu xạ là bộ lọc được sử dụng nhiều nhất trong ECDL, mộtcách tử nhiễu xạ có thể gồm sự biến thiên tuần hoàn của bề dày trong một môitrường chiết suất không đổi hoặc sự biến thiên tuần hoàn của chiết suất trongmột môi trường bề dày không đổi Loại cách tử nhiễu xạ đầu tiên là cách tửmặt luân phiên, chúng tôi giới thiệu loại cách tử này Loại cách tử thứ hai làcách tử thể tích pha (cách tử lọc Bragg )

Hình 2.3 trình bày sơ đồ tiết diện của một cách tử có chu kì d(nghịch đảo của chu kì này được gọi là mật độ rãnh  - thường được quy về

số rãnh/mm: d = 1

 ) Khi một chùm ánh sáng đi tới trên một cách tử, mỗi rãnhtạo ra một sóng nhiễu xạ Với mỗi thành phần bước sóng trong chùm tia tới,xảy ra sự giao thoa tăng cường của các thành phần nhiễu xạ từ mỗi rãnh,nghĩa là điều kiện giao thoa được thỏa mãn khi hiệu đường đi bằng bộinguyên lần bậc nhiễu xạ q của bước sóng ánh sáng tới Như vậy, ta có phươngtrình nhiễu xạ

qλ = d( sinα +sin β) (2.1)và

qρλ =sinα +sin β (2.2)trong đó λ là bước sóng của ánh sáng tới, α và β tương ứng là góc tới và gócnhiễu xạ Trong cấu hình Littrow thì α = β, phương trình cách tử trở thành

qλ =2d sin α (2.3)

Hình 2.3 Hình dạng nhiễu xạ của các đầu sóng phẳng

Nhiệm vụ chính của một cách tử nhiễu xạ là làm tán sắc ánh sángtrong không gian theo bước sóng Độ tán sắc là một số đo của sự phân tách từánh sáng nhiễu xạ với những bước sóng khác nhau Bằng cách lấy vi phântheo góc phát, người ta thu được độ tán sắc góc

Công suất phân giải phổ của một cách tử là số đo là khả năng của

nó phân tách các vạch phổ liền kề nhau có bước sóng trung bình λ Nó thườngđược mô tả là

R 





ở đây ›λ là giới hạn độ phân giải, hiệu bước sóng giữa hai vạch phổ có cường

độ bằng nhau có thể phân biệt được Năng suất phân li lí thuyết của một cách

tử phẳng được cho bởi

Nd là bề rộng của vùng được chiếu sáng trên cách tử

Sự phân giải bước sóng thu được bằng cách chia độ phân tán góctheo chùm tia (độ phân kì chùm tia) cho độ tán sắc góc, nghĩa là

Bộ lọc dải đơn giản nhất là một giao thoa kế Fabry-Perot rất mỏng,khe trống là một lớp mỏng chất điện môi có bề dày bằng nửa bước sóng ánhsáng Các bộ phản xạ cao là các chồng một phần tư bước sóng bình thườngvới một hệ số phản xạ dải rộng đạt cực đại tại bước sóng thiết kế Toàn bộ cơcấu hai chồng một phần tư sóng đặt trên một bề mặt, cho nên các bộ lọc giao