ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
TỐNG QUANG CÔNG

NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG CHÙM TIA LASER
BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO CẤU TRÚC GIẾNG LƯỢNG TỬ
VÀ MODULE LASER PHÁT Ở BƯỚC SÓNG 670 nm LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG CHÙM TIA LASER
BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO CẤU TRÚC GIẾNG LƯỢNG TỬ
VÀ MODULE LASER PHÁT Ở BƯỚC SÓNG 670 nm Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nanô
Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Vũ Doãn Miên
2.2. Phương pháp đo các đặc trưng của Laser bán dẫn công suất cao 29
2.2.1. Đặc trưng I-V , P-I 29
2.2.2. Đặc trưng phổ 30
2.2.3. Đặc trưng Phân bố trường xa 30
2.3. Kỹ thuật ghép nối module laser 670nm với sợi quang đa mốt 31
2.4. Phương pháp đo hệ số M
2
33
2.4.1. Phương pháp khe hẹp (slit method) 33
2.4.2. Thừa số truyền chùm M
2
34
Chương - 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. 35
3.1. Các đặc trưng cơ bản của của laser bán dẫn BA và laser bán dẫn Taper 35
3.1.1. Đặc trưng I-V của laser bán dẫn công suất cao 670 nm 35
3.1.2. Đặc trưng Công suất quang phụ thuộc dòng bơm 36
3.1.3. Phổ quang của laser bán dẫn 670nm 39
3.1.4. Phân bố trường xa 44
3.2. Hiệu suất ghép nối Laser 670 nm với sợi quang đa mốt 48
3.3. Chất lượng chùm tia của laser 670nm. 51
3.3.1. Độ rộng cổ chùm (beam waist) 51
3.3.2. Thừa số truyền chùm M
2
51
KẾT LUẬN 53
Các bài báo đã công bố 55
Tài liệu tham khảo 56

o
43
Bảng 3.6: sự phụ thuộc đỉnh phổ theo nhiệt độ của laser cấu trúc Taper 4
o
44
Bảng 3.7:Thông số kỹ thuật của loại sợi quang đa mode được sử dụng 48
Bảng 3.8: Các thông số chùm của laser BA và các laser Taper cấu trúc 3
o
và 4
o
52

iii Danh mục hình
Hình 1.1: Cấu trúc vùng E(k) cuả các điện tử trong bán dẫn vùng cấm thẳng. Vùng dẫn
cách vùng hóa trị một khe năng lượng E
g
4
Hình 1. 2: Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng trong vật liệu bán dẫn 6
Hình 1.3: Chuyển tiếp p-i-n cấu trúc dị thể kép được phân cực thuận 10
Hình 1.4: Sự giam giữ của các hạt tải điện (điện tử, lỗ trống) và điện trường (photon) 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 12
Hình 1.5: một sóng đứng có m=7 trong buồng cộng hưởng Fabry-Perot với chiều dài

cm
-3
. Do mật độ trạng thái
D(E) trong giếng lượng tử cao, điểm cực đại của đường cong khuếch đại gần như không
dịch theo bước sóng. Tại mật độ điện tử cao hơn, các chuyển mức gây bởi vùng con thứ
hai của giếng lượng tử đóng góp vào sự khuếch đại (tạo ra cực đại thứ hai) [8] 20
iv Hình 1.12: Các cấu trúc thẳng đứng khác nhau cho sự giam giữ riêng biệt của hạt tải điện
và mốt quang. Đồ thị diễn tả năng lượng vùng cấm phụ thuộc vào vị trí theo trục thẳng
đứng 21
Hình 1.13: Cấu trúc laser công suất cao điển hình 22
Hình 1.14: Cấu trúc dẫn sóng thẳng đứng, và sự tính toán phân bố cường độ trường gần
cho laser bán dẫn 23
Hình 1.15: Phân bố mật độ công suất của các dạng chùm tia 26
Hình 2.1 : Cấu trúc các lớp của laser phát ở vùng sóng 670 nm 27
Hình 2.2 : Cấu trúc Taper, với L
1
là độ dài phần tạo dao động, L
2
chiều dải của Taper, w
1

độ rộng vùng tạo dao động 28
Hình 2.3: Sơ đồ phương pháp đo đặc trưng I-V-P của Laser 29
Hình 2.4: Sơ đồ đo phổ của laser 30
Hình 2.5: Sơ đồ minh họa phương pháp đo phân bố trường xa 31
Hình 2.10: Minh họa các thông số cơ bản của chùm tia 34
Hình 3.1: Đặc trưng I-V của laser Taper FBHCO15761 35

Hình 3.13: Phân bố trường xa của laser cấu trúc Taper 3o tại các nhiệt độ khác nhau 46
Hình 3.14: Phân bố trường xa của laser cấu trúc Taper 4
o
47
Hình 3.15: Phân bố trường xa của module laser 48
Hình 3.16: a) Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm của LD và module LD 49
b) Sự phân bố thành phần công suất theo góc 49
Hình 3.17: Mô phỏng chùm sáng laser ghép với sợi quang kích thước 400

m, ứng với
các khẩu độ số khác nhau của laser cấu trúc Taper (a, b, c)và laser cấu trúc dải rộng (BA)
(d, e, f) 50
Hình 3.18: Phân bố cường độ công suất theo vị trí cổ chùm 51

1 MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây laser bán dẫn công suất cao phát ở các bước sóng
khác nhau trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại gần được nghiên cứu trong nhiều
phòng thí nghiệm về quang tử trên thế giới cũng như đang được triển khai ứng
dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như phục vụ nghiên cứu khoa học, trong công
nghiệp, y tế và an ninh quốc phòng.
Laser bán dẫn công suất cao cấu trúc giếng lượng tử phát ở vùng ánh sáng đỏ
được quan tâm nghiên cứu nhiều do những ứng dụng to lớn mà nó mang lại. Ví dụ
laser rắn (Cr:LiSAF) phát xung femto giây có thể được bơm bởi laser bán dẫn phát
trong vùng 650nm tới 740nm [5]. Trong tương lai thị trường laser đỏ (630nm tới
640nm) phục vụ cho công nghệ trình chiếu là rất lớn. Một ứng dụng khác với tiềm
năng to lớn có thể thấy trước được đó là ứng dụng trị liệu trong y học [3,6].
Các laser bán dẫn công suất cao hiện nay được chế tạo chủ yếu trên cơ sở

khác nhau, nhiệt độ hoạt động khác nhau. Hiệu suất ghép nối bức xạ laser với sợi
quang được tính từ sự phân bố mật độ công suất của laser. Các đặc trưng phổ
quang, độ rộng cổ chùm tia được khảo sát nhằm mục đích tính toán hệ số truyền
chùm tia M
2
.`
Việc đo đạc các tính chất đặc trưng cơ bản như là P-U-I, đặc trưng phổ, phân
bố trường xa, độ rộng cổ chùm, hệ số truyền chùm M
2
của laser bán dẫn có ý nghĩa
quan trọng trong thiết kế các hệ thống tạo chùm tia cho các mục đích sử dụng khác
nhau như là:
 Tạo ra một chùm tia song song với đường kính chùm xác định
 Tạo ra một chùm tia hội tụ với đường kính cổ chùm xác định
 Tạo ra chùm tia có góc phân kỳ nhất định
 Thay đổi hướng, vị trí của chùm tia theo phương vuông góc với hướng
lan truyền của chùm tia.
 Tạo ra ảnh phóng đại ở một vị trí xác định
Các tính chất đặc trưng của laser được đo đạc, tính toán đối với cả hai loại
laser bán dẫn cấu trúc BA và cấu trúc Taper có góc mở 3
o
hoặc 4
o
. Các kết quả
nghiên cứu được trình bày trong ba chương của luận văn như sau:
Chương 1: Nêu ra các nguyên lý cơ bản của laser diode và tính chất chùm tia laser.
Chương 2: Trình bày phương pháp kỹ thuật thực nghiệm để đo và tính toán các
thông số cơ bản của laser bán dẫn.
Chương 3: Trình bày các kết quả đo các đặc trưng và tính toán các thông số của
laser công suất cao vùng ánh sáng 670nm có cấu trúc BA và cấu trúc Taper.

/2

k
và hằng số
Planck =6.582173x10-16eVs, trong đó

là bước sóng. Vậy đối với một điện tử tự
do ta có sự phụ thuộc của năng lượng vào số sóng là




0
22
2/)( mkkE � . Trong bán
dẫn các mức năng lượng của điện tử trong vùng dẫn E
c
(k) và trong vùng hóa trị
E
v
(k) có số sóng k nhỏ được biểu diễn như sau [6]:
.
2
)( ,
2
)(
2222
h
v
e

phải được bảo toàn. Do giá trị cao
4 của tốc độ ánh sáng scmc /10997925,2
10
 , momen lượng tử của các photon
cEck
ph
/



�� cho mức năng lượng
ph
E trong khoảng 0,5-2,5eV có thể được bỏ
qua khi so sánh với mômen lượng tử của các hạt tải điện. Bởi vậy một chuyển mức
bức xạ giữa một điện tử trong vùng dẫn với năng lượng )(
22
kE và một lỗ trống
trong vùng hóa trị với năng lượng


11
kE dưới dạng phát xạ hoặc hấp thụ một
photon chỉ có thể xảy ra ở cùng một số sóng
k
.
,
12

khác nhau; bởi vậy tái hợp vùng
5 – vùng chỉ có thể xảy ra với sự tham gia của phonon hoặc các bẫy. Xác xuất tái hợp
với sự tham gia của nhiều hạt là rất nhỏ và thông thường các tái hợp này là không
bức xạ, vì vậy các bán dẫn vùng cấm xiên là không phù hợp cho việc chế tạo laser
bán dẫn.
Trong trạng thái cân bằng nhiệt ở nhiệt độ
T
, xác xuất có một trạng thái với
năng lượng
E
được chiếm giữ bởi một điện tử được diễn tả bởi hàm Fermi


TEf , .
 
1exp
1
,












kE
1
và


kE
2
vì sự chuyển mức chỉ có thể xảy ra ở cùng véc tơ sóng
k
như
trong hình 1.1. Trong bán dẫn có ba dạng của bức xạ vùng – vùng được minh họa
trong hình 1.2. Quá trình thứ nhất được gọi là phát xạ tự phát, ở đó sự tái hợp của
cặp điện tử - lỗ trống dẫn đến sự phát xạ của một photon. Đây là quá trình chiếm ưu
thế trong đi ốt phát quang LEDs (Light – Emitting Diodes). Sự phát xạ của photon
có hướng, pha, thời gian ngẫu nhiên làm cho bức xạ không có tính kết hợp. Vì quá
trình này phụ thuộc vào sự tồn tại của một điện tử ở mức
2
E và một lỗ trống ở mức
1
E , tốc độ chuyển mức cho phát xạ tự phát
sp
R tỉ lệ với sự tạo ra mật độ điện tử ở
2
E và mật độ lỗ trống ở
1
E . Mật độ điện tử ở mức năng lượng
2
E là tích của mật độ











TEfEDTEfEADR
sp
,1,
1122
 (1.4)
Với
A
là hằng số tỉ lệ cho phát xạ tự phát.
6
Hình 1. 2: Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng trong vật liệu bán dẫn

Sự hấp thụ, cũng được gọi là hấp thụ kích thích, là quá trình thứ hai minh họa
trong hình 1.2. Một photon được hấp thụ và một cặp điện tử - lỗ trống được phát
sinh. Đây là một quá trình ba – hạt và tốc độ chuyển mức
12
R bởi vậy tỉ lệ với sự tạo
ra của ba mật độ hạt: thứ nhất, mật độ trạng thái không chiếm giữ

�












TEfEDTEfEDBR ,1,
22111212


� (1.5)
12
B là hằng số tỉ lệ cho hấp thụ kích thích.
Quá trình thứ ba là phát xạ kích kích. Một sự tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống
được kích thích (hay cảm ứng) bởi một photon và một photon thứ hai được sinh ra
đồng thời có cùng hướng và pha như photon thứ nhất. Quá trình này có thể được sử
dụng để khuếch đại bức xạ quang, vì các photon được phát ra hoàn toàn giống
photon kích thích về tần số, pha, phân cực và hướng, kết quả là ta có phát xạ có
tính kết hợp. Nguồn ánh sáng dựa trên quá trình phát xạ này cùng với thành phần
phản hồi quang (ví dụ buồng cộng hưởng Fabry-Perot) được gọi là laser, viết tắt
của “light amplification by stimulated emission of radiation”. Tương tự với hấp thụ
kích thích (1.5), tốc độ chuyển mức
21

2112
(1.7)
Sử dụng (1.4), (1.5) và (1.6) cho tốc độ ,
sp
R
12
R , và
21
R tương ứng, ta được


 






   
 
,
,1,
,1,
12
21
12
21
TEfTEf
TEfTEf
B







TEf
TEf
TEfTEfTEf
TEfTEfTEf
B
A
B
B

�
(1.9)
Mật độ photon



� trong cân bằng nhiệt không phụ thuộc vào hàm cụ thể của
mật độ trạng thái


ED , đưa vào hàm Fermi


TEf , từ (1.3) và mối liên hệ
12



Tk
Tk
EE
Tk
EE
B
A
B
B
B
B
F
B
F


�
�
exp
exp
exp
1
1
2
1212
21
, (1.10)
2112
 
dv
Tk
hv
c
vhn
dvvu
B
1exp
18
3
33











(1.12)
8 Chia mật độ năng lượng

 





�
�
�
�
�� d
Tk
c
n
d
B
1exp
1
332
2
3











TEf
c
, và cho lỗ trống trong vùng hóa trị


TEf
v
, .
 
,
1exp
1
,











Tk
EE
TEf
B
F

E và
v
F
E được sử dụng cho phân bố hạt tải trong vùng dẫn và trong vùng
hóa trị. Trạng thái không cân bằng có thể được mô tả bằng cách thay thế




TEfTEf
v
,,
11
 và




TEfTEf
c
,,
22
 . Để xác định một sóng quang với năng
lượng lượng tử

�
được hấp thụ hoặc khuếch đại bởi phát xạ kích thích, thương số
của tốc độ
12
R và
































�
exp
exp
exp
1
,
1
1
,
1
,,,
,,,
,1,
,1,
1
2
1
2
212
211
12
21
21
12
(1.16)

Một lần nữa kết quả không phụ thuộc vào mật độ của trạng thái cụ thể


ED

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
như trong hình 1.3. Vì lý do này, laser bán dẫn được bơm bằng điện cũng được gọi
là laser diode.
Tất cả các laser diode bán dẫn sử dụng cấu trúc p-i-n dị thể kép phân cực thuận
để đạt được sự đảo mật độ hạt tải một cách dễ dàng. Trong dạng cấu trúc này, một
lớp bán dẫn không pha tạp với vùng cấm thẳng được kẹp giữa vật liệu pha tạp loại
n và loại p với chiết suất cao hơn.

10
Hình 1.3: Chuyển tiếp p-i-n cấu trúc dị thể kép được phân cực thuận

Để đánh giá tỉ lệ giữa số các hạt tải tái hợp bằng phát xạ kích thích và phát xạ tự
phát, tỉ lệ giữa các tốc độ
21
R và
sp
R được tính toán sử dụng công thức (1.4), (1.6),
(1.14).
 
 
 






� cần phải cao hơn để laser có năng lượng photon

�
cao đạt được sự
dập tắt của phát xạ tự phát. Để thu được mật độ photon cao trong laser bán dẫn, dẫn
sóng quang được tạo ra để giam giữ các photon trong miền tích cực của linh kiện.
Hơn nữa, một buồng cộng hưởng quang, hầu hết là Fabry-Perot, được sử dụng để
tăng mật độ photon trong buồng cộng hưởng. Một laser bán dẫn có thể dùng như
một bộ dao động quang bao gồm một môi trường khuếch đại và một buồng cộng
hưởng để tạo ra sự khuếch đại hồi tiếp. Dẫn sóng và buồng cộng hưởng cho laser
bán dẫn công suất cao được bàn luận chi tiết hơn trong các mục tiếp theo.
1.1.2. Các thành phần cơ bản của laser bán dẫn
Laser bán dẫn phải được cấu thành từ các thành phần không thể thiếu dưới đây:
 Một môi trường tạo ra sự khuếch đại quang bởi phát xạ kích thích.
11  Một dẫn sóng quang để giam giữ các photon trong miền tích cực của linh
kiện.
 Một buồng cộng hưởng tạo ra sự hồi tiếp quang.
 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.
Môi trường khuếch đại quang bao gồm lớp tích cực là bán dẫn vùng cấm thẳng
không pha tạp, được đưa vào giữa các lớp bán dẫn pha tạp loại p và loại n có độ
rộng vùng cấm lớn hơn. Khi lớp chuyển tiếp p-i-n này được phân cực thuận, các
điện tử và lỗ trống được đưa vào miền tích cực và sự khuếch đại quang bởi phát xạ
kích thích có thể xảy ra. Hơn nữa, cấu trúc hàng rào dị thể kép giúp việc giam giữ

công suất cao. Hình 1.5 chỉ ra buồng cộng hưởng loại này bao gồm hai gương cách
nhau một khoảng L, vật liệu tích cực laser có chiết suất hiệu dụng n
eff
. Khoảng
cách giữa hai mốt dọc là
eff
n2
0

với
0

là bước sóng trong chân không. Buồng
cộng hưởng tạo ra sự hồi tiếp khi một sóng đứng sinh ra giữa hai gương. 12
Hình 1.4: Sự giam giữ của các hạt tải điện (điện tử, lỗ trống) và điện trường (photon) 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

, , , m
n

laser chuyển tiếp dị thể vùi.
1.1.3. Khuếch đại quang và điều kiện ngưỡng
Khi đi qua một vật liệu hấp thụ theo hướng z, cường độ
J
của sóng quang
phẳng giảm theo hàm mũ:




zJzJ

 exp
0
, (1.20)
Với
0
J là cường độ ban đầu và

là hệ số hấp thụ. Trong laser bán dẫn sự khuếch
đại quang đạt được trong vật liệu lớp tích cực. Trong trường hợp này, sự tăng theo
hàm mũ của cường độ sóng quang có thể được diễn tả bởi một giá trị âm của

tương ứng với hệ số khuếch đại quang



g
. Trong dẫn sóng quang, chỉ một
phần cường độ của mốt quang nằm trong vùng tích cực mà thông thường nằm ở

thể có độ dày miền tích cực
d
. Mối liên hệ giữa hệ số khuếch đại mode
almod
g và hệ
số khuếch đại vật liệu
g
được xác định bởi hệ số giam giữ

. Hệ số này phụ thuộc
vào sự chồng phủ của mốt quang với vùng khuếch đại (vùng tích cực) của laser.
,
almod
gg 
 
 







dxxJ
dxxJ
d
d
2
2/
(1.21)

do là không thể tránh được vì phần mốt quang vượt ra ngoài miền vỏ pha tạp loại n
và pha tạp loại p. Khi sự khuếch đại mode
g

lớn hơn mất mát mode thuần
i

mốt
quang truyền được khuếch đại.
Trong linh kiện laser, dẫn sóng quang được kết hợp với buồng cộng hưởng
Fabry-Perot có hai gương phản xạ
1
R và
2
R . Một phần cường độ quang thoát ra
ngoài buồng cộng hưởng ở mặt gương và tạo thành chùm laser ra. Như minh họa
16 trong hình 1.8, cường độ
rt
J của mốt quang sau một chu trình đi về trong buồng
cộng hưởng là




LgRRJJ
irt




LgRR
ith

 2exp1
21
,
.
1
ln
2
1
21
mirroriith
RRL
g











(1.24)
Ở ngưỡng laser sự khuếch đại mode