Led Laser

LASER
I/. Cấu tạo của máy phát Laser:
1.1 Hoạt chất
1.2 Buồng cộng hưởng
1.3 Bộ phận kích thích hay bơm
II/. Điều kiện làm việc của máy phát Laser
III/. Chế độ làm việc của Laser:
3.1 Hệ nguyên tử làm việc với hai mức năng lượng
3.2 Hệ nguyên tử làm việc với ba mức năng lượng
3.3 Hệ nguyên tử làm việc với bốn mức năng lượng.
IV/. Phân loại Laser:
4.1 Laser rắn
4.2 Laser bán dẫn
4.3 Laser khí
4.4 Laser lỏng
V/. Sự tạo xung của Laser
VI/. Ứng dụng của chùm tia Laser
I/. Cấu tạo của máy phát Laser:
I.1.Hoạt chất:
_Là môi trường hoạt chất có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó.
_Nhiều chất khí, rắn, lỏng,bán dẫn,..v..v..đã được dùng làm hoat chất Laser.
+ Hoạt chất là chất khí:
* khí đơn nguyên tử: ArI, XeI,NeI,.
* ion khí đơn nguyên tử: ArII,KrII,.
* khí phân tử:
* hỗn hợp khí đơn nguyên tử: He-Ne, hay hỗn hợp khí phân tử:



+ Hoạt chất là chất rắn: bao gồm dạng tinh thể hay thuỷ tinh được pha trộn thêm các ion nguyên tó hiếm như:


Laser rắn điển hình là Laser Ruby có hoạt chất là tinh thể
trộn thêm ion hay laser YAG có hoạt chất là trộn thêm ion .
+ Hoạt chất là chất bán dẫn như GaAs,PbS,PbTe..những chất
này phải là chất phát quang.
+ Hoạt chất là chất lỏng gồm các chất Chelaste như peperidin hoà tan trong dung môi rượu ethol+ methol và co thêm ít ng tố hiếm
1.Các gương phản xạ;2. hoạt chất; 3. bộ phận kích thích
1
3
1
2
I.2. Buồng cộng hưởng
Thành phần chủ yếu là hai gương phản xạ.
Một gương có hệ số phản xạ rất lớn 99,9%; gương kia thấp hơn tia laser thoát ra ngoài.
Vai trò chính để bức xạ hoạt chất phát ra đi lại nhiều lần qua hoạt chất nhằm khuếch đại lên.
Có thể thay gương này bằng lăng kính, cách tử.
Buồng cộng hưởng rất quan trọng của máy phát laser, nó phat ra những bức xạ kết hợp.
Khuếch đại
Filter
(lọc)
Giới hạn
biên độ
Tiếng ồn
Sóng
Kết
hợp
Liên hệ phản hồi
Tiếng ồn được khuếch đại qua bộ lọcvà bản giới hạn biên độ sau đó liên phản hồi về tín hiệu vào.
Dao động này biến tiếng ồn thành sóng kết hợp.
1.3 bộ phận kích thích:
La bộ phận cung cấp năng lượng sự nghịch đảo độ tích luỹ.
Để duy trì sự hoạt động của laser.
Có 2 phương pháp kích thích:
+ bằng ánh sáng hay gọi là bơm quang học. Hoạt chất thu năng lượng bơm qua quá trình hấp thu.
+ bằng va chạm điện tử: năng lượng điện tử được gia tốc truyền cho ng tử hoạt chất ,sẽ bức xạ tia laser.

Ba bộ phận trên không thể tách rời nhau, đó là cơ cấu chính của máy phát laser.


II/. Điều kiện làm việc của tia laser:
Khi dùng bơm quang học ánh sáng bơm tương tác với hệ ngtử hoạt chất để chuyển chúng lên trạng thái kích thích.
Có 2 quá trình:
Hấp thụ ánh sáng
Quá trình bức xạ cưỡng bức và tự phát
X=0
X=l
dx
x
n2
n1
h
Xét quá trình xảy ra tại một lớp dx của môi trường hoạt chất,
sự biến thiên công suất ánh sáng tại lớp dx là: dP = I -I (1.1)
với I: cường độ ánh sáng trước khi qua môi trường
I: cường độ ánh sáng sau khi qua môi trường
Ta có:
ở đây
là số ng tử mưc1,2
Xác suất dịch chuyển của bức xạ tự phát và bức xạ
hấp phu.
Chúng liên hệ với hệ số Einstein về háp thụ và bức xạ,theo hệ thức:
Trong đó:
-mật độ năng lượng:
-hàm chuẩn hoá đặc trưng cho sự mở rộng vạch quang phổ
bức xạ hay hấp thụ.
Từ (1.1) và (1.3) ta được:
Để ánh sáng trong môi trường hoạt chất được khuếch đại thì
Đây là diều kiện nghịch đảo độ tích luỹ hay điều kiện để laser
hoạt động tốt.
III/. Cơ chế làm việc của laser:
Hoạt động của laser chỉ có khi giữa hai mức năng lượng nào đó
trong hoạt chất có nghịch đảo độ tích luỹ.
Để năng lượng bơm dẫn tới sự nghịch đảo này cần có ba hay
bốn mức tham gia vào quá trình tương tác.
3.1 Hệ nguyên tử làm việc với hai mức năng lượng:
Giả sử nguyên tử hoạt chất chỉ có thể dịch chuyển từ giữa hai
mức năng lượng 1 và 2 (hình a).
Khi không có tác động bên ngoài
.
Khi dùng bơm quang học, nhờ hấp thụ mà nguyên tử từ mức 1 lên mức 2. theo thời gian thì số nguyên tử mưc1 giảm dần
còn mức 2 tăng dần.
Khi nguyên tử mưc1 bằng mức 2 thì hệ số hấp thu � nguyên tử sẽ không hấp thụ ánh sáng dù tiếp tục bơm cũng không thể đẩy ngtử từ mưc1 lên mức 2,do đó sẽ không tạo được sự nghịch đảo độ tích luỹ.
Kết luận: với 2 mức năng lượng thì không làm hoạt chất laser được.
n1
n2
1
3
2
laser
Sơ đồ hoạt đông như hình trên
Nhờ bơm quang học nguyên tử chuyển từ mức 1 lên mức 3,
để đảm bảo tần số ánh sáng bơm không quá đơn sắc, người ta
chọn mức 3 có độ rộng lớn.
Khi đến mức 3 thì ng tử không ở lâu và chuyển sang mức 2
gần đó,và các ng tử tích luỹ ở mức 2(mức siêu bền).
Kết luận: tạo được sự nghịch đảo ở hai mưc1 và 2.
Tuy nhiên, do mức 3 và 2 kha gần nhau nên bức xạ tự phát
rất gần bức xạ laser
, làm nhiễu loạn phần nào bức xạ laser
.Gọi bức xạ tự phát là tiếng ồn của máy
phát laser.
3.2 Hệ nguyên tử làm việc với ba mức năng lượng
3.3 Hệ nguyên tử làm việc với bốn mức năng lượng:
Hệ nguyên tử chuyển từ mức 1 lên mức 4, mức này có độ rộng
tương đối lớn
để không đòi hỏi ánh sáng bơm đơn sắc.
*Tại mức 4 hệ sẽ chuyển không bức xạ xuống mức 3(mức siêu bền).
*Mức 2 gần mức 1 và có liên kết quang với mức 4.
vì vậy, bức xạ tự phát từ 4 xuống 2 sau đó chuyển ngay xuống mức 1.
Trong quá trình bơm hệ ngtử sẽ chuyển từ mức 1 lên mức 3và
tạo được sự nghịch đảo độ tích luỹ giữa hai mức 3 và 2.
4
1
2
3
laser
Bức xạ laser xuất hiện trong dịch chuyển 3 và 2 sẽ không bị ảnh
hưởng của bức xạ tự phát 4 và 2.
Điều kiện làm việc của 4 mức là:
IV/. Phân loại laser:
4.1 laser rắn:
4.1 a/ laser ruby (hồng ngọc): thành phần hoá học gồm
oxyt nhôm, với 5 phần vạn oxyt crôm tạo nên dang tinh thể .
Laser ruby làm việc theo chế độ ba mức năng lượng.
Trình bày như sau:
3


2


1

0
2000 3000 4000 5000 6000 7000
.
*Vùng phổ hấp thụ thích hợp nhất là vùng có
bước sóng từ 3600 đến 4500 và vùng từ 5100 A đến 6000 A.
K:
Số
sóng
Ngoài ra phổ phát quang laser ruby còn tuỳ thuộc vào nhiệt độ.
** sự kích thích bơm quang học dạng đèn xoắn :
đèn
** sự kích thích bơm quang học dang elip : Đối với cách bố
trí nay thì công suất laser được tăng cao.
Ví dụ: thanh ruby dài 7.5 cm thì công suất 5 kw.
Thanh ruby
laser
4.1b Laser tinh thể
: dạng
có thể dùng làm hoạt chất (
(YAG)).

là loại điển hình được chế tạo phổ biến hiện nay.
Nó hoạt động ở nhiệt độ phòng và bước sóng
. ở nhiệt độ khác sẽ có bước sóng khác
*** Laser YAG:
4.2 Laser Bán dẫn:
Laser bán dẫn chiếm một thể tích rất nhỏ.
Ví dụ: kích thướt laser bán dẫn chỉ khoảng 1mm.
Tính chất của laser bán dẫn khác biệt với laser tinh thể hay laser thuỷ tinh về các tham số như áp suất, nhiệt độ..
4.2.1 Vài nét về cấu trúc vùng năng lượng bán dẫn:
*Hàm năng lượng có dạng parabol.(hình vẽ)
*Đường parabol trên ứng với năng lượng điện ở vùng dẫn, parabol duới ứng với vùng hoá trị.
* Bán dẫn trực tiếp : khi cực tiểu parabol 1 và cực đại parabol 2 cùng nằm trên 1 đường thẳng góc. Ví dụ: GaAs
* Bán dẫn gián tiếp: khi các điểm cực tiểu và cực đại không nằm trên đường thẳng. Ví dụ: GaP,SiGe,...
* Độ rộng vùng cấm: là khoảng cách từ cực đại và cực tiểu.
E
M1
M2
Véctor k
1
2
4.2.2 Sự hấp thụ và bức xạ trong bán dẫn:
**Khi có bức xạ bên ngoài,điện tử nằm ở vùng hoá trị sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển sang vủng dẫn khi năng lượng hấp thụ lớn hơn năng lượng vùng cấm,lúc này vùng hoá trị sẽ xuất hiện lỗ trống và tạo nên sự di chuyển mức Fermi.
**Khi vùng dẫn có điện tử và vùng hoá trị có lỗ trống thì điện tử trở về vùng hoá trị nó sẽ tái hợp với lỗ trốngvà cho bức xạ cưỡng bức , day là sự bức xạ tái hợp.
**Bức xạ trực tiếp: xảy ra trong bán dẫn trực tiếp.
Ví du: chất bdẫn cho bxạ trực tiếp : Te,CdS,GaAs,..

**Bức xạ gián tiếp: xảy ra trong bán dẫn gián tiếp.

**Bán dẫn suy biến: khi có sự dịch chuyển mữc Fermi vào vùng hoá trị hay vùng dẫn.
** Khi chất bán dẫn tinh khiết có lẫn tạp chất thì ngoài vùng năng luơng còn có lẫn tạp chất nằm trong vùng cấm. Mức tạp chất ở gần đáy vùng dẫn gọi là mức donor
Mức tạp chất gần vùng hoá trị gọi là mức acceptor.
Vùng n
Vùng p
Lớp tiếp
xúc p-n
F
Vùng dẫn
Vùng hoá trị
Mức donor
Mức acceptor
4.2.3Các phương pháp kích thích của Lser bán dẫn:
** Phương pháp kích thích bằng điện trường:
** Phương pháp kích thích quang
** Phương pháp dùng chùm địên tử để kích thích
** Phương pháp phun các hạt tải không cân bằng qua lớp tiếp
xúc p-n
4.2.4 Phân loại laser bán dẫn:
* Dạng phun: phổ biến GaAs , hay gọi là laser diode GaAs được chế tạo từ màng mỏng đơn tinh thể.
_ có hiệu suất lớn
_Tạp chất thường là Te,Se.
_ kích thướt khá nhỏ 0.5 mm x 0.2 mm
_ Bức xạ của laser gần vùng 8300 A đến 8500 A.
_Khi thay đổi mật độ dòng thì đặc trưng phổ cũng đổi.
_Bức xạ cươ�ng bức sinh ra chỉ ở một lớp rất mỏng 2 micromet.
_Ngoài ra sự phụ thuộc nhiệt độ cũng khá quan trọng. Từ kết quả nghiên cứu cho thấy, khi T tăng thì mật độ dòng tăng và hiệu suất giảm vì thế, hầu het laser bán dẫn làm việc ở nhiẹt độ thấp.
_ Bên cạnh đó còn phu thuộc vào áp suất,từ trường, nồng độ của tạp chất.v.v..
_các loại laser phun khác vùng bước sóng phát(micrimet)
GaAs 0,84
Ga(Asp) 0,64 : 0,84
GaAlAs 0,84 : 3.11
InAs 3,11
In(AsP) 3,11 : 5,18
InSb 6,18
InP 0,9
...
PbS 4,32
PbTe 7,3
* Dạng dùng bơm quang học:
@Ta biết công suất phát laser tỷ lệ thuận với khối lượng hoạt chất sử dụng.
@Có thể nguồn laser kích thích có năng lượng photon nhỏ hơn năng lượng vùng cấm của diode bán dẫn.
@Độ dày của lớp tiếp xúc p-n trong kích thích quang có thể đạt được khá lớn gần 20 micromet và hi vọng dễ chế tạo hơn.
Bảng sau cho một số laser bán dẫn dùng bơm quang học đã
nghiên cứu thành công:
Chất bán dẫn
Nguồn kích laser .
GaAs 0.836 Laser ruby
GaAs 0.836 kính Nd
InAs 3.2 GaAs
InSb 5.3
PbTe 6.5
CdS 0.495 Ruby
CdSe 0.697 kính Nd
CdSe 0.697 Ga(AsP)
***Chúng ta hy vọng răng với những kết quả trên,laser bán dẫn sẽ có bước tiến mới trong khoa hoc ky thuật hiện đại.
***Với thành tựu trong vật liệu bán dẫn người ta đã tạo được laser bán dẫn đa giếng lượng tử, đơn giếng lượng tử có nhiều ứng dụng thực tế. Một số laser mới như�: laser có sự phản hồi được phân bố, laser soliton.v.v.v.
4.3 Laser khí�:
Ưu điểm�:
* dễ chế tạo
* cấu trúc phổ năng lượng của khí nguyên tử hay phân tử được nghiên cứu kỹ.
* Vùng bước sóng phát rộng từ vùng tử ngoại đến vùng hồng ngoại
* Có thể đạt công suất lớn..
* Các quá trình kích thích nhờ sử dụng hiện tượng phóng điện trong chất khí, qua một số quá trình trung gian tạo nên sự nghịch đảo độ tích luỹ trong hai mức hoạt động của laser.
* Quá trình kích thích do va chạm có hai loại�: trực tiếp và sự truyền cộng hưởng năng lượmg kích thích.
* Các quá trình kích thích khác như�:
+ Nhờ va chạm điện tử dẫn đến ion hoá Penning và ion hoá truyền qua điện tích.
+ Nhờ bức xạ tự phát từ các hệ nguyên tử được kích thích.
+ Nhờ hiện tượng hấp thụ hay bức xạ cưỡng bức.
+ Nhờ va chạm với thành bình.
+ Nhờ hiện tượng phân ly, tái hợp,và quá trình tạo ra các phản ứng hoá học.
* Phân loại�:
1. laser đơn nguyên tử He-Ne�
2. laser khí ion�

3. Laser khí phân tử�:
4.Laser hoá học�5.Laser excimer�
4.4 Laser lỏng
Cũng như chất rắn, khí,chất lỏng cũng dùng làm hoạt chất laser.
Ưu điểm�:
@không đòi hỏi việc gia công chính xá
@dễ tăng nồng độ tâm kích hoạt và tăng khối lượng hoạt chất để tăng công suất lớn.
@Dễ dàng làm lạnh hoạt chất
@Dễ tiến hành nghiên cứu.
Nhược điểm�: là hệ số dẫn nhiệt tương đối lớn nên hoạt chất nhanh nóng làm cho không ổn định về tần số ,công suất phát.
Phân loại�:
**Laser chelate hữu cơ- đất hiếm
**Laser vô cơ oxyd chloride- neodym-selen
**Laser màu
V/. Sự tạo xung cực lớn cho laser
@Laser phát xung chủ yếu ở trạng thái không dừng và tuỳ thuộc vào hàm bơm.
@Việc tao xung phổ biến hiện nay theo hai nguyên tắc sau;
*Biến điệu độ phẩm chất hay là Q-swiching
*Làm đồng bộ mode
VI/. Ứng dụng tia laser
*Do cường độ tia laser lớn gấp bội lần cường độ tia sáng nhiệt
*Do độ dịnh phương của tia laser cao
*Độ đơn sắc cao nhất khi ổn định tần số,buồng cộng hưởng không rung..
*Đây cũng là những ưu điểm của tia laser nói chung, bên cạnh đó có nhiều yếu tố khác như: không gian ,thời gian,.do vậy,laser có rất nhiều ứng dụng trong khoa học ky thuật.
*** Trong nghiên cứu khoa học: khi tượng, thông tin liên lạc.,..
*** Trong khoa học kỹ thuật: y hoc, sinh hoc.

Tóm lại, laser có rất nhiều ưu điểm, nhưnh không tránh khỏi nhược điểm là,
khi ta sử dụng phải rất cẩn thận và an toàn về thiết bị con người.
Bài: LED
I. Cấu tạo
II. Nguyên tắc hoạt động
III. Bước sóng phát xạ của LED
IV. Tốc độ đáp ứng của LED
V. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của Led.
VI.Ưu và khuyết điểm của LED.
I/. C?u t?o c?a LED

*Led gồm hai lớp bán dẫn p và n được ghép với nhau.
*Electron từ vùng n khuếch tán sang vùng p,làm cho vùng n mang điện dương.
*Lỗ trống khuếch tán sang vùng n,làm cho vùng p mang điện âm.
Hình thành hai vùng nhiễm điện trái dấu nhau, còn vùng ở sát lớp chuyển tiếp giữa 2 lớp bán dẫn(vùng chuyển tiếp) không mang điện.
*Ơ� vùng chuyển tiếp có điện tử ở vùng dẫn và lỗ trống vùng hoá trị tạo nên bức xạ tái hợp. Đồng thời hình thành điện trường giữa hai vùng p-n và dòng rò tạo nên nó cản trở sự khuếch tán của electron vàlỗ trống làm tắt sự phát quang.
Như vậy, để xảy ra phát quang phải áp vào một điện trường ngược chiều điện trường trong vùng chuyển tiếp làm giảm dòng rò, tăng khả năng khuếch tán.
Cấu trúc cơ bản của LED
Hình: phổ bức xạ của GaAs LED ? nhi?t d? phòng ? 77 K
II/. Nguyên tắc hoạt động của LED:
Khi diode được phân cực thuận sẽ có sự phun electron và lỗ trống. Lỗ trống được phun vào miền n tái hợp với electron và tạo ra photon nhưng các photon này không ló ra được khỏi bề mặt LED. Ngược lại các electron được phun qua miền p khi tái hợp sẽ bức xạ photon và những photon này ở gần bề mặt nên ló ra ngoài với xác suất cao.
Homojunction leds
Độ dài sóng của bức xạ được xác định bởi độ rộng vùng
cấm của vật liệu làm LED
Sử dụng bán dẫn pha tạp rất tiện lợi vì ta có thể thay đổi độ rộng vùng cấm theo từng tỷ lệ pha khác nhau.
III/. Bước sóng phát xạ của LED
LED có thể phát ra phổ rất rộng từ hồng ngoại đến toàn bộ vùng
ánh sáng khả kiến.
IV/. Tốc độ đáp ứng của LED:
Tốc độ đáp ứng của Led phụ thuộc vào tốc độ tái hợp. Vì vậy sự điều biến tốc độ của LED bị giới hạn với phổ
điều biến la:�


Neáu ta tìm caùch laøm cho LED ñaùp öùng nhanh hôn baèng caùch giaûm thôøi gian taùi hôïp thì hieäu quaû seõ giaûm do caùc taùi hôïp khoâng böùc xaï. Thoâng thöôøng caùc LED ñaëc bieät vôùi toác ñoä nhanh vaø hieäu quaû cao ñöôïc söû duïng laøm ñeøn chæ thò vaø maøn hình coù taàn soá khoaûng vaøi traêm kHz.
V/. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của LED:
5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ:
Sự khuếch tán các hạt tải ra khỏi vùng hoạt tính tạo ra dòng rò làm giảm hiệu suất phát quang
5.2 Hiệu ứng Auger:
Do e ở vùng dẫn hấp thu photon phát ra và sau đó giải phóng năng lượng này dưới dạng nhiệt
Khi sử dụng các loại bán dẫn bị tác động lớn bởi nhiệt độ thì phải tính toán đến yếu tố nhiệt độ trong hiệu suất hoạt động của LED.
Ngoài ra, hiệu suất lượng tử trong và hiệu suất lượng tử ngoài cũng ảnh hưởng đến hoạt động của led.
LED đơn thể gặp phải rất nhiều vấn đề làm giảm hiệu suất phát quang do:
-Sự tự hấp thu
-Hiệu ứng bề mặt
** Hiệu suất lượng tử trong:
** Hiệu suất lượng tử ngoài:
Có ba cơ chế chính làm suy giảm hiệu suất lượng tử ngoài của LED :

Sự hấp thu của vật liệu
Sự mất mát Fresnel
Sự mất mát do phản xạ toàn phần
+ Sự hấp thu của vật liệu
Các photon phát ra bị hấp thu lại trong bán dẫn do quá trình kích thích tạo ra cặp electron-lỗ trống mới
Ưu điểm:
Dễ chế tạo, kết hợp với những thiết bị khác,
Không cần kính lọc mà vẫn cho ánh sáng có màu sắc khác nhau
Tần số hoạt động cao , tuổi thọ cao
Thể tích, công suất tiêu hao nhỏ
Cho ánh sáng đơn sắc cao (đối với mắt người)

Hạn chế của LED:
Cho phổ rộng, không liên tục (< - diod Laser),
Ngõ ra thấp
VI/. Ưu khuyết điểm của LED: