半导体激光器波导模式理论(上册) 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：9787030457172

商品编码：29729909264

包装：圆脊精装

出版时间：2018-04-01

基本信息

书名:半导体激光器波导模式理论(上册)

：178.00元

售价：129.9元,便宜48.1元,折扣72

作者:郭长志

出版社：科学出版社

出版日期：2018-04-01

ISBN：9787030457172

字数：

页码：

版次：1

装帧：圆脊精装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

内容提要

模式理论是研究激光在波导光腔中的传播规律、各种波导结构中可能存在的各种光模类型和模式结构特点，揭示激光模式结构与波导结构的内在联系，从而发现控制波导结构和模式结构的途径。由于光在传播过程中主要突出其波动性，量子场论和经典场论基本上导出相同的结果，因此完全可以从麦克斯韦方程组出发进行分析。其任务是找出器件性能所需的**激光模式结构和设计出其合理的波导光腔结构方案。本书是在作者1989年12月出版的《半导体激光模式理论》的基础上，作了修订和大量补充完备，以反映作者及其团队几十年来取得的重要研究成果和该领域的**进展。全书论述既重基础又涉及前沿，既重物理概念又重推导编程演算。

目录

作者介绍

文摘

序言

《半导体激光器波导模式理论（上册）》是一部深入探讨半导体激光器核心工作机理的学术专著，特别侧重于其内部光场传播与约束的波导模式特性。本书旨在为从事半导体激光器设计、制造、应用以及相关领域研究的科研人员、工程师和高年级研究生提供一个扎实而全面的理论基础。 全书的核心关注点在于理解半导体激光器中的光波如何被导引和限制在特定的区域内，从而实现高效的光增益和激光输出。这种光波的导引和限制正是由其内部的波导结构所决定的。本书在上册中，系统地梳理了构成半导体激光器波导结构的基本物理原理，并在此基础上，深入分析了不同类型波导模式的形成、特性及其对激光器性能的影响。 第一部分：基础理论与波导结构 在深入分析波导模式之前，本书首先回顾并构建了必要的电磁场理论和半导体材料基础。这包括： 麦克斯韦方程组在半导体介质中的应用： 详细阐述了电磁场在具有复杂介电常数和磁导率的半导体材料中传播的波动方程。重点分析了在不同边界条件下，电磁场的边界条件及其对传播模式的影响。 光波在介质中的传播： 引入了波数、传播常数、相位常数和群速度等基本概念，并阐述了光波在均匀介质和非均匀介质中传播的特性。 半导体材料的光学性质： 深入讨论了半导体材料的折射率、吸收系数、增益系数等关键光学参数，以及这些参数如何随材料成分、掺杂浓度、温度和注入载流子密度等因素而变化。特别是，着重分析了半导体材料的等离子体共振、自由载流子吸收以及带间跃迁等对光学性质的影响。 波导的基本概念： 引入了光波导的基本定义，即能够约束和引导光传播的结构。解释了波导存在的物理基础，即折射率分布的不均匀性所产生的全反射或有效折射率的差异。 在此基础上，本书详细介绍了构成半导体激光器核心的各种波导结构，并分析了它们在光场约束方面的作用： 脊形波导（Ridge Waveguide）： 这是最常见和最基本的半导体激光器波导结构之一。本书详细分析了脊形波导的几何形状（包括脊的宽度、高度、侧壁角度等）如何影响波导的有效折射率分布，以及由此产生的不同类型的横向模式。深入探讨了脊形波导的单模和多模行为，以及影响其模式特性的关键参数。 埋置式波导（Buried Waveguide）： 相比于脊形波导，埋置式波导提供了更强的横向约束能力，能够实现更小的模场尺寸和更好的模式隔离。本书将分析埋置式波导的结构，如翼状（wing-shaped）和蝶形（butterfly-shaped）等，以及其相对于脊形波导在模式控制和制造工艺上的优劣。 掺杂/非掺杂边界波导： 讨论了利用半导体材料的掺杂浓度差异来构建折射率阶梯或渐变的波导结构。分析了不同掺杂区域（如p型、n型、本征区）的电学和光学特性如何共同作用，形成有效的波导。 量子阱波导（Quantum Well Waveguide）： 这是现代高效半导体激光器中不可或缺的组成部分。本书将详细介绍量子阱的概念，以及单量子阱（SQW）和多量子阱（MQW）结构是如何形成并作为增益介质同时提供光约束能力的。分析了量子约束效应如何改变材料的光学性质，进而影响波导模式。 其他新型波导结构： 简要介绍一些前沿的波导设计，如光子晶体波导（Photonic Crystal Waveguide）和亚波长波导（Subwavelength Waveguide）等，它们利用特殊的电磁场调控机制来实现更精密的模式控制。 第二部分：波导模式理论 在建立了对半导体激光器波导结构及其材料特性的深刻理解后，本书进入核心的波导模式理论分析。这一部分将是上册的重点和难点所在，旨在提供精确计算和理解波导模式的工具和方法。 波动方程的求解与模式分析： 标量近似法： 在许多情况下，特别是当横向尺寸远大于光波长时，可以使用标量近似法来简化波动方程的求解。本书将详细介绍标量近似法的推导过程，并分析其适用范围和局限性。 严格耦合波分析（Coupled-Mode Analysis, CMA）： 对于具有周期性结构或多层结构的光波导，例如多量子阱结构，严格耦合波分析是一种非常有效的计算方法。本书将详细讲解CMA的基本原理，包括模式耦合的机理，以及如何利用它来分析耦合损耗、模式转换等。 模式分解法（Mode Decomposition）： 当光波在波导中传播时，其整体场分布可以看作是许多不同模式的线性叠加。本书将介绍如何将复杂的电磁场分布分解为一组正交的本征模式，并分析各模式的贡献。 有限元法（Finite Element Method, FEM）和有限差分时域法（Finite-Difference Time-Domain, FDTD）： 对于复杂几何形状的波导，解析求解变得困难。本书将介绍数值计算方法，如FEM和FDTD，它们能够更精确地模拟复杂波导结构中的光场分布和传播特性，并提供实用的计算流程和技巧。 横向模式与纵向模式： 横向模式（Transverse Modes）： 重点分析光波在波导横截面（垂直于传播方向）上的场分布。 TE模式和TM模式： 详细阐述TE（横电）模式和TM（横磁）模式的定义，它们的电场和磁场分量如何在波导中传播。分析不同波导结构对TE和TM模式的约束能力差异，以及这如何影响激光器的偏振特性。 同质波导和异质波导的模式特性： 区分同质波导（折射率分布主要由材料组成决定）和异质波导（折射率分布受到结构设计和掺杂等因素的显著影响）的模式特性。 单模与多模行为： 深入分析决定波导是单模还是多模的关键因素，如波导宽度、折射率对比度、波长等。解释了单模工作对于实现低阈值、高效率、高相干性激光器的重要性。 模式场的计算与可视化： 提供计算和可视化各种横向模式场分布的工具和方法，例如能量密度分布、相位分布等。 纵向模式（Longitudinal Modes）： 简要提及纵向模式（即与传播方向相关的模式），并解释其与腔长、反射镜反射率等因素的关系，为后续讨论激光腔模式提供基础。 有效折射率法（Effective Refractive Index Method, EIM）： 基本原理： EIM是一种广泛用于简化三维波导分析的有效方法。本书将详细介绍EIM的推导过程，它如何将三维的横向模式问题近似为二维问题，从而大大简化计算。 适用范围和精度： 分析EIM的假设条件和局限性，讨论在何种情况下EIM能够提供足够精确的结果，以及何时需要更复杂的数值方法。 模式损耗与模式耦合： 弯曲损耗（Bending Loss）： 分析激光器内部波导结构中存在的弯曲对光场传播的影响，以及如何通过优化设计来减小弯曲损耗。 散射损耗（Scattering Loss）： 讨论由波导表面粗糙度、材料缺陷等引起的散射损耗，以及如何通过优化制造工艺来降低。 模式耦合（Mode Coupling）： 分析不同模式之间发生能量传递的现象，例如由波导不均匀性或外部扰动引起的模式耦合。解释模式耦合对激光器输出功率、谱线宽度等性能的影响。 增益与模式的相互作用： 探讨增益介质（如量子阱）的激活如何影响不同波导模式的增益，以及增益分布的不均匀性如何影响模式竞争。 量子阱波导的独特模式特性： 量子受限斯塔克效应（Quantum-Confined Stark Effect, QCSE）： 详细分析QCSE对量子阱材料折射率和吸收/增益谱的影响，以及这种影响如何改变量子阱波导的模式特性，特别是如何实现电光可调。 多量子阱（MQW）波导的模式： 分析MQW结构中不同量子阱层之间的耦合效应，以及由此产生的特殊的夫-莫尔（Few-Mode）或多模行为。讨论如何通过优化阱宽、势垒宽、材料选择等来控制MQW波导的模式。 《半导体激光器波导模式理论（上册）》以严谨的逻辑、清晰的论述和丰富的图示，致力于将复杂的理论概念转化为读者易于理解的知识。本书不仅提供了计算波导模式的工具，更重要的是，它引导读者深入理解不同波导结构的设计原则、模式特性与激光器性能之间的内在联系，为解决实际工程问题和推动半导体激光器技术的发展奠定坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

坦率地说，这本书的排版和图示质量给我留下了深刻的印象。在探讨复杂的电磁场分布和模式场结构时，清晰的图形展示是至关重要的，而本书在这方面做得非常出色。那些二维和三维的模式分布图，线条锐利，色彩区分明确，直观地展示了TE、TM模式以及准横模的能量分布形态。这种视觉上的辅助极大地降低了理解抽象数学表达式的难度。此外，章节之间的逻辑衔接处理得非常平滑，每一个新的概念都是在前一个概念的基础上逐步构建起来的，给人一种结构严谨的体系感。它不是简单地罗列公式，而是注重解释公式背后的物理意义——例如，为什么某些边界条件会导致模式的泄漏，以及如何通过优化脊的高度或宽度来“驯服”光场，使其更好地限制在核心区。这种注重“为什么”的教学方式，远比单纯的“是什么”更有价值，它培养的是一种科学的洞察力。

评分☆☆☆☆☆

阅读这本书的过程，就像是进行一场极其精密的智力攀登。它不是那种读起来轻松愉快的休闲读物，而是需要你全神贯注，时常停下来演算推导的学术专著。我不得不承认，初期的章节对我的基础知识提出了很高的要求，那些关于亥姆霍兹方程、本征值问题以及特定边界条件的讨论，需要读者具备扎实的矢量分析和偏微分方程功底。然而，一旦跨越了最初的理论门槛，那种豁然开朗的感觉是无与伦比的。它详尽地剖析了不同折射率分布下光波的传播特性，特别是对于本征模式的分解和正交性条件的探讨，处理得极其到位。我尤其欣赏其中对于数值解法的引入，这显示出作者不仅仅停留在解析理论层面，更是将理论与现代工程实践紧密结合。对于希望深入理解光在波导结构中“行走”规律的工程师和博士生而言，这本书提供的视角无疑是全面且深刻的，它让你明白，每一个设计参数的微小调整，背后都有着严密的物理规律在支撑。

评分☆☆☆☆☆

这本《半导体激光器波导模式理论（上册）》的封面设计得极为专业，那种深邃的蓝色调配上清晰的几何线条，一下子就抓住了我的眼球。我个人是对光电子学领域有浓厚兴趣的研究者，尤其对半导体激光器的基本原理和结构设计情有独钟。初翻目录时，我就预感到这本书绝非泛泛而谈的科普读物，而是直指核心的理论深度。它似乎在用一种非常严谨的、近乎数学证明的方式来构建起波导模式的整个理论框架。我特别期待它能深入探讨各种复杂结构下的电磁场分布，比如脊形波导、埋入式波导，以及这些结构如何影响模场分布和损耗。毕竟，在实际器件设计中，模式的有效控制是决定激光器性能的关键。如果这本书能在模式耦合、非线性效应引入后的模式演化等方面提供独到的见解，那它无疑将成为我案头必备的参考书，而不是束之高阁的陈设。我对作者能够将如此复杂的物理现象转化为清晰的数学语言并进行系统的阐述抱有极高的期望，希望它能为我接下来的工作提供坚实的理论基石。

评分☆☆☆☆☆

我希望未来的“下册”能够将理论与更前沿的应用紧密结合起来。虽然“上册”已经为我们打下了坚不可摧的理论基础，但作为读者，我更渴望看到这些模式理论是如何被实际应用到新型激光器结构中的。比如，如何利用这些模式分析来设计出具有超低阈值、高输出功率的量子点或量子阱激光器，或者如何在新兴的二维材料异质结构波导中应用这些模式理论。这本书的理论深度已经达到了顶级水平，如果能增加一个专门章节讨论如何将这些解析解或半解析解用于指导实际的纳米光子学器件的优化，那就完美了。它现在更像是一本“原理之书”，充满了真理的沉淀；我期待续作能成为一本“应用之桥”，连接实验室的理论与产业的现实需求，让这些深奥的模式特性真正转化为下一代光电子器件的核心竞争力。

评分☆☆☆☆☆

这本书的出版，对于国内光电子领域的研究生教育来说，无疑是一次及时的补充。过去我们依赖的许多经典教材往往是外文译本，语言风格和特定的学术表达习惯有时会造成理解上的隔阂，或者在术语的对应上出现偏差。这本本土创作的理论专著，在用词上显得更为贴切和地道，使得那些原本就晦涩的物理概念能够以更符合国内研究者思维习惯的方式被接受。我注意到作者在讲解模式的有效折射率和群速色散关系时，采用了多角度的论证方法，既有传统的耦合波理论视角，也似乎暗含了更现代的有限元方法所需的理论铺垫。这种丰富性使得这本书的适用范围拓宽了，不仅适合专注于基础理论探索的学者，也对那些致力于优化激光器性能、进行器件建模的工程师提供了极大的帮助。它构建的理论框架，是理解更高阶的非线性效应和耦合腔结构的基础，是值得反复研读的深度参考资料。