Đặt vấn đề Nhờ những tiến bộ trong công nghệ chế tạo, hiện nay, laser bán dẫn công suất cao đã trở nên khá phổ biến. Tuy nhiên, tại nước ta, việc nghiên cứu chế tạo các hệ laser bán dẫn công suất cao mới chỉ là bắt đầu và chủ yếu tập trung tại một số viện nghiên cứu và trường đại học lớn trong nước. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.4 mô tả cấu hình cơ bản của một hệ laser bán dẫn công suất cao. Mô đun laser bán dẫn Monitoring Thermistor Chùm laser Photodiode lối ra Khối Hệ Tiền Khối Tiền Điều điều thống khuếch điều khuếch khiển Khối chế làm đại khiển đại công Tín hiệu nguồn tín mát Peltier suất điều chế hiệu laser Hình 1.4: Cấu hình cơ bản của hệ laser bán dẫn công suất cao Mô đun laser bán dẫn công suất cao thường được chế tạo từ laser thanh, laser khối hoặc từ chíp đơn.
Chế tạo mô đun laser bán dẫn công suất cao là một công việc tốn nhiều công sức, thời gian. Tính phức tạp của công việc thể hiện ở chỗ không những phải đảm bảo xử lý được sự thay đổi nhiệt, tính đồng nhất về mặt cơ khí, tích hợp về phần điện, khắc phục được ứng suất phát sinh trong quá trình hàn dây vàng mà còn phải đảm bảo tích hợp chính xác về mặt quang học giữa bề mặt phát xạ của chíp laser (có kích thước cỡ vài µm2) và sợi quang lối ra. Chính vì vậy, giá thành của một mô đun laser bán dẫn công suất cao phụ thuộc nhiều vào công việc đóng gói mô đun (module packaging), thậm trí chiếm đến 80% giá thành sản phẩm. Đóng gói mô đun laser bán dẫn yêu cầu những thiết bị chuyên dụng, phòng sạch tiêu chuẩn, kỹ năng và kinh nghiệm trong việc hàn chíp, hàn dây vàng, căn chỉnh quang học, tích hợp chíp laser bán dẫn với sợi quang,….
Do vậy, tại nước ta, công việc đóng gói mô đun laser bán dẫn hiện nay mới chỉ tập trung tại một số Viện đầu ngành. Trong quá trình chế tạo mô đun laser bán dẫn, trong nhiều trường hợp, người ta tích hợp thêm một photodiode giám sát (monitoring photodiode) và một cảm biến nhiệt (thermistor) bên trong mô đun laser. Photodiode giám sát được sử dụng vào mục đích giám sát công suất phát xạ laser, trong khi cảm biến nhiệt hỗ trợ giám sát, ổn định nhiệt độ của mô đun laser trong quá trình laser hoạt động. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Việc ổn định nhiệt độ làm việc và ổn định công suất phát xạ của laser bán dẫn công suất cao đóng một vai trò quan trọng trong quá trình laser hoạt động.
Vì chíp laser bán dẫn chỉ hoạt động một cách hiệu quả khi nhiệt độ của chíp nằm trong giới hạn nhất định. Việc nhiệt độ của chíp bị tăng cao trong quá trình phát xạ laser rất có thể dẫn đến phá hủy chíp laser. Để ổn định nhiệt độ của mô đun laser bán dẫn, người ta thường sử dụng Peltier Cooler dựa trên hiệu ứng Peltier. Khi tấm Peltier được cấp dòng một chiều phù hợp, hai bề mặt của tấm sẽ xuất hiện hiện tượng chênh lệch nhiệt độ.
Một mặt sẽ trở nên lạnh trong khi mặt còn lại bị đốt nóng. Nhờ hiệu ứng này, thông qua việc cấp dòng một chiều cho tấm Peltier, mô đun laser bán dẫn có thể hoạt động trong một khoảng nhiệt độ đặt trước. Công việc này được thực hiện nhờ khối điều khiển Peltier. Thăng giáng về nhiệt độ trong quá trình laser làm việc được nhận biết nhờ cảm biến nhiệt độ.
Những thăng giáng này được đưa về khối điều khiển Peltier. Khi nhiệt độ của mô đun laser tăng lên, Peltier sẽ được cấp nguồn để làm mát mô đun laser và ngược lại, khi nhiệt độ mô đun laser giảm đi, Peltier sẽ được cấp nguồn theo chiều ngược lại và làm tăng nhiệt độ của mô đun laser. Kết quả là mô đun laser được giữ ổn định ở một nhiệt độ đặt trước. Khi laser bán dẫn hoạt động trong vùng phát xạ kích thích (Stimulated emission), một thay đổi nhỏ về dòng bơm (dòng DC cấp cho laser bán dẫn) cũng gây ảnh hưởng lớn đến công suất quang lối ra (hình 1.
Do vậy, nếu không kiểm soát được công suất phát xạ của laser bán dẫn, rất có thể công suất phát xạ của laser bán dẫn tăng cao, làm nóng và dẫn đến phá hủy chíp laser.5: Sự phụ thuộc của công suất quang lối ra vào dòng bơm 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Để kiểm soát công suất phát xạ của mô đun laser bán dẫn, chúng ta cần giữ ổn định điểm làm việc của mô đun laser. Công việc này sẽ do khối điều khiển công suất laser thực hiện. Thăng giáng của dòng bơm được phản hồi về bộ điều khiển công suất laser thông qua mạch hồi tiếp, nhờ đó, giữ được công suất phát xạ của laser không thay đổi trong suất quá trình mô đun laser hoạt động. Bên cạnh các hệ thống ổn định nhiệt độ, ổn định điểm làm việc của mô đun laser, người ta còn bố trí thêm hệ thống làm mát với vai trò tản nhiệt cho mô đun laser bán dẫn.
Có hai hệ thống làm mát thường được sử dụng hiện nay là làm mát bằng nước và làm mát bằng đối lưu luồng khí. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp làm mát bằng đối lưu luồng khí thông qua hệ thống quạt. Trong các ứng dụng laser hiện nay, laser bán dẫn thường được sử dụng ở hai chế độ: chế độ làm việc liên tục và chế độ xung. Trong chế độ làm việc liên tục, mô đun laser bán dẫn sẽ phát ra chùm tia liên tục.
Trong chế độ xung, chùm tia lối ra của mô đun laser bán dẫn sẽ bị điều chế bởi tín hiệu điều chế bên ngoài thông qua khối điều chế tín hiệu. Trong luận văn này, chúng tôi sẽ trình bày cả hai phương pháp trên. Một cách tổng quát, để xây dựng hệ laser bán dẫn công suất cao, luận văn tập trung trình bày 04 nôi dụng chính gồm: 1. Chế tạo mô đun laser bán dẫn 4W; 2.
Chế tạo nguồn dòng 20A cấp cho laser bán dẫn; 3. Chế tạo nguồn điều khiển Peltier Cooler; 4. Chế tạo nguồn xung vuông, cho phép mô đun laser bán dẫn làm việc trong hai chế độ: chế độ liên tục và chế độ xung. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.
Phát xạ kích thích và khuếch đại ánh sáng Trong chất bán dẫn, khi bị kích thích, điện tử ở mức năng lượng thấp sẽ có xu hướng nhảy lên mức năng lượng cao hơn E2 nhờ hấp thụ photon có năng lượng hv = E2 – E1 (hình 2. Quá trình này được gọi là hấp thụ (Absorption) [12].1: Hiện tượng hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích Điện tử ở mức năng lượng E2 luôn có xu hướng nhảy về mức năng lượng thấp hơn, còn trống và phát xạ một photon. Có thể xảy ra hai trường hợp: (i) điện tử nhảy về mức năng lượng thấp một cách tự phát (hình 2.1b) hoặc nhảy về mức năng lượng thấp khi bị tác động bởi một photon khác (hình 2. Trong trường hợp thứ nhất, điện tử nhảy từ mức E2 xuống mức E1 và phát xạ một photon có năng lượng hv = E2 – E1 một cách ngẫu nhiên.
Khi đó, việc chuyển mức năng lượng là tự phát. Hiện tượng này được gọi là phát xạ tự phát. Trong trường hợp thứ hai, điện tử ở mức năng lượng E2 được kích thích bởi một photon tới có năng lượng hv = E2 – E1 để nhảy xuống mức năng lượng E1. Khi đó, photon được phát xạ sẽ cùng pha với photon tới, cùng hướng với photon tới, cùng mặt phẳng phân cực với photon tới và có năng lượng hv = E2 – E1 giống như năng lượng của photon tới.
Hiện tượng này được gọi là phát xạ kích thích (Stimulated emission). Phát xạ kích thích là cơ sở cho việc khuếch đại ánh sáng vì rằng một photon tới sẽ có hai photon cùng pha được phát xạ.1c chúng ta thấy, để có khuếch đại ánh sáng, chúng ta phải đảm bảo rằng điện tử nằm ở mức năng lượng E2 chiếm đa số. Trạng thái khi mà điện tử 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nằm ở mức năng lượng E2 nhiều hơn điện tử nằm ở mức E1 được gọi là trạng thái nghịch đảo mật độ (population inversion). Tổng quan về laser bán dẫn 2.
Chuyển tiếp pn và laser đơn chuyển tiếp Nếu chúng ta có bán dẫn loại p và loại n của cùng một loại vật liệu bán dẫn tiếp xúc với nhau chúng ta sẽ được một chuyển tiếp pn đồng chất (hình 2. Thông qua quá trình pha tạp chất, mức Fermi bên phía chất bán dẫn loại p (EFp) nằm trong vùng hóa trị (VB) và mức Fermi bên phía chất bán dẫn loại n (EFn) nằm trong vùng dẫn (CB).2: Giản đồ chuyển tiếp pn a) Khi không có thiên áp; b) Khi có thiên áp phù hợp để có nghịch đảo mật độ, tạo ra phát xạ kích thích Khi chưa có thiên áp, các mức năng lượng dưới mức Fermi đều bị các điện tử chiếm giữ (hình 2. Khi đó, mức Fermi là liên tục trong lớp chuyển tiếp, EFp = EFn. Vùng nghèo điện tử (The depletion region) trong chuyển tiếp pn rất hẹp và tồn tại một điện áp V0 bên trong chất bán dẫn.
Hàng rào thế eV0 ngăn cản điện tử trong vùng dẫn CB của lớp bán dẫn n+ khuếch tán sang vùng dẫn CB của lớp bán dẫn p+. Tương tự, hàng rào thế cũng ngăn cản lỗ trống khuếch tán từ lớp bán dẫn p+ sang lớp bán dẫn n+. Khi đặt một điện áp lên hai lớp bán dẫn (khi có thiên áp), mức Fermi sẽ thay đổi. Giả sử chuyển tiếp pn được phân cực thuận bởi điện áp V sao cho 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com eV > Eg (hình 2.
Khi đó, sự khác nhau giữa các mức EFn và EFp sẽ là eV. Điện áp đặt vào này sẽ hạ thấp hàng rào thế đến mức gần bằng zero. Điều đó có nghĩa là điện tử sẽ chạy sang vùng nghèo điện tử, qua lớp bán dẫn p+, tạo thành dòng qua diode. Tương tự, hàng rào thế của lỗ trống giữa lớp bán dẫn p+ và lớp bán dẫn n+ cũng bị hạ thấp.
Kết quả là điện tử từ lớp n+ và lỗ trống từ p+ sẽ chạy vào lớp nghèo điện tử, làm cho lớp này không còn nghèo điện tử nữa. Để minh họa, chúng ta sẽ biểu diễn quá trình trên bằng giản đồ vùng năng lượng với EFn – EFp = eV > Eg. Trong vùng này, điện tử trong vùng dẫn có mức năng lượng gần với Ec sẽ nhiều hơn điện tử trong vùng hóa trị có mức năng lượng gần Ev (hình 2.