ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN MINH TUẤN

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

THÁI NGUYÊN – 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN MINH TUẤN

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

Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8440110

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Người hướng dẫn khoa học: TS. Trần Quốc Tiến

THÁI NGUYÊN - 2018

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan dưới đây là khóa luận tốt nghiệp của riêng tôi, dưới sự
hướng dẫn của TS Trần Quốc Tiến - Phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa học vật liệu
- Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam. Tất cả những kết quả và số liệu
trong khóa luận này là trung thực và có được từ những nghiên cứu mà tôi đã thực
hiện trong quá trình làm luận văn tại phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa học vật liệu
- Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam.
Người làm luận văn

Nguyễn Minh Tuấn


Lời cảm ơn
Cuốn luận văn này được hoàn thành trong quá trình tôi làm việc tại
phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và công
nghệ Việt Nam.
Lời đầu tên tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Trần Quốc Tiến, người đã
hướng dẫn tôi thực hiện luận văn này. Trong suốt quá trình thực hiện luận văn,
thầy luôn hướng dẫn và chỉ bảo tận tình, giúp tôi hoàn thành luận văn một cách tốt
nhất.
Tôi xin chân trọng cảm ơn các anh chị tại phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa
học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam đã luôn động viên,
giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi khi thực hiện luận văn này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, các thầy các cô
trong khoa Vật lí - Công nghệ, cán bộ phòng Đào tạo trường Đại học Khoa học Đại học Thái Nguyên, đã cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm vô cùng quý giá
cững như sự giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và
nghiên cứu.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu Trường THPT Triệu
Quang Phục, anh chị em đồng nghiệp nơi tôi công tác, đã giúp đỡ, tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã luôn
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

CHƯƠNG 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...................................................
1.1.2. Cấu trúc dị thể và các thành phần của laser bán

3
5

dẫn...........................
1.1.3. Khuếch đại quang và ngưỡng phát laser.............................................. 8
1.1.4. Laser bán dẫn dị thể và laser giếng lượng tử....................................... 11
1.2. Laser bán dẫn công suất cao......................................................................... 13
1.2.1. Laser bán dẫn buồng cộng hưởng rộng (LOC).................................... 13
1.2.2. Đặc điểm của laser bán dẫn hoạt động ở chế độ công suất
13
1.3. cao..........
Các đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn công suất cao................................. 14
1.3.1. Đặc trưng quang điện......................................................................... 14
1.3.2. Đặc trưng phổ phát xạ......................................................................... 15
1.3.3. Đặc trưng tính chất chùm tia............................................................... 17
CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM......................................................

19

2.1. Laser bán dẫn taper công suất cao phát bức xạ vùng sóng 670 nm............. 19
2.1.1. Phương pháp và kỹ thuật chế tạo cấu trúc, hình dạng chip laser
bán 670nm................................................................................................... 19
dẫn vùng
2.1.2. Phương pháp và kỹ thuật đóng gói, chế tạo mẫu laser công suất
cao

670 nm.................................................................................................................
19
2.1.3. Các thông số kỹ thuật chính của laser taper được nghiên cứu........... 21
2.2. Hệ ổn định và điều khiển nhiệt độ làm việc cho laser bán dẫn công
suất
cao ...................................................................................................................... 22
2.2.1. Nguồn nuôi và điều khiển pin Pelter................................................. 22
2.2.2. Hệ pin nhiệt điện và đế tỏa nhiệt cho laser công suất
23
cao..................
2.3. Phương
pháp đo đặc trưng quang điện của laser bán dẫn công suất cao..... 25
2.3.1. Đặc trưng I-V...................................................................................... 25
2.3.2. Đặc trưng P-I...................................................................................... 26
2.4. Kỹ thuật đo phổ phát xạ của laser bán dẫn công suất
cao.............................

26


2.5. Phương pháp khảo sát tính chất chùm tia của laser taper.............................
27
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN VÀ THẢO
LUẬN...................................................................................................... 30
3.1. Tính chất quang điện của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng
bước sóng 670 nm................................................................................................ 30
3.1.1. Đặc trưng dòng thế (I-V).................................................................... 30
3.1.2. Đặc trưng công suất phát xạ phụ thuộc dòng bơm (P-I)..................... 31
3.1.3. Hiệu suất độ dốc và hiệu suất biến đổi điện quang............................ 33
3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên các đặc trưng quang

điện....................................................................................................................... 34
3.2. Tính chất phổ phát xạ của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng
670nm...........................................................................................................................
... 36
3.2.1. Phổ phát xạ của laser.......................................................................... 36
3.2.2. Sự phụ thuộc vào dòng bơm của phổ phát xạ..................................... 37
3.2.3. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của phổ phát xạ........................................ 38
3.3. Tính chất chùm ta của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng
670 nm................................................................................................................. 39
3.3.1. Phân bố trường xa của chùm tia.......................................................... 39
2

3.3.2. Độ rộng cổ chùm và tnh toán hằng số truyền M .............................. 41
3.4. Phân tch kết quả khảo sát đặc trưng của laser bán dẫn công suất cao
taper phát tại vùng 670 nm và đánh giá về khả năng ứng dụng làm nguồn
bơm trong
3+

hệ laser rắn Cr ................................................................................................... 43
KẾT LUẬN.......................................................................................................... 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO:.................................................................................. 47


i
DANH MỤC VIẾT TẮT
VIẾT TẮT
BA

TIẾNG ANH
Broad-Area


CSC

TIẾNG VIỆT
Dải rộng
Công suất cao

DFB

Distributed FeedBack

Phản xạ hồi tiếp

MQW

Multi Quantum Well

Đa giếng lượng tử

LOC

Large Optcal Cavity

Buồng cộng hưởng rộng

LED

Light Emitng Diode

Ánh sáng phát ra từ diode


Separate-Confinement

Dị chuyển tiếp giam giữ

Heterostructure

tách biệt

Thermoelectric Cooler

Bộ làm lạnh nhiệt điện

SCH
TEC


ii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Các quá trình quang cơ bản của vật chất.............................................. 3
Hình 1.2: Chuyển tiếp cấu trúc dị thể kép được phân cực thuận..........................

5

Hình 1.3: Sơ đồ cấu tạo(a), giản đồ năng lượng(b), phân bố chiết suất(c), và
ánh sáng(d) của laser diode dị thể kép..................................................................
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

6


 ( x)

của mode quang cơ bản chạy dọc theo hướng z ..........................................

7

Hình 1.5: Một sóng đứng có m = 7 trong buồng cộng hưởng Fabry-Perot với
chiều dài buồng cộng hưởng L............................................................................... 8
Hình 1.6: Độ khuếch đại quang phụ thuộc vào năng lượng photon được tính.....

9

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
Hình 2.2: Mô hình chíp laser được hàn trên đế đồng........................................... 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
Hình 2.4 : Một số cấu hình đóng gói laser taper................................................... 21
Hình 2.5: Nguồn nuôi laser ITC4005.................................................................... 23

Hình 2.6: Pin nhiệt điện......................................................................................... 23
Hình 2.7: Hệ thống làm lạnh bằng thiết bị nhiệt điên Pelter............................... 24
Hình 2.8: Sơ đồ phương pháp đo đặc trưng I-V của Laser................................... 26
Hình 2.9: Sơ đồ đo phổ của laser.......................................................................... 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
Hình 2.13: Sơ đồ minh họa phương pháp đo phân bố trường xa......................... 29
Hình 2.14: Minh họa các thông số cơ bản của chùm tia....................................... 29


0

Hình 3.1: Đặc trưng I-V của laser taper φ = 3 .................................................... 30
0

Hình 3.2: Đặc trưng I-V của laser taper φ = 4 .................................................... 31
o

Hình 3.3: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm của laser taper 3 ............. 32
0

Hình 3.4: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm của laser taper 4 .............. 33
Hình 3.5: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm ở các nhiệt độ khác nhau
o

của laser taper 3 ................................................................................................... 34
Hình 3.6: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm ở các nhiệt độ khác nhau

o

của laser taper 4 ................................................................................................... 35
Hình 3.7:Phổ quang của laser bán dẫn tại các giá trị khác nhau........................ 36
0

Hình 3.8: Phổ quang của laser taper 4 tại các giá trị dòng hoạt động khác
o

nhau, nhiệt độ hoạt động 25 C..............................................................................
37
0

Hình 3.9: Phổ quang của laser taper 4 tại dòng hoạt động 600 mA với các giá
trị nhiệt độ hoạt động khác nhau........................................................................... 38
o

Hình 3.10: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3 ................................... 39
o

Hình 3.11: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3 theo hướng song
song với chuyển tiếp ở các dòng bơm khác nhau.................................................
40
o

Hình 3.12: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3 tại các nhiệt độ khác
nhau........................................................................................................................ 40
o

Hình 3.13: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 4 ................................... 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........................................................... 21
Bảng 2.2: Thông số hoạt động tối ưu của laser taper.......................................... 21
0

Bảng 2.3: thông số kỹ thuật của laser teper ở 25 C............................................. 22
0

Bảng 3.1: Dòng ngưỡng phụ thuộc theo nhiệt độ của LD taper 3 .................... 34
o

Bảng 3.2: Hiệu suất độ dốc phụ thuộc theo nhiệt độ của LD taper 4 ............... 36
0

Bảng 3.3: Các giá trị đỉnh phổ theo dòng hoạt động của laser taper 4 ............. 37
o

Bảng 3.4: Sự phụ thuộc đỉnh phổ theo nhiệt độ của laser cấu trúc taper 4 ....... 39
o

o

Bảng 3.5: Các thông số chùm của laser taper cấu trúc 3 và 4 ........................ 42


MỞ ĐẦU

Laser (Light Amplifcation by Stmulated Emission of Radiation) là thiết bị
tạo ra chùm ánh sáng có cường độ mạnh có tnh đơn sắc, kết hợp và có tnh
chuẩn trực cao. Bước sóng (màu sắc) của ánh sáng laser là ánh sáng đơn sắc khi
được so sánh với những nguồn sáng khác, và tất cả photon (lượng 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 được tập trung
tới một điểm sáng rất nhỏ với cường độ sáng rất lớn. Do có những tnh chất quí
báu này, laser được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống.
Từ khi laser diode bán dẫn được công bố đầu tên vào năm 1962. Kể từ đó
đến nay, trải qua nhiều giai đoạn phát triển, các tnh năng kỹ thuật của laser diode
không ngừng được hoàn thiện. Từ chỗ ban đầu là các laser đơn chuyển tiếp có
dòng ngưỡng phát laser cao, chỉ hoạt động được ở nhiệt độ thấp và công suất
quang lối ra nhỏ (khoảng mW) ở vùng hồng ngoại gần. Đến nay laser bán dẫn dựa
trên cơ sở dị chuyển tiếp kép dạng vật liệu khối hay đa giếng lượng tử (MQW) với
dòng ngưỡng phát laser thấp (đối với laser công suất thấp), có thể hoạt động
được ở nhiệt độ phòng hoặc cao hơn. Với các loại vật liệu bán dẫn khác nhau
người ta có thể chế tạo các loại laser bán dẫn với bước sóng phát nằm trong cả
dải từ vùng tử ngoại đến hồng ngoại có công suất phát từ µW đến hàng chục
W cho đơn chíp laser. Laser bán dẫn công suất cao ra đời đem lại nhiều ứng
dụng thiết thực trong y tế, công nghiệp, an ninh quốc phòng, cũng như trong đời
sống hàng ngày.
Đặc biệt Laser bán dẫn ổn định bước sóng vùng đỏ với công suất cao, phổ
hẹp, chất lượng chùm ta tốt có rất nhiều ứng dụng như: sử dụng trong quang
phổ Raman [18], phổ nguyên tử [11], làm nguồn bơm cho các laser rắn Cr:LiSAF
[16], phát hòa ba bậc hai (SHG) tạo ra bức xạ UV [10]
Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu một số tnh chất vật lý quan trọng
nhất đối với laser bán dẫn công suất cao phát ở vùng sóng ánh sáng đỏ nhằm mục
đích nghiên cứu, tm hiểu về laser cũng như phục vụ cho các mục đích ứng dụng
khác nhau. Đặc trưng được quan tâm nhất của laser diode công suất cao phát
ở vùng sóng 670nm là công suất phát phụ thuộc dòng bơm và các tính chất của

chùm ta. Đối với các laser được chế tạo với các lớp epitaxy như nhau. Laser
1


cấu trúc taper và thường có dòng ngưỡng hoạt động lớn, tuy nhiên chất lượng của
chùm ta của laser taper là rất tốt.

2


Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm được đo tại các giá trị nhiệt
độ khác nhau từ đó tnh được nhiệt độ đặc trưng của laser cấu trúc loại này. Sự
phân bố mật độ công suất được đo tại các giá trị dòng khác nhau, nhiệt độ
hoạt động khác nhau. Hiệu suất ghép nối bức xạ laser với sợi quang được tnh từ
sự phân bố mật độ công suất của laser. Các đặc trưng phổ quang, độ rộng cổ
2

chùm ta được khảo sát nhằm mục đích tính toán hệ số truyền chùm tia M .`
Việc nghiên cứu các tính chất đặc trưng cơ bản như là P-U-I, đặc trưng phổ,
2

phân bố trường xa, độ rộng cổ chùm, hệ số truyền chùm M 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 tnh chất đặc trưng của laser được đo đạc, tnh
o

o

toán đối với laser bán dẫn cấu cấu trúc taper có góc mở 3 hoặc 4 . Các kết quả
nghiên cứu được trình bày trong ba chương của luận văn như sau:

Chương 1. Tổng quan về các laser bán dẫn công suất cao phát xạ vùng sóng

3


đ

C
h
ư
ơ
n
g
2.
K
ỹ
t
h
u
ật
t
h
ự
c
n
g
hi
ệ
m
.

C
h
ư
ơ
n
g
3.
K
ết
q
u
ả
k
h
ả
o
s
át
c

ác
đặ
c
trư
ng
cơ
bả
n
và
thả

o
luậ
n.

4


CHƯƠNG 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 thường, 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 tương ứng với mức năng lượng nền và mức năng lượng kích thích
của các nguyên tử trong môi trường hấp thụ. Nếu một photon có năng lượng h
với  là tần số của ánh sáng đến đúng bằng với độ lệch năng lượng E g = E2 – E1 thì
năng lượng của photon sẽ bị hấp thụ bởi nguyên tử, kết quả là nguyên tử đang ở
trạng thái mức năng lượng nền sẽ được chuyển lên trạng thái mức năng lượng
kích thích. Ánh sáng tới bị suy hao đi do quá trình hấp thụ.
Thông thường, các nguyên tử tồn tại bền vững hơn ở mức năng lượng
nền, khi tồn tại ở các mức năng lượng cao hơn sẽ có xu hướng chuyển về mức
năng lượng thấp hơn sau một khoảng thời gian nhất định. Vì thế, khi nguyên tử
ở mức năng lượng kích thích chuyển về mức năng lượng nền sẽ giải phóng năng
lượng hay phát xạ ánh sáng. Quá trình phát xạ này phân làm hai loại cơ bản là quá
trình phát xạ tự phát và phát xạ kích thích như mô tả trong hình 1.1. Trong trường
hợp phát xạ tự phát, các photon được phát xạ có hướng và pha là ngẫu nhiên.
Trong trường hợp phát xạ kích thích, tại thời điểm nguyên tử đang ở mức năng
lượng kích thích có một photon khác đi đến làm tác nhân kích thích nguyên tử này
chuyển từ trạng thái kích về trạng thái nền và phát xạ photon ánh sáng cùng pha
cùng tần số với ánh sáng kích thích. Quá trình này có thể được sử dụng để

khuếch đại bức xạ quang. Tất cả các laser, bao gồm cả các laser bán dẫn phát
xạ đều dựa trên quá trình phát xạ kích thích, và ánh sáng phát xạ của laser được
gọi là ánh sáng kết hợp.

5


Hình 1.1 Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng trong vật liệu bán dẫn

6


Xét mô hình hệ thống nguyên tử đơn giản gồm hai mức năng lượng tương
tác trong trường điện từ như mô tả trong hình 1.1. Nếu N1 và N2 lần lượt là mật độ
nguyên tử ở mức năng lượng nền và mức năng lượng kích thích và ρem() là mật độ
phổ của năng lượng điện từ, thì biểu thức tương ứng của tốc độ phát xạ tự phát,
tốc độ phát xạ kích thích và tốc độ hấp thụ có thể được mô tả như sau
’

Rspom = AN1, Rstm = BN2 ρem , Rabs = B N1 ρem ,

(1.1)

với A, B và B’ là các hằng số. Trong điều kiện cân bằng nhiệt, mật độ các hạt
nguyên tử được phân bố theo quá trình Boltzmann,
N2 / N1 = exp( - Eg / kBT) = exp( -hkBT)

(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

7


ρem =

A/B
(B' / B) exp(h / k BT ) 
1

(1.4)

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

(1.5)


k

So sánh hai biểu thức (1.4) và (1.5) rút ra được mối quan hệ sau


3

’

A = (8πh c )B; B = B

(1.6)

Hai kết luận quan trọng có thể được rút ra qua các biểu thức từ (1.1)
đến
(1.6). Thứ nhất, Rspon có thể vượt quá cả Rstm và Rabs nếu ��� > h�, tức là trong
điều kiện nhiệt độ cao. Thứ hai, đối với phát xạ trong vùng nhìn thấy hoặc vùng
hồng ngoại (h� ~1��), quá trình phát xạ tự phát thường chiếm ưu thế hơn phát
xạ
kích thích trong điều kiện cân bằng nhiệt ở nhiệt độ phòng (��� ≈ 25 ���) bởi vì
Rstm
Rspon

= [exp(h�/k BT) – 1]-1 << 1

(1.7)

Vì vậy, tất cả laser phải hoạt động ở điều kiện cách xa cân bằng nhiệt bằng
cách sử dụng quá trình bơm cho laser bằng một nguồn năng lượng bên ngoài.
Thậm chí đối với một hệ nguyên tử được bơm năng lượng ngoài, quá trình

phát xạ kích thích cũng có thể không phải là quá trình chiếm ưu thế vì phải cạnh
tranh với quá trình hấp thụ của nguyên tử. Rstm có thể vượt quá Rabs chỉ khi nào có
N2 > N1. Điều kiện này được gọi là điều kiện đảo lộn mật độ, và nó không bao giờ

8


xảy ra trong điều kiện cân bằng nhiệt. Điều kiện đảo lộn mật độ là tên quyết
đối với hoạt động của laser. Trong các hệ nguyên tử, điều này đạt được bằng cách
sử dụng các cơ chế bơm 3 hay 4 mức sao cho nguồn năng lượng bên ngoài
làm chuyển mật độ hạt ở mức nền lên các mức cao hơn.
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 1.2. 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 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.

Hình 1.2: Chuyển tiếp cấu trúc dị thể kép được phân cực thuận
Để thu được mật độ photon cao trong laser bán dẫn, dẫn sóng quang
được tạo ra để giam giữ các photon trong miền tch 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.
1.1.2. Cấu trúc dị thể và các thành phần của laser bán dẫn



Trong lớp chuyển tếp p - n các hạt tải điện không được giam giữ tại vùng


lân cận lớp chuyển tếp, vì vậy rất khó để tạo ra mật độ hạt tải điện cao, laser bán
dẫn dựa trên đơn chuyển tếp p - n vì vậy dòng ngưỡng thuận I th rất lớn. Để cải
thiện tính chất phát xạ của laser bán dẫn, người ta sử dụng cấu trúc dị thể kép.
Vấn đề giam giữ hạt tải điện được giải quyết bằn cách đưa vào một lớp
màng mỏng nằm kẹp giữa hai lớp bán dẫn loại n và p xung quanh (hình 1.3). Sơ
đồ cấu tạo của laser bán dẫn dị thể chuyển tếp kép AlGaAs/GaAs như trình bày
hình a, b, c, d

Hình 1.3: Sơ đồcấu tạo(a), giản đồ năng lượng(b), phân bố chiết suất(c) và phân
bố mật độ photon (d) của laser diode dị thể
kép.
Vai trò của lớp này là giam giữ ở bên trong nó những hạt tải điện được têm
vào dưới tác dụng của điện áp thuận. Sự giam giữ hạt tải điện xẩy ra là kết quả của
sự gián đoạn trong độ rộng vùng cấm ở vùng chuyển tếp giữa hai bán dẫn có cùng
cấu trúc tnh thể nhưng khác nhau về độ rộng vùng cấm. Chuyển tếp như vậy gọi
là chuyển tiếp dị thể và các linh kiện dựa trên cơ sở đó có câu trúc dị thể kép.
Sử dụng cấu trúc chuyển tếp p - n dị thể kép cho các nguồn sáng bán dẫn
có hai lợi ích. Thứ nhất, hạt tải sẽ được giam giữ trong lớp nằm giữa lớp p và lớp
n, lớp ở giữa này gọi là lớp tch cực vì ở đó điện tử và lỗ trống sẽ dễ dàng tái hợp
và sinh ra ánh sáng. Thứ hai, do có độ rộng vùng cấm nhỏ hơn nên lớp tch cực
có chiết suất lớn hơn so với các lớp loại p và n xung quanh. Vì vậy, lớp tích cực
hoạt động như dẫn sóng điện môi và cấu trúc dị thể giam giữ được các photon
phát ra nhờ tnh chất này.
Laser bán dẫn được cấu thành từ các thành phần cơ bản dưới đây:
 Môi trường tạo ra sự khuếch đại quang bởi phát xạ kích thích.



 Cấu trúc dẫn sóng quang để giam giữ các photon trong miền tch cực của
linh kiện.


 Buồng cộng hưởng tạo ra sự hồi tiếp quang.
Môi trường dẫn sóng quang điện môi bao gồm một lớp lõi với hệ số phản xạ
cao được đặt trong bên trong vật liệu vỏ với hệ số phản xạ thấp hơn. Hình 1.4
minh họa sự dẫn sóng quang cho laser cấu trúc dị thể kép. Lớp tch cực với độ
rộng vùng


cấm

Eg

, chiết suất

nf

và độ dày d được kẹp giữa các lớp vỏ với độ rộng vùng cấm

Eg,cl và chiết suất ncl. Nếu độ chênh lệch chiết suất

n  n f  ncl và

độ dày lớp lõi d

của miền dẫn sóng là đủ nhỏ, chỉ có mode cơ bản với phân bố trường dạng
Gauss có thể truyền trong dẫn sóng. Sóng quang chạy theo hướng của dẫn sóng

có chiết
suất hiệu dụng neff nằm giữa chiết suất của lớp lõi và lớp vỏ ( ncl
neff



 nf

). Hình

1.4 chỉ ra cấu trúc lớp tạo ra sự giam giữ hạt tải và sóng quang.

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
của mode quang cơ bản chạy dọc theo hướng z
Trong laser giếng lượng tử, các cấu trúc giam giữ tách biệt là cần thiết, ở đó
các hạt tải được giam giữ trong các giếng lượng tử và sóng quang được giam giữ
trong một cấu trúc dẫn sóng điện môi tách biệt. Buồng cộng hưởng Fabry-Perot
thường được sử dụng cho các laser bán dẫn công suất cao. Hình 1.5 chỉ ra
buồng
cộng hưởng loại này bao gồm hai gương cách nhau một khoảng L, vật liệu tch cực
laser có chiết suất hiệu dụng neff. Khoảng cách giữa hai mốt dọc là 0 2neff với  0
là bước sóng trong chân không.