ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Đề tài:
MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT CỦA LASER DIODE CÔNG
SUẤT CAO VỚI CẤU TRÚC MẢNG Ở CHẾ ĐỘ XUNG NGẮN
Học viên : Nguyễn Mạnh Thắng
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TSKH Vũ Văn Lực
Chuyên ngành: Quang Lượng Tử
HÀ NỘI - 2007
3
MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER DIODE CÔNG SUẤT
CAO. 3
1.1 KHÁI NIỆM LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO
1.2 MỘT SỐ CẤU TRÚC LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO 4
1.2.1 LASER MA TRẬN (MATRIX) 4
1.2.2 LASER BUỒNG CỘNG HƯỞNG RỘNG LOC 5
1.2.3 LASER DIODE DẠNG MẢNG (THANH) 6

1.3 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LASER DIODE DẠNG MẢNG 7
1.3.1 SỬ LÝ CỬA SỔ TIẾP XÚC 7
1.3.2 CẤY GHÉP ION 8
1.3.3 SỬ LÝ LỚP CÁCH ĐIỆN 9
1.3.4 SỬ LÝ CẤU TRÚC MESA 11
1.3.5 PHỦ KIM LOẠI 12
1.3.6 TỔ HỢP LASER MẢNG CÔNG SUẤT CAO 13
1.3.7 KỸ THUẬT PHỦ MẶT GƯƠNG 14

2.3 ĐẦU THU PHOTODIODE.
2.4 HỆ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN
ĐẶC TRƯNG CÔNG SUẤT P-I CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO Ở
CHẾ ĐỘ XUNG.
2.5 HỆ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT SỰ UỐN CONG ĐẶC TRỪN CÔNG
SUẤT GÂY RA DO NHIỆT
2.6 HỆ THÍ NGHIỆM ĐO P-I CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO SỬ
DỤNG MÁY PHÁT XUNG DÒNG CAO, ĐỘ RỘNG XUNG NGẮN
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
5
MỞ ĐẦU
Lasers được viết tắt từ những chữ cái đầu trong tiếng Anh (Light Amplification
by Stimulated Emission of Radiation), đó là sự khuếch đại bức xạ cưỡng bức ánh sáng
để tạo ra chùm tia có cường độ lớn, có tính định hướng cao. Lasers là một trong những
phát minh mang tính đột phá của thế kỷ 20, phát minh kỳ diệu này không những làm
nức lòng các nhà khoa học mà còn kích thích sự quan tâm tìm hiểu của nhiều người
trong kỷ nguyên công nghệ cao. Kể từ khi ra đời lần đầu tiên (Laser rubi) năm 1960 do
Maiman phát minh, đến nay rất nhiều loại laser đã được nghiên cứu, phát triển và đưa
vào ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khoa học, đời sống như y học, thông tin
quang sợi, điều khiển và đo xa laser, đo cắt chính xác công nghiệp v.v
Cùng với sự ra đời nhiều loại laser khác, laser diode bán dẫn được Robert Hall
công bố lần đầu tiên năm 1962. Nó sử dụng liên kết p-n trong bán dẫn GaAs, phát ở
chế độ mode xung tại nhiệt độ rất thấp
K
0
77
, bước sóng ra đỉnh 842 nm, độ rộng phổ
cỡ 1.5nm, mật độ dòng bơm ngưỡng tới
2

1.0~
có cấu trúc dị thể
kép. Sự khác nhau về độ rộng vùng cấm giữa lớp tích cực và các lớp vỏ giúp cho việc
giam giữ tốt hơn các mốt quang học, hoạt động như một dẫn sóng điện môi. Nhưng
chính sự giam giữ này làm giảm đáng kể hao tổn nội, gây ra sự mở rộng mốt trong các
vùng lân cận.
Một trong những mục tiêu quan trọng của laser diode đó là nâng cao công suất
laser ra đồng thời giảm độ rộng xung nhỏ nhất có thể nhằm nâng cao chất lượng chùm
tia và ứng dụng sâu hơn trong cuộc sống cũng như khoa học. Mục tiêu này luôn luôn
được duy trì và mở rộng phát triển kể từ khi nó ra đời.
Vậy tại sao chúng ta cần phải chế tạo laser diode công suất cao?
Đầu những năm 1990 đánh dấu bước đột phá trong công nghệ laser bán dẫn khi
lần đầu tiên chế tạo thành công các thanh laser kích thước
cmcm 06.01
×
phát ra công
suất trên 20W, thời gian sống cỡ 10.000 giờ, mở ra khả năng ứng dụng to lớn trong
khoa học ứng dụng. Quá trình tiếp theo chủ yếu tập chung vào việc cải tiến laser bán
dẫn trên cơ sở nền GaAs, tạo ra nền có mật độ phản xạ thấp bằng các quá trình epitaxy
của các lớp AlGaInAs và GaInAsP trên nền GaAs. Các lợi thế của laser bán dẫn công
suất cao: So với với đèn bơm hoặc khí tích điện cho việc tạo ra ánh sáng kết hợp, như
kích thức nhỏ gọn, hiệu suất chuyển đổi điện quang cao hơn, nguồn cấp và làm lạnh
đơn giản, độ tin cậy cao hơn. Kích thước nhỏ gọn nên chiếm ưu thế hơn so với laser
rắn và laser khí do sự cồng kềnh và bất tiện. Dòng bơm ngưỡng thấp (chỉ cỡ vài trăm
6
mA), dải sóng ứng dụng rộng, dễ điều chế, hoạt động từ chế độ xung tần số thấp đến
cao, cả chế độ xung và chế độ liên tục. Nó là thiết bị không thể thiếu trong thông tin
cáp quang, cho phép truyền thông tin đi khoảng cách rất lớn với tốc độ siêu cao. Mặt
khác, laser diode đóng vai trò như chiếc chìa khoá mở ra rất nhiều ứng dụng, từ những
sản phẩm thông thường phục vụ cho mục đích dân sự đến những ứng dụng cho mục

chúng trong ứng dụng thực tiễn [17]:
• Hiệu suất chuyển đổi điện quang của các đèn trong khoảng trên dưới 50% [1]
mang lại tiêu chuẩn đầu tiên cho laser diode công suất cao. Trong khi hiện nay
nếu sử sụng laser diode thì hiệu hiệu suất lên đến trên 60% [2].
• Thời gian sống đặc trưng của các đèn khoảng 1000 giờ nhỏ hơn thời gian sống
của laser diode công suất cao hơn 10.000 giờ.
• Công suất quang học của các đèn bơm cho các hệ laser diode công suất cao cần
tới cỡ vài kW. Để thực hiện một công suất tương tự với các laser diode thì
chúng ta chỉ cần sử dụng khoảng 100 thanh diode công suất cao.
• Laser diode công suất cao được sử dụng làm nguồn bơm cho hệ laser rắn cho
hiệu suất rất cao vì bước sóng bơm của laser diode có thể phù hợp chính xác
với bước sóng hấp thụ của tinh thể được kích thích. Còn nếu sử dụng các loại
đèn bơm thì do phụ thuộc vào các dịch chuyển điện tử của các nguyên tử kích
thích nên các bước sóng này chỉ phụ thuộc bản chất, các giá trị cố định khí bơm
vào, vì thế các dịch chuyển có thể tốt hoặc không tốt, mang lại hiệu suất kém
hơn rất nhiều.
• Vấn đề mang tính cạnh tranh quyết định là giá cả của toàn bộ hệ thống máy
phát laser. Đối với các hệ laser diode công suất cao thì vấn đề này chủ yếu được
xác định bới giá của các laser diode thành phần (laser diode thông thường). Vì
thế, các nỗ lực chủ yếu được tập chung vào công nghệ bán dẫn tái chế, chính vì
vậy laser diode công suất cao được xem như là công nghệ đơn giản nhất, dẫn
đến giá cả cạnh tranh hơn so với các loại laser khác.
8
1.2 MỘT SỐ CẤU TRÚC LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO
1.2.1 LASER MA TRẬN (MATRIX)
Khái niệm
Laser ma trận là một trong những cấu trúc được sử dụng hiệu quả trong việc
nâng cao công suất của laser diode. Cấu trúc của laser ma trận được bố trí bao gồm
nhiều lớp tích cực nằm sát nhau, mỗi lớp tích cực này bức xạ riêng rẽ và tạo thành mối
quan hệ về pha giữa chúng. Cụ thể là hợp pha hoặc ngược pha, nếu hợp pha thì công

p-InP
n-InP
p-InP
kết cần thiết cho chặn pha. Đối với laser ma trận InGaAsP phát trong vùng 1.3µm hoạt
động ở chế độ xung có thể cho công suất ra tới 800mW.
1.2.2 LASER BUỒNG CỘNG HƯỞNG RỘNG LOC
(LARGE OPTICAL CAVITY)
Khái niệm
Hiểu một cách đơn giản nhất, để có được công suất cao hơn, ta có thể tăng thể tích
của buồng cộng hưởng hay tăng chiều dài vùng hoạt chất (tức là tăng chiều dài khuếch
đại), dẫn đến tăng mật độ photon đi ra, tức là công suất bức xạ tăng. Laser buồng cộng
hưởng rộng dựa trên cấu trúc dị thể kép gồm ba lớp “chuẩn” p-p-n (hình 1.2), có hai
kiểu cấu trúc là cấu trúc đối xứng và cấu trúc phản xứng, trong đó cấu trúc phản xứng
dễ tạo được laser đơn mốt dọc hơn là cấu trúc đối xứng. Laser LOC bao gồm cấu trúc
dị thể vùi và cấu trúc dị thể kép, trong đó cấu trúc dị thể kép cho công suất quang ra
cao hơn (cỡ 100mW ở chế độ liên tục).
p
p (lớp tích cực)
n

Hình 1.2: Cấu trúc dị thể kép 3 lớp “chuẩn”
Trong cấu trúc này, ở vùng lân cận của lớp tích cực thì sự tái hợp và cộng
hưởng xảy ra độc lập, các mốt ngang lan truyền qua lớp bán dẫn loại n sẽ ít mất mát
hơn. Đối với loại buồng cộng hưởng này, nếu chế tạo buồng cộng hưởng lớn hơn vùng
tái hợp thì kích thước vết sáng đầu ra lớn hơn, đồng thời công suất lối ra cũng giảm.
Laser LOC có hai đặc điểm lưu ý là: nồng độ hạt tải dò giữa lớp tích cực và ống dẫn
(vỏ) lớn hơn so với cấu trúc dị thể chuẩn và có sự suy giảm chiết suất trong vùng tái
hợp do mật độ tập chung hạt tải cao gây mất ổn định kích thước vết sáng ra.
Cấu trúc đầu tiên [3] áp dụng khái niệm buồng cộng hưởng rộng (LOC) với dẫn
sóng mở rộng cho bước sóng 808nm, cấu trúc này sử dụng lõi ống dẫn sóng có bề dày

(dẫn sóng) 500nm
Cấu trúc giếng lượng tử
(InGaAsP,GaAsP,InGaAlAs)

AsGaAl
35.065.0
(dẫn sóng) 500nm

AsGaAl
3.07.0
( vỏ) 1500nm
GaAs (đế)
Hình 1.3: Sơ đồ các lớp dọc liên tiếp của chip laser diode với cấu trúc dẫn sóng LOC
AlGaAs.
1.2.3 LASER DIODE DẠNG MẢNG (THANH)
Khái niệm
Laser mảng (hoặc thanh) là sự tổ hợp của nhiều laser riêng biệt, đặc điểm quan
trọng của laser dạng thanh công suất cao là các ống đẫn sóng được đặt song song với
nhau hoặc các ống dẫn được nối kề nhau như (hình vẽ 1.4). Sự liên quan về pha giữa
các mốt ghép nối có ảnh hưởng quyết định đối với công suất ra và là điều kiện quan
trọng của linh kiện trong hệ thông tin quang.

Hình 1.4: Cấu trúc của laser diode mảng công suất cao
Trong laser thanh, để hạn chế số mốt người ta đưa ra giải pháp bằng cách sử
dụng mô hình cặp thanh hình chữ Y như hình 1.5.
Nguyên lý hoạt động của cấu trúc được mô tả trên hình vẽ 1.5b. Các mốt từ hai
nhánh có chung một gốc hình chữ Y sẽ cộng pha với nhau theo mối quan hệ như sau:
hai thành phần cùng pha sẽ được tăng cường, đồng thời tạo ra mốt công suất cao hơn
như hình b1, còn hai thành phần ngược pha sẽ bị triệt tiêu và công suất mất đi như
hình b2. Công suất nhận được từ laser diode dạng thanh là rất lớn, công suất ra có thể

điện bị giới hạn bên. Điều này được thực hiện thông qua cửa sổ tiếp xúc trên bề mặt
bán dẫn bằng các lớp expitaxial, cửa sổ tiếp xúc này có tác dụng ngăn cản dòng điện
lan tỏa trên bề mặt tiếp xúc. Dựa vào cửa sổ tiếp xúc này, dòng điện được phun vào
bên trong vùng hoạt chất. Ngoài vùng cửa sổ tiếp xúc này thì bề mặt bán dẫn phải
được cách điện hoàn toàn.
12
Cách điện được giải quyết bằng cách giảm mạnh tính dẫn điện của lớp tiếp xúc
bán dẫn pha tạp mạnh gây ra do sự ghép nối hoặc ta có thể cách điện lớp chất điện môi
ở giữa lớp tiếp xúc bán dẫn và lớp phủ kim loại [4,5].
1.3.2 CẤY GHÉP ION
Hiệu quả cách điện của việc cấy ion phụ thuộc vào việc tạo ra các lỗ trống trong
bán dẫn. Các lỗ trống này bắt giữ các hạt tải tự do trong các lớp bán dẫn, điều này làm
giảm tính dẫn điện và tăng điện trở của các lớp.
Để chế tạo các cấu trúc laser diode đa mốt thì cần có sự cách điện của các lớp bán
dẫn pha tạp mạnh (lớp tiếp xúc và lớp vỏ gần lớp tiếp xúc). Vùng này có thể được
cách điện bằng cách cấy ion nông với năng lượng thấp. Độ sâu trung bình và độ dày
của lớp cách điện được xác định bằng loại ion và năng lượng được cấy, lượng cấy này
xác định số lỗ trống và độ cách điện.
Sự phá huỷ rất dễ xảy ra nếu đặt lớp được cấy trong vùng cường độ trường quang
học mạnh, nó tạo nên những điểm ban đầu gây gia tăng sai hỏng, dẫn đến suy biến các
đặc tính của laser diode và cuối cùng làm hỏng thiết bị. Chính vì vậy, tránh sắp đặt
đường cấy thẳng hàng với hướng chính của tinh thể (góc phải lớn hơn 7 độ). Điều này
gây ra do hiệu ứng lập kênh, khi đó các ion được cấy sẽ đi vào giữa các dãy nguyên tử
trong mạng tinh thể, lúc đó độ đâm xuyên gấp 10 lần so với trường hợp khi không xảy
ra hiệu ứng lập kênh. Công nghệ chế tạo laser diode dẫn sóng khuếch đại với sự giúp
đỡ của phương pháp cấy ion được minh hoạ trên hình 1.6.
bước 1
bước 2
bước 3
13

bước 1
bước 2
bước 3
Hình 1.8: Sơ đồ công nghệ chế tạo laser diode dẫn sóng khuếch đại phẳng. Dòng
điện được giam giữ bằng cửa sổ tiếp xúc, được xác định bằng lớp cách điện pha tạp
mạnh GaAs . Cách tốt nhất để sử lý lớp cách điện từ điều kiện tiếp xúc là sử dụng
phương pháp mặt nạ phóng. Lớp cách điện được ngưng tụ ở nhiệt độ thấp khi sử dụng
quá trình phóng.
15

1.3.4 SỬ LÝ CẤU TRÚC MESA
Một cấu trúc cùng loại khác cũng được sử dụng cho việc giam giữ điện-quang đó
là cấu trúc dẫn sóng chiết suất. Trong cấu trúc này, một phần bên ngoài lớp bán dẫn
được giam giữ bằng vật liệu khác có chiết suất thấp hơn. Trường hợp đơn giản nhất là
lớp tiếp xúc và lớp vỏ được khắc mòn. Cấu trúc mesa được làm rất nhỏ cỡ 3-5 µm sao
cho ống dẫn sóng ngoài chỉ có mốt ngoài đơn được tạo ra dễ ràng. Vì thế, cấu trúc này
thường được sử dụng cho laser diode mốt cơ bản. Đối với cấu trúc phức tạp hơn, thì
miền khắc mòn bên ngoài vùng giam giữ được lấp đầy bằng bán dẫn khác loại do lần
cấy ghép thứ hai.
Laser diode với cấu trúc mesa cho công suất cao được chỉ ra trên hình 1.9, là
một trường hợp đặc biệt của ống dẫn sóng đỉnh, bề rộng mặt ngoài cỡ 60-200 µm.
Tính chính xác của kỹ thuật khắc mòn được sử dụng để nghiên cứu điểm dừng tại độ
sâu chính xác bị giảm đi khi so sánh với laser ống dẫn sóng đỉnh. Ưu điểm chính của
cấu trúc mesa là khả năng giam giữ và xác định dòng điện cực tốt, ngoài ra còn có khả
năng giam giữ quang học tốt hơn một chút laser ống dẫn sóng đỉnh. Kết quả mật độ
dòng ngưỡng giảm, bề rộng các đỉnh nhỏ dưới 100 µm.
bước 1
bước 2
bước 3
bước 4

(vàng)-Ge (Giec ma ni) là hiệu quả nhất, Au-Ge được pha trộn theo tỷ lệ hoá học nhất
định (chẳng hạn 88%Au, 12%Ge theo trọng lượng) [6]. Hốn hợp pha tạp này được kết
tủa trên đế GaAs bằng cách bốc bay chùm điện tử.
1.3.6 TỔ HỢP LASER MẢNG CÔNG SUẤT CAO
Một trong những phương pháp phổ biến nhất để tạo công suất ra lớn từ laser
diode đó là tăng bề rộng của vùng phát. Tuy nhiên, nếu bề rộng của phát đơn mốt tăng
thì sẽ gây gia tăng rất mạnh tính không ổn định mốt ngoài. Điều này có nghĩa rằng
công suất quang học sẽ không phân bố đồng nhất dọc theo mặt phát, hay còn gọi là các
khe nóng, gây giảm độ phẩm chất của laser diode. Thực tế, công suất phát của các đỉnh
mốt đơn không thể tăng với các bề rộng đỉnh vượt qua 200µm. Hiện nay, các laser
diode phát đỉnh đơn có bề rộng phát dưới 300µm.
Phương pháp thực tế để tăng công suất ra là tổ hợp khối nhiều nguồn phát
(khoảng 20-70 nguồn) vào bên trong một thanh laser diode. Các nguồn phát này được
cách ly với nhau cả về mặt quang và mặt điện. Mỗi nguồn phát thành phần này sẽ
được điều chỉnh ra với một công suất vừa phải, sao cho chúng không dẫn đến suy giảm
độ phẩm chất của mặt phát. Cộng tất cả công suất của những nguồn phát thành phần,
công suất ra có thể lên tới 100W [7], thời gian sống khoảng 10000 giờ, chiều dài
buồng cộng hưởng là 600µm -1000µm, chiều dài của thanh laser là 10mm, khoảng
cách nguồn phát thành phần khoảng 50µm -200µm. Trên hình 1.11 minh hoạ cho laser
mảng.
Hình 1.11: Sơ đồ một phần của laser mảng, bao gồm các nguồn phát đơn riêng lẻ
quang-điện. Mỗi nguồn phát có một cấu trúc mesa, chiều dài của thanh khoảng
10mm, chiều dài buồng cộng hưởng trong khoảng từ 600-1000
µ
m.
Do công nghệ sử lý các nguồn phát đơn mốt thành phần và laser mảng là giống
nhau, nên việc chế tạo laser thanh chỉ cần thay đổi cách bố trí lớp mặt nạ. Tuy nhiên,
đòi hỏi nhiều yêu cầu đặc biệt trong việc sử lý công nghệ laser thanh gây ra do sự tích
hợp số lượng lớn các nguồn phát thành phần trong thanh diode. Mỗi bước sử lý phải
18

1.3.7.2 THỤ ĐỘNG HOÁ MẶT TÁCH CHIP LASER
Trên hình 1.12 chỉ ra chu trình phản hồi tại các mặt tách của laser diode dẫn đến phá
huỷ bề mặt, kết quả là hỏng linh kiện.
Nguyên nhân hấp thụ ban đầu tại các mặt tách là do các tâm sâu (trạng thái bề mặt)
được nhân lên do sự ôxi hoá của vật liệu bán dẫn tại giao diện bán dẫn-tấm cách điện.
Sự hấp thụ của bức xạ cưỡng bức tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống tái hợp không bức xạ
tại vùng mặt tách. Hiện tượng tái hợp bề mặt không bức xạ gây nóng mặt tách làm cho
độ rộng vùng cấm giảm. Sự giảm độ rộng vùng cấm này làm gia tăng hấp thụ tại các
mặt tách của chíp, hiệu ứng này sẽ được tăng cường bởi mật độ dòng tại mặt tách do
độ rộng vùng cấm giảm [8]. Nếu như năng lượng hấp thụ đủ lớn, thì quá trình tự chống
đỡ xảy ra dẫn đến phá hỏng do nhiệt của mặt tách. Sau đây là một vài phương pháp
tiếp cận thường sử dụng nhằm hạn chế sự phá hỏng mặt tách do nhiệt:
19
• Giảm hấp thụ ánh sáng tới tại mặt tách [9,10]
• Giảm tốc độ tái hợp bề mặt [11,12,13,14]
• Giảm mật độ dòng tại bề mặt [15]
Hấp thụ ánh sáng tại mặt tách
Tạo cặp điện tử- lỗ trống Phá vỡ liên kết
Ôxi hoá bề mặt
Tái kết hợp không bức xạ
Sự nung nóng
Giảm năng lượng vùng cấm
Vòng oxi hoá
Phá huỷ phẩm chất quang học (COD) Vòng COD

Hình 1.12: Sơ đồ các quá trình dẫn đến phá huỷ phẩm chất quang học của các mặt
gương laser.

1.4 CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CHẤT LƯỢNG CHÙM
TIA LASER

20
ε
0
: hằng số điện môi trong không gian tự do
χ(ω): độ cảm môi trường
Dựa vào các phương trình sau:

{ }
( )
{ }
2
0000
2
0000
2
1
000
2/)(1
2/)(1/))(()(
)()()(
nXnn
nXcnk
XXX
r
ir
ωω
ωωωεµωω
ωωω
+=
+==

>0 thì mô tả sự mất mát, X
i
<0 mô tả sự sự khuếch đại.
1.4.2 MẬT ĐỘ CÔNG SUẤT BÃO HOÀ
Trong thực tế, tại những điểm cường độ quang học đóng góp các cực đại địa
phương, thì mật độ hạt tải có cực tiểu địa phương, dẫn đến giảm hệ số khuếch đại và
tăng chiết suất khúc xạ. Đây chính là đặc tính của tương tác phi tuyến giữa chùm laser
và vật liệu bán dẫn để xác định chất lượng chùm tia.
Tính phi tuyến quang học xuất hiện bằng cách đưa hằng số bão hoà khuếch đại
( )
2
0
, Egg
ω
=
vào chiết xuất khúc xạ hiệu dụng:
( ) ( )
0000,0
2/)()( kginn
effeff
ωδωω
Γ+−=
(1.4)
0,eff
n
: là chiết suất phức tại mật độ hạt tải tương ứng với sự trong suốt quang học
δ : là giới hạn thay đổi nhỏ của thông số phản dẫn sóng
Γ : Yếu tố đặc trưng cho khả năng giam giữ quang học theo phương ngang
Hệ số khuếch đại xấp xỉ gần ngưỡng được tuyến tính hoá đơn giản như sau:
( )

sat
sat
(1.6)
Trong đó:
P(x): Công suất quang học.
P
sat
: Mật độ công suất bão hoà.

int
η
: Hiệu suất lượng tử nội.
q: Điện tích của điện tử.
1.4.3 ĐỘ SÁNG, TỶ SỐ STREHL VÀ THÔNG SỐ
2
M
1.4.3.1 ĐỘ SÁNG
Độ sáng của nguồn được định nghĩa là công suất phát trong một đơn vị góc
khối trên một đơn vị diện tích. Nguồn sáng càng sáng thì càng hội tụ tốt và truyền
được khoảng cách càng xa. Độ sáng của nguồn được xác định như sau:
dw
P
dw
P
I
yx
yx
λ
θ
λ

1.4.3.2 TỶ SỐ STREHL
Tỷ số Strehl được định nghĩa như là phép đo định lượng hiệu suất của chùm tia
laser. Ta đã biết cường độ trường xa I(x,y,z) của một laser tỷ lệ thuận với bình phương
chuyển đổi Fourier của biên độ trường gần E(x,y).

( ) { }
( )
2
2
2
exp),(
1
),,( ydxdyyxx
z
i
yxE
z
zyxI
′′′
+
′
−
′′′
=
∫∫
λ
π
λ
(1.8)
Tỷ số Strehl của chùm laser tỷ lệ thuận với cường độ trường xa trên trục

Có nhiều phương pháp để xác định tỷ số Strehl như: công suất qua một khe được giới
hạn nhiễu xạ, tích phân mẫu trường xa qua góc nhiễu xạ được giới hạn, công suất được
liên kết trong một sợi quang đơn mốt.
1.4.3.3 THÔNG SỐ
2
M
Một phép đo định lượng khác xác định chất lượng chùm tia đã được đưa ra gần
đây bởi Siegman đó là yếu tố
2
M
. Đại lượng này nói lên mối liên hệ phân kỳ của
chùm laser thực trong trường xa với kích thước eo của trường gần và có một giá trị
giới hạn đơn vị cho trường hợp lý tưởng của một chùm Gaussian. Đối với các chùm
thực bất kỳ, biến số
x
σ
của công tua cường độ được tiêu chuẩn hoá I(x, y, z):
( ) ( )
dxdyzyxIxxz
x
),,(
2
2
∫∫
−=
σ
(1.11)
x
: là vị trí có nghĩa theo hướng x. Nếu I(x,y,z) là một chùm Gaussian, thì độ rộng khe
Gaussian có thể được xác định theo biến của nó như sau:

Khai triển kích thước chùm dạng Gaussian:
( )
2
0
2
2
2
0
42
0
2
)(
W
zzMWzW
π
λ
−+=
(1.14)
Trong đó:
1;4
2
00
2
>= MM
sx
σπσ

Đối với chùm Gaussian
πσσπϖσ
4/1

λ
(1.15)
Chúng ta có thể giải thích
2
M
như là số lần giới hạn nhiễu xạ của sự phân kỳ chùm
tia.Vì thế hình thức luận
2
M
đưa ra cách xác định chính xác chất lượng chùm tia mà
có thể được sử dụng để đặc trưng cho các tính chùm laser như: sự biến dạng, hoạt
động đa mốt và tính kết hợp không gian theo một số đơn giản.
1.5 MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT CỦA LASER DIODE
CÔNG SUẤT CAO
Laser bán dẫn khác với các hệ laser khác, thay vì mật độ nghịch đảo là điều
kiện cần thiết để tiến đến ngưỡng laser, mà bơm dòng điện vào trong vùng hoạt chất.
Trái ngược với laser rắn, laser màu và laser khí sử dụng nguồn bơm quang học như
đèn plash hoặc các loại laser khác. Công suất ra của laser được đặc trưng bởi đường
cong P-I phụ thuộc dòng nuôi. Sau đây chúng tôi đưa ra một số đặc trưng công suất ra
của laser bán dẫn công suất cao [16]:
1.5.1 ĐẶC TRƯNG CÔNG SUẤT PHỤ THUỘC VÀO DÒNG BƠM
Đặc trưng công suất phát laser diode phụ thuộc vào dòng bơm được cho như sau
(Yariv, 1985):

( )








−=
21
21
1
ln2
11
ln
RR
l
RR
IIP
thiout
α
η
(1.16)
Trong đó
R
1
&R
2
: là hệ số phản xạ hai gương (mặt tách) của buồng cộng hưởng
I
th
: Mật độ dòng ngưỡng laser.
24
α : Hệ số mất mát
i
η



∆
=∆+
0
exp
T
T
TITTI
thth
(1.17)
Trong đó:
I
th
(T): là dòng ngưỡng tại nhiệt độ T
I
th
(T+∆T): là dòng ngưỡng tại nhiệt độ T+∆T
T
0
: là nhiệt độ đặc trưng cho laser
Từ công thức (1.17) ta thấy rằng khi nhiệt độ của chíp laser tăng thì dòng bơm
ngưỡng cho laser cũng tăng theo.
1.5.3 SỰ UỐN CONG ĐƯỜNG ĐẶC TRƯNG (P-I) DO NHIỆT
Sự uốn theo nhiệt độ như được vẽ trên hình 1.15, đồ thị nêu ra sự giảm chậm dần
của hiệu suất gây ra do tăng dòng bơm, dẫn đến làm tăng dòng tiếp xúc ohmic (mất
dòng ở mức cao). Tăng tiếp xúc ohmic làm hạn chế sự tăng nhiệt độ của miền hoạt
chất, điều này gây suy giảm hiệu suất. Kết thúc dẫn đến trạng thái bão hoà và giảm
25
công suất đầu ra quang học cùng với sự tăng dòng. Nguyên nhân chủ yếu của suy giảm

huỷ không thuận nghịch của các mặt gương phản xạ gây ra do mật độ công suất quang
học cao. Khi công suất quang lớn, sẽ xảy ra nóng chảy cục bộ những gương này, điều
đó được giải thích như sau: để công suất ra lớn thì cần phải phun dòng điện lớn vào
miền tích cực. Khi dòng phun lớn, sẽ làm tăng sự tái hợp của các cặp điện tử- lỗ trống,
dẫn đến làm tăng tâm tái hợp bề mặt tại mặt tách tinh thể, sự suy giảm của các hạt tải
tích điện liên kết gây ra vùng hoạt chất gần mặt tách trở nên hấp thụ bước sóng laser,
kết quả là nhiệt độ ở miền tích cực tăng lên. Tại một số thông lượng quang học tới hạn,
nhiệt đủ để gây ra sự co trong khe dải địa phương dẫn đến sự gia tăng hấp thụ quang
học. Khi nhiệt độ tiến tới điểm nóng chảy của vật liệu thì bề mặt tách bị phá huỷ, sự
giảm đột ngột của hệ số phản xạ gây ra laser ra bị phá huỷ không thuận nghịch (COD).
P
COD
0
I
Hình 1.17: Sự phá huỷ phẩm chất quang học không thuận nghịch
1.5.6 TUỔI THỌ CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO
Một trong những hạn chế của laser bán dẫn công suất cao là tuổi thọ, nó có mối
quan hệ mật thiết với công suất ra quang học. Chẳng hạn, một laser diode có thể cho
công suất rất cao nhưng lại tắt lịm trong vài giờ sau đó, nhưng nếu công suất ra thấp
hơn thì thời gian sống có thể lên tới vài nghìn giờ
Thời gian sống của laser bán dẫn là một yếu tố quan trọng để xác định cách
thức thiết kế ban đầu. Thời gian sống của laser bán dẫn nói chung và của bán dẫn công
suất cao nói riêng được xác định bằng: mất mát nhiệt, ứng suất nhiệt, mật độ dòng điện
và mật độ công suất tại mặt tách tinh thể. Tất cả các thông số này phụ thuộc vào cấu
trúc dẫn sóng, cấu hình cộng hưởng, trở nhiệt và được điều chỉnh thiết kế phụ thuộc
vào các ứng dụng cụ thể.
27