具体描述
基本信息
书名：光泵浦外腔面发射激光器——理论、实验及应用
定价：79.0元
作者：张鹏
出版社：科学出版社
出版日期：2015-06-01
ISBN：9787030442888
字数：569000
页码：
版次：1
装帧：平装
开本：16开
商品重量：0.4kg
编辑推荐
《光泵浦外腔面发射激光器:理论、实验及应用》可供从事激光器件研究和应用开发的科技人员，以及光学工程相关专业研究生参考。
内容提要
光泵浦外腔面发射激光器（VECSEL）是近年来兴起的一种新型激光器件，它综合了边发射型半导体激光器、垂直腔面发射半导体激光器及光泵浦固体薄片激光器的优点，能同时获得高输出功率、高光束质量以及从可见光到红外波段可设计的波长。《光泵浦外腔面发射激光器:理论、实验及应用》主要介绍增益理论、量子设计、热管理等与VECSEL相关的基本理论，高功率、倍频、锁模、可调谐等VECSEL实验研究的研究方法、研究趋势和研究前沿，以及VECSEL在激光显示、激光光谱学、自由空间通信、军事科学、生命科学等领域的主要应用。
目录
作者介绍
文摘
'章简介
1.1半导体激光器
1.1.1激光的问世
激光（light amplification by stimulated emission of radiation，laser）与原子能、计算机、半导体并称为20世纪四大发明，其理论基础需要追溯到1900年普朗克（M.Planck）提出的量子假说。1905年，爱因斯坦（A.Einstein）在普朗克量子假说的基础上提出光子说，很好地解释了光电效应现象。1917年，爱因斯坦进一步提出光与物质相互作用理论，建立了受激辐射等基本概念，预测到光可以产生受激辐射放大。
1924年，托尔曼（R.C.Tolman）指出，产生粒子数反转的介质具有光学增益，这也是产生激光的基本条件之一。1953年，普罗科洛夫（A.M.Prokhorov）和汤斯（C.H.Townes）在微波段实现了受激辐射放大，分别独立报道了个微波受激辐射放大器（microwave amplification by stimulated emission of radiationmaser，MASER）。
把受激辐射放大从微波段推进到光频段的工作并不容易，因为要在光频段制作出与微波段类似的波长可比拟的封闭式谐振腔在当时几乎是不可能的。1958年，汤斯和肖洛（A.L.Schawlow）抛弃了尺度必须和波长可比拟的封闭式谐振腔的旧思路，提出利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔实现光频段受激辐射放大的想法。这期间，布隆伯根（N.Bloembergen）提出利用光泵浦三能级原子系统原子数反转分布来实现受激辐射光放大的构思。
1960年5月15日，美国休斯公司实验室的梅曼（T.H.Maiman）利用红宝石棒观察到激光。梅曼在7月7日正式演示了世界台红宝石固态激光器：利用一个高强度闪光灯管来激发红宝石棒，在端面镀上反光镜的红宝石的其中一个端面钻一个孔，使激光可以从这个孔输出。当年8月16日，他在Nature 发表了一个简短的快报，后来被汤斯评论为：梅曼的论文是如此之短而又产生了如此众多的巨大影响，以致我相信它是上个世纪Nature 发表的任何精彩论文中单个文字重要的论文。
激光被称为快的刀、准的尺、亮的光，它是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，一经问世，就获得了异乎寻常的飞速发展。激光的发展使古老的光学科学和光学技术获得了新生，使人们能有效地利用的先进方法和手段，获得空前的效益和成果，从而极大地促进了生产力的发展，也在程度上改变了人们的生产及生活方式。
1.1.2半导体激光器简介
半导体物理学的迅速发展及晶体管的发明，使科学家们早在20世纪50年代就设想发明半导体激光器。莫斯科列别捷夫物理研究所的巴索夫（N.G.Basov）提出建立不平衡量子系统的三能级方法，这种方法可放大受激辐射，并立即被应用于无线电微波段的量子振荡器和放大器上。1958年，巴索夫首先提出利用半导体制造激光器的可能性，后来实现了通过PN结、电子束和光泵激发的各种类型的半导体激光器。
在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（Kyes）和奎斯特（Qwest）报告了GaAs材料的发光现象，这引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）的极大兴趣。哈尔立即制定了研制半导体激光器的计划，数周后获得成功。
1962年9月，世界上的台半导体激光器几乎同时由通用电气公司、国际商用机器公司和麻省理工学院林肯实验室三个有威望的研究机构发明问世，三家机构各自在一个月内都报道了GaAs的904nm相干输出。
20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器，它是在一种材料上制作的PN结，只能在77K低温下以脉冲形式工作。1969年，单异质结激光器研制成功，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层所组成，其阈值电流密度数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。
1970年，贝尔实验室等机构相继研制出室温连续工作的双异质结激光器（DHL），其结构特点是在P型和N型材料之间生长了具有较窄能隙材料的一个薄层，因此注入的载流子被限制在该区域内，注入较少的电流就可以实现载流子数的反转。双异质结激光器的诞生使半导体激光器的可用波段不断拓宽，线宽和调谐性能逐步提高。而足够可靠的半导体激光器直到70年代中期才出现。
异质结激光器的发展，启发了人们将超薄的半导体层作为激光器的激活层，以便产生量子效应。在MBE、MOCVD等半导体外延生长技术的推动下，1978年出现了世界上只半导体量子阱激光器（QWL），它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能。量子阱半导体激光器与双异质结激光器相比，具有阈值电流低、输出功率高、频率响应好、光谱线宽窄、温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点。
从20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器，另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。分布反馈（DFB）式半导体激光器就是伴随光纤通信和集成光学回路的发展而出现的，它于1991年研制成功，完全实现了单纵模运行，在相干技术领域中又开辟了巨大的应用前景。在泵浦固体激光器等应用的推动下，高功率半导体激光器在20世纪90年代也取得了突破性进展，千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化。
典型的条形半导体激光器（也称二极管激光器或激光二极管，laser diode，LD）结构如图1.1所示［1］，自上而下，分别为P型接触、P掺杂的覆层、P掺杂的波导层、有源区、N掺杂的波导层、N掺杂的覆层以及N型接触。由于有源区的厚度只有数微米，而出光孔径的宽度在数十微米，所以半导体激光器的输出光束呈椭圆形，其纵横比差别很大。纵向（也称快轴方向）光束发散角大，但光束质量较好，容易准直，而横向（慢轴方向）光束发散角小，但光束质量较差，一般是多模，不容易准直。因此，在一些对光束质量有特殊要求的应用中，半导体激光器的输出光束需要经过专门的整形之后才能达到使用要求。
图1.2是半导体激光器的光学谐振腔的示意图。从已完成外延生长的半导体晶圆片上划分出来的芯片，在与生长平面垂直方向上的两个解理面，能对激光提供约30%的反射率，形成激光谐振腔。但这种自然形成的谐振腔损耗太大，而且实际应用中一般也只希望激光器的一端出光，所以往往在其中的一个端面进行高反镀膜处理，构成如图1.2所示的谐振腔［1］。
图1.1条形半导体二极管激光器示意图
图1.2激光二极管的光学谐振腔示意图
1.1.2.1半导体激光器的特点
与固体激光器、气体激光器等其他种类的激光器相比，半导体激光器（主要指电激励方式半导体激光器）由于其本身介质的特殊性，使得它具备以下一些特点［2］：
（1）体积小，重量轻。电激励型半导体激光器器件本身的大小都在1mm3以下，即使加上散热片和电源装置，一个封装完整的成品半导体激光器仍然是一个非常小的小型系统。
（2）可以电流注入激励。单个的半导体激光器只需要几伏的低电压，毫安级注入电流（典型值2V，15mA）便可达到激光器阈值，发射出激光。除电源装置以外，激光器不需要其他任何附加的激励设备和部件。因为是电功率直接变换成输出光功率，所以能量转换效率高，目前商用半导体激光器的电.光转换效率达60%以上，实验室可达70%，理论上的高效率可达85%。
（3）室温下可连续振荡。在室温附近的温度范围内，大多数半导体激光器都能够实现连续振荡，给实际应用带来极大的方便。
（4）波长范围广。适当地选择半导体材料及合金半导体内各材料的组分，利用成熟的半导体能带工程，半导体激光器可输出从可见光到红外波长范围内的任意波长。
（5）增益带宽宽。即使是一种固定材料的半导体激光器，能够得到光放大增益的波长范围也是比较宽的。因此在这个范围内可以任意选择发射波长，从而实现波长可调谐输出激光器，也能够实现宽带光放大器。
（6）可直接调制。因为可以电流注入激励，所以可以把信号叠加在半导体激光器的激励电流上，在直流到吉赫兹（GHz）波段的宽频范围内，对激光器的振荡强度、振荡频率或相位进行调制。
（7）相干性好。用单横模的半导体激光器可以得到空间上相干性很高的输出激光。在DFB，DBR半导体激光器中能产生亚兆赫兹（MHz）窄谱线宽度的激光输出，得到稳定的单纵模激光，其时间上的相干性也很高。
（8）能够产生超短激光脉冲。采用增益开关或锁模的方法，以简单的系统结构就能从半导体激光器中获得从纳秒（ns）到皮秒（ps）量级的超短激光脉冲。
（9）可靠性高。半导体激光器是单片形状，具有牢固的机械结构。另外，半导体激光器没有磨损等因素，所以不需要维修，故寿命长，可靠性高。
（10）可批量生产。由于是小型、层状结构，半导体激光器可以用光刻和平面工艺技术制作，适宜于大批量生产。
（11）可单片集成化。由于是小型层状结构，半导体激光器体积小、重量轻、可电流注入激励、可靠性高，所以能够把同种半导体激光器集成在同一衬底上，实现半导体激光器本身的集成。另外，半导体激光器的制造工艺与半导体电子器件和集成电路的生产工艺兼容，所以在同一衬底上，用相同的半导体材料又可以制成光探测器、光调制器和电子电路元件，实现半导体激光器与其他光子及电子器件的集成，得到单片集成的高性能器件。
必须注意到，半导体激光器同时也存在自身的缺点和问题。
（1）温度特性差。由于半导体材料的各种性质与温度密切相关，所以半导体激光器的工作特性与温度有显著关系，环境温度的变化会导致激光器输出频率、阈值电流以及输出功率等随之发生改变。
（2）容易产生噪声。半导体激光器是利用高浓度的载流子工作，所以载流子的起伏会影响有源区的折射率。另外，半导体激光器的谐振腔长度短，还采用了低反射率的端面作为反射镜，所以激光振荡容易受到外部返回光的影响。因此，半导体激光也容易产生噪声和不稳定性。
（3）输出光束发散。由于半导体激光器的激光输出端面尺度小且纵横比差别很大，激光输出时形成椭圆形的发散光束，光束质量较差。一些情况下，需要对光束进行整形才符合使用要求。
1.1.2.2半导体激光器的应用
半导体激光器是成熟较早、发展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，生产量大，应用范围广。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术，在激光通信、激光测距、激光雷达、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用。
信息光电子方面的应用：半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展。1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，到如今，它是当前光通信领域中发展快、为重要的激光光纤通信的重要光源。由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存储、光计算机外部设备的光耦合等方面有重要用途。一般长波长半导体激光器用于光通信，短波长半导体激光器则用于光盘读出，而可见光半导体激光器在用作彩色显示器光源、光存储的读出和写入、激光打印、激光印刷、高密度光盘存储系统、条码读出器等方面有着广泛的用途。半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展。可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信。
工业生产方面的应用：大功率半导体激光器在精密机械零件等激光加工方面有重要应用。现在，大功率半导体激光器的投资费用及运营成本已经比Nd：YAG激光器低很多，与CO2激光器相当，甚至更低，所以，大功率半导体激光器逐渐跻身工业应用中的切割和高速深度焊接领域，在汽车车身制造和电子元件的密封封装方面有越来越多的应用。其次，高功率半导体激光器在工件的表面淬火硬化、表面沉积耐磨层或耐磨层的修复、对静电敏感及温度敏感元件的软焊接以及聚合物的焊接等方面也存在很好的应用前景。
科学研究方面的应用：半导体激光器是固体激光器理想的高效率泵浦光源'
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序言
用户评价
总的来说，这本书给我的感觉是：它不是一本供人快速浏览的科普读物，而是一部需要坐下来、沉下心来反复研磨的工具书和理论基石。它试图建立的，是一个面向工程实现和前沿探索的知识体系。它可能不是最容易读懂的，但它无疑是最有深度的。我特别看重它对特定物理现象背后数学描述的坚持和推导的完整性，这保证了读者在遇到实际问题时，可以回溯到最基本的原理层面去寻找答案，而不是仅仅停留在现象的描述上。一本好的技术著作，其价值在于它能有效缩短研究者从理论到实践的转化周期，并激发他们向更高难度挑战的信心。如果这本书能成功地做到这一点，那么它就不仅仅是一本科学出版社的出版物，更是一个领域内宝贵的智力财富。我确信，未来数年内，这本书都会被我所在的团队频繁地征用和引用。
评分初翻这本书，最直观的感受就是其内容的系统性和严谨性。作者显然花费了大量心血来构建一个逻辑清晰的叙事结构，从光场分布的解析解到数值模拟方法的介绍，每一个章节间的过渡都显得自然流畅，这对于理解像外腔耦合这种涉及复杂模式竞争和腔场动态的现象至关重要。我个人对实验技术部分的描述特别感兴趣，毕竟理论推导再完美，也需要通过精密的实验去验证和优化。我希望看到关于高精度光学元件的选择、温度控制的精细化管理以及噪声抑制策略的详尽介绍。特别是外腔结构的不同实现方式——比如是否采用自由空间耦合还是集成波导耦合——它们对最终输出光束质量和稳定性的影响差异，如果能通过对比实验给出量化的数据支撑，那将极具参考价值。这本书不仅仅是知识的搬运工，更像是一位经验丰富的高级工程师在分享他多年摸索的“独家秘籍”，它应该能帮助我们避开许多在实际搭建实验平台时可能遇到的“坑”。这种将理论与实践紧密结合的编排方式，是理工科专业书籍的灵魂所在。
评分阅读专业领域的书籍，往往最怕的是晦涩难懂的术语堆砌和陈旧的案例重复。然而，这本书在“应用”一章的处理上，似乎展现出了更强的时代感和前瞻性。我注意到“光泵浦”这个关键词，它暗示了本书可能深入探讨了如何利用高效率的光源来驱动激光器，这对于提高整体系统的能效比至关重要。书中是否探讨了如何将这种特定配置的激光器应用于非线性光学、量子光源的制备，甚至是先进的生物成像技术中去？现代激光技术的发展日新月异，如果这本书能提供一些基于最新研究进展的案例分析，比如在超快光纤通信或高精度测距中的潜在价值，那么它的实用价值将大大提升。我期待看到的是，作者能够超越传统的教科书式描述，而是聚焦于那些尚未完全成熟但前景广阔的应用方向，提供一个清晰的路线图。读完这本书后，我希望不仅能“知道”它是如何工作的，更重要的是能“思考”如何用它去做一些前人未曾尝试过的事情。
评分这本书的装帧和排版也给我留下了深刻的印象，这在技术专著中是难得的优点。清晰的图表、准确的公式符号和适宜的字体大小，极大地提升了阅读体验。在深度研读复杂公式时，如果能够配上清晰的图示来解释变量的物理意义，那绝对是事半功倍。特别是在讲解模式选择和腔内增益分布时，三维的光场图和二维的强度分布图是不可或缺的辅助工具。我关注到作者似乎非常注重细节的打磨，比如在讨论光谱特性的稳定性时，如何区分热效应和机械振动对波长的影响，这种细致入微的分析，体现了作者对实验精确性的极高要求。对于我们这些需要经常进行精密测量的研究者来说，这种对“误差源”的系统性梳理，比任何华丽的理论描述都要宝贵得多。它教会我们的不仅仅是“做什么”，更是“如何把事情做对”。
评分这本关于光泵浦外腔面发射激光器的专著，光是书名就透着一股硬核的科研气息，让人忍不住想一探究竟。从目录上看，它似乎囊括了从基础理论的构建到实验装置的搭建，再到实际应用场景的探索，形成了一个完整的知识闭环。我尤其期待它在理论部分能对腔设计、增益媒质的相互作用等关键物理过程进行深入剖析，最好能辅以清晰的数学模型和直观的物理图像，这样即便是初涉此领域的读者也能快速建立起一个扎实的认知框架。毕竟，面发射激光器（VCSELs）以其独特的二维光场调控能力和低阈值特性，在光互连、光通信和传感器等领域展现出巨大的潜力，而如何通过精巧的外腔设计进一步提升其性能，无疑是当前研究的热点和难点。希望这本书能在这些前沿问题上给出一些富有洞察力的见解，不仅仅是罗列已有的成果，更重要的是能够引导读者思考未来的发展方向，比如如何实现更高功率、更窄线宽的脉冲输出，或者如何将其集成到复杂的微纳光学系统中。这本书的厚度也从侧面反映了作者在这一领域的深厚积累，期待它能成为我们实验室案头必备的参考书，随时翻阅，获取灵感和解决方案。
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