Nghiên cứu một số đặc trưng cơ bản của taper laser diode công suất cao vùng 670nm

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN MINH TUẤN

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

THÁI NGUYÊN – 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN MINH TUẤN

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

Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8440110

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Quốc Tiến

THÁI NGUYÊN - 2018

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan dƣới đây là khóa luận tốt nghiệp của riêng tôi, dƣới sự
hƣớng 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 đƣợc 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.
Ngƣời làm luận văn

Nguyễn Minh Tuấn


Lời cảm ơn
Cuốn luận văn này đƣợc 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 tiên tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Trần Quốc Tiến, ngƣời đã
hƣớng dẫn tôi thực hiện luận văn này. Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, thầy
luôn hƣớng 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 trƣờng Đại học Khoa học Đại học Thái Nguyên, đã cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm vô cùng quý giá
cững nhƣ 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 Trƣờng 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 ngƣời 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

CHƢƠNG 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...................................................

3

1.1.2. Cấu trúc dị thể và các thành phần của laser bán dẫn........................... 5
1.1.3. Khuếch đại quang và ngƣỡng phát laser.............................................. 8
1.1.4. Laser bán dẫn dị thể và laser giếng lƣợng tử....................................... 11
1.2. Laser bán dẫn công suất cao......................................................................... 13
1.2.1. Laser bán dẫn buồng cộng hƣởng rộng (LOC).................................... 13

1.2.2. Đặc điểm của laser bán dẫn hoạt động ở chế độ công suất cao.......... 13
1.3. Các đặc trƣng cơ bản của laser bán dẫn công suất cao................................. 14
1.3.1. Đặc trƣng quang điện......................................................................... 14
.14
1.3.2. Đặc trƣng phổ phát xạ......................................................................... 15
.15
1.3.3. Đặc trƣng tính chất chùm tia............................................................... 17
16
CHƢƠNG 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM...................................................... 19
19
2.1. Laser bán dẫn taper công suất cao phát bức xạ vùng sóng 670 nm............. 19
19
2.1.1. Phƣơng pháp và kỹ thuật chế tạo cấu trúc, hình dạng chip laser bán
dẫn vùng 670nm................................................................................................... 19
19
2.1.2. Phƣơng pháp và kỹ thuật đóng gói, chế tạo mẫu laser công suất cao
670 nm................................................................................................................. 19
.................19
2.1.3. Các thông số kỹ thuật chính của laser taper đƣợc nghiên cứu........... 21
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 Peltier................................................. 22
22
2.2.2. Hệ pin nhiệt điện và đế tỏa nhiệt cho laser công suất cao.................. 23
23
2.3. Phƣơng pháp đo đặc trƣng quang điện của laser bán dẫn công suất cao..... 25
25
2.3.1. Đặc trƣng I-V...................................................................................... 25
25

2.3.2. Đặc trƣng P-I...................................................................................... 26
26
2.4. Kỹ thuật đo phổ phát xạ của laser bán dẫn công suất cao............................. 26
26


2.5. Phƣơng pháp khảo sát tính chất chùm tia của laser taper............................. 27
28
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN VÀ
THẢO LUẬN...................................................................................................... 30
3.1. Tính chất quang điện của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng
bƣớc sóng 670 nm................................................................................................ 30
31
3.1.1. Đặc trƣng dòng thế (I-V).................................................................... 30
30
3.1.2. Đặc trƣng công suất phát xạ phụ thuộc dòng bơm (P-I)..................... 31
31
3.1.3. Hiệu suất độ dốc và hiệu suất biến đổi điện quang............................ 33
33
3.1.4. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ lên các đặc trƣng quang
điện....................................................................................................................... 34
3.2. Tính chất phổ phát xạ của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng
670nm.............................................................................................................................. 36
36
3.2.1. Phổ phát xạ của laser.......................................................................... 36
36
3.2.2. Sự phụ thuộc vào dòng bơm của phổ phát xạ..................................... 37
38
3.2.3. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của phổ phát xạ........................................ 38
39

3.3. Tính chất chùm tia của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng
670 nm................................................................................................................. 39
3.3.1. Phân bố trƣờng xa của chùm tia.......................................................... 39
3.3.2. Độ rộng cổ chùm và tính toán hằng số truyền M2 .............................. 41
3.4. Phân tích kết quả khảo sát đặc trƣng 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
hệ laser rắn Cr3+ ................................................................................................... 43
KẾT LUẬN.......................................................................................................... 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO:.................................................................................. 47


i
DANH MỤC VIẾT TẮT
VIẾT TẮT
BA

TIẾNG ANH
Broad-Area

TIẾNG VIỆT
Dải rộng
Công suất cao

CSC
DFB

Distributed FeedBack

Phản xạ hồi tiếp

MQW

Multi Quantum Well

Đa giếng lƣợng tử

LOC

Large Optical Cavity

Buồng cộng hƣởng rộng

LED

Light Emitting 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..................................................................

6

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
 (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
19
Hình 2.2: Mô hình chíp laser được hàn trên đế đồng........................................... 20
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
21
Hình 2.4 : Một số cấu hình đóng gói laser taper................................................... 21
Hình 2.5: Nguồn nuôi laser ITC4005.................................................................... 23
23
Hình 2.6: Pin nhiệt điện......................................................................................... 23
Hình 2.7: Hệ thống làm lạnh bằng thiết bị nhiệt điên Peltier............................... 24
24
Hình 2.8: Sơ đồ phương pháp đo đặc trưng I-V của Laser................................... 26
26
Hình 2.9: Sơ đồ đo phổ của laser.......................................................................... 27
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
29


Hình 3.1: Đặc trưng I-V của laser taper φ = 30.................................................... 30
30
Hình 3.2: Đặc trưng I-V của laser taper φ = 40.................................................... .31
31
Hình 3.3: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm của laser taper 3 o............. ..........33
32
Hình 3.4: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm của laser taper 40.............. 34
33
Hình 3.5: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm ở các nhiệt độ khác nhau
của laser taper 3o................................................................................................... ............35
34
Hình 3.6: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm ở các nhiệt độ khác nhau
của laser taper 4o................................................................................................... ..........
35 36
Hình 3.7:Phổ quang của laser bán dẫn tại các giá trị khác nhau........................ ............
36
36
Hình 3.8: Phổ quang của laser taper 40 tại các giá trị dòng hoạt động khác
nhau, nhiệt độ hoạt động 25oC.............................................................................. 37
Hình 3.9: Phổ quang của laser taper 40 tại dòng hoạt động 600 mA với các giá
trị nhiệt độ hoạt động khác nhau........................................................................... 38
Hình 3.10: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3o................................... 39
Hình 3.11: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3o theo hướng song
song với chuyển tiếp ở các dòng bơm khác nhau................................................. 40
Hình 3.12: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3o tại các nhiệt độ khác

nhau........................................................................................................................ 40
Hình 3.13: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 4o................................... 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 ...............................................................
2121
Bảng 2.2: Thông số hoạt động tối ưu của laser taper..............................................
2122
Bảng 2.3: thông số kỹ thuật của laser teper ở 250C.................................................
2222
Bảng 3.1: Dòng ngưỡng phụ thuộc theo nhiệt độ của LD taper 30.................... 34
Bảng 3.2: Hiệu suất độ dốc phụ thuộc theo nhiệt độ của LD taper 4o ...................
3637
Bảng 3.3: Các giá trị đỉnh phổ theo dòng hoạt động của laser taper 40............. 37
Bảng 3.4: Sự phụ thuộc đỉnh phổ theo nhiệt độ của laser cấu trúc taper 4o....... 39
Bảng 3.5: Các thông số chùm của laser taper cấu trúc 3o và 4o ........................ 42


MỞ ĐẦU
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là thiết bị
tạo ra chùm ánh sáng có cƣờng độ mạnh có tính đơn sắc, kết hợp và có tính chuẩn
trực cao. Bƣớc sóng (màu sắc) của ánh sáng laser là ánh sáng đơn sắc khi đƣợc so
sánh với những nguồn sáng khác, và tất cả photon (lƣợng 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 đƣợc tập trung tới một điểm sáng rất
nhỏ với cƣờng độ sáng rất lớn. Do có những tính chất quí báu này, laser đƣợc sử
dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống.

Từ khi laser diode bán dẫn đƣợc công bố đầu tiên vào năm 1962. Kể từ đó
đến nay, trải qua nhiều giai đoạn phát triển, các tính năng kỹ thuật của laser diode
không ngừng đƣợc hoàn thiện. Từ chỗ ban đầu là các laser đơn chuyển tiếp có dòng
ngƣỡng phát laser cao, chỉ hoạt động đƣợc 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 lƣợng tử (MQW) với dòng ngƣỡng
phát laser thấp (đối với laser công suất thấp), có thể hoạt động đƣợc ở nhiệt độ
phòng hoặc cao hơn. Với các loại vật liệu bán dẫn khác nhau ngƣời ta có thể chế
tạo các loại laser bán dẫn với bƣớc 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 nhƣ trong đời sống hàng ngày.
Đặc biệt Laser bán dẫn ổn định bƣớc sóng vùng đỏ với công suất cao, phổ
hẹp, chất lƣợng chùm tia tốt có rất nhiều ứng dụng nhƣ: 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 tính 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, tìm hiểu về laser cũng nhƣ phục vụ cho các mục đích ứng dụng
khác nhau. Đặc trƣng đƣợc 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
tia. Đối với các laser đƣợc chế tạo với các lớp epitaxy nhƣ nhau. Laser cấu trúc
taper và thƣờng có dòng ngƣỡng hoạt động lớn, tuy nhiên chất lƣợng của chùm tia
của laser taper là rất tốt.
1


Đặc trƣng công suất phụ thuộc dòng bơm đƣợc đo tại các giá trị nhiệt độ
khác nhau từ đó tính đƣợc nhiệt độ đặc trƣng của laser cấu trúc loại này. Sự phân
bố mật độ công suất đƣợc đo tại các giá trị dòng khác nhau, nhiệt độ hoạt động

khác nhau. Hiệu suất ghép nối bức xạ laser với sợi quang đƣợc tính từ sự phân bố
mật độ công suất của laser. Các đặc trƣng phổ quang, độ rộng cổ chùm tia đƣợc
khảo sát nhằm mục đích tính toán hệ số truyền chùm tia M2.`
Việc nghiên cứu các tính chất đặc trƣng cơ bản nhƣ là P-U-I, đặc trƣng phổ,
phân bố trƣờng xa, độ rộng cổ chùm, hệ số truyền chùm M 2 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 tính chất đặc trƣng của laser đƣợc đo đạc, tính toán đối với
laser bán dẫn cấu cấu trúc taper có góc mở 3o hoặc 4o. Các kết quả nghiên cứu đƣợc
trình bày trong ba chƣơng của luận văn nhƣ sau:
Chƣơng 1. Tổng quan về các laser bán dẫn công suất cao phát xạ vùng sóng
đỏ.
Chƣơng 2. Kỹ thuật thực nghiệm.
Chƣơng 3. Kết quả khảo sát các đặc trƣng cơ bản và thảo luận.

2


CHƢƠNG 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 thƣờng, 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 tƣơng ứng với mức năng lƣợng nền và mức năng lƣợng kích thích của các
nguyên tử trong môi trƣờng hấp thụ. Nếu một photon có năng lƣợng h với  là tần
số của ánh sáng đến đúng bằng với độ lệch năng lƣợng E g = E2 – E1 thì năng lƣợng
của photon sẽ bị hấp thụ bởi nguyên tử, kết quả là nguyên tử đang ở trạng thái mức
năng lƣợng nền sẽ đƣợc chuyển lên trạng thái mức năng lƣợng kích thích. Ánh
sáng tới bị suy hao đi do quá trình hấp thụ.
Thông thƣờng, các nguyên tử tồn tại bền vững hơn ở mức năng lƣợng nền,

khi tồn tại ở các mức năng lƣợng cao hơn sẽ có xu hƣớng chuyển về mức năng
lƣợng thấp hơn sau một khoảng thời gian nhất định. Vì thế, khi nguyên tử ở mức
năng lƣợng kích thích chuyển về mức năng lƣợng nền sẽ giải phóng năng lƣợng
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 nhƣ mô tả trong hình 1.1. Trong trƣờng hợp
phát xạ tự phát, các photon đƣợc phát xạ có hƣớng và pha là ngẫu nhiên. Trong
trƣờng hợp phát xạ kích thích, tại thời điểm nguyên tử đang ở mức năng lƣợng 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 đƣợc 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 đƣợc gọi là ánh sáng kết hợp.

Hình 1.1 Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng trong vật liệu bán dẫn
3


Xét mô hình hệ thống nguyên tử đơn giản gồm hai mức năng lƣợng tƣơng
tác trong trƣờng điện từ nhƣ mô tả trong hình 1.1. Nếu N1 và N2 lần lƣợt là mật độ
nguyên tử ở mức năng lƣợng nền và mức năng lƣợng kích thích và ρem() là mật độ
phổ của năng lƣợng điện từ, thì biểu thức tƣơng ứng của tốc độ phát xạ tự phát, tốc
độ phát xạ kích thích và tốc độ hấp thụ có thể đƣợc mô tả nhƣ sau
Rspom = AN1, Rstim = 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 đƣợc 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
ρem =

A/ B
( B ' / B ) exp( h / k BT )  1

(1.4)

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

(1.5)

So sánh hai biểu thức (1.4) và (1.5) rút ra đƣợc mối quan hệ sau
A = (8πhc3)B; B’ = B

(1.6)

Hai kết luận quan trọng có thể đƣợc rút ra qua các biểu thức từ (1.1) đến
(1.6). Thứ nhất, Rspon có thể vƣợt quá cả Rstim và Rabs nếu 𝑘𝐵𝑇 > h𝜐, tức là trong

điều kiện nhiệt độ cao. Thứ hai, đối với phát xạ trong vùng nhìn thấy hoặc vùng
hồng ngoại (h𝜐 ~1𝑒𝑉), quá trình phát xạ tự phát thƣờng chiếm ƣu thế hơn phát xạ
kích thích trong điều kiện cân bằng nhiệt ở nhiệt độ phòng (𝑘𝐵𝑇 ≈ 25 𝑚𝑒𝑉) bởi vì
Rstim
= [exp(h𝜐/kBT) – 1]-1 << 1
Rspon

(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 lƣợng bên ngoài.
Thậm chí đối với một hệ nguyên tử đƣợc bơm năng lƣợng ngoài, quá trình
phát xạ kích thích cũng có thể không phải là quá trình chiếm ƣu thế vì phải cạnh
tranh với quá trình hấp thụ của nguyên tử. Rstim có thể vƣợt quá Rabs chỉ khi nào có
N2 > N1. Điều kiện này đƣợc gọi là điều kiện đảo lộn mật độ, và nó không bao giờ
4


xảy ra trong điều kiện cân bằng nhiệt. Điều kiện đảo lộn mật độ là tiên quyết đối
với hoạt động của laser. Trong các hệ nguyên tử, điều này đạt đƣợc bằng cách sử
dụng các cơ chế bơm 3 hay 4 mức sao cho nguồn năng lƣợng bên ngoài làm
chuyển mật độ hạt ở mức nền lên các mức cao hơn.
Mặc dù quá trình bơm cũng có thể đƣợc cung cấp bằng sự kích thích quang
của các cặp điện tử lỗ trống, một ƣu 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 đƣợc phân
cực thuận nhƣ trong hình 1.2. Vì lý do này, laser bán dẫn đƣợc bơm bằng điện cũng
đƣợc gọi là laser diode.
Tất cả các laser diode bán dẫn sử dụng cấu trúc dị thể kép phân cực thuận để
đạt đƣợc 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 đƣợc 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 đƣợc mật độ photon cao trong laser bán dẫn, dẫn sóng quang đƣợc
tạo ra để giam giữ các photon trong miền tích cực của linh kiện. Hơn nữa, một
buồng cộng hƣởng quang, hầu hết là Fabry-Perot, đƣợc sử dụng để tăng mật độ
photon trong buồng cộng hƣởng. Một laser bán dẫn có thể dùng nhƣ một bộ dao
động quang bao gồm một môi trƣờng khuếch đại và một buồng cộng hƣởng 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 tiếp p - n các hạt tải điện không đƣợc giam giữ tại vùng
5