Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu, chế tạo hệ laser bán dẫn công suất lớn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:76

Thêm vào BST

Báo xấu

40
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn “Nghiên cứu chế tạo hệ laser bán dẫn công suất lớn” trình bày quá trình nghiên cứu, chế tạo hệ laser bán dẫn công suất 4 W, bước sóng trung tâm 940 nm, bao gồm công nghệ chế tạo mô đun laser từ chíp đơn (single chip), chế tạo nguồn nuôi laser và các mạch điều khiển công suất laser, điều khiển nhiệt độ. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu, chế tạo hệ laser bán dẫn công suất lớn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Hoàng Thị Kim Khuyên NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT LỚN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Hoàng Thị Kim Khuyên NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT LỚN Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử Mã số: 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN TUẤN ANH Hà Nội – 2014
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm luận văn thạc sĩ, cho phép tôi được chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Tuấn Anh, công tác tại Viện Ứng dụng Công nghệ, đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Đỗ Trung Kiên, cô giáo TS. Đặng Thị Thanh Thủy cùng các thầy, cô giáo trong bộ môn Vật lý Vô tuyến và Điện tử đã giúp đỡ nhiệt tình trong quá trình học tập và làm luận văn của tôi. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn toàn bộ các thầy, cô trong khoa Vật lý, truờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN đã cho tôi những kiến thức quý báu trong thời gian học tập tại truờng. Tôi xin kính cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Ứng dụng Công nghệ - Bộ Khoa học và Công nghệ đã tạo điều kiện về trang thiết bị để tôi hoàn thành luận văn này. Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Học viên cao học HOÀNG THỊ KIM KHUYÊN
MỤC LỤC MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 U Chương 1: ....................................................................................................................3 TỔNG QUAN .............................................................................................................4 1.1. Giới thiệu chung ...........................................................................................4 1.2. Đặt vấn đề .....................................................................................................5 Chương 2: ....................................................................................................................9 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................................9 2.1. Phát xạ kích thích và khuếch đại ánh sáng ...................................................9 2.2. Tổng quan về laser bán dẫn ........................................................................10 2.2.1. Chuyển tiếp pn và laser đơn chuyển tiếp .................................................10 2.2.2. Laser dị chuyển tiếp .................................................................................14 2.3. Một số phương pháp điều chế laser bán dẫn ..............................................17 2.3.1. Điều chế trực tiếp ....................................................................................18 2.3.2. Điều chế gián tiếp ....................................................................................22 2.4. Làm mát laser bán dẫn bằng phương pháp sử dụng Peltier Cooler ...........26 Chương 3: ..................................................................................................................29 THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO ......................29 3.1. Chế tạo mô đun laser bán dẫn 4W..............................................................29 3.1.1. Tổng quan về công nghệ chế tạo mô đun laser bán dẫn công suất cao ..29 3.1.2. Một số yêu cầu về công nghệ chế tạo mô đun laser bán dẫn ..................30 3.1.3. Chế tạo mô đun laser bán dẫn .................................................................32 3.2. Xác định thông số kỹ thuật của mô đun laser bán dẫn 4W ........................37 3.2.1. Xác định đường đặc trưng P-I .................................................................38 3.2.2. Xác định đường đặc trưng V-I của mô đun laser bán dẫn 4W ................40 3.2.3. Xác định phổ của mô đun laser bán dẫn 4W ...........................................42 3.2.4. Xác định phổ năng lượng của mô đun laser bán dẫn 4W .......................44 3.2.5. Xác định độ phân kỳ chùm tia của mô đun laser bán dẫn 4W ................45 3.3. Chế tạo nguồn nuôi laser bán dẫn công suất cao .......................................46
3.3.1. Một số dạng nguồn dòng DC thông dụng................................................46 3.3.2. Thiết kế chế tạo mạch điều chế mô đun laser bán dẫn ............................51 3.4. Chế tạo nguồn điều khiển Peltier Cooler ...................................................56 3.5. Chế tạo bộ điều chế xung ...........................................................................60 3.5.1. Sơ đồ nguyên lý ........................................................................................60 3.5.2. Đo đạc, kiểm tra chất lượng xung dao động ...........................................61 KẾT LUẬN ...............................................................................................................63 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................65
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Absorption Hấp thụ Asymetry Độ bất đối xứng Bandgap Vùng cấm Broad Area LD Laser bán dẫn bề mặt phát xạ rộng Carrier confinement Giam hạt tải CB Vùng dẫn Die bounding Hàn chíp Direct Modulations Điều chế trực tiếp Divergence Angle Góc phân kỳ Double heterostructure Cấu trúc dị thể kép Electro-absorption modulator Điều chế hấp thụ điện tử Electro-optic modulator Điều chế quang điện tử External Modulations Điều chế gián tiếp Extinction Ratio Hệ số suy giảm Heat Sink Đế tỏa nhiệt Homojunction LD Laser bán dẫn đơn chuyển tiếp Ith Dòng ngưỡng Laser Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích Laser Bar Laser thanh Laser Stack Laser khối LOC Laser hốc cộng hưởng rộng Micro-Channel Coolers Bộ làm mát vi kênh P-I Đường đặc trưng công suất quang – dòng điện Peltier Cooler Pin lạnh Photon confinement Giam photon Population inversion Nghịch đảo mật độ Pulse Modulations Điều chế xung
Relaxation Oscillations Dao động suy giảm Stimulated Emission Phát xạ kích thích Sub-mount Đế phụ Tapered Laser Laser cấu trúc vuốt thon The depletion region Vùng nghèo điện tử V-I Đường đặc trưng điện áp – dòng điện VB Vùng hóa trị Wire bounding Hàn dây vàng
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Thông số của chíp laser bán dẫn 8W ........................................................33 Bảng 3.2: Chế độ làm việc của thiết bị hàn chíp.......................................................34 Bảng 3.3: Sự phụ thuộc của công suất quang vào dòng bơm ...................................38 Bảng 3.4: Mối liên hệ giữa điện áp nuôi và dòng bơm .............................................41 Bảng 3.5: Mối liên hệ giữa công suất quang và bước sóng làm việc .......................43 Bảng 3.6: Độ phân kỳ chùm tia của mô đun laser bán dẫn 4W ................................45 Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật của IRFP260N ............................................................52 Bảng 3.8: Ảnh hưởng của tải lên mức tín hiệu điều chế ...........................................55 Bảng 3.9: Thông số kỹ thuật của Peltier Cooler .......................................................56 Bảng 3.10: Nhiệt độ điều khiển thay đổi theo mức điện áp so sánh .........................59
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Cấu trúc laser đơn chíp ...............................................................................4 Hình 1.2: Cấu trúc laser thanh.....................................................................................5 Hình 1.3: Laser hốc cộng hưởng dựa trên AlGaAs.....................................................5 Hình 1.4: Cấu hình cơ bản của hệ laser bán dẫn công suất cao ..................................6 Hình 1.5: Sự phụ thuộc của công suất quang lối ra vào dòng bơm ............................7 Hình 2.1: Hiện tượng hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích .........................9 Hình 2.2: Giản đồ chuyển tiếp pn .............................................................................10 Hình 2.3: Giản đồ mật độ trang thái..........................................................................11 Hình 2.4: Cấu trúc của laser đơn chuyển tiếp GaAs .................................................13 Hình 2.5: Sự phụ thuộc của công suất quang lối ra vào nguồn nuôi ........................14 Hình 2.6: Cấu trúc của laser bán dẫn di thể kép .......................................................15 Hình 2.7: Cấu trúc của laser bán dẫn di thể kép điển hình .......................................16 Hình 2.8: Mô tả phương pháp bơm quang học .........................................................17 Hình 2.9: Điều chế trực tiếp chùm tia laser bán dẫn .................................................18 Hình 2.10: Điều chế trực tiếp dòng nuôi laser bán dẫn.............................................18 Hình 2.11: Dạng tín hiệu mô phỏng, chirp tần số và phổ tại lối ra của laser bán dẫn điều chế dòng trực tiếp khi dòng bơm gần với dòng ngưỡng ...................................21 Hình 2.12: Dạng tín hiệu mô phỏng, chirp tần số và phổ tại lối ra của laser bán dẫn điều chế dòng trực tiếp khi tăng dòng bơm...............................................................22 Hình 2.13: Điều chế gián tiếp chùm tia laser bán dẫn ..............................................22 Hình 2.14: Sự phụ thuộc của hấp thụ vào điện áp của bộ điều chế hấp thụ điện tử .23 Hình 2.15: Nguyên tắc hoạt động của bộ điều chế Mach - Zehnder ........................25
Hình 2.16: Cấu trúc của bộ Peltier Cooler: ...............................................................27 Hình 3. 1: Cấu trúc mô đun laser bán dẫn được chế tạo từ chíp đơn ........................29 Hình 3. 2: Cấu trúc mô đun laser bán dẫn được chế tạo từ thanh laser ....................30 Hình 3. 3: Sự phụ thuộc của bước sóng laser vào vật liệu chế tạo ...........................33 Hình 3. 4: Kiểm tra chíp dưới kính hiển vi ...............................................................33 Hình 3. 5: Thiết bị hàn chíp 7372E – Westbond.......................................................34 Hình 3. 6: Một số hình ảnh trong quá trình gắn chíp lên đế .....................................35 Hình 3. 7: Thiết bị hàn dây vàng 7476D – Westbond...............................................35 Hình 3. 8: Một số hình ảnh trong quá trình hàn dây vàng ........................................36 Hình 3. 9: Cấu hình tích hợp chíp laser bán dẫn với sợi quang ................................36 Hình 3. 10: Hình ảnh thực tế trong quá trình tích hợp sợi quang .............................37 Hình 3. 11: Hệ đo đường đặc trưng P-I của mô đun laser bán dẫn 4W ....................38 Hình 3. 12: Đường đặc trưng P-I của mô đun laser bán dẫn 4W ..............................40 Hình 3. 13: Hệ đo đường đặc trưng V-I của mô đun laser bán dẫn 4W ...................40 Hình 3. 14: Đường đặc trưng V-I của mô đun laser bán dẫn 4W .............................42 Hình 3. 15: Xác định bước sóng trung tâm ...............................................................42 Hình 3. 16: Hệ đo bước sóng làm việc của mô đun laser bán dẫn 4W .....................43 Hình 3. 17: Phổ của mô đun laser bán dẫn 4W .........................................................44 Hình 3. 18: Phân bố năng lượng của mô đun laser bán dẫn 4W ...............................44 Hình 3. 19: Ảnh phân bố năng lượng 2D, 3D của mô đun laser bán dẫn 4W ..........45 Hình 3. 20: Sơ đồ nguồn dòng điều khiển bằng dòng...............................................47 Hình 3. 21: Sơ đồ nguồn dòng Widlar ......................................................................48 Hình 3. 22: Sơ đồ nguồn dòng điều khiển bằng điện áp ...........................................49
Hình 3. 23: Sơ đồ nguồn dòng điều khiển bằng điện áp có tải tiếp đất ....................50 Hình 3. 24: Sơ đồ nguyên lý nguồn dòng nuôi laser bán dẫn công suất cao ............51 Hình 3. 25: Nguồn dòng DC nuôi laser bán dẫn công suất cao ................................52 Hình 3. 26: Sơ đồ kiểm tra, đánh giá chất lượng nguồn dòng nuôi laser bán dẫn ....53 Hình 3. 27: Xác định dòng nuôi mô đun laser bán dẫn.............................................53 Hình 3. 28: Thông số kỹ thuật của xung vuông điều chế laser bán dẫn ...................54 Hình 3. 29: Ảnh hưởng của trở tải lên mức tín hiệu điều chế ...................................56 Hình 3. 30: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển cấp dòng cho Peltier Cooler .................57 Hình 3. 31: Bộ điều khiển cấp dòng cho Peltier Cooler ...........................................58 Hình 3. 32: Hình ảnh thực tế trong quá trình điều khiển nhiệt độ ............................59 Hình 3. 33: Sự phụ thuộc giữa điện áp so sánh và nhiệt độ điều khiển ....................59 Hình 3. 34: LM555 trong chế độ dao động có độ rộng xung bằng 50% chu kỳ.......61 Hình 3. 35: Hình ảnh thực tế của mạch dao động 10 kHz ........................................61 Hình 3. 36: Dạng xung và thông số kỹ thuật của dao động 10 kHz .........................62
MỞ ĐẦU Lasers (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) – thiết bị khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích, là một trong những phát minh mang tính đột phá trong thế kỷ 20. Nhờ những đặc tính nội trội như tính định hướng cao, tính đơn sắc và cường độ bức xạ lớn, ngày nay, ứng dụng laser đã trở nên phổ biến. Chúng ta có thể tìm thấy hàng ngàn tiện ích trong các ứng dụng khác nhau trên mọi lĩnh vực của xã hội hiện đại như lĩnh vực y tế (phẫu thuật mắt, điều trị bệnh, vật lý trị liệu, chăm sóc sắc đẹp,…), trong công nghiệp (cắt, khắc, gia công vật liệu,…), trong truyền thông (thông tin quang sợi, dẫn đường, đo xa bằng laser,…),… Laser được cho là một trong những phát minh ảnh hưởng nhất trong thế kỉ 20. Laser bán dẫn được Robert Hall công bố lần đầu năm 1962, hoạt động dựa trên chuyển tiếp pn trong bán dẫn GaAs, phát ra mode xung tại nhiệt độ thấp 770K, bước sóng trung tâm là 842 nm với độ rộng phổ cỡ 1,5 nm. Mật độ ngưỡng bơm J ~ 85000 A/cm2. Đến năm 1963, các hệ laser bán dẫn được cải tiến thêm một bước nhờ sử dụng cấu trúc dị thể. Một trong những tiêu chí ưu tiên hàng đầu trong quá trình chế tạo các hệ laser bán dẫn là giảm thiểu dòng ngưỡng. Năm 1969, Charles Kao và Geoger Hockhan đã chế tạo thành công hệ laser bán dẫn trên cơ sở vật liệu GaAs, hoạt động trong chế độ xung tại nhiệt độ phòng với mật độ ngưỡng bơm thấp Jng ~ 8000 A/cm2. Đến năm 1970, người ta đã chế tạo ra các hệ laser bán dẫn có dòng ngưỡng thấp cỡ 1600 A/cm2 và đến năm 1975, dòng ngưỡng chỉ còn 500 A/cm2. Các hệ laser có dòng ngưỡng thấp này được chế tạo trên vật liệu AlGaAs với độ dày ~ 0,1μm, cấu trúc dị thể kép. Theo phương pháp truyền thống, laser bán dẫn được chế tạo dựa trên lớp chuyển tiếp pn, chỉ có thể cho công suất lối ra cỡ vài mW. Để nâng cao công suất phát, người ta đã phát triển laser bán dẫn bề mặt phát xạ rộng (Broad Area Laser Diodes) và hiện nay công suất lối ra có thể lên đến hàng chục W. 1
Hơn nữa, để nâng cao công suất, người ta đã tích hợp nhiều phần tử laser bán dẫn (thường từ 10 đến 20 phần tử) trên một đế bán dẫn có kích thước cỡ 10000 x 600 x 120 µm. Linh kiện này được gọi là laser thanh (laser bar). Hiệu suất chuyển đổi điện – quang trong các laser thanh thường vào khoảng 50 – 60%. Hiện nay, một số hãng trên thế giới đã giới thiệu laser thanh có công suất lên đến hàng trăm W. Ngoài ra, người ta còn tích hợp nhiều laser thanh với nhau, tạo thành laser khối (laser stack), cho phép công suất lên đến vài trăm W. Laser bán dẫn công suất cao có lợi thế hơn nhiều hệ laser khác ở chỗ: (i) Hiệu suất chuyển đổi quang điện cao hơn; (ii) Thời gian sống cao hơn (thường vào khoảng 10.000 giờ); (iii) Kích thước gọn nhẹ hơn; Yêu cầu về nguồn cấp và hệ thống làm lạnh đơn giản hơn; Độ tin cậy cao hơn; (iv) Ngưỡng bơm thấp (cỡ vài trăm mA); (v) Cho phép phát xạ trên nhiều dải sóng; (vi) Dễ điều chế; (vii) Cho phép hoạt động ở cả chế độ xung lẫn chế độ phát xạ liên tục. Trong thời gian qua, việc ứng dụng laser đã được triển khai rộng khắp trên toàn quốc, đặc biệt trong lĩnh vực y tế và công nghiệp. Trong y tế, phổ biến là các thiết bị laser bán dẫn công suất thấp dùng cho thẩm mỹ, nội soi, quang châm,…Trong công nghiệp, phổ biến là các thiết bị laser khí. Tuy nhiên, với lợi thế vốn có, laser bán dẫn công suất cao đang dần khẳng định vai trò của mình và đang trở thành xu thế trong tương lai gần. Luận văn “Nghiên cứu chế tạo hệ laser bán dẫn công suất lớn” trình bày quá trình nghiên cứu, chế tạo hệ laser bán dẫn công suất 4 W, bước sóng trung tâm 940 nm, bao gồm công nghệ chế tạo mô đun laser từ chíp đơn (single chip), chế tạo nguồn nuôi laser và các mạch điều khiển công suất laser, điều khiển nhiệt độ. Luận văn gồm 3 chương: Chương 1 - Tổng quan: điểm qua một số xu hướng chế tạo hệ laser bán dẫn công suất cao hiện nay và trình bày tóm lược những nôi dụng chính sẽ thực hiện trong luận văn. 2
Chương 2 – Cơ sở lý thuyết: trình bày một số cơ sở lý thuyết về laser bán dẫn, nguyên lý cơ bản bơm laser bán dẫn, một số phương pháp điều chế laser bán dẫn, phương pháp điều khiển nhiệt độ. Chương 3 – Thiết kế chế tạo hệ laser bán dẫn công suất cao và đo đạc thực nghiệm: trình bày quá trình chế tạo mô đun laser bán dẫn 4W, chế tạo nguồn dòng 20A, chế tạo nguồn điều khiển Peltier, điều khiển laser bán dẫn, trình bày một số kết quả đo đạc bao gồm phổ của mô đun laser đã chế tạo, phân bố năng lượng, chất lượng chùm tia, các đường đặc trưng P-I, I-V,… Kết luận: trình bày tóm lược những nội dung đã thực hiện được và những vấn đề tồn đọng cần tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện. 3
Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung Trong các ứng dụng laser, các hệ laser bán dẫn công suất cao, với ưu điểm nổi trội là kích thước gọn nhẹ, hiệu suất cao, điện năng tiêu thụ thấp, ngày càng chiếm thị phần lớn trong các hệ laser hiện nay. Theo dự báo 2014 của 30 công ty hàng đầu trong lĩnh vực ứng dụng laser, doanh thu của công nghiệp laser đạt gần 10 tỷ USD, trong đó, doanh thu của laser bán dẫn chiếm 48% thị phần [10]. Để tạo ra hệ laser bán dẫn công suất cao, hiện này người ta đi theo các hướng chủ yếu gồm: chế tạo hệ laser từ chíp đơn (single chip), chế tạo hệ laser từ laser thanh (laser bar), laser khối (laser stack), laser mảng (matrix) và chế tạo hệ laser hốc cộng hưởng rộng LOC (large optical cavity). Theo hướng chế tạo từ chíp đơn, hai cấu trúc hình học chủ yếu được sử dụng trong quá trình chế tạo laser công suất cao là cấu trúc dải rộng BA (Broad Area) và cấu trúc vuốt thon (Tapered) [5, 9, 11, 14]. Cấu trúc của loại laser này được mô tả trên hình 1.1. a) Cấu trúc của laser dải rộng b) Cấu trúc của laser vuốt thon Hình 1.1: Cấu trúc laser đơn chíp Mặc dù công suất quang lối ra của hai loại laser này tương đương nhau nhưng chùm tia lối ra của laser vuốt thon có độ đồng nhất cao hơn laser cấu trúc dải rộng. 4
Theo hướng chế tạo laser thanh, người ta tích hợp nhiều laser đơn thành mảng một chiều, sao cho các mode được kết hợp lại với nhau để tạo ra công suất cao [9] (hình 1.2). Hình 1.2: Cấu trúc laser thanh Theo hướng chế tạo laser mảng, người ta tạo ra các lớp tích cực nằm sát nhau. Các lớp tích cực này bức xạ riêng rẽ với các mối quan hệ về pha. Công suất ra sẽ được tăng cường trong trường hợp đồng pha. Nhờ khả năng kết hợp về pha, người ta đã tạo ra được những chùm laser dải hẹp, công suất cao. Vật liệu chế tạo các laser mảng hiện nay chủ yếu là InGaAsP [14]. Theo hướng chế tạo laser hốc cộng hưởng rộng, công suất laser phụ thuộc vào số lượng photon thoát ra khỏi hốc cộng hưởng. Công suất laser tăng lên khi tăng kích thước hốc cộng hưởng hoặc tăng chiều dài vùng tích cực (tăng độ khuếch đại). Laser hốc công hưởng dựa trên cấu trúc di thể kép gồm ba lớp p-p-n được mô tả trên hình 1.3 [1]. Hình 1.3: Laser hốc cộng hưởng dựa trên AlGaAs 1.2. 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
Hình 1.4 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
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 1.5). 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. Hình 1.5: Sự phụ thuộc của công suất quang lối ra vào dòng bơm 7
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
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. 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 2.1a). Quá trình này được gọi là hấp thụ (Absorption) [12]. Hình 2.1: 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 2.1c). 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. Từ hình 2.1c 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