半導體激光器速率方程理論(上冊) 郭長誌 9787030478122 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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郭長誌 著

圖書標籤:

• 半導體激光器
• 激光物理
• 速率方程
• 光電子技術
• 郭長誌
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• 通信工程
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齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030478122

商品編碼：29315282323

包裝：圓脊精裝

齣版時間：2016-05-01

基本信息

書名：半導體激光器速率方程理論(上冊)

定價：148.00元

作者：郭長誌

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2016-05-01

ISBN：9787030478122

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：圓脊精裝

開本：

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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導語_點評_推薦詞

內容提要

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本書分三章，章詳細討論半導體異質結構的注入(激發)及其電流機製、能帶圖錶述、並著重探討與新近垂直腔麵發射激光器的發展密切相關的多層同型異質結理論。同時也為速率方程理論的建立提供堅實的物理和理論背景，並打好編程計算的基礎。第二章建立為光子與電子相互作用作微觀唯象錶述的速率方程組、詳細探討光限製因子的全量子理論、並討論電子和光子相互作用動平衡靜態解，如閾值及其無閾值微腔效應、光功率-電流特性、端麵返射、激光模式及其齣射光束結構、模式競爭和轉換等靜態現象。第三章則將深入探討半導體激光器包括延遲、激光過衝、和張弛振蕩三個基本過程的瞬態行為、小信號的電流、光流、和微波加熱三種調製方式及其調製帶寬的理論、控製、和設計。大信號簡諧調製及其調製帶寬、脈碼調製及其眼圖的行為、不穩定和雙穩態現象、振幅和相位噪音、抖動等*過程及其與譜綫寬度的關係等動力學行為及其控製、設計、和應用。

目錄

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作者介紹

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文摘

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序言

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探索光之躍遷的奧秘：半導體激光器的原理與應用 引言 自激光器誕生以來，其在科研、工業、醫療、通信等領域的廣泛應用深刻地改變瞭現代社會。而在眾多激光器類型中，半導體激光器以其體積小、效率高、易於集成等優點，成為當前和未來信息時代不可或缺的核心光源。它如同信息傳輸的“點火器”，將電能高效轉化為具有特定波長和方嚮性的光，為光縴通信、數據存儲、激光加工、精密測量乃至生物醫學成像等領域提供瞭強大的技術支撐。深入理解半導體激光器的基本原理，尤其是其核心——速率方程理論，對於推動相關技術的進步至關重要。 第一章：光與物質的交響：激光原理基礎 本章將從最基礎的光學概念齣發，逐步構建起激光器工作原理的認知框架。我們將首先迴顧光的本質，理解其波動性和粒子性，以及光與物質相互作用的基本形式——吸收、自發輻射和受激輻射。 光的本質：波粒二象性 光波的性質：光的乾涉、衍射、偏振等現象，揭示瞭其波動性。我們將探討光的頻率、波長與顔色的關係，以及電磁波譜的構成。 光子的概念：愛因斯坦提齣的光電效應，證明瞭光也具有粒子性，即光子。光子的能量與光的頻率成正比，E=hν，其中h為普朗剋常數。 物質與光的相互作用：能量的傳遞與轉換 吸收 (Absorption)：原子或分子吸收光子，從低能級躍遷到高能級。這一過程是激光器進行粒子數反轉的前提。我們將討論吸收截麵、吸收係數等概念，以及不同材料對不同波長光的吸收特性。 自發輻射 (Spontaneous Emission)：處於高能級的原子或分子在沒有外部激發的情況下，自發地嚮低能級躍遷，同時發射齣光子。自發輻射的光子方嚮、相位和偏振都是隨機的，是普通光源（如白熾燈）的主要發光機製。 受激輻射 (Stimulated Emission)：當處於高能級的原子或分子受到與能量差相匹配的光子激發時，會誘導其躍遷到低能級，並同時輻射齣一個與入射光子在方嚮、相位、偏振上完全相同的光子。受激輻射是激光器産生相乾光的核心機製。我們將深入探討受激輻射的概率、玻爾茲曼分布以及其在激光過程中的關鍵作用。 激光器的基本構成要素 增益介質 (Gain Medium)：能夠産生受激輻射的物質，可以是氣體、固體、液體或半導體材料。在本章中，我們將初步介紹不同類型增益介質的特點。 泵浦源 (Pumping Source)：提供能量以激勵增益介質，使其産生粒子數反轉。泵浦方式多種多樣，包括光學泵浦、電學泵浦、化學泵浦等。 光學諧振腔 (Optical Resonator)：由兩個或多個反射鏡組成的腔體，用於對受激輻射的光子進行多次反射和放大，並選擇性地輸齣特定模式的光。諧振腔的設計對激光器的輸齣特性（如模式、光譜綫寬、方嚮性）有著決定性的影響。 第二章：粒子數反轉的藝術：實現激光的必要條件 本章將聚焦於實現激光輸齣的關鍵前提——粒子數反轉 (Population Inversion)。我們將探討如何通過有效的泵浦機製，打破物質在平衡狀態下的玻爾茲曼分布，從而使高能級上的粒子數超過低能級上的粒子數，為受激輻射的持續發生創造條件。 玻爾茲曼分布與熱力學平衡 在熱力學平衡狀態下，原子或分子的能級分布遵循玻爾茲曼分布，即低能級上的粒子數遠多於高能級上的粒子數。在這種狀態下，吸收過程遠比受激輻射占優勢，無法實現光放大。 泵浦機製的引入 能量泵浦：通過外部能量輸入，將低能級上的粒子激發到高能級。我們將詳細分析不同泵浦方式的能量轉換效率和適用範圍，例如，電泵浦在半導體激光器中的重要性。 能級結構的設計：並非所有物質都能方便地實現粒子數反轉。本章將介紹一些常用的激光增益介質的能級結構，如兩能級係統、三能級係統和四能級係統。 兩能級係統：實現粒子數反轉難度最大，因為粒子在躍遷後會直接迴到基態。 三能級係統：比兩能級係統容易實現粒子數反轉，但仍存在一定限製。 四能級係統：最容易實現粒子數反轉，因為粒子躍遷到激發態後，會快速弛豫到亞穩態，然後再躍遷到基態，這為粒子數反轉的建立提供瞭時間窗口。 閾值條件 (Threshold Condition) 激光器工作的核心是增益大於損耗。當泵浦強度達到一定程度，使得增益介質中每傳播單位長度的光能所産生的受激輻射能量，足以補償諧振腔內的各種損耗（如反射鏡損耗、散射損耗、吸收損耗等）時，激光器就達到瞭閾值。我們將引入光腔損耗率、增益係數等參數，並建立相應的閾值方程。 第三章：時間的腳步：速率方程的精妙描述 本章是本書的重點之一，我們將深入探討半導體激光器速率方程的理論基礎。速率方程是描述激光器內部粒子數、光子數以及能量隨時間變化的微分方程組。理解速率方程，是理解激光器動態特性、噪聲特性以及實現各種激光控製策略的關鍵。 速率方程的構成要素 粒子數 (N)：描述增益介質中處於特定能級上的粒子數量。在半導體激光器中，通常關注的是導帶中的電子數密度 (n) 和價帶中的空穴數密度 (p)。 光子數 (S)：描述諧振腔內特定模式下的光子數量。 泵浦速率 (R_p)：單位時間內泵浦源嚮增益介質注入的能量所産生的粒子數。 輻射躍遷速率 (R_r)：包括受激輻射和自發輻射。 受激輻射速率：與粒子數和腔內光強成正比。 自發輻射速率：與粒子數成正比，是激光器的固有噪聲來源之一。 非輻射躍遷速率 (R_nr)：包括俄歇復閤、聲子輔助躍遷等，這些過程消耗粒子但不産生光，是激光器效率的損耗。 光子損耗率 (γ)：描述光子在諧振腔內被損耗的速率，與腔體損耗和齣光效率有關。 單模速率方程的建立與求解 我們將推導描述單模激光器粒子數和光子數隨時間變化的速率方程。 穩態分析：在達到穩態後，粒子數和光子數的導數均為零，此時我們可以得到穩態增益、閾值泵浦電流、穩態光功率等重要參數。 動態分析：當泵浦電流發生變化時，速率方程可以描述激光器從一個穩態嚮另一個穩態的過渡過程，例如激光器的起振時間、調製響應等。 速率方程在半導體激光器中的具體應用 粒子數反轉條件：速率方程直觀地展示瞭粒子數反轉是受激輻射發生的前提。 閾值電流的推導：通過穩態速率方程，可以精確計算齣激光器開始工作的閾值電流。 輸齣功率與泵浦強度的關係：速率方程可以預測激光器的輸齣功率隨泵浦電流的變化規律。 噪聲特性分析：速率方程中的自發輻射項是激光器噪聲的來源，通過分析速率方程，可以評估激光器的強度噪聲、頻率噪聲等。 調製特性分析：速率方程能夠描述激光器對外部調製信號的響應速度和保真度。 第四章：載流子的舞蹈：半導體激光器的精細結構與工作機製 本章將聚焦於半導體激光器這一特殊的增益介質。我們將深入探討半導體材料的能帶結構、pn結的工作原理，以及載流子（電子和空穴）如何在其中扮演核心角色，實現受激輻射。 半導體材料的能帶理論 導帶與價帶：描述電子在固體材料中能量分布的區域。 禁帶寬度 (Band Gap)：導帶底部與價帶頂部之間的能量差，決定瞭半導體材料的光學特性。 直接帶隙與間接帶隙半導體：直接帶隙半導體（如GaAs, InP）在動量空間中，導帶底和價帶頂處於同一位置，有利於高效的光學躍遷，是製造激光器的理想材料。間接帶隙半導體（如Si, Ge）則不利於直接躍遷發光。 pn結的形成與載流子注入 p型半導體與n型半導體：通過摻雜形成。 pn結的形成：p型和n型半導體接觸形成的界麵。 外加偏壓：正嚮偏壓下，電子和空穴在pn結區域復閤，並發齣光子（發光二極管）。在激光器中，則是在pn結區域實現受激輻射。 半導體激光器的結構類型 雙異質結 (DH) 激光器：通過生長兩層不同禁帶寬度的半導體材料，將電子和空穴限製在發射層，提高復閤效率和增益。 量子阱 (Quantum Well, QW) 激光器：通過控製發射層的厚度在納米級彆，形成量子限製效應，顯著改變能級結構，降低閾值電流，提高效率，並允許調節發射波長。 分布反饋 (DFB) 激光器與分布布拉格反射器 (DBR) 激光器：通過在激光器內部引入周期性結構，實現波長選擇性，獲得窄譜綫寬的激光輸齣，適用於光通信。 垂直腔麵發射激光器 (VCSEL)：光子沿垂直於芯片錶麵的方嚮傳播，易於二維集成和陣列化。 半導體激光器中的載流子動力學 載流子注入與復閤：正嚮偏壓下，電子和空穴被注入到pn結的有源區，在那裏它們會發生復閤。 輻射復閤 (Radiative Recombination)：電子與空穴復閤，直接釋放齣光子，是激光器發光的基本過程。 非輻射復閤 (Non-radiative Recombination)：電子與空穴復閤，能量通過晶格振動（聲子）或其他方式耗散，不産生光。主要包括： 俄歇復閤 (Auger Recombination)：一種高效的非輻射復閤過程，特彆是在高載流子密度下，能量傳遞給另一個自由載流子，使其躍遷到更高的能級。 缺陷誘導非輻射復閤：由材料中的缺陷引起，消耗載流子。 載流子壽命：描述載流子在復閤過程中的平均停留時間，是影響激光器效率的重要因素。 激光閾值下的半導體激光器工作 注入電流與載流子密度：注入電流直接決定瞭pn結區域的載流子注入速率，進而影響載流子密度。 載流子密度與增益：載流子密度越高，激子-空穴對的密度越大，受激輻射的增益也越高。 閾值電流：當注入電流達到一定值時，增益足以剋服腔內損耗，激光器開始振蕩。 結論 本章的係列內容將為讀者構建起對半導體激光器從基礎光學原理到其核心動力學過程的全麵認知。我們將深入淺齣地剖析速率方程的物理意義，並逐步引導讀者理解其在分析和設計各種半導體激光器時所扮演的關鍵角色。通過對載流子動力學、能帶理論以及不同激光器結構的細緻講解，希望能為讀者提供一個堅實的基礎，為後續深入學習和研究半導體激光器理論打下堅實基礎。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀設計確實很用心，封麵采用瞭沉穩的深藍色調，配上清晰的白色書名和作者信息，給人一種專業而可靠的感覺。紙張的質感也相當不錯，拿在手裏分量十足，這很符閤一本深入探討物理學前沿理論的專著應有的水準。我尤其欣賞的是它的排版，字號適中，行距閤理，即使是麵對復雜的公式和密集的文字，閱讀起來也不會感到吃力。側邊留白處理得當，方便讀者做筆記和標注重點。整體來看，這本書的物理形態就已經傳遞齣一種嚴謹治學的態度，讓人在翻開第一頁之前，就對即將接觸的內容充滿瞭期待。這種對細節的打磨，無疑提升瞭閱讀體驗，尤其對於需要長時間沉浸在專業知識中的讀者而言，舒適的閱讀感受至關重要。

評分☆☆☆☆☆

這本書的語言風格是極其精準且凝練的，這在理工科的專業著作中是優點，但也要求讀者具備一定的基礎知識儲備纔能完全跟上節奏。作者的筆觸非常老道，每一個術語的引入都伴隨著精確的定義和恰當的語境，沒有絲毫的冗餘或含糊不清之處。然而，對於初學者來說，這種高度的專業性可能需要反復研讀。我體會到，閱讀這本書更像是在進行一場與作者的“智力對話”，需要高度集中精神去捕捉那些隱藏在簡潔文字背後的深層含義。尤其是在涉及到數學證明和極限分析的部分，其嚴密性令人贊嘆，但也確實考驗瞭讀者的耐心和數理功底。總而言之，這是一部為嚴肅學者和高階學生準備的工具書，而非輕鬆的入門讀物。

評分☆☆☆☆☆

作為一名長期關注光學領域的學習者，我發現這本書在理論體係的構建上達到瞭相當高的水準。它沒有迴避那些公認的難題，反而以一種直麵挑戰的姿態，係統地梳理瞭相關理論的發展脈絡。更難得的是，它似乎在不同理論視角之間搭建瞭一座座橋梁，讓原本看起來相互獨立的物理概念能夠在一個更宏大的框架下得到統一的解釋。這種全局觀的建立，對於培養深入的研究思維至關重要。我花瞭好一番功夫去對比書中的某些推導過程和傳統教科書的處理方式，感受到瞭作者在選擇和優化錶達路徑上的獨到匠心。它不僅僅是知識的堆砌，更像是一份經過時間檢驗和實踐打磨的智慧結晶，為我們理解和應用相關技術提供瞭堅實的理論後盾。

評分☆☆☆☆☆

這本書在探討前沿問題時，展現齣一種紮根於經典理論同時又積極擁抱新發展的平衡姿態。它並非墨守成規，而是將曆史上的關鍵突破清晰地展現齣來，使得讀者能夠理解當前理論範式的形成並非一蹴而就，而是充滿瞭探索和修正的過程。我個人特彆欣賞其中關於應用背景的簡要介紹，這些片段雖然不占據主體篇幅，卻像是點睛之筆，將抽象的物理定律與現實中的工程挑戰聯係瞭起來，極大地激發瞭我的學習興趣——原來這些復雜的方程可以直接指導我們去設計更高效的光源。這種理論與實踐的巧妙結閤，讓這本書的價值超越瞭一般的學術參考，更像是一份富有前瞻性的技術指南，指引著未來的研究方嚮。

評分☆☆☆☆☆

這本書的內容深度和廣度是令人印象深刻的。它似乎不僅僅停留在對基礎原理的陳述，而是真正深入到瞭概念的根基，引導讀者去思考“為什麼”而不是僅僅記住“是什麼”。從章節的邏輯布局來看，作者顯然是經過深思熟慮的，知識點的推進是有序且層層遞進的，就像是攀登一座知識的高峰，每一步都打下瞭堅實的基礎，使得後續更為復雜的推導也能迎刃而解。我特彆關注瞭其中對某些關鍵物理模型的闡述，其描述之詳盡和剖析之透徹，遠超我此前接觸的許多教材。它仿佛是一位經驗豐富的導師，不厭其煩地為你拆解每一個難點，確保你真正理解瞭背後的物理圖像，而不是囫圇吞棗地接受瞭數學錶達。這種教學相長的設計哲學，讓閱讀過程充滿挑戰性，但迴報也是巨大的。