ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA
TAPER LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO VÙNG 670nm

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

THÁI NGUYÊN – 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA
TAPER LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO VÙNG 670nm

Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8440110

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Quốc Tiến

THÁI NGUYÊN - 2018



bên tôi, động viên và khích lệ tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của
mình.
Thái Nguyên, ngày 12 tháng 5 năm 2018

Nguyễn Minh Tuấn


MỤC LỤC
DANH MỤC VIẾT TẮT.....................................................................................

i

DANH MỤC HÌNH............................................................................................. ii
DANH MỤC BẢNG........................................................................................... iii
MỞ ĐẦU.............................................................................................................

1

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÁC LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT
CAO PHÁT XẠ VÙNG SÁNG ĐỎ.................................................................... 3
1.1. Các vấn đề cơ bản về laser bán dẫn.............................................................. 3
1.1.1. Sự phát xạ và hấp thụ trong bán dẫn...................................................

3

1.1.2. Cấu trúc dị thể và các thành phần của laser bán dẫn........................... 5
1.1.3. Khuếch đại quang và ngƣỡng phát laser.............................................. 8
1.1.4. Laser bán dẫn dị thể và laser giếng lƣợng tử....................................... 11
1.2. Laser bán dẫn công suất cao......................................................................... 13
1.2.1. Laser bán dẫn buồng cộng hƣởng rộng (LOC).................................... 13

2.3.2. Đặc trƣng P-I...................................................................................... 26
26
2.4. Kỹ thuật đo phổ phát xạ của laser bán dẫn công suất cao............................. 26
26


2.5. Phƣơng pháp khảo sát tính chất chùm tia của laser taper............................. 27
28
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN VÀ
THẢO LUẬN...................................................................................................... 30
3.1. Tính chất quang điện của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng
bƣớc sóng 670 nm................................................................................................ 30
31
3.1.1. Đặc trƣng dòng thế (I-V).................................................................... 30
30
3.1.2. Đặc trƣng công suất phát xạ phụ thuộc dòng bơm (P-I)..................... 31
31
3.1.3. Hiệu suất độ dốc và hiệu suất biến đổi điện quang............................ 33
33
3.1.4. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ lên các đặc trƣng quang
điện....................................................................................................................... 34
3.2. Tính chất phổ phát xạ của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng
670nm.............................................................................................................................. 36
36
3.2.1. Phổ phát xạ của laser.......................................................................... 36
36
3.2.2. Sự phụ thuộc vào dòng bơm của phổ phát xạ..................................... 37
38
3.2.3. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của phổ phát xạ........................................ 38
39

MQW

Multi Quantum Well

Đa giếng lƣợng tử

LOC

Large Optical Cavity

Buồng cộng hƣởng rộng

LED

Light Emitting Diode

Ánh sáng phát ra từ diode

Separate-Confinement

Dị chuyển tiếp giam giữ

Heterostructure

tách biệt

Thermoelectric Cooler

Bộ làm lạnh nhiệt điện


cho các mật độ hạt tải khác nhau tiêm vào lớp tích cực InGaAsP........................

9

Hình 1.7: Đặc trưng I-V của laser bán dẫn........................................................... 15
Hình 1.8: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm của laser bán dẫn công

suất cao.................................................................................................................. .......................
15
Hình 2.1: Cấu trúc epitaxy của chip laser bán dẫn 670 nm................................. 19
19
Hình 2.2: Mô hình chíp laser được hàn trên đế đồng........................................... 20
20
Hình 2.3 : Cấu trúc Taper, với L1 là độ dài phần tạo dao động, L2 chiều dải của
Taper, w1 độ rộng vùng tạo dao động.......................................................................21
21
Hình 2.4 : Một số cấu hình đóng gói laser taper................................................... 21
Hình 2.5: Nguồn nuôi laser ITC4005.................................................................... 23
23
Hình 2.6: Pin nhiệt điện......................................................................................... 23
Hình 2.7: Hệ thống làm lạnh bằng thiết bị nhiệt điên Peltier............................... 24
24
Hình 2.8: Sơ đồ phương pháp đo đặc trưng I-V của Laser................................... 26
26
Hình 2.9: Sơ đồ đo phổ của laser.......................................................................... 27
27
Hình 2.10: Máy phân tích phổ quang Advantest Q8384 OSA............................... 27
Hình 2.11: Phương pháp đo độ rộng cổ chùm tia, sử dụng kỹ thuật quét khe
hẹp.......................................................................................................................... 28
Hình 2.12: Dịch chuyển khe để đo phân bố mật độ công suất.............................. 28

nhau........................................................................................................................ 40
Hình 3.13: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 4o................................... 41
Hình 3.14: Phân bố cường độ công suất theo vị trí cổ chùm................................ 42


iii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Giá trị giới hạn của laser taper ...............................................................
2121
Bảng 2.2: Thông số hoạt động tối ưu của laser taper..............................................
2122
Bảng 2.3: thông số kỹ thuật của laser teper ở 250C.................................................
2222
Bảng 3.1: Dòng ngưỡng phụ thuộc theo nhiệt độ của LD taper 30.................... 34
Bảng 3.2: Hiệu suất độ dốc phụ thuộc theo nhiệt độ của LD taper 4o ...................
3637
Bảng 3.3: Các giá trị đỉnh phổ theo dòng hoạt động của laser taper 40............. 37
Bảng 3.4: Sự phụ thuộc đỉnh phổ theo nhiệt độ của laser cấu trúc taper 4o....... 39
Bảng 3.5: Các thông số chùm của laser taper cấu trúc 3o và 4o ........................ 42


MỞ ĐẦU
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là thiết bị
tạo ra chùm ánh sáng có cƣờng độ mạnh có tính đơn sắc, kết hợp và có tính chuẩn
trực cao. Bƣớc sóng (màu sắc) của ánh sáng laser là ánh sáng đơn sắc khi đƣợc so
sánh với những nguồn sáng khác, và tất cả photon (lƣợng tử) tạo nên chùm laser có
mối quan hệ về pha cố định (tính kết hợp cao). Ánh sáng laser có tính phân kỳ thấp,
có thể đi qua một khoảng cách lớn hoặc có thể đƣợc tập trung tới một điểm sáng rất
nhỏ với cƣờng độ sáng rất lớn. Do có những tính chất quí báu này, laser đƣợc sử
dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống.

khác nhau. Hiệu suất ghép nối bức xạ laser với sợi quang đƣợc tính từ sự phân bố
mật độ công suất của laser. Các đặc trƣng phổ quang, độ rộng cổ chùm tia đƣợc
khảo sát nhằm mục đích tính toán hệ số truyền chùm tia M2.`
Việc nghiên cứu các tính chất đặc trƣng cơ bản nhƣ là P-U-I, đặc trƣng phổ,
phân bố trƣờng xa, độ rộng cổ chùm, hệ số truyền chùm M 2 của laser bán dẫn taper
có ý nghĩa quan trọng trong ứng dụng, đặc biệt là thiết kế quang cho các mục đích
sử dụng khác nhau: Các tính chất đặc trƣng của laser đƣợc đo đạc, tính toán đối với
laser bán dẫn cấu cấu trúc taper có góc mở 3o hoặc 4o. Các kết quả nghiên cứu đƣợc
trình bày trong ba chƣơng của luận văn nhƣ sau:
Chƣơng 1. Tổng quan về các laser bán dẫn công suất cao phát xạ vùng sóng
đỏ.
Chƣơng 2. Kỹ thuật thực nghiệm.
Chƣơng 3. Kết quả khảo sát các đặc trƣng cơ bản và thảo luận.

2


CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÁC LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO
PHÁT XẠ VÙNG SÁNG ĐỎ
1.1. Các vấn đề cơ bản về laser bán dẫn
1.1.1. Sự phát xạ và hấp thụ trong bán dẫn
Trong điều kiện bình thƣờng, hầu hết các loại vật liệu đều hấp thụ ánh sáng
nhiều hơn là phát xạ. Hình 1.1 mô tả một quá trình hấp thụ ánh sáng, trong đó E 1 và
E2 tƣơng ứng với mức năng lƣợng nền và mức năng lƣợng kích thích của các
nguyên tử trong môi trƣờng hấp thụ. Nếu một photon có năng lƣợng h với  là tần
số của ánh sáng đến đúng bằng với độ lệch năng lƣợng E g = E2 – E1 thì năng lƣợng
của photon sẽ bị hấp thụ bởi nguyên tử, kết quả là nguyên tử đang ở trạng thái mức
năng lƣợng nền sẽ đƣợc chuyển lên trạng thái mức năng lƣợng kích thích. Ánh
sáng tới bị suy hao đi do quá trình hấp thụ.
Thông thƣờng, các nguyên tử tồn tại bền vững hơn ở mức năng lƣợng nền,

(1.2)

với kB là hằng số Bolztmann và T là nhiệt độ tuyệt đối. Bởi vì N1 và N2 không đổi
theo thời gian trong điều kiện cân bằng nhiệt nên tốc độ chuyển mức là bằng nhau
AN2 + BN2 ρem = B’ N1 ρem

(1.3)

Thay (1.2) vào (1.3), hàm mật độ phổ ρem trở thành
ρem =

A/ B
( B ' / B ) exp( h / k BT )  1

(1.4)

Trong điều kiện cân bằng nhiệt, 𝜌𝑒𝑚 là đồng nhất với mật độ phổ của phát xạ
blackbody đƣa ra bởi công thức Plank
8h 3 / c 3
ρem = exp(h / k BT )  1

(1.5)

So sánh hai biểu thức (1.4) và (1.5) rút ra đƣợc mối quan hệ sau
A = (8πhc3)B; B’ = B

(1.6)

Hai kết luận quan trọng có thể đƣợc rút ra qua các biểu thức từ (1.1) đến
(1.6). Thứ nhất, Rspon có thể vƣợt quá cả Rstim và Rabs nếu 𝑘𝐵𝑇 > h𝜐, tức là trong

loại p với chiết suất cao hơn.

Hình 1.2: Chuyển tiếp cấu trúc dị thể kép được phân cực thuận
Để thu đƣợc mật độ photon cao trong laser bán dẫn, dẫn sóng quang đƣợc
tạo ra để giam giữ các photon trong miền tích cực của linh kiện. Hơn nữa, một
buồng cộng hƣởng quang, hầu hết là Fabry-Perot, đƣợc sử dụng để tăng mật độ
photon trong buồng cộng hƣởng. Một laser bán dẫn có thể dùng nhƣ một bộ dao
động quang bao gồm một môi trƣờng khuếch đại và một buồng cộng hƣởng để tạo
ra sự khuếch đại hồi tiếp.
1.1.2. Cấu trúc dị thể và các thành phần của laser bán dẫn
Trong lớp chuyển tiếp p - n các hạt tải điện không đƣợc giam giữ tại vùng
5