LASER bán dẫn - đề tài tiểu luận sinh viên

MÔN : VẬT LÝ LASER
GVHD : Th.S Trần Thị Hồng
NHÓM SVTH : Phan Quang Mạnh
Bùi Vũ My Na
Trần Thị Bích Ngọc
Huỳnh Thúy Ngọc
Lê Thị Thanh Nhân
Ứng dụng
Tính chất
Tính chất
Nguyên lý hoạt động
Cấu tạo
Giới thiệu chung
LASER BÁN DẪN
LASER BÁN DẪN
I.GIỚI THIỆU CHUNG

Laser rắn thường hoạt động với một tần số hay một vài tần số.

Môi trường hoạt tính là chất rắn.

Ví dụ: Laser Ruby

Laser lỏng hoạt động với một tần số hay nhiều tần số phụ thuộc vào
dung môi và nguồn bơm.

Môi trường hoạt tính là chất lỏng, các dung dịch thuốc nhuộm màu.

Laser khí có vùng bước sóng phát từ vùng tử ngoại đến hồng ngoại.

Môi trường hoạt tính là chất khí.


Ví dụ: Laser He-Ne

Laser bán dẫn được cấu trúc từ các lớp tiếp xúc p-n.

Bức xạ của nó có thể biến thiên và điều khiển một cách liên tục được.

Ví dụ: Laser GaAs
I.GIỚI THIỆU CHUNG
1. Lịch sử chế tạo LASER bán dẫn
* Năm 1963, Nikolay Basov và cộng sự đã sản xuất được LASER bán
dẫn đầu tiên được chế tạo từ GaAs ở Liên Xô.
* Ngay sau thành tựu này, với nhiệm vụ làm nguồn bơm cho LASER
rắn thông thường, LASER bán dẫn đã thay thế cho các nguồn bơm
phức tạp và tốn kém khác.
* Hiện nay các nhà khoa học Mỹ đang nghiên cứu LASER bán dẫn
hồng ngoại mô hình nhỏ.
* Năm 1960, Herbert Nelson tại phòng thí nghiệm RCA đã có thể chế
tạo các lớp tiếp xúc dị thể dùng trong LASER bán dẫn.
* LASER là viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated
Emisson of Radiation nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng
bức.
I.GIỚI THIỆU CHUNG
2.Một vài đặc tính nổi bật của LASER bán dẫn:
* Gọn nhẹ (toàn bộ cấu trúc LASER chỉ vài milimet khối) mà có độ tin
cậy rất cao.
* Quang phổ của LASER bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, áp suất.
* Độ bền cơ học cao, hiệu suất cao, công suất tiêu thụ nhỏ, khả năng
điều biến tần số cao, giá thành tương đối thấp.
a. Ưu điểm:

b. Nhược điểm:
* Khó chế tạo LASER có công suất xung lớn, tính đơn sắc, tính song
song kém hơn các loại LASER khác.
Vùng lớp đệm
Vùng lớp đệm
Vùng hoạt động
Bề mặt nhám
Ánh sáng
phát ra
Các mặt song song và
bóng nhẵn
Dòng phân cực thuận
II.CẤU TẠO

Một LASER bán dẫn có cấu tạo là một tiếp xúc p-n có dạng hình
hộp chữ nhật.

Chiều dài BCH cỡ 0,5-1mm, chiều cao cỡ 0,05-0,1mm, bề dày lớp
tích cực cỡ 1-2 , có chiết suất lớn đóng vai trò như một ống dẫn
sóng.

Hai mặt phẳng giới hạn đối diện được đánh bóng và song song với
nhau có vai trò là hai gương phản xạ.

Các bề mặt còn lại được làm
nhám để ngăn ngừa việc phát xạ
ở những hướng không mong
muốn.

Đế tản nhiệt đặt dưới các

lớp bán dẫn làm bằng kim
loại.
m
µ
III.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Laser bán dẫn có cấu trúc gồm một hoặc nhiều mối nối p-n
III.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Tạp chất ở nhóm V cung cấp điện tử cho chất bán dẫn cơ bản nên
được gọi là tạp chất cho (donor). Chất bán dẫn có pha thêm tạp chất ở
nhóm V gọi là bán dẫn loại N (Negative)

Tạp chất ở nhóm III tiếp nhận điện tử từ chất bán dẫn cơ bản để sinh
ra các lỗ trống nên được gọi là tạp chất nhận (acceptor). Chất bán dẫn
có pha thêm tạp chất ở nhóm III gọi là bán dẫn loại P (Positive).

Khi cho hai lớp bán dẫn tiếp xúc nhau, điện tử (e) từ bán dẫn loại N
sẽ khuếch tán sang bán dẫn loại P. Tại đó diễn ra việc tái hợp giữa điện
tử và lỗ trống (h).

Ngay sau đó, trạng thái cân bằng được thiết lập, tại miền chuyển tiếp
p-n mất suy biến.

Khi áp thế vào mối nối này, vùng chuyển tiếp lại trở lại trạng thái suy biến,
các e từ vùng N sẽ phun vào vùng P. Lúc này, các e phun sẽ tái hợp với h và
bức xạ ra photon.

Tức là: electron từ trạng thái năng lượng cao (vùng dẫn) rơi xuống vùng hóa
trị, kết hợp với lỗ trống và phát ra photon- tia LASER.


Như vậy, để tạo ra bức xạ cảm ứng trong mối nối p-n, cần có mật độ
đảo lộn và hệ cộng hưởng.
- Mật độ đảo lộn được tạo ra bởi việc tiêm dòng electron và lỗ trống vào mối
nối p-n, còn hệ cộng hưởng được thành lập bằng cách mài bóng hai mặt của mối
nối p-n.
- Nguyên lý hoạt động của laser dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích và hiện
tượng cộng hưởng của sóng ánh sáng khi lan truyền trong hốc cộng hưởng.
Sự phản xạ nhiều lần của
photon trong BCH Fabry-Perot
IV.ỨNG DỤNG
Q
U
Â
N

S
Ự
ĐỜI
SỐNG
1. Trong thông tin quang:

Tín hiệu quang được dùng trong quang sợi là các LASER bán dẫn.
Sở dĩ LASER bán dẫn được lựa chọn bởi ưu điểm như gọn nhẹ, nguồn nuôi có
điện thế thấp và có thể trực tiếp điều khiển dòng điện với tần số cao.
Sử dụng laser với cáp quang có thể cho đường truyền tới 100 terabit/s
2. Trong công nghiệp:

LASER bán dẫn được sử dụng trong việc đọc đĩa Compact.
-

Trong đĩa Compact thông tin được mã hóa dưới dạng mã nhị phân, ghi lên một
đĩa với các tín hiệu là các hốc và rãnh.
-
Người ta dùng một LASER bán dẫn loại (AlGa)As có bước sóng 0.83 µm
chiếu lên các hốc và rãnh này, khi đĩa quay tia phản xạ trên mặt các hốc của
đĩa này được truyền qua một hệ quang học và thu qua một photodiode.
-
Đĩa Compact với ưu điểm lưu được một lượng thông tin chất lượng tuyệt hảo,
sử dụng bền, ngoài ra có thể tìm thông tin ở bất kỳ ở một vị trí nào trên đĩa một
cách dễ dàng. Vì vậy ngày nay đĩa Compact được sử dụng rộng rãi.

Ngày nay còn có đĩa Blu-ray có công suất lưu trữ lớn khi ghi nội dung độ phân giải
cao, gấp 6 lần so với chuẩn DVD trước đó. Loại đĩa này có 25 GB bộ nhớ ghi trên một
mặt của một đĩa đơn 12 cm, cho phép thu hình tới 13 giờ (Ở độ phân giải chuẩn DVD,
tức là khoảng 720*480) so với đĩa 4,7 GB trước đó chỉ thu được 2 giờ. Đĩa quang có
tên Disque Blu-ray bởi vì nó được áp dụng tia laser màu xanh để nạp dung lượng vào
đĩa.

Việc sử dụng laser có bước sóng ngắn có thể tăng mật độ lưu trữ của thiết bị lưu trữ
quang học, bước sóng LASER cỡ 405nm.

Đầu đọc đĩa CD bằng laser bán dẫn.
Một đĩa CD sẽ được đọc bằng một đầu đọc laser bán dẫn có bước sóng 780nm
thông qua phần giữa của lớp Polycarbonate. Sự thay đổi giữa khoảng cách của
các “pit” và “land” sẽ gây nên những cường độ mạnh, yếu khác nhau của tia
laser khi bị phản chiếu. Và một diode được gắn trong ổ đọc sẽ ghi nhận những
thay đổi này từ đó dữ liệu ở trong đĩa sẽ được đọc từ đĩa CD.
* Máy đọc mã vạch bằng laser
Các máy quét mã vạch dùng tia sáng laser cho ra tia sáng rất mãnh cắt ngang
bề mặt mã vạch. Ưu điểm của các máy quét dùng tia laser là quét rất nhạy,

chính xác, có thể quét mã vạch trên bề mặt cong và có khả năng quét tầm xa.

Máy in laser.
Tạo ra tia laser có cường độ phát xạ thay đổi theo cấp độ xám của từng điểm
ảnh (pixel). - Bắn tia laser trải đều trên suốt chiều dài của trống (theo từng dòng
ảnh) - Như vậy, cường độ của tia laser là liên tục thay đổi (lúc yếu/lúc mạnh)
phụ thuộc vào điện áp từng điểm ảnh.

Trong y học LASER được ứng dụng theo phương thức sau.
2. Trong y học:

Phản ứng quang hóa được hiểu như sau: phân tử ở trạng thái trung hòa (ở
mức năng lượng cơ bản) thì hoạt tính sinh học của nó yếu (thí dụ như oxy phân
tử trong tổ chức sinh học). Dưới tác động của photon trong chùm tia Laser phân
tử ấy được chuyển lên trạng thái kích thích ở đấy hoạt tính sinh học của nó
mạnh mẽ hơn.
hv + O
2
O⇒
2

*
a. Dùng làm quang châm

Cấu tạo của bộ phận điều trị.
-Bộ phận điều trị gồm 10 kênh, 10 kênh hoàn toàn giống nhau, nhưng độc lập
với nhau.
- Mỗi kênh có một đầu châm. Đầu châm bằng lase bán dẫn có bước sóng 940
nm.
+ Tần số điều biến của mỗi đầu châm thay đổi từ 5 -

100HZ.
+ Đầu châm bằng laser có bước sóng 940nm có 3 điểm
quý giá, khi sử dụng chúng làm kim quang học thay
thế kim bằng kim loại trong châm cứu cổ truyền.
+ Có khả năng xuyên sâu vào mô 4 – 6cm

Ứng dụng trong điều trị.
- Di chứng liệt nửa người do tai biến mạch máu não.
- Bại não ở trẻ em
- Đau trong thoái hoá cột sống cổ, cột sống thắt lưng.
- Đau dây thần kinh toạ và liệt mặt ngoại biên.
- Đau quanh khớp vai và đau dây thần kinh sau zona.
b. Thiết bị LASER bán dẫn quang trị liệu đa bước sóng Multil

Cấu tạo:
-
LASER quang trị liệu đa bước sóng dựa trên nền tảng kỹ thuật của thiết bị LASER
bán dẫn hồng ngoại chiếu ngoài đầu phát chùm bước sóng 650 nm, tăng cường thêm
bước sóng vùng hồng ngoại bước sóng 940 nm .
-
Trong thiết bị, hai tia laser làm việc ở hai bước sóng khác nhau được kết hợp nhờ vào
một hệ thống quang học sao cho hai chùm tia trộn lẫn vào nhau tạo nên tác dụng cộng
hưởng đồng thời lên từng điểm của vị trí tổn thương.
b. Ứng dụng điều trị của thiết bị LASER bán dẫn quang trị liệu đa bước
sóng Multilaser plus
-Tổn thương gân, cơ: Tổn thương bao hoạt dịch, bong gân, xuất huyết não, tai
biến mạch máu não, dãn dây chằng, các chứng đau do vận động nhiều, t ổn
thương gân và các điểm vận động.
-Tổn thương khớp mãn và kinh niên: Viêm khớp mãn tính, chứng viêm khớp và
thấp khớp, viêm dây chằng, viêm gân, tổn thương xương bánh chè.

-Đau mãn tính: Mụn giộp, đau lưng và cổ, đau xương bàn chân, đau dây th ần
kinh sinh ba, thần kinh sọ, đau dây thần kinh cánh tay, các ch ứng tê b ại, đau
cứng vai.
-Chấn thương, gãy: Đứt gân, cơ, rách cơ do vận động…
4. Trong quân sự:
* Máy đo khoảng cách bằng laser trong quân sự là loại thiết bị quan trọng. Có nhiều
loại khác nhau: máy đo cự ly hàng không, máy đo cự ly xe tăng, máy đo cự ly xách tay
v.v Máy đo cự ly hàng không đo chính xác cự ly từ máy bay đến mục tiêu trên mặt
đất, nâng cao độ trúng đích khi ném bom. Nguyên lý hoạt động: đo khoảng thời gian
chênh lệch giữa xung laser phát ra và xung phản hồi về rồi nhân với tốc độ ánh
sáng(300.000km/s), lấy kết quả chia 2, được cự ly cần đo.
* Ứng dụng làm động cơ tên lửa Laser bán dẫn có độ định hướng cao cho sự tập
trung năng lượng trong một góc khối nhỏ và tạo nên cường độ lớn. Vì thế laser
bán dẫn được ứng dụng trong chế tạo động cơ tên lửa….
-Laser ngay từ thời điểm được phát minh ra (1960) đã trở thành đối tượng chú ý
sát sao của giới quân sự. Nó đã mang lại nhiều ích lợi - các laser bán dẫn đã khá
nhanh chóng được ứng dụng trong quân đội với tư cách máy đo xa-chỉ thị laser
hay radar laser.
* Tia laser còn được dùng làm vũ khí, tuy chưa được phổ biến. Vũ khí laser công suất
thấp làm loá mắt đối phương, dùng trong tác chiến gần, khoảng cách chỉ vài km, trời
mưa mù khoảng cách còn ngắn hơn, có thể xách tay, lắp trên xe tăng, máy bay trực
thăng.
* Rada laser có độ chính xác cao hơn rada thông thường, có thể hướng dẫn hai tàu vũ
trụ ghép nối chính xác trên không gian. Máy bay chiến đấu bay ở tầm siêu thấp, nếu
trang bị rada laser có thể né chính xác tất cả chướng ngại vật, kể cả đường dây điện.
Tuy nhiên, những thiết bị laser đều chịu ảnh hưởng của thời tiết, trời mù hoặc mưa thì
khoảng cách đo bị giảm đi nhiều.
* Vũ khí laser năng lượng cao dùng chùm tia laser cực mạnh chiếu đến một điểm trên
mục tiêu, dừng lại một thời gian ngắn để vật liệu chảy ra hoặc khí hoá. Chùm tia laser
mạnh có thể phá huỷ đường điện, gây cháy thùng nguyên liệu trong máy bay, gây nổ

đạn đạo. Lắp đặt trên mặt đất, trên tàu, máy bay, vệ tinh, có tốc độ nhanh, chính xác
cao, không cần thuốc mồi, không sinh lực đẩy phía sau, không tạo ô nhiễm nên nó là
loại vũ khí "sạch sẽ". Vũ khí laser lắp đặt trên vệ tinh có thể bắn hạ tên lửa đạn đạo và
vệ tinh đối phương.