Nôi dung MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO Khái niệm laser diode công suất cao 2 Nguyên lý hoạt động laser Một số cấu trúc laser bán dẫn công suất cao Ứng dụng laser diode công suất cao .9 CHƯƠNG 2: ĐĨNG GĨI LASER BÁN DẪN CƠNG SUẤT CAO 10 Vai trò đóng gói laser 10 Gắn Laser Diode 10 Kỹ thuật hàn .12 Thơng số đóng gói ảnh hưởng đến tuổi thọ độ tin cậy 13 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM ĐĨNG GĨI LASER BÁN DẪN CƠNG SUẤT CAO 15 Các linh kiện cần thiết 15 Thiết bị dụng cụ thực nghiệm 17 Các bước tiến hành đóng gói laser 18 Định vị chi tiết module laser diode công suất cao 24 Đóng vỏ cho module laser diode cơng suất cao 25 Khảo sát thông số module laser diode công suất cao 26 KẾT LUẬN 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO 28 Danh mục hình ảnh Hình 1: (a) Laser chuyển tiếp đồng chất (b) Laser với chuyển tiếp dị chất kép Hình 2: Cấu trúc buồng công hưởng Hình 3: Đơ rơng vùng cầm vật liệu bán dẫn nhóm III-V Hình 4: Sơ đồ mức lượng cấu trúc giếng lượng tử InGaAs Hình 5: Vật liệu cho cấu trúc giếng lượng tử Hình 6: Cấu trúc laser cơng suất cao điển hình Hình 7: Sơ đồ mơt laser taper với ống dẫn sóng sườn để lọc chế .7 Hình 8: Cấu trúc laser mảng cơng suất cao Hình 9: Sơ đồ cấu trúc môt ngăn laser diode Các bô phát thể màu xanh lam bơ làm mát có màu xám đen .8 Hình 10: Hình ảnh mơt ngăn xếp diode ngang chứa 12 laser Hình 11: Thanh laser trực tiếp gắn vào tản nhiệt cách sử dụng hàn mềm 11 Hình 12: Đế điều chỉnh hệ số CTE cho laser gắn với hàn cứng 11 Hình 13: Dụng cụ kẹp với tản nhiệt kim loại, laser tiếp xúc .12 Hình 14: Mẫu cặn kết tủa 14 Hình 15: Sự sai hỏng di xuất lỗ rồng bọt khí 14 Hình 16: (a) Đế gia nhiệt (b) Hình ảnh hồn thành cơng đoạn hàn 19 Hình 17: West bond 7400C version 2.8 19 Hình 18: Sơ đồ hệ đo đặc trưng quang điện laser module laser diode CSC 20 Hình 19: Sơ đồ hệ đo đặc trưng phổ laser diode CSC 20 Hình 20: Đặc trưng phân bố trường xa chip laser 940 nm dòng bơm 2,0 A, đo t ại nhiệt đế 25°C: a) hướng song song với chuyển tiếp; b) hướng vng góc với chuyển tiếp 21 Hình 21: Đặc trưng cơng suất quang – dòng bơm (P-I) vào nhiệt chip laser 940 nm 21 Hình 22: Hệ phóng hồ quang cao áp 22 Hình 23: Hình ảnh laser sau cố định sợi quang 23 Hình 24: Cấu hình module laser cơng suất cao với chi tiết cần định vị bên module 24 Hình 25: Kết nối điện chốt cấp dòng SMA với chíp laser 25 Hình 26: Module laser diode hồn chỉnh sau đóng vỏ 25 Hình 27: Đặc trưng P-I module laser 26 Hình 28: Đô ổn định công suất quang theo thời gian dòng bơm I= 1,67 A .26 Hình 29: Đặc trưng phân bố trường xa chip laser 940 nm .26 MỞ ĐẦU Trong năm gần laser bán dẫn công suất cao phát đ ược nghiên cứu nhiều phòng thí nghiệm quang tử giới nh triển khai ứng dụng nhiều lĩnh vực khác phục v ụ nghiên cứu khoa học, cơng nghiệp, y tế an ninh quốc phòng Các laser bán dẫn công suất cao chế tạo chủ y ếu s cấu trúc giếng lượng tử vùng tích cực (vùng xảy dao đ ơng laser) Vùng tích cực thường gồm nhiều lớp giếng lượng tử với đô dày khoảng vài tới vài chục nano mét Laser bán dẫn công suất cao có m ơt số nh ững cấu trúc ển dải rơng, vuốt thon hay cấu trúc dạng mảng (laser array) c ấu trúc dạng xếp ngăn (laser stack) Từ cấu trúc laser diode, ta phải trải qua q trình đóng gói, k ết n ối thành phần quan trọng để tạo thành môt module laser cơng suất cao hồn chỉnh Q trình đóng gói có công đoạn cần thi ết đ ể đ ảm b ảo cho q trình hoạt đơng laser làm việc ổn định, đạt hi ệu suất cao kéo dài tu ổi thọ Bên cạnh việc thiết kế cấu trúc bên thành ph ần laser diode nhỏ chất lượng q trình đóng gói quy ết đ ịnh ch ế đ ô hoạt đơng đặc tính chùm tia phát laser, nh chi ếm ph ần l ớn giá thành việc sản suất mơt laser diode hồn chỉnh Nhận thấy tầm quan trọng q trình đóng gói, chúng tơi có q trình nghiên cứu, làm việc thực tế với q trình đóng gói laser bán d ẫn công suất cao Và xin gửi lời cảm ơn sâu sắc TS Nguy ễn Thanh Ph ương hết lòng giúp đỡ, hướng dẫn chúng tơi thực đê tài nghiên cứu này! Xin trân thành cảm ơn Viện Hàn Lâm Khoa Học Và Công Ngh ệ Vi ệt Nam t ạo điều kiện, cung cấp trang thiết bị phục vụ trình nghiên cứu! Đề tài đóng gói laser bán dẫn cơng suất cao chúng tơi đ ược trình bày sau: Mở đầu Chương 1: Giới thiệu laser bán dẫn công suất cao Chương 2: Đóng gói laser bán dẫn cơng suất cao Chương 3: Thực nghiệm đóng gói laser bán dẫn công suất cao Kết luận CHƯƠNG 1: LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO Khái niệm laser diode công suất cao Đã 40 năm kể từ laser bán dẫn đới, nhiều nghiên cứu thực nhằm nâng caao công suất mở rơng vùng b ước sóng phát Với lợi nhỏ gọn, hiệu suất cao thời gian s ống l ớn, laser siode có kh ả thay phần lớn laser khác ứng dụng khoa h ọc tr thành cầu nối hệ điện tử thông tin liên l ạc Ph ần l ớn ứng dụng nhằm trì cơng suất chất lượng chùm tia theo th ời gian Trong luận Chúng vào tìm hiểu nghiên cứu môt s ố c ấu trúc laser diode cơng suất cao cơng nghệ đóng gói chúng Trong thực tế khơng có quy định rõ ràng gi ữa laser diode th ường laser diode cơng suất cao, phụ thc vào loại laser ứng d ụng cho m ục đích mà thiết kế cho phù hợp Nói chung, loại laser tần s ố đ ơn, laser đơn mode liên tục có cơng suất 50 mW trở lên laser đa mode d ải rông, mảng laser có cơng suất lớn 50 mW gọi laser diode công su ất cao Mặc dù laser diode cơng suất cao phát cơng su ất đ ỉnh lên đến vài kW chế đô xung, lượng xung bị giới hạn nhỏ nhiều so với loại laser rắn khác th ời gian s ống c h ạt t ải diode ng ắn (cỡ vài ns) Nguyên lý hoạt động laser Laser hoạt đông dựa hai điều kiện kích thích phát xạ môi trường khuếch đại phản hồi quang học buồng công hưởng quang học Ngưỡng hoạt đông laser xác định khuếch đại l ớn h ơn m ất mát buồng công hưởng quang học a) Khuếch đại quang laser bán dẫn Laser bán dẫn kích thích photon có đủ l ượng chùm electron Cách bơm laser diode bán d ẫn b ằng cách s dụng dòng điện chiếm lợi Điều kiện khuếch đại tồn tr ạng thái đảo mật đô: mức lượng Efc nằm mức lượng Ec mức lượng Efv nằm mức lượng E v Đô pha tạp phải lên đến 10 18-1019 cm-3 để photon tạo vượt qua tổn thất, mát Để khuếch đại ta cấp điện áp phân cực thuận cho laser, tạo dòng phun điện tử e- từ bán dẫn loại n phun dòng lỗ trống h + từ bán dẫn loại p, mật đô dòng tăng dẫn đến xác suất tái hợp điện tử lỗ trống phát laser Hình 1: (a) Laser chuyển tiếp đồng chất (b) Laser với chuyển tiếp dị chất kép b) Cấu trúc buồng công hưởng Bô công hưởng quang laser diode bán dẫn bao gồm cấu trúc ống d ẫn sóng gương tạo mặt tinh thể (Hình 2) Hình 2: Cấu trúc buồng cộng hưởng Những mặt tinh thể tráng để đạt đô phản xạ tối ưu, vuông góc với tiếp giáp p-n Phương thức phân bố cường đô số mode xác định đô dày thành phần lớp vật liệu c) Vật liệu chế tạo cấu trúc giếng lượng tử Bản chất laser bán dẫn lớp tiếp xúc p-n Khi cặp ện tử-l ỗ tr ống tái hợp phát photon Năng lượng photon sinh hay b ước sóng phát ph ụ thc vào rơng vùng cấm vật liệu chế tạo Vật liệu sử dụng vật liệu bán dẫn có vùng cấm thẳng Vật liệu đặc trưng nhóm v ật li ệu III-V Các laser bán dẫn công suất cao phát vùng b ước sóng 0,7-1,0 µm, thường thực GaAs hợp kim kết hợp với GaAs Hình 3: Độ rộng vùng cầm vật liệu bán dẫn nhóm III-V Cấu trúc laser bán dẫn trước chế tạo theo cấu trúc chuy ển ti ếp đồng chất Hiện nay, công nghệ chế tạo màng mỏng phát tr ển , người ta áp dụng cấu trúc giếng lượng tử hay chấm lượng tử Cấu trúc đạt cách phủ chồng lớp vật liệu bán dẫn có rơng vùng cấm khác Ví dụ hình dưới, giếng lượng tử bao gồm InGaAs, bao b ọc AlGaAs có rơng vùng cấm lớn có s ố mạng g ần tương đương Hình 4: Sơ đồ mức lượng cấu trúc giếng lượng tử InGaAs Sử dụng vùng hoạt đông giếng lượng tử có ưu điểm: Vì rơng vùng cấm tăng bên giếng lượng tử (QW) nên ch ỉ có vùng QW bơm để tạo trạng thái đảo mật đô Do vùng r ất bé nên mật dòng tiêm vào giảm khoảng ba bậc lớn so với laser khác Hiệu suất tái hợp điện tử lỗ trống tăng lên đến 90% có th ể đ ạt đến 100% chế tạo với vật liệu có chất lượng cao Giếng lượng tử mơt lớp có dày khoảng 10nm Các l ớp mỏng cho phép thành phần vật liệu có s ố mạng khơng c ần kh ớp hồn tồn với GaAs Bằng cách thay mơt phần gallium indium, ph ạm vi bước sóng tăng lên tới 1100nm Hay thay th ế Asen b ằng Ph ốt pho, phạm vi bước sóng mở rơng xuống tới 730nm Hình 5: Vật liệu cho cấu trúc giếng lượng tử Một số cấu trúc laser bán dẫn công suất cao a) Cấu trúc buồng công hưởng rông (Large Optical Cavity) Laser BA Cấu trúc dẫn sóng lớp lõi có chiết suất cao h ơn chi ết suất l ớp v ỏ Miền tích cực tạo lớp lõi thường môt nhi ều gi ếng lượng tử Hình 6: Cấu trúc laser cơng suất cao điển hình Cấu trúc buồng cơng hưởng rơng (LOC) với lớp dẫn sóng mở rơng dẫn đến trường gần có phân bố xấp xỉ dạng gauss Trong trường hợp thừa số giam giữ quang mật đô công suất bề mặt nhỏ H ơn phân bố cường có dạng tù hơn, lượng truyền lớp vỏ nhỏ, lớp vỏ pha tạp tương đối mạnh ch ế t ạo có kích thước mỏng Điều dẫn đến nhiệt trở nhỏ Suy giảm thấp cho phép chế tạo buồng công hưởng dài dải mm mà gi ữ đ ược hiệu suất ngoại cao Sự phân kỳ theo phương thẳng đứng s ự chênh l ệch chiết suất lớp vỏ lớp dẫn sóng Mơt cấu trúc dẫn sóng khả thi ph ụ thc vào thành phần vật liệu đô dày l ớp epitaxy tạo thành l ớp dẫn sóng lớp vỏ Laser BA laser phát cạnh, vùng phát mặt trước có hình dải rơng Do bất đối xứng vùng phát, tính chất chùm theo hai hướng khác nhau: Đô lớn theo hướng thẳng đứng đủ nhỏ cỡ mơt vài µm để tạo dẫn đơn mốt Do đô số nhỏ, phân kỳ theo hướng tương đối nhanh nên trục theo hướng gọi trục nhanh (fast axis) Theo hướng ngang, đô rông dải 50, 100, 200 μm chí lớn nên ánh sáng phân bố qua nhiều mode không gian theo hướng Kết phân kỳ theo hướng nhỏ so với hướng th ẳng đứng (thông thường 5-10o FWHM) b) Laser bán dẫn cấu trúc Taper Ngày nay, laser diode dải rông sử dụng để đạt công suất đầu cao Nhưng thiết kế ống dẫn sóng dải rông tiêu chuẩn dễ b ị m ất ổn định, tạo sợi hư hỏng gương quang học (COMD) Điều dẫn đến chất lượng đô lớn chùm tia thấp, với cường đô giới hạn khoảng × 107 Wcm-2sr-1 Mặt khác, chất lượng chùm tia cao tạo với tia laser phát chùm tia quang học giới hạn nhiễu xạ Do chi ều r ông s ọc nh ỏ môt vài micron, công suất đầu thường bị giới hạn khoảng 700 mW, dẫn đến cường × 107 Wcm-2sr-1 Hình 7: Sơ đồ laser taper với ống dẫn sóng sườn để lọc chế độ Rất nhiều giải pháp khác đề xuất vài năm qua đ ể khắc phục vấn đề để đạt công suất đầu cao v ới chất lượng chùm tia cao Các thiết bị taper, laser phản hồi phân tán (DFB) bô khuếch đại công suất dao đông tổng thể (MOPAs) chứng minh, tất chúng tạo công suất đầu tốt 1W v ới ch ất lượng chùm tia cao Trong số này, thiết bị dựa phần khu ếch đ ại theo chiều ngang phần kết hợp với ống dẫn sóng nhọn (Taper laser) mơ tả hình Buồng cơng hưởng laser Taper chế tạo có cấu trúc mặt laser lối có diện tích lớn làm giảm mật cơng suất quang b ề m ặt laser Ví dụ hình trên, cấu trúc laser taper có chi ều dài L1 ph ần dao đ ơng 500 µm, góc taper 6◦ với chiều dài phần taper L2 mm dẫn đến đô phát W2 khoảng 200 μm Các mặt phủ màng chống ph ản xạ (R=0.05%) màng phản xạ cao (R= 90 %) đ ể đạt công su ất tối đa mặt chống phản xạ c) Cấu trúc array (dạng mảng) Nếu ứng dụng yêu cầu công suất vượt vài watt, ph ải k ết h ợp đ ầu nhiều bô phát laser Cấp đô hệ th ống phân c ấp lượng laser mảng laser, môt dãy gồm 10 đến 50 laser đa mode song song tích hợp vào mơt chip đơn Kích thước mảng tiêu chuẩn có chi ều r ông từ cm đến 500 cm Môt mảng đơn phát cơng su ất trung bình từ 20 đến 60 W hoạt đơng sóng liên tục (CW) công su ất cực đ ại 100 W hoạt đông chế đô xung Ứng dụng phổ biến laser dạng mảng b ơm laser tr ạng thái rắn Do đó, bước sóng yêu cầu tinh th ể laser khác Ph ổ bi ến 808nm, sử dụng để bơm Nd: YAG Những loại khác bao gồm 785, 792, 915 940 nm Hình 8: laser suất cao Cấu trúc mảng công d) stack xếp ngăn) Cấu (cấu trúc trúc Ta đạt công suất cao cách gắn mảng laser thành dạng ngăn xếp, cách xếp phổ bi ến môt ngăn x ếp th ẳng đứng Thực tế, môt mảng hai chiều bô phát cạnh, t ất điều khiển nối tiếp Cấu trúc xếp cung cấp mật đ ô lượng cao Do mắc nối tiếp nên môt 40 W c ần 40 đến 50 A dòng điện điện áp khoảng V, cấu trúc stack nhi ều yêu cầu điện áp lớn có u cầu dòng điện gi ống nh mơt Các ngăn diode cung cấp cơng suất đầu cực cao hàng trăm ho ặc hàng nghìn watt, sử dụng để bơm laser trạng thái r ắn công su ất cao sử dụng trực tiếp nhiều lĩnh vực Đế định vị đầu sợi quang: yêu cầu thiết kế đế định vị đầu sợi quang: tránh cho sợi quang bị gãy gập, định vị chắn sau ghép nối tối ưu với chíp laser Thiết kế đế định vị đầu sợi quang sau: đế có mơt rãnh có sâu 0,8 mm, để định vị phần vỏ sợi quang, đế thiết kế có hai lỗ ø2 để gắn liền với đế giữ Cmount Đế tản nhiệt C mount chiều dài 24,9mm chiều rông 24,9 mm chiều cao 12,52mm chế tạo hợp kim vàng đồng Sợi quang có đường kính lõi 400 Chốt cấp dòng SMA 17 Thiết bị dụng cụ thực nghiệm - Nguồn cấp dòng điều khiển nhiệt đô hoạt đông cho laser ITC4005 (Thorlabs, Mỹ), dải dòng cấp - 5A cho laser diode, ổn định dòng ±0,1%; dải dòng cấp cho pin nhiệt điện peltier (TEC) -15 A đến +15A, đô ổn định nhiệt đô ± 0,2oC - Máy đo công suất quang Newport 842-PE (Newport, Mỹ), có dải đo ÷ 3W, xác : ± 0,5% 13 PEM001 (Melles Griot, Mỹ) - Máy phổ kế phân giải cao HR4000 HR2000 (Ocean Optics, Mỹ) kết nối máy tính (RBW: 0,08 nm) - Hệ bàn vi chỉnh chiều Nanomax-HS-Melles Griot (Melles Griot, Mỹ), xác dịch chuyển: ± 50 nm (khi sử dụng vi dịch chuy ển c học), ± 7nm (khi kết hợp sử dụng vi dịch chuyển gốm áp điện piezo) cho trục X, Y, Z Đơ xác dịch chuyển theo góc x, y, z: 0,3 arc sec - Dao đông ký kênh KIKUSUI 100 MHz (Kikusui, Nhật) - Nguồn chiếu sáng tử ngoại Thorlabs CS410 (Thorlabs), mật đô công suất quang đầu dẫn ánh sáng UV 90 mW/cm2 ( = 300 400 nm) - Bàn quang học chống rung 1200 x 1200 mm (Melles Griot, Mỹ) - Ray quang học dạng tam giác - Kính hiển vi soi Stemi-2000C (Carl Zeiss, Đức), phóng đại tối đa: - 230 lần Hệ vi chỉnh chiều X,Y,Z model 17AMB503/R (Melles Griot, Mỹ) Đồng hồ vạn Dụng cụ cắt sợi quang đầu kim cương Photodiode Silic FD-2 (Nga) Kính lọc trung tính NE540B, OD4 (Thorlabs, Mỹ) Kính bảo vệ mắt LG4 (OD4 dải 625 – 850 nm) LG10 (OD5 dải 850 – 1064 nm) (Thorlabs, Mỹ) 18 - Pin nhiệt điện Standard Peltier-Element 7105 (Condrad, Đức) hệ tản nhiệt - Epoxy đặc chủng: epoxy đóng rắn tia tử ngoại UV NOA 61, NOA 81 (Norland, Thụy Điển); epoxy đóng rắn nhiệt: epoxy kín chân khơng TorrSeal TS10 (Thorlabs, Mỹ), epoxy Araldite 2014-1 (Huntsman, Mỹ), epoxy dẫn nhiệt, cách điện Epo-tek H-70E có dẫn nhi ệt 0,9 W/m.K - Thiếc hàn nhiệt nóng chảy thấp (120oC 160oC) - Đồng vàng, vàng 99,9 , Indium đô 99,9 Indium Các bước tiến hành đóng gói laser a) Hàn Trước hàn tiến hành làm vật liệu hàn Làm s ạch b ề m ặt đế CuAu bằng dung dịch ancol từ – lần sau để khơ chúng khơng khí từ 30- 50 phút Sau tiến tiến hành bước tiếp theo: Hàn cứng sử dụng vật liệu hàn thi ếc, đế laser (Cuw) đ ặt lên hot caution nhằm gia nhiệt cho mặt đế nhiệt đô 120 - 180 thời gian 10 phút Sau thiếc đặt lên mặt đ ế đ ể chúng nóng chảy dàn bề mặt đế ti ến hành đ ặt chuy ển ti ếp p-n lên mặt đế cho mặt p tiếp xúc với mặt đế Ti ến hành h nhi ệt đ ô c hot caution xuống 60 để thiếc đóng cứng tiếp tục chuyển sang giai đo ạn ti ếp theo 19 a) b) Hình 16: (a) Đế gia nhiệt (b) Hình ảnh hồn thành cơng đoạn hàn Hàn mềm (hàn dây vàng) : sử dụng dây vàng có kích cỡ 50nm, thi ết bị hỗ trợ cho trình hàn máy hàn west bond 7400C Hot caution đ ược ều chỉnh nhiệt đô 60 - điều chỉnh tiêu cự thấu kính hi ển vi cho phù hợp để quan sát dễ dàng q trình hàn, điều chỉnh áp suất khí 50 psi , điều chỉnh công suất 460 W Sử dụng tay điều khiển để điều ển kim hàn đưa mũi hàn tiếp xúc với mặt n (trong khoảng th ời gian từ 1s-2s) đ ể cho Au nóng chảy dính mặt đế ta tiến hành kéo dây cho đ ến mũi hàn tiếp xúc với mặt điện cực mạ vàng giữ mặt tiếp xúc từ 2s – 3s để kết thúc mối hàn Ta thực tương tự để hàn dây vàng ti ếp theo (chip laser 940 nm cần hàn dây vàng từ mặt tiếp xúc n đến điện cực) Hình 17: West bond 7400C version 2.8 20 b) Khảo sát thông số chip laser Mục đích: Khảo sát đặc trưng quang điện, đặc trưng phổ phát xạ laser, đặc trưng tính chất chùm tia xạ chíp laser Thực hiện: Quá trình thực lắp ráp theo theo sơ đồ sau: Hình 18: Sơ đồ hệ đo đặc trưng quang điện laser module laser diode CSC Tiến hành khảo sát đặc trưng quang điện: dòng điện bơm - rơi chuyển tiếp (I-V), công suất quang phụ thc dòng bơm (P-I), hiệu suất biến đổi lượng phụ thc dòng bơm (c-I), phụ thuôc đặc trưng PI theo nhiệt đô hệ đo hình 16; phổ phát xạ, tính chất chùm tia xạ chíp laser diode CSC hệ đo hình 17: Hình 19: Sơ đồ hệ đo đặc trưng phổ laser diode CSC 21 Đo phân bố trường xa chip laser sử dụng phương pháp quay đầu phát laser nhằm xác định góc mở giúp cho việc lựa chọn s ợi quang v ới đô số cần thiết ghép nối quang module laser Laser đặt tâm mơt đế điều chỉnh quay theo góc khác nhau, đầu thu ốt quang điện (PD) gắn sau mơt khe hẹp nhỏ 100 µm dùng để thu xạ laser mơt góc đủ hẹp Khoảng cách laser ốt quang ện khoảng 10 cm, trước đầu thu dùng kính lọc trung tính đ ể tránh bão hòa đầu thu Laser cấp dòng xung từ nguồn dòng ITC 4005 từ máy phát xung vng Xung thu từ điốt quang điện đo dao đông ký KIKUSUI 100 MHz Hình 20: Đặc trưng phân bố trường xa chip laser 940 nm dòng bơm 2,0 A, đo nhiệt độ đế 25°C: a) hướng song song với chuyển tiếp; b) hướng vng góc với chuyển tiếp Kết đo từ hình 20 ta thấy góc mở trung bình theo hướng song song chuyển tiếp khoảng 8,2 µm hướng vng góc vào khoảng 39,5 µm Với kích thước rơng miền tích cực lên tới 200 m 22 Hình 21: Đặc trưng cơng suất quang – dòng bơm (P-I) vào nhiệt độ chip laser 940 nm Từ hình ta nhận thấy Đặc trưng P-I chíp laser 940 nm tuyến tính dải làm việc từ 0,5A đến 2,0 A tăng nhi ệt đ ô Phổ quang chíp laser dịch phía sóng dài tăng nhi ệt đ ô phù h ợp với giảm rơng vùng cấm vật liệu vùng tích cực Về phổ phân b ố không gian chip laser, khoảng nhi ệt đ ô hẹp từ 15-30°C hầu nh khơng có thay đổi đáng kể phân bố khơng gian tr ường xa, góc phân kỳ giữ nguyên c) Định vị sợi quang Tạo thấu kính: Sử dụng hệ phóng hồ quang cao áp để tạo thấy kính hình parabol Tiến hành gắn sợi quang lên giá đỡ để điều chỉnh cho đ ầu s ợi quang vào v ị trí hai kim hệ phóng hồ quang điện cung cấp dòng ện gi ữa hai kim sinh tượng hồ quang phát sinh m ôt nhi ệt lượng l ớn kho ảng 2000xuất hiện tượng nóng chảy đầu sợi quang sau 2-4s di chuy ển đầu sợi quang khỏi vùng phát hồ quang điện ta thấu kính hình parabol 23 Hình 22: Hệ phóng hồ quang cao áp Ghép nối sợi quang: Gắn đế định vị đầu sợi quang với đế giữ C-mount 02 vít M2 Bổ sung epoxy Araldit – 2014 đế cho tăng chắn Hình 23: Hình ảnh laser sau cố định sợi quang 24 Đặt cấu đế định vị đầu sợi quang – đế gi ữ C- mount lên đ ồng mặt làm việc pin nhiệt điện peltier Pin nhiệt điện peltier h ệ tản nhiệt cho pin đặt hệ bàn vi chỉnh chiều Đặt sợi quang lên bàn vi chỉnh chiều, giữ s ợi k ẹp c h ọc hay thỏi nam châm Đầu sợi quang (kết cu ối connector quang SMA 905) đặt vng góc sát với đầu thu quang máy đo công suất quang Cấp dòng cho chíp laser pin peltier, đồng th ời hiệu ch ỉnh dòng c pin peltier cho nhiệt đô pin peltier ổn định 25 Điều chỉnh vị trí đế C- mount hệ vi chỉnh giữ sợi quang đầu s ợi quang cách chíp laser 1mm (quan sát kính hiển vi soi nổi) Điều chỉnh vị trí đầu sợi quang sát với mặt phát chíp laser (kho ảng cách mm) chíp laser, theo dõi ch ỉ th ị máy đo công suất quang, vi chỉnh chiều hệ vi chỉnh chi ều cho đ ạt công su ất lối đầu sợi lớn Khoảng cách gi ữa đầu sợi quang b ề m ặt chíp laser vi chỉnh tinh tối ưu thường khoảng 50 – 200 µm Nhỏ epoxy Araldit-2014 hoăc TorrSeal TS10 sau tr ôn thành phần keo theo tỉ lệ 1:2 theo khối lượng lên phần tuốt vỏ gần đầu s ợi quang, gia nhiệt để đóng rắn epoxy nâng nhiệt pin peltier lên 50 oC – 60oC Giữ tồn bơ cấu đế giữ sợi quang - đế giữ C-mount nhi ệt thời gian 5-6 để việc đóng rắn hoàn tất 25 Định vị chi tiết module laser diode công su ất cao Mục đích q trình định vị chi tiết lại module laser diode cơng suất cao kết nối điện cho chíp laser Cấu hình định vị thành phần module laser công suất cao trình bày hình 24 Hình 24: Cấu hình module laser công suất cao với chi tiết cần định vị bên module Các bước định vị gồm: Bước 1: Bôi môt lớp epoxy dẫn nhiệt Epotek -70E mỏng lên đáy cấu đế giữ C-mount – đế giữ sợi quang Đặt cấu định vị chip diode laser công suất cao với sợi quang vào vỏ module có kích thước phía 46 x 25,5 x 13,5 (mm) Bước 2: Định vị đầu giữ sợi quang lên thành bên vỏ module Sau đầu giữ sợi quang cố định vào vỏ module tồn bơ khơng gian bên đầu giữ sợi quang chứa sợi quang điền đầy epoxy có đ giãn nở nhiệt thấp (epoxy chân không TorrSeal epoxy Araldite) 26 Bước 3: Định vị chốt điện cao tần BNC loại SMA lên vỏ module phía đối diện đầu giữ sợi quang, có bổ sung epoxy Araldite 2014 vào mặt ti ếp xúc để tăng cường kín chân khơng Bước 4: Hàn dây đồng mạ vàng  = 0,5 mm với mạch in FR4 đường dẫn điện đế giữ C –mount lõi chốt BNC để kết nối cực âm laser với chốt BNC (Hình 25) Dây nối có dài l = 10 mm, điện trở R ~ 0,3 mΩ Hình 25: Kết nối điện chốt cấp dòng SMA với chíp laser u cầu khâu phải đảm bảo chắn mặt c học, đảm bảo đô dẫn điện tốt từ chip laser tới mặt vỏ module tới ện c ực BNC (cực âm) Đóng vỏ cho module laser diode cơng suất cao Mục đích trình tránh xâm nhập bui, h n ước khơng khí vào chi tiết bên module laser đảm bảo đô b ền s ự ổn định cho laser 27 Việc đóng gói bao gồm việc làm kín chân khơng vị trí tiếp xúc mơi trường bên bên ngồi module bao gồm: vị trí l ỗ ren vít định vị cấu ghép nối laser sợi quang (g ọi tắt vị trí vít định vị); vị trí định vị chốt n ối ện cấp dòng cho laser; vị trí định vị đầu giữ sợi quang; vị trí vành tiếp xúc nắp đậy module vỏ module Bằng cách gia nhiệt nhẹ vỏ module giúp epoxy giảm đô nhớt điền đầy hết vào khe nhỏ vị trí tiếp xúc Khi tất khoảng Hình 26: Module laser diode hồn chỉnh sau đóng vỏ khơng gian đảm lấp đầy epoxy đóng rắn Kết thúc cơng đoạn này, module laser diode CSC sau đóng vỏ phải có kín tuyệt đối Khảo sát thơng số module laser diode công su ất cao a) Khảo sát công suất xạ laser lối module laser cơng suất cao phụ thuộc dòng bơm (P-I) Sử dụng hệ đo hình để đo đặc trưng cơng suất quang theo dòng bơm (P-I) tất module laser chế tạo 25°C Các kết thu sau: dòng ngưỡng phát laser Ith  0,5 A; công suất quang tối đa P max > 1000 mW (tại dòng bơm < 2A); hiệu suất ghép nối  > 75% Hình 27: Đặc trưng P-I module laser 28 Optical Power, P / W b) Khảo sát độ ổn định công suất quang lối theo thời gian cho module laser công suất cao Đô ổn định công suất theo thời gian 1.2 module chế tạo hoàn chỉnh khảo sát với thiết bị sử dụng sơ đồ đo giống 1.1 hình Nhiệt đô pin peltier ổn định 25oC ( ± 0,5oC) Kết khảo sát module chế 1.0 tạo thời gian 10 cho thấy module laser có ổn định cơng suất quang < ± 2% 0.9 mức cơng suất ~ 1,0 W (Hình 28) Module 940 nm; T = 25°C 0.8 10 Việc khảo sát đô ổn định công suất quang lối Time, t / h cho module laser diode già hóa thời gian 10 gi m ơt dòng Hình 28: Độ ổn định công suất bơm cố định (I ≥ 1,5Ith) để ổn định chế đô làm việquang c chotheo th module ời gian tlaser ại dòng bơm I= Công suất quang, 1,67 A diode sau chế tạo d) Khảo sát thông số chùm tia đầu sợi quang cho module laser Nghiên cứu khảo sát đặc trưng chùm tia phát đầu sợi quang theo sơ đồ hình 29 giúp cho việc nhận biết phân bố chùm tia laser khoảng cách khác từ đầu sợi quang Kết thu chùm tia laser khỏi đầu sợi quang module laser có dạng giống với hình dạng chùm tia khảo sát trước Thời gian, Hình 29: Đặc trưng phân bố trường xa chip laser 940 nm KẾT LUẬN 29 Đóng gói laser cơng suất cao quy trình vơ khó khăn đòi hỏi phải tn thủ quy trình vơ nghiêm ngặt từ đầu khâu khảo sát thông số chip laser, hàn chip hàn dây vàng tính hiệu suất ghép nối quang, thực ghép nối, định vị quang học đóng vỏ module laser Với thực bước công nghệ cách cẩn thận, nghiêm túc ta thực ghép nối module laser công suất cao Việt Nam đáp ứng yêu cầu thiết bị điều trị y tế hay thiết bị laser diode công suất cao phục vụ cho nghiên cứu khoa học mục đích khác Trong q trình nghiên cứu thực nghiệm đóng gói thành cơng laser hoàn chỉnh: - Hàn laser đế CuAu - Khảo sát thông số chip laser phụ thuộc công suất nhiệt độ đặc trưng phân bố trường xa chip laser - Định vị sợi quang: tạo thấu kính đầu sợi quang , định vị ghép nối sợi quang với chip laser - Định vị chi tiết module laser diode công suất cao - Đóng vỏ cho module laser diode cơng suất cao - Hiệu suất ghép nối đạt 80% 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO F Bachman, P Loosen, R Poprawe (ed.), “High-Power Diode Lasers Technology and Applications (Topics in Applied Physics)”, Springer Verlag Berlin Heidenberg, 2007 F Traeger, Ed., “Handbook of Lasers and Optics”, Springer Science & Bussiness Media, New York, 2007 31 ... gói laser bán dẫn công suất cao đ ược trình bày sau: Mở đầu Chương 1: Giới thiệu laser bán dẫn công suất cao Chương 2: Đóng gói laser bán dẫn cơng suất cao Chương 3: Thực nghiệm đóng gói laser bán. .. laser bán dẫn cơng suất cao Kết luận CHƯƠNG 1: LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO Khái niệm laser diode công suất cao Đã 40 năm kể từ laser bán dẫn đới, nhiều nghiên cứu thực nhằm nâng caao công suất mở... laser tần s ố đ ơn, laser đơn mode liên tục có công suất 50 mW trở lên laser đa mode d ải rơng, mảng laser có cơng suất lớn 50 mW gọi laser diode cơng su ất cao Mặc dù laser diode công suất cao