半导体激光器速率方程理论(上册) 郭长志 9787030478122 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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郭长志 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030478122

商品编码：29315282323

包装：圆脊精装

出版时间：2016-05-01

基本信息

书名：半导体激光器速率方程理论(上册)

定价：148.00元

作者：郭长志

出版社：科学出版社

出版日期：2016-05-01

ISBN：9787030478122

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版次：1

装帧：圆脊精装

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商品重量：0.4kg

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导语_点评_推荐词

内容提要

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本书分三章，章详细讨论半导体异质结构的注入(激发)及其电流机制、能带图表述、并着重探讨与新近垂直腔面发射激光器的发展密切相关的多层同型异质结理论。同时也为速率方程理论的建立提供坚实的物理和理论背景，并打好编程计算的基础。第二章建立为光子与电子相互作用作微观唯象表述的速率方程组、详细探讨光限制因子的全量子理论、并讨论电子和光子相互作用动平衡静态解，如阈值及其无阈值微腔效应、光功率-电流特性、端面返射、激光模式及其出射光束结构、模式竞争和转换等静态现象。第三章则将深入探讨半导体激光器包括延迟、激光过冲、和张弛振荡三个基本过程的瞬态行为、小信号的电流、光流、和微波加热三种调制方式及其调制带宽的理论、控制、和设计。大信号简谐调制及其调制带宽、脉码调制及其眼图的行为、不稳定和双稳态现象、振幅和相位噪音、抖动等*过程及其与谱线宽度的关系等动力学行为及其控制、设计、和应用。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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探索光之跃迁的奥秘：半导体激光器的原理与应用 引言 自激光器诞生以来，其在科研、工业、医疗、通信等领域的广泛应用深刻地改变了现代社会。而在众多激光器类型中，半导体激光器以其体积小、效率高、易于集成等优点，成为当前和未来信息时代不可或缺的核心光源。它如同信息传输的“点火器”，将电能高效转化为具有特定波长和方向性的光，为光纤通信、数据存储、激光加工、精密测量乃至生物医学成像等领域提供了强大的技术支撑。深入理解半导体激光器的基本原理，尤其是其核心——速率方程理论，对于推动相关技术的进步至关重要。 第一章：光与物质的交响：激光原理基础 本章将从最基础的光学概念出发，逐步构建起激光器工作原理的认知框架。我们将首先回顾光的本质，理解其波动性和粒子性，以及光与物质相互作用的基本形式——吸收、自发辐射和受激辐射。 光的本质：波粒二象性 光波的性质：光的干涉、衍射、偏振等现象，揭示了其波动性。我们将探讨光的频率、波长与颜色的关系，以及电磁波谱的构成。 光子的概念：爱因斯坦提出的光电效应，证明了光也具有粒子性，即光子。光子的能量与光的频率成正比，E=hν，其中h为普朗克常数。 物质与光的相互作用：能量的传递与转换 吸收 (Absorption)：原子或分子吸收光子，从低能级跃迁到高能级。这一过程是激光器进行粒子数反转的前提。我们将讨论吸收截面、吸收系数等概念，以及不同材料对不同波长光的吸收特性。 自发辐射 (Spontaneous Emission)：处于高能级的原子或分子在没有外部激发的情况下，自发地向低能级跃迁，同时发射出光子。自发辐射的光子方向、相位和偏振都是随机的，是普通光源（如白炽灯）的主要发光机制。 受激辐射 (Stimulated Emission)：当处于高能级的原子或分子受到与能量差相匹配的光子激发时，会诱导其跃迁到低能级，并同时辐射出一个与入射光子在方向、相位、偏振上完全相同的光子。受激辐射是激光器产生相干光的核心机制。我们将深入探讨受激辐射的概率、玻尔兹曼分布以及其在激光过程中的关键作用。 激光器的基本构成要素 增益介质 (Gain Medium)：能够产生受激辐射的物质，可以是气体、固体、液体或半导体材料。在本章中，我们将初步介绍不同类型增益介质的特点。 泵浦源 (Pumping Source)：提供能量以激励增益介质，使其产生粒子数反转。泵浦方式多种多样，包括光学泵浦、电学泵浦、化学泵浦等。 光学谐振腔 (Optical Resonator)：由两个或多个反射镜组成的腔体，用于对受激辐射的光子进行多次反射和放大，并选择性地输出特定模式的光。谐振腔的设计对激光器的输出特性（如模式、光谱线宽、方向性）有着决定性的影响。 第二章：粒子数反转的艺术：实现激光的必要条件 本章将聚焦于实现激光输出的关键前提——粒子数反转 (Population Inversion)。我们将探讨如何通过有效的泵浦机制，打破物质在平衡状态下的玻尔兹曼分布，从而使高能级上的粒子数超过低能级上的粒子数，为受激辐射的持续发生创造条件。 玻尔兹曼分布与热力学平衡 在热力学平衡状态下，原子或分子的能级分布遵循玻尔兹曼分布，即低能级上的粒子数远多于高能级上的粒子数。在这种状态下，吸收过程远比受激辐射占优势，无法实现光放大。 泵浦机制的引入 能量泵浦：通过外部能量输入，将低能级上的粒子激发到高能级。我们将详细分析不同泵浦方式的能量转换效率和适用范围，例如，电泵浦在半导体激光器中的重要性。 能级结构的设计：并非所有物质都能方便地实现粒子数反转。本章将介绍一些常用的激光增益介质的能级结构，如两能级系统、三能级系统和四能级系统。 两能级系统：实现粒子数反转难度最大，因为粒子在跃迁后会直接回到基态。 三能级系统：比两能级系统容易实现粒子数反转，但仍存在一定限制。 四能级系统：最容易实现粒子数反转，因为粒子跃迁到激发态后，会快速弛豫到亚稳态，然后再跃迁到基态，这为粒子数反转的建立提供了时间窗口。 阈值条件 (Threshold Condition) 激光器工作的核心是增益大于损耗。当泵浦强度达到一定程度，使得增益介质中每传播单位长度的光能所产生的受激辐射能量，足以补偿谐振腔内的各种损耗（如反射镜损耗、散射损耗、吸收损耗等）时，激光器就达到了阈值。我们将引入光腔损耗率、增益系数等参数，并建立相应的阈值方程。 第三章：时间的脚步：速率方程的精妙描述 本章是本书的重点之一，我们将深入探讨半导体激光器速率方程的理论基础。速率方程是描述激光器内部粒子数、光子数以及能量随时间变化的微分方程组。理解速率方程，是理解激光器动态特性、噪声特性以及实现各种激光控制策略的关键。 速率方程的构成要素 粒子数 (N)：描述增益介质中处于特定能级上的粒子数量。在半导体激光器中，通常关注的是导带中的电子数密度 (n) 和价带中的空穴数密度 (p)。 光子数 (S)：描述谐振腔内特定模式下的光子数量。 泵浦速率 (R_p)：单位时间内泵浦源向增益介质注入的能量所产生的粒子数。 辐射跃迁速率 (R_r)：包括受激辐射和自发辐射。 受激辐射速率：与粒子数和腔内光强成正比。 自发辐射速率：与粒子数成正比，是激光器的固有噪声来源之一。 非辐射跃迁速率 (R_nr)：包括俄歇复合、声子辅助跃迁等，这些过程消耗粒子但不产生光，是激光器效率的损耗。 光子损耗率 (γ)：描述光子在谐振腔内被损耗的速率，与腔体损耗和出光效率有关。 单模速率方程的建立与求解 我们将推导描述单模激光器粒子数和光子数随时间变化的速率方程。 稳态分析：在达到稳态后，粒子数和光子数的导数均为零，此时我们可以得到稳态增益、阈值泵浦电流、稳态光功率等重要参数。 动态分析：当泵浦电流发生变化时，速率方程可以描述激光器从一个稳态向另一个稳态的过渡过程，例如激光器的起振时间、调制响应等。 速率方程在半导体激光器中的具体应用 粒子数反转条件：速率方程直观地展示了粒子数反转是受激辐射发生的前提。 阈值电流的推导：通过稳态速率方程，可以精确计算出激光器开始工作的阈值电流。 输出功率与泵浦强度的关系：速率方程可以预测激光器的输出功率随泵浦电流的变化规律。 噪声特性分析：速率方程中的自发辐射项是激光器噪声的来源，通过分析速率方程，可以评估激光器的强度噪声、频率噪声等。 调制特性分析：速率方程能够描述激光器对外部调制信号的响应速度和保真度。 第四章：载流子的舞蹈：半导体激光器的精细结构与工作机制 本章将聚焦于半导体激光器这一特殊的增益介质。我们将深入探讨半导体材料的能带结构、pn结的工作原理，以及载流子（电子和空穴）如何在其中扮演核心角色，实现受激辐射。 半导体材料的能带理论 导带与价带：描述电子在固体材料中能量分布的区域。 禁带宽度 (Band Gap)：导带底部与价带顶部之间的能量差，决定了半导体材料的光学特性。 直接带隙与间接带隙半导体：直接带隙半导体（如GaAs, InP）在动量空间中，导带底和价带顶处于同一位置，有利于高效的光学跃迁，是制造激光器的理想材料。间接带隙半导体（如Si, Ge）则不利于直接跃迁发光。 pn结的形成与载流子注入 p型半导体与n型半导体：通过掺杂形成。 pn结的形成：p型和n型半导体接触形成的界面。 外加偏压：正向偏压下，电子和空穴在pn结区域复合，并发出光子（发光二极管）。在激光器中，则是在pn结区域实现受激辐射。 半导体激光器的结构类型 双异质结 (DH) 激光器：通过生长两层不同禁带宽度的半导体材料，将电子和空穴限制在发射层，提高复合效率和增益。 量子阱 (Quantum Well, QW) 激光器：通过控制发射层的厚度在纳米级别，形成量子限制效应，显著改变能级结构，降低阈值电流，提高效率，并允许调节发射波长。 分布反馈 (DFB) 激光器与分布布拉格反射器 (DBR) 激光器：通过在激光器内部引入周期性结构，实现波长选择性，获得窄谱线宽的激光输出，适用于光通信。 垂直腔面发射激光器 (VCSEL)：光子沿垂直于芯片表面的方向传播，易于二维集成和阵列化。 半导体激光器中的载流子动力学 载流子注入与复合：正向偏压下，电子和空穴被注入到pn结的有源区，在那里它们会发生复合。 辐射复合 (Radiative Recombination)：电子与空穴复合，直接释放出光子，是激光器发光的基本过程。 非辐射复合 (Non-radiative Recombination)：电子与空穴复合，能量通过晶格振动（声子）或其他方式耗散，不产生光。主要包括： 俄歇复合 (Auger Recombination)：一种高效的非辐射复合过程，特别是在高载流子密度下，能量传递给另一个自由载流子，使其跃迁到更高的能级。 缺陷诱导非辐射复合：由材料中的缺陷引起，消耗载流子。 载流子寿命：描述载流子在复合过程中的平均停留时间，是影响激光器效率的重要因素。 激光阈值下的半导体激光器工作 注入电流与载流子密度：注入电流直接决定了pn结区域的载流子注入速率，进而影响载流子密度。 载流子密度与增益：载流子密度越高，激子-空穴对的密度越大，受激辐射的增益也越高。 阈值电流：当注入电流达到一定值时，增益足以克服腔内损耗，激光器开始振荡。 结论 本章的系列内容将为读者构建起对半导体激光器从基础光学原理到其核心动力学过程的全面认知。我们将深入浅出地剖析速率方程的物理意义，并逐步引导读者理解其在分析和设计各种半导体激光器时所扮演的关键角色。通过对载流子动力学、能带理论以及不同激光器结构的细致讲解，希望能为读者提供一个坚实的基础，为后续深入学习和研究半导体激光器理论打下坚实基础。

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容深度和广度是令人印象深刻的。它似乎不仅仅停留在对基础原理的陈述，而是真正深入到了概念的根基，引导读者去思考“为什么”而不是仅仅记住“是什么”。从章节的逻辑布局来看，作者显然是经过深思熟虑的，知识点的推进是有序且层层递进的，就像是攀登一座知识的高峰，每一步都打下了坚实的基础，使得后续更为复杂的推导也能迎刃而解。我特别关注了其中对某些关键物理模型的阐述，其描述之详尽和剖析之透彻，远超我此前接触的许多教材。它仿佛是一位经验丰富的导师，不厌其烦地为你拆解每一个难点，确保你真正理解了背后的物理图像，而不是囫囵吞枣地接受了数学表达。这种教学相长的设计哲学，让阅读过程充满挑战性，但回报也是巨大的。

评分☆☆☆☆☆

作为一名长期关注光学领域的学习者，我发现这本书在理论体系的构建上达到了相当高的水准。它没有回避那些公认的难题，反而以一种直面挑战的姿态，系统地梳理了相关理论的发展脉络。更难得的是，它似乎在不同理论视角之间搭建了一座座桥梁，让原本看起来相互独立的物理概念能够在一个更宏大的框架下得到统一的解释。这种全局观的建立，对于培养深入的研究思维至关重要。我花了好一番功夫去对比书中的某些推导过程和传统教科书的处理方式，感受到了作者在选择和优化表达路径上的独到匠心。它不仅仅是知识的堆砌，更像是一份经过时间检验和实践打磨的智慧结晶，为我们理解和应用相关技术提供了坚实的理论后盾。

评分☆☆☆☆☆

这本书在探讨前沿问题时，展现出一种扎根于经典理论同时又积极拥抱新发展的平衡姿态。它并非墨守成规，而是将历史上的关键突破清晰地展现出来，使得读者能够理解当前理论范式的形成并非一蹴而就，而是充满了探索和修正的过程。我个人特别欣赏其中关于应用背景的简要介绍，这些片段虽然不占据主体篇幅，却像是点睛之笔，将抽象的物理定律与现实中的工程挑战联系了起来，极大地激发了我的学习兴趣——原来这些复杂的方程可以直接指导我们去设计更高效的光源。这种理论与实践的巧妙结合，让这本书的价值超越了一般的学术参考，更像是一份富有前瞻性的技术指南，指引着未来的研究方向。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格是极其精准且凝练的，这在理工科的专业著作中是优点，但也要求读者具备一定的基础知识储备才能完全跟上节奏。作者的笔触非常老道，每一个术语的引入都伴随着精确的定义和恰当的语境，没有丝毫的冗余或含糊不清之处。然而，对于初学者来说，这种高度的专业性可能需要反复研读。我体会到，阅读这本书更像是在进行一场与作者的“智力对话”，需要高度集中精神去捕捉那些隐藏在简洁文字背后的深层含义。尤其是在涉及到数学证明和极限分析的部分，其严密性令人赞叹，但也确实考验了读者的耐心和数理功底。总而言之，这是一部为严肃学者和高阶学生准备的工具书，而非轻松的入门读物。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计确实很用心，封面采用了沉稳的深蓝色调，配上清晰的白色书名和作者信息，给人一种专业而可靠的感觉。纸张的质感也相当不错，拿在手里分量十足，这很符合一本深入探讨物理学前沿理论的专著应有的水准。我尤其欣赏的是它的排版，字号适中，行距合理，即使是面对复杂的公式和密集的文字，阅读起来也不会感到吃力。侧边留白处理得当，方便读者做笔记和标注重点。整体来看，这本书的物理形态就已经传递出一种严谨治学的态度，让人在翻开第一页之前，就对即将接触的内容充满了期待。这种对细节的打磨，无疑提升了阅读体验，尤其对于需要长时间沉浸在专业知识中的读者而言，舒适的阅读感受至关重要。