Thạc Sĩ Một số tính chất đặc biệt của laser diode công suất cao với cấu trúc mảng ở chế độ xung ngắn

Đề tài: MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO VỚI CẤU TRÚC MẢNG Ở CHẾ ĐỘ XUNG NGẮN


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 , bước sóng ra đỉnh 842 nm, độ rộng phổ cỡ 1.5nm, mật độ dòng bơm ngưỡng tới , có tần số lớn hơn gấp 109 lần tần số radio và gấp 105 lần tần số của vi sóng. Đến đầu năm 1963 thì các loại laser bán dẫn đã được cải tiến hơn bằng cách sử dụng một lớp bán dẫn kẹp giữa hai lớp bán dẫn vỏ, gọi là bán dẫn cấu trúc dị thể, lớp bán dẫn ở giữa có độ rộng vùng cấm khác với độ rộng vùng cấm của hai lớp vỏ. Loại laser này được chia làm hai loại: chuyển tiếp dị thể đơn và chuyển tiếp dị thể kép, tuỳ thuộc vào miền tích cực được bao quanh bởi một hay hai loại lớp vỏ. Với cấu trúc dị thể, hằng số mạng của lớp tích cực và lớp vỏ phải bằng nhau hoặc khác nhau không đáng kể (có cấu trúc tương tự nhau).
Trên cơ sở vật liệu bán dẫn GaAs cấu trúc dị thể, đến những năm 1969 thì Charles Kao và Geoger Hockhan chế tạo được laser bán dẫn có hoạt động trong chế độ xung tại nhiệt độ phòng, mật độ dòng bơm ngưỡng đã giảm xuống , giá trị dòng ngưỡng này giảm xuống chỉ còn vào năm 1970 và đến năm 1975 thì chỉ còn cỡ . Để giảm mật độ dòng ngưỡng xuống giá trị trên, người ta chế tạo laser có vật liệu lớp tích cực AlGaAs với độ dày 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 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 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 đích quân sự. Đối với một số ứng dụng thông thường của laser diode như: máy scan, máy in, bút chỉ laser, đầu đọc đĩa compact và trong thông tin cáp quang thì công suất chỉ cỡ vài mW. Nhưng đối với một loạt ứng dụng khác thì công suất cần tới cỡ từ vài Watts tới hàng ngàn Watts tuỳ theo ứng dụng như: đo xa laser phát hiện khoảng cách mục tiêu, nguồn chiếu sáng trong ống nhòm nhìn đêm, trong y tế (châm cứu, cắt khối u, thẩm mỹ, trị ung thư ), xác định xon khí, lỏng trong khí quyển.v.v
Trong luận văn này chúng tôi sẽ tiến hành nghiên cứu một số tính chất đặt biệt của laser diode công suất cao với cấu trúc mảng ở chế độ xung ngắn.