bài giảng môn học quang điện tử và quang điện, chương 9

Điều kiện cộng hưởng: hành trình qua hốc 2L = số nguyên lần bước sóng 2L = Mλ → Có rất nhiều tần số laser được phép, cách nhau các khoảng ∆f = c/2L, gọi là các mode hốc cộng hưởng (cavity modes) → Người thiết kế laser phải tối ưu hoá thiết kế cho tần số mong muốn nhờ việc điều khiển hỗn hợp khí, các đặc trưng kích thích và phản xạ của hốc và có thể dùng bộ lọc, hoặc tăng khoảng cách giữa các gương (tăng L). - Trong thực tế chỉ có những chuyển mức...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
bài giảng môn học quang điện tử và quang điện, chương 9 Chương 9: Hốc cộng hưởng tạo bởi các gương đầu cuối -Điều kiện cộng hưởng: hành trình qua hốc 2L = số nguyên lần bước sóng 2L = Mλ → Có rất nhiều tần số laser được phép, cách nhau các khoảng ∆f = c/2L, gọi là các mode hốc cộng hưởng (cavity modes) → Người thiết kế laser phải tối ưu hoá thiết kế cho tần số mong muốnnhờ việc điều khiển hỗn hợp khí, các đặc trưng kích thích và phản xạ củahốc và có thể dùng bộ lọc, hoặc tăng khoảng cách giữa các gương (tăngL). - Trong thực tế chỉ có những chuyển mức năng lượng với thờigian sống tương đối lớn mới có thể tạo ra các vạch phổ có thể sửdụng được. -Năng lượng laesr khả dụng nhận được khi độ lợi của hốc được điềuchỉnh để chọn 1 trong các vạch laser khã dĩ. Với laser khí, do sự mở rộngdoppler, chiều dài của hốc sẽ xác định số cộng hưởng hốc chứa trong 1vạch phổ. Độ lợi đầu ra của laser lúc này sẽ là tích của độ lợi vạch phổmở rộng với cavity modes. Phát xạ đồng thời này được gọi làlongitudinal modes. -Ngoài ra, hốc laser có thể tạo ra một số modes không gian hayTEM modes. Trong thực tế, mode mong muốn là TEM00, là tia đơn vớiphân bố năng lượng theo phân bố Gauss. c) Kích thuớc vệt laser -Bức xạ laser có thể ở dạng liên tục (continuous_wave laser) hoặc dạng xung(pulsed laser). - Bức xạ laser có thể được hội tụ thành vệt nhỏ để tăng mật độ dòng quang. - Kích thước vệt laser có thể được hội tụ là hàm của đường kính chùm laser: D = (16/3)(λF/πD0) với F: tiêu cự của thấu kính D0: độ rộng chùm laser tính từ điểm có cường độ 13.5% cường độ cực đại. - Công suất chùm laser có thể bị giảm bởi 1 miệng tròn có đường kính nhỏ hơn đường kính chùm laser .Tỷ số dòng truyền qua / dòng tới là: Φe/Φi = 1 – exp(- 2D2/w2), với D: đường kính miệng tròn w: đường kính chùm tia tới, được xác định như D0. §3.3 LASER BÁN DẪN 1/ Giới thiệu * Các cấu phần cơ bản: - Photon source: tái hợp điện tử lỗ trống phát sinh photon. - Feedback: Các photon được đưa ngược lại vào miền tái hợp nhờ phản xạ đểtạo ra phát xạ kích thích - Energy source: dòng tiêm hạt tải, cung cấp công suất * Chuyển mức năng lượng xảy ra giữa vùng dẫn và vùng hoá trị * Bán dẫn vùng cấm thẳng (direct bandgap): cực đại vùng hoá trị và cực tiểuvùng dẫn ở cùng 1 giá trị xung điện tử chuyển từ cực tiểu vùng dẫn vềlượng → cựcđại vùng hoá trị mà không thay đổi xung lượng → trao đổi năng lượnggiữa các điện tử và các photon feedback xảy ra dễ hơn vì không cần traođổi xung lượng. Các vật liệu: GaAs, InAs. * Bán dẫn vùng cấm xiên: cực đại và cực tiểu các vùng không cùng giá trị xunglượng để xảy ra hấp thụ hay phát xạ photon thì sự chênh lệch xung lượng→ giữatrạng thái đầu và cuối phải được trao đổi với dao động mạng sự trao đổitinh thể →năng lượng giữa điện tử và Photon phải qua quá trình 2 không thích hợpbước → chocơ chế laser feedback (tương tự với tình huống một mạch có độ lợi vòngquá thấp, không đủ để duy trì dao động). Các vật liệu: Si, Ge,GaP cóvùng cấm xiên. * Trạng thái đảo lộn mật độ: đa số các mức năng lượng được phép gầnđáy vùng dẫn bị chiếm bởi e- và đa số các trạng thái được phép gần đỉnhvùng hoá trị bị trống e- hay bị chiếm bởi lỗ trống. - Các điện tử chuyển mức từ vùng dẫn về vùng hoá trị có thể do tái hợp tựphát hoặc do phát xạ kích thích - Công suất ngoài cung cấp có tác dụng thay thế các điện tử trong vùng dẫn - Ở chế độ dòng thấp: quá trình tái hợp tự phát chiếm ưu thế tương tự LED - Khi dòng tăng, số điện tử được tiêm vào miền tái hợp của chuyển tiếp PNtăngÆ tăng số photon phát xạ -Cơ thể phản xạ feed back hầu hết số photon này vào chuyển tiếp.Khi đó dòng tiêm điện tử chủ yếu dùng thay thế các điện tử thay đổitrạng thái do phát xạ kich thích. Chuyển tiếp bắt đầu phát xạ 1 khoảngbước sóng rất hẹp bức xạ laser. -Dòng ngưỡng: bắt đầu quá trình laser, + phụ thuộc vật liệu chế tạo diode laser + phụ thuộc mức pha tạp + dạng hình học của chuyển tiếp + nhiệt độ linh kiện (rất quan trọng ) * Homojunction: miền p và n cùng loại vật liệu, hoạt động ở dòng thuận rất lớnÆchỉ làm việc khi được làm lạnh với nitơ lỏng. * Diode laser thực: có 1 hoặc 2 heterostructure (nhiều loại vật liệu)sắp xếp theo kiểu pn luân phiên đổi loại vật liệu. 26 + Ưu điểm có thể fine-tune các độ rộng vùng cấm Æđiều chỉnh cácđặc trưng phổ của laser. Vì các lớp vật liệu khác nhau rất mỏng và gầnnhau về các đặc trưng vật ...