{RT}半导体激光器能带结构和光增益的量子理论:下册-郭长志 科学出版社 97870304 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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郭长志 著

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• 半导体激光器
• 能带结构
• 光增益
• 量子理论
• 郭长志
• 科学出版社
• 物理学
• 光学
• 材料科学
• 半导体物理

店铺： 华裕京通图书专营店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030473806

商品编码：29733069640

包装：圆脊精装

出版时间：2016-05-01

图书基本信息
图书名称	半导体激光器能带结构和光增益的量子理论:下册	作者	郭长志
定价	168.00元	出版社	科学出版社
ISBN	9787030473806	出版日期	2016-05-01
字数		页码
版次	1	装帧	圆脊精装

内容简介

本书讨论了达到设计所需精度的量子阱、量子线、和量子点的电子能带和能级的量子理论和设计计算,带间和子带间光跃迁几率和光增益的半径典量子理论和设计,应变效应及其对各维能带结构的影响、温度效应T0问题的物理机制，特别是俄歇复合的量子理论及其克服方案和设计,量子阱间耦合、载流子落入和逃逸时间的理论和设计。子带间量子级联激光器的理论和设计，其真正优点和局限性。扼要介绍全量子理论的量子光学和自发发射等理论问题

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目录

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文摘

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序言

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量子世界的光之翼：探索半导体材料的奥秘 在微观世界的深邃领域，电子与光子的交织谱写着一曲生命的赞歌，而在这壮丽的交响乐中，半导体材料以其独特的量子特性，成为了现代科技发展中不可或缺的璀璨明星。从通信网络的飞速发展到信息处理的极致追求，再到新能源领域的革新，这一切都离不开对半导体材料内在量子机制的深入理解与巧妙运用。 本书将带领您踏上一段激动人心的求索之旅，深入剖析半导体材料的核心——能带结构，并在此基础上，揭示材料如何将电能转化为耀眼的光芒，即光增益的量子理论。我们将聚焦于材料科学与量子物理的交汇点，以前沿的理论视角，为您展现半导体激光器之所以能够高效运作的根本原理。 第一章：量子世界的基石——电子的能级与晶体的秩序 在宏观世界中，物体可以自由地占据任何能量状态。然而，当我们将目光投向原子尺度，物质的行为就遵循着一套截然不同的、由量子力学支配的法则。原子内部的电子，并非在轨道上随意游荡，而是被束缚在特定的、离散的能量“轨道”上。这些能量轨道构成了原子的能级结构，是理解一切物质性质的起点。 当成千上万个原子紧密地排列在一起，形成晶体时，这些独立的原子能级会发生奇妙的“融合”。在晶体内部，电子不再属于单个原子，而是可以在整个晶格中自由运动。这种集体行为导致了原子能级在能量上发生展宽，形成一系列连续的、被称为“能带”的区域。这些能带之间，可能存在能量上的“禁带”，电子无法在此区域停留。 能带结构是半导体材料的灵魂。它决定了材料是导电（金属）、绝缘（绝缘体）还是介于两者之间（半导体）。在半导体中，存在一条区分最高满带（价带）和最低空带（导带）的禁带，其宽度恰到好处，使得材料可以通过外界能量（如电场或光照）中的电子跃迁，从而实现导电性。 本书将首先从量子力学的基本原理出发，介绍电子在周期性势场中的行为。我们将运用薛定谔方程，分析自由电子在周期性势场中的波函数演化，进而推导出布洛赫定理（Bloch's Theorem），这是理解晶体中电子行为的关键。随后，我们将深入探讨不同晶体结构（如立方结构、六方结构）对能带形状和特征的影响。您将了解到，即使是细微的晶格排列差异，也会对电子的运动行为产生深远的影响，进而塑造材料的光电特性。 我们将详细解析电子在布里渊区（Brillouin Zone）中的能量-动量关系，也就是E-k图。这个抽象的二维图像，却蕴含着材料电子结构的全部信息。通过对E-k图的解读，我们可以识别出半导体的直接带隙（Direct Band Gap）和间接带隙（Indirect Band Gap）的特点。这对于理解其光发射效率至关重要。例如，GaAs等直接带隙半导体，其导带底和价带顶在动量空间重合，电子跃迁时能量和动量转移的匹配度高，有利于高效的光子发射。而Si等间接带隙半导体，其导带底和价带顶在动量空间不重合，电子跃迁时需要借助声子（晶格振动）来完成动量守恒，这大大降低了光发射效率，因此Si并不适合作为直接的光源，更多应用于探测等领域。 此外，我们还将探讨一些重要的概念，如费米能级（Fermi Level）及其在不同掺杂程度下的变化，这对于理解半导体的导电机制（n型和p型）至关重要。通过掺杂，我们可以人为地改变半导体中的载流子浓度，从而精确调控其电学性质。 第二章：光与物质的对话——光生载流子与吸收过程 当光子照射到半导体材料表面时，它会与材料中的电子发生相互作用。如果光子的能量大于或等于半导体的带隙宽度（E_g），那么这个光子就可能被电子吸收，将电子从价带激发到导带，从而产生一对自由的电子-空穴对。这个过程被称为光吸收（Optical Absorption），是光电转换过程的第一步，也是许多光电器件（如光探测器、太阳能电池）工作的基础。 本书将深入探讨光吸收的微观机制。我们将分析吸收光谱的形状与材料能带结构的关联。不同能量的光子，会激发不同动量状态的电子发生跃迁。通过测量材料在不同波长下的吸收系数，我们可以反推出材料的能带结构信息，特别是带隙宽度。 我们还将介绍一些关键的光学参数，如吸收系数（Absorption Coefficient）、折射率（Refractive Index）和反射系数（Reflection Coefficient）。这些参数不仅决定了光在材料中的传播和衰减情况，也影响着器件的光学效率。我们将从量子力学的角度，分析这些参数的微观根源，以及它们如何受到材料的电子结构、晶格缺陷、掺杂浓度以及温度等因素的影响。 值得一提的是，光吸收过程中，电子从价带跃迁到导带，留下了带隙中的一个“空位”，这个空位被称为空穴（Hole）。空穴在某种意义上可以被看作是带负电的电子的“反粒子”，它同样可以自由移动，并携带正电荷。电子和空穴的产生，使得半导体材料获得了导电能力，这是实现许多光电器件功能的前提。 第三章：点亮黑暗的希望——载流子注入与受激辐射 半导体激光器最核心的原理在于其能够产生并放大光。这离不开一个关键的过程：受激辐射（Stimulated Emission）。要实现受激辐射，首先需要为材料提供大量的自由电子和空穴，使它们能够聚集在能量较高的能级上。这个过程通常通过电注入（Electrical Injection）来实现，也就是在半导体材料中施加反向偏压，迫使电子和空穴分别注入到不同的区域（例如p-n结中的n区和p区），并在结区附近复合。 当半导体材料中存在足够高的自由电子和空穴浓度时，一个具有特定能量的光子（能量等于或略大于带隙宽度）就可以与一个处于高能级的电子发生相互作用。如果该电子恰好处于一个被占据的能量状态，并且存在一个能量相等的空穴在较低能量状态等待被填充，那么这个光子就可以“诱导”该电子跃迁到空穴所在的位置，同时释放出一个与入射光子完全相同（频率、方向、相位和偏振）的光子。这就是受激辐射。 本书将深入探讨半导体中载流子的分布和行为。我们将介绍少数载流子（Minority Carrier）和多数载流子（Majority Carrier）的概念，以及它们在掺杂材料中的动态平衡。在进行电注入时，我们将关注电子和空穴如何在p-n结区域被“泵浦”（Pumped）到高能量状态。 我们将详细解析增益介质（Gain Medium）的概念。在半导体激光器中，通常采用的是p-n结或多量子阱（Quantum Well）结构，这些结构能够有效地限制电子和空穴的复合区域，并形成足够高的载流子密度，从而产生光学增益。 第四章：光之共鸣——光学谐振腔与激光输出 受激辐射产生的相干光子，需要一个“放大器”来不断增强，并最终形成激光束。这个放大器就是光学谐振腔（Optical Resonator）。在半导体激光器中，光学谐振腔通常由材料本身的晶面或者在其表面镀上的反射膜构成。 当受激辐射产生的光子在谐振腔内来回反射时，它们会与介质中的其他电子发生更多的受激辐射，从而产生更多的相干光子，形成光信号的指数级增长。只有那些能够与谐振腔的模式（Mode）相匹配的光子，才会被有效地放大。 本书将详细介绍光学谐振腔的形成机制，包括其几何结构、反射率以及谐振频率。我们将分析不同类型的谐振腔，例如法布里-珀罗（Fabry-Perot）谐振腔，这是最常见的半导体激光器谐振腔结构。我们将探讨腔长、反射镜反射率如何影响腔的品质因子（Quality Factor, Q值），进而影响激光器的阈值电流和输出功率。 当注入的载流子浓度达到一定程度，使得受激辐射的速率大于光在腔内的损耗速率时，激光就会被激发。这个临界点被称为激光阈值（Lasing Threshold）。本书将详细分析阈值电流的计算，以及影响阈值电流的因素，如材料质量、腔损耗、载流子寿命等。 此外，我们还将探讨激光的输出特性，包括其光谱线宽、方向性、相干性以及功率。这些特性都与材料的量子特性和光学谐振腔的设计紧密相关。 第五章：前沿探索——多量子阱与新型材料 为了进一步提高半导体激光器的性能，例如降低阈值电流、提高输出效率、拓展工作波长等，科研人员不断探索新的材料体系和结构设计。其中，多量子阱（Multi-Quantum Well, MQW）结构是近年来半导体激光器领域最成功的创新之一。 在多量子阱结构中，交替生长着两种不同带隙的半导体材料，形成一系列非常薄的“阱”（Well）层和“势垒”（Barrier）层。在阱层中，电子和空穴受到量子限制，其能量不再是连续的，而是被分割成离散的子带。这种量子限制效应能够显著改变材料的光学增益特性，例如，将电子和空穴的能量-动量关系进行重叠，从而降低激光阈值，提高光子产生效率。 本书将深入剖析多量子阱结构中的量子限制斯塔克效应（Quantum-Confined Stark Effect, QCSE），以及它如何影响材料的吸收和发射光谱。我们还将介绍一些用于构建多量子阱的典型材料体系，例如GaAs/AlGaAs、InGaAs/InP等，并分析不同材料体系的优缺点以及其在不同应用领域中的潜力。 此外，我们还将简要介绍一些当前半导体激光器领域的前沿研究方向，例如量子点（Quantum Dot）激光器，量子级联（Quantum Cascade）激光器，以及利用新型半导体材料（如III-V族化合物半导体、II-VI族化合物半导体、甚至二维材料）实现的激光器。这些前沿技术正不断推动半导体激光器向着更高性能、更宽波段、更低功耗的方向发展，为未来的通信、传感、医疗等领域带来无限可能。 通过本书的学习，您将不仅掌握半导体激光器背后深刻的量子理论，更能理解这些理论如何在实际器件中得到应用，并对未来半导体光电子学的发展趋势有一个更清晰的认识。让我们一起，在量子世界的奇妙旅程中，探寻光之奥秘。

评分☆☆☆☆☆

坦白讲，我对《超导材料的微观机理与宏观现象》这本书的期望值本来挺高的，但读完之后，心情却有些复杂。首先，这本书的理论深度毋庸置疑，对BCS理论的阐述细致入微，从配对机制到能隙的形成，每一个环节的逻辑链条都非常坚实，看得出作者在基础理论上的深厚功力。然而，书中对实验现象的介绍略显保守和滞后，比如对高温超导体的第二类超导特性分析，虽然也提及了Ginzburg-Landau理论，但总感觉缺乏一些近十年来的实验进展的补充，使得内容在时效性上稍显不足。我个人更希望看到更多关于新型二维超导材料，例如石墨烯或过渡金属硫化物中超导性的研究进展，那些实验结果往往能对现有理论提出更尖锐的挑战。此外，排版上的一些小问题，比如公式中的上下标有时显得拥挤，影响了阅读的流畅度，对于需要频繁查阅公式的读者来说，是个小小的困扰。总体而言，它更像是一本扎实的基础理论参考书，而非一本面向未来探索的创新指南。

评分☆☆☆☆☆

翻开《复杂系统中的非线性动力学：混沌与分岔分析》，我立刻被那种扑面而来的数学美感所吸引。作者的叙事风格非常独特，他似乎有一种魔力，能将那些看似毫无章法的随机波动，用优雅的数学工具梳理得井井有条。书中对洛伦兹吸引子、Rössler吸引子的详细几何解析，简直是一场视觉盛宴，那些相图的绘制和描述，让我仿佛置身于一个由微分方程构筑的奇特空间。特别值得称赞的是，作者在讲解分岔理论时，引入了大量的物理和生物学实例，例如种群增长模型中的周期性振荡，极大地降低了理解门槛。这种理论联系实际的做法，使得原本抽象的数学概念变得生动起来，不再是冰冷的公式堆砌。读完整本书，我最大的感受是，混沌并非无序，而是隐藏在复杂表象下的、遵循特定规律的美丽秩序。对于从事气候建模、流体力学或者经济学分析的研究者来说，这本书提供的分析工具箱是极其宝贵的财富。

评分☆☆☆☆☆

《真空能与零点能量的量子场论诠释》这本书给我的震撼是难以言喻的。它大胆地触及了理论物理中最核心、也最令人困惑的问题之一。作者的论证过程充满了哲学思辨的光芒，不仅仅停留在计算卡西米尔效应的数值上，而是深入探讨了量子场论中无穷大的处理哲学——重整化理论的物理意义。书中对真空涨落的描述，仿佛揭示了我们习以为常的“空无一物”的空间背后，隐藏着一个沸腾的能量海洋。我尤其欣赏作者对宇宙学常数问题的探讨，他梳理了从早期量子引力尝试到弦理论中景观概念的演变，清晰地展示了物理学家在面对理论预测与实验观测巨大差异时所经历的思想挣扎。阅读此书，需要极大的专注力和对高等数学的良好基础，因为它穿越了许多现代物理学的边界，但对于那些渴望直面宇宙终极奥秘的求知者而言，这本书无疑是一次精神上的洗礼和思想的极限挑战。

评分☆☆☆☆☆

我对《高能物理实验数据处理与统计推断》的评价是“极其实用，但略显枯燥”。这本书的价值体现在其对实际操作流程的精细指导上，完全可以作为大型对撞机数据分析的标准操作手册来使用。从事件筛选、本底扣除，到系统误差的量化评估，每一步骤都有明确的统计学依据支撑。作者对蒙特卡洛模拟（MC Simulation）的讲解尤其到位，详细阐述了如何设计有效的权重函数和如何进行收敛性检查，这对于任何想亲自处理物理实验数据的研究生来说都是一座金矿。然而，这本书的叙事风格非常“工程化”，几乎没有进行任何的理论背景回顾，直接切入方法论，这使得初次接触统计推断的读者可能会感到吃力，需要辅以其他概率论书籍进行对照学习。此外，书中对贝叶斯方法的讨论相对简略，更多地偏向于传统的频率学派统计，这在当前的粒子物理领域中略显不足，期待未来版本能增加更多关于马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）算法的应用实例。

评分☆☆☆☆☆

这本《量子隧穿效应在纳米结构中的应用探索》简直是为我这种对前沿物理着迷的读者量身打造的！作者在开篇就深入浅出地阐述了量子力学在极小尺度下如何颠覆我们对经典物理的认知，特别是对势垒穿透概率的计算，那种严谨的数学推导让人忍不住想拿起笔跟着演算一遍。书中对于不同势场中波函数如何演变的讨论，尤其是在非均匀势场下的薛定谔方程求解，简直是教科书级别的典范。我印象最深的是关于量子点中电子离散能级的形成机制，作者没有停留在理论表述，而是通过精妙的类比，将抽象的数学概念转化为清晰的物理图像。整本书的行文节奏把握得非常好，既有宏观概念的铺陈，又不乏微观细节的打磨，读起来酣畅淋漓，让人感觉每翻过一页，对这个看似神秘的领域就多了一份掌控感。尤其是最后关于自旋电子学中隧穿磁阻效应的章节，对未来信息存储技术的启发性太大了，强烈推荐给所有对凝聚态物理和纳米技术感兴趣的同仁们。