I. Giới thiệu chung
Trong bối cảnh công nghệ hiện đại, laser bán dẫn công suất lớn đã trở thành một trong những thiết bị quan trọng nhất trong nhiều lĩnh vực. Với những ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao và khả năng tiêu thụ điện năng thấp, hệ laser này đang dần chiếm lĩnh thị trường. Theo dự báo, doanh thu từ công nghiệp laser sẽ đạt gần 10 tỷ USD, trong đó laser bán dẫn chiếm 48% thị phần. Việc chế tạo hệ laser công suất cao hiện nay chủ yếu tập trung vào các phương pháp như chế tạo từ chíp đơn, laser thanh, laser khối và laser mảng. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, nhưng đều hướng đến mục tiêu tối ưu hóa công suất và hiệu suất hoạt động.
1.1. Xu hướng chế tạo hệ laser
Các xu hướng chế tạo hệ laser công suất cao hiện nay bao gồm việc sử dụng cấu trúc dải rộng và cấu trúc vuốt thon. Cấu trúc dải rộng cho phép tạo ra công suất lớn nhưng có độ đồng nhất chùm tia thấp hơn so với cấu trúc vuốt thon. Việc tích hợp nhiều laser đơn thành mảng một chiều cũng là một phương pháp hiệu quả để tăng cường công suất. Ngoài ra, việc sử dụng laser hốc cộng hưởng rộng cũng giúp tăng cường công suất phát ra bằng cách tối ưu hóa số lượng photon thoát ra khỏi hốc cộng hưởng.
II. Cơ sở lý thuyết
Chương này trình bày các nguyên lý cơ bản liên quan đến laser bán dẫn. Phát xạ kích thích là một trong những hiện tượng quan trọng nhất trong hoạt động của laser. Khi một điện tử trong chất bán dẫn được kích thích, nó sẽ nhảy lên mức năng lượng cao hơn và sau đó phát xạ một photon khi trở về mức năng lượng thấp hơn. Quá trình này không chỉ tạo ra ánh sáng mà còn khuếch đại nó, dẫn đến sự hình thành chùm tia laser. Để đạt được hiệu suất tối ưu, việc kiểm soát nhiệt độ và dòng bơm là rất quan trọng. Nếu không, có thể dẫn đến việc phá hủy chíp laser.
2.1. Nguyên lý hoạt động của laser
Nguyên lý hoạt động của laser dựa trên sự phát xạ kích thích và khuếch đại ánh sáng. Khi một photon kích thích một điện tử nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức cao, nó sẽ tạo ra một photon mới khi điện tử trở về mức thấp. Quá trình này diễn ra liên tục và tạo ra một chuỗi photon đồng pha, dẫn đến sự hình thành chùm tia laser. Để duy trì hoạt động của hệ laser, cần có một nguồn bơm đủ mạnh để duy trì mật độ điện tử ở mức cao, từ đó đảm bảo rằng quá trình phát xạ kích thích diễn ra liên tục.
III. Thiết kế chế tạo hệ laser bán dẫn công suất cao
Chương này tập trung vào quy trình chế tạo hệ laser bán dẫn công suất cao, bao gồm việc chế tạo mô đun laser 4W và các nguồn nuôi laser. Việc chế tạo mô đun laser yêu cầu sự chính xác cao trong việc tích hợp các thành phần quang học và điện tử. Các thông số kỹ thuật như đường đặc trưng P-I và V-I của mô đun laser cũng được xác định để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu. Ngoài ra, việc sử dụng Peltier Cooler để điều chỉnh nhiệt độ cũng là một phần quan trọng trong thiết kế, giúp duy trì nhiệt độ ổn định cho mô đun laser trong suốt quá trình hoạt động.
3.1. Chế tạo mô đun laser
Quá trình chế tạo mô đun laser bao gồm nhiều bước, từ việc chọn lựa vật liệu cho đến việc lắp ráp các thành phần. Mô đun laser 4W được chế tạo từ chíp đơn và yêu cầu sự chính xác cao trong việc hàn chíp và căn chỉnh quang học. Các thông số như độ phân kỳ chùm tia và phổ năng lượng cũng được xác định để đảm bảo rằng mô đun laser hoạt động hiệu quả. Việc kiểm tra chất lượng chùm tia và các thông số kỹ thuật khác là rất quan trọng để đảm bảo rằng mô đun laser đáp ứng được yêu cầu sử dụng trong thực tế.
