半导体激光器激光波导模式理论（上册） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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郭长志 著

图书标签:

• 半导体激光器
• 激光波导
• 模式理论
• 光电子学
• 光学
• 半导体物理
• 激光技术
• 通信
• 物理学
• 电子工程

出版社： 科学出版社有限责任公司

ISBN：9787030457172

版次：1

商品编码：11799860

包装：精装

丛书名： 半导体激光器设计理论

开本：16开

出版时间：2015-10-01

用纸：胶版纸

页数：497

字数：672000

正文语种：中文

内容简介

　　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佳激光模式结构和设计出其合理的波导光腔结构方案。
　　《半导体激光器激光波导模式理论（上册）》是在作者郭长志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新进展。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。
　　《半导体激光器激光波导模式理论（上册）》适合有关专业的大学高年级学生、研究生、研究人员和教师作为专业教材、参考书或自修提高的读物。

目录

前言

第1章 半导体波导及其传播模式
概述
1．1 电磁过程的基本方程
1．1．1 麦克斯韦方程组
1．1．2 波动方程
1．2 光在波导结构中的传播
1．2．1 波导方程
1．2．2 波导模式的正交关系
1．3 介质的光学性质
1．3．1 介质的电极化及其克拉默斯一克勒尼希关系
1．3．2 介质极化及其色散的电子论
1．3．3 “自由”载流子的带内吸收和等离子振荡折射率
1．3．4 半导体激光材料的光学性质
1．3．5 金属材料的光学性质
1．4 半导体激光器的波导结构
1．4．1 波导结构的形成
1．4．2 半导体激光器波导的理论模型

第2章 突变波导
2．1 三层平板波导
2．1．1 电磁模型及其解的性质
2．1．2 馈入模式——模式折射率大于折射率最高的芯层折射率
2．1．3 导波模式——模式折射率小于折射率最高的芯层折射率而大于限制层折射率
2．1．4 辐射模式
2．1．5 表面等离子体波导
2．1．6 端面出射
2．1．7 端面返射
2．1．8 不平整（粗糙）界面的散射
2．2 自发发射因子的经典模型
2．2．1 电磁辐射的经典理论
2．2．2 半导体波导内一个电子一空穴对作为一个电偶极子的自发辐射功率和效率
2．2．3 半导体波导中的自发发射因子
2．2．4 半导体波导结构对侧向模式像散因子的影响
2．2．5 半导体激光器自发发射因子的测量
2．3 圆柱形波导
2．3．1 圆柱波导及其导波模式
2．3．2 圆柱折射率突变波导的导波模式
2．3．3 各种偏振的导波模式
2．3．4 导波模式的截止行为
2．3．5 弱波导
2．3．6 数值结果
2．3．7 微盘波导的自发发射因子
2．4 矩形波导
2． 4．1．圆谐分析
2．4．2 远离截止近似
2．4．3 等效折射率近似
2．5 多层平板波导
2．5．1 四层平板波导
2．5．2 条形弱自建波导
2．5．3 质量迁移隐埋异质结构中的五层平板波导
2．6 突变波导模式的频谱结构
2．6．1 连续谱
2．6．2 分立谱

前言/序言

半导体激光器激光波导模式理论（上册） 图书简介 本书是“半导体激光器激光波导模式理论”系列的第一卷，聚焦于对半导体激光器核心——激光波导——进行深入细致的理论分析。本书旨在为读者构建起坚实的理论基础，帮助理解激光在半导体材料中如何被约束、传播并最终实现受激辐射。我们将从基础的光学原理出发，逐步深入到复杂的半导体材料特性与波导结构的相互作用，为后续更高级的理论研究和工程实践奠定不可或缺的基石。 第一章：导波与电磁场基础 本章我们将回顾并深入探讨导波现象在电磁场传播中的基本作用。从麦克斯韦方程组出发，详细阐述电磁波在不同介质边界传播时所遵循的边界条件。我们将详细推导平面波在多层介质中的反射与透射，这为理解波导中的约束机制提供了最直观的模型。 麦克斯韦方程组回顾与应用： 重新审视了四条核心方程，并强调了它们在描述光波传播中的普遍性。我们将讨论在非磁性、无自由电荷的介质中，麦克斯韦方程组如何简化为波动方程，并推导出电磁波的相位和群速度概念。 介质边界条件： 详细分析了电场和磁场在不同介质交界面上的连续性要求，即切向电场和法向位移矢量（或磁场）的连续性。这些边界条件是推导反射和透射系数，以及分析波导模式的关键。 平面波的多层反射与透射： 以最简单的一维形式，我们将详细推导斯涅尔定律（Snell's Law）的来龙去脉，并在此基础上，进一步分析当光波遇到多层平行介质界面时的复杂反射和透射行为。我们将引入反射系数和透射系数的概念，并讨论其与介质折射率、入射角度以及波长的关系。这部分内容将为理解波导的核心——折射率分布——对光传播的影响打下基础。 导波的基本概念： 引入“导波”这一核心概念，解释光波如何在特定结构中被引导传播，而不会发生显著的发散。我们将讨论导波所需的关键要素：折射率的纵向不均匀性或结构上的限制。 电磁场能量与动量： 简要回顾坡印廷矢量（Poynting Vector）及其意义，解释电磁场的能量流密度，以及电磁波的动量。这对理解激光器的增益过程和能量传递至关重要。 第二章：半导体材料的光学特性 本章将深入探讨半导体材料作为激光器增益介质和波导材料所特有的光学性质。我们将重点关注其折射率、吸收特性、增益机制以及载流子浓度与光学参数之间的关系。 半导体折射率的来源： 详细解析半导体材料折射率的微观起源，即电子在原子核周围的运动与外加电磁场的相互作用。我们将引入电子的极化率概念，并解释不同半导体材料（如GaAs, InP, GaN等）的折射率差异源于其原子结构、化学键性质和电子能带结构。 色散关系： 重点讨论半导体材料的折射率与光波频率（或波长）之间的关系，即色散。我们将区分正常色散和反常色散，并分析它们对激光脉冲展宽、模式色散等现象的影响。 半导体吸收与增益： 深入分析半导体材料中光子与物质的相互作用。我们将详细解释自由载流子吸收、带间跃迁吸收等过程，并重点阐述在受激辐射条件下，如何实现光放大，即光学增益。我们将引入玻尔兹曼分布和费米-狄拉克分布在描述载流子分布中的作用，并推导出增益谱的理论模型。 载流子浓度对光学特性的影响： 强调半导体材料的光学特性，尤其是吸收和增益，高度依赖于载流子（电子和空穴）的浓度。我们将分析在一定注入电流下，如何通过调控载流子浓度来改变材料的光学参数，从而实现激光的产生。 量子限制效应（简介）： 简要引入量子限制效应，为后续章节中量子阱结构对增益和波导特性的影响做铺垫。我们将解释当半导体材料的尺寸减小到纳米尺度时，电子和空穴的能级会发生量子化，这会显著改变其光学特性。 第三章：波导结构的设计与基本模式 本章是本书的核心之一，我们将聚焦于构成半导体激光器的关键结构——激光波导。我们将详细分析不同类型的波导结构，并推导出它们支持的电磁场模式。 波导的基本类型： 介绍几种常见的波导结构，包括折射率波导（介质波导）和金属波导。我们将重点关注在半导体激光器中占主导地位的折射率波导，并详细分类： 介质条形波导： 引入在侧向具有更高折射率材料限制的结构，这是最常见的条形激光器波导。 脊形波导： 分析脊形结构如何通过物理凸起和侧壁实现光约束。 埋藏式波导： 讨论将有源区埋藏在低折射率材料中形成的波导。 波导中的电磁场模式： 运用边界条件和波动方程，详细推导不同波导结构中允许传播的电磁场模式。我们将引入模式的概念，并区分横向模式（包括TE模式和TM模式）和纵向模式（与传播方向相关的模式）。 TE模式和TM模式分析： TE模式（Transverse Electric）： 详细推导TE模式下，电场矢量垂直于波导传播方向且平行于波导横截面的电磁场分布。我们将分析TE模式对波导宽度、折射率差的依赖性。 TM模式（Transverse Magnetic）： 详细推导TM模式下，磁场矢量垂直于波导传播方向且平行于波导横截面的电磁场分布。我们将特别关注TM模式中电场在垂直于传播方向上的分量，以及它与折射率梯度的相互作用。 模式的有效折射率与传播常数： 引入有效折射率（Effective Refractive Index）的概念，解释在分段折射率的波导中，模式所感受到的平均折射率。我们将推导出传播常数与有效折射率和波长的关系，从而理解模式的传播速度。 单模与多模波导： 讨论波导结构参数（如宽度、折射率差）对支持模式数量的影响。我们将详细解释如何设计单模波导，以获得更优异的激光性能，如更窄的谱线和更好的远场光束质量。 场分布与耦合效率： 分析不同模式的横向电磁场分布，并讨论这些分布如何影响与增益区域的耦合效率，以及激光器的输出光束质量。 第四章：半导体激光器波导的理论建模 本章我们将构建更为精确和完善的理论模型，以分析复杂波导结构中的光场行为，并引入一些近似和数值方法。 标量近似方法： 在特定条件下（如波导宽度远大于光波长，折射率变化缓慢），我们可以采用标量近似来简化波动方程，从而更容易地求解模式。我们将详细阐述标量近似的适用条件和局限性。 矢量的波导分析： 对于更精细的分析，特别是当波导结构更复杂或折射率变化显著时，必须采用矢量分析。我们将详细推导在考虑TE和TM分量的全矢量波动方程。 有效折射率法（Effective Index Method, EIM）： 详细介绍EIM作为一种常用的半解析方法，它通过将复杂的二维或三维波导问题分解为一系列一维问题来求解。我们将展示EIM如何有效地近似计算模式的有效折射率和场分布。 有限元法（Finite Element Method, FEM）和有限差分法（Finite Difference Method, FDM）简介： 简要介绍数值计算方法，如有限元法和有限差分法，它们在处理复杂几何形状和非均匀介质的波导问题时具有强大优势。我们将说明这些方法如何将连续的波导结构离散化，从而通过数值计算获得精确的模式解。 模式的能量与功率传输： 分析模式的能量分布和功率传输能力，并讨论如何通过优化波导结构来最大化光功率在增益区的限制效率。 波导损耗的理论分析： 引入波导损耗的概念，包括材料吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。我们将从理论上分析这些损耗的来源，以及它们对激光器阈值电流和输出功率的影响。 第五章：量子阱波导结构与模式 随着半导体激光器技术的发展，量子阱（Quantum Well, QW）结构已成为主流。本章将重点分析将量子阱引入波导后，如何改变光场的传播特性，以及与增益机制的相互作用。 量子阱结构概述： 详细介绍量子阱的形成原理，即通过生长超薄的半导体层，使得载流子被限制在二维空间内，从而产生量子化能级。我们将讨论不同材料体系的量子阱结构（如GaAs/AlGaAs）。 量子阱内的载流子行为： 深入分析量子限制效应对载流子能谱、态密度和分布函数的影响。我们将解释量子阱如何改变半导体材料的吸收和增益谱，使其具有更尖锐的峰值和更高的峰值增益。 量子阱波导的模式特性： 分析将量子阱层置于波导核心区后，对光场模式的影响。我们将讨论量子阱层对模式有效折射率的贡献，以及载流子浓度在量子阱内外的分布如何影响增益与光场的耦合。 载流子引起的折射率变化： 详细分析载流子浓度变化如何在量子阱内及周围引起折射率的微小变化，这可能对波导模式产生额外的调制作用。 量子阱激光器中的模式选择： 讨论量子阱结构如何影响激光器的模式选择性，以及如何通过设计量子阱的厚度、组分和波导结构来控制激光器的横向和纵向模式。 多量子阱（MQW）波导： 介绍多量子阱结构，分析多个量子阱层如何协同作用，以获得更高的增益和更好的模式控制。 本书在上册，系统地构建了理解半导体激光器激光波导模式的理论框架。从基础的光学原理、半导体材料特性，到波导结构的分类与建模，再到量子阱结构的引入，层层递进，力求为读者提供一个全面、深入且易于理解的理论基础。这些知识是进一步探索半导体激光器工作原理、性能优化以及新型激光器设计的前提。

评分☆☆☆☆☆

拿到这本《半导体激光器激光波导模式理论（上册）》，我最直观的感受就是它的“分量”。厚厚的几百页，足以看出作者在内容上的深度和广度。从目录来看，这本书的内容组织得非常系统，逻辑清晰，仿佛为读者构建了一个完整的知识体系。我尤其关注到书中关于“模式耦合”和“阈值增益”等章节，这些是影响激光器性能的关键因素。作者是如何将这些抽象的概念具象化，用通俗易懂的语言和严谨的数学推导来阐释，这让我非常期待。我希望通过阅读这本书，能够对半导体激光器内部的“光路”有更清晰的认识，理解为什么不同的结构会产生不同的“光模式”，以及这些模式如何影响最终的光输出。这本书不仅适合理论研究者，我相信对于一些从事半导体激光器设计和生产的工程师来说，也具有很高的参考价值，能够帮助他们更深入地理解产品背后的科学原理，从而进行更有效的优化和创新。

评分☆☆☆☆☆

这本书的设计风格简约而不失专业，封面上的文字清晰明了，直接点出了本书的核心主题。我还没来得及深入阅读，但仅仅是浏览了一下章节标题，我就被其中涉及的知识点深深吸引。从基础的PN结特性到复杂的激光腔模式分析，这本书似乎将半导体激光器波导模式理论的关键要素都囊括其中。我特别期待书中关于“量子限制效应”和“增益谱特性”的论述，这部分内容对于理解半导体材料如何产生和放大激光至关重要。作者在引言部分也提到了该理论在现代光通信、光传感等领域的广泛应用，这让我对学习这本书的实际意义有了更深的认识。我相信，这本书的出版，定能填补一些读者在这一领域知识上的空白，为光学和半导体领域的科研和工程技术人员提供一本不可多得的参考书。我已迫不及待地想要开始阅读，去探索半导体激光器波导模式的奥秘。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就透着一股严谨和专业的气息，沉静的蓝色基调搭配着细致的线条，让人一眼就能联想到深奥的物理世界。虽然我还没深入阅读，但仅仅是翻看目录，就足以感受到作者在梳理半导体激光器激光波导模式理论这条脉络上的用心。章节的划分似乎非常有逻辑性，从基础的概念铺垫，到核心理论的逐一剖析，再到更复杂的应用探讨，层层递进，引人入胜。我特别期待其中关于波导结构设计与模式特性关系的章节，这对于理解激光器的性能优化至关重要。作者在引言部分也提及了该领域的最新进展和挑战，这让我对这本书的时效性和前瞻性充满了信心。虽然名字听起来有些学术化，但作者似乎在力求用清晰的语言将复杂的理论呈现出来，我希望它能帮助我打下坚实的基础，为日后的研究或工作提供有力的支撑。这本书的装帧质量也很不错，纸张厚实，印刷清晰，手感舒适，这对于一本需要经常翻阅的专业书籍来说，是非常重要的考量。整体而言，这本书给我一种“厚积薄发”的感觉，相信读完之后，定能对半导体激光器的波导模式理论有更深刻、更系统的认识。

评分☆☆☆☆☆

哇，这本书简直像一座知识的宝库！我之前对半导体激光器这个领域一直都是“雾里看花”，总觉得那些公式和理论遥不可及。但翻开这本书，我惊喜地发现，作者居然能把这么复杂的概念解释得如此生动有趣。例如，在介绍激光器的工作原理时，作者用了很多形象的比喻，把电子的跃迁、光子的产生过程描绘得如同生动的动画片，让我瞬间就抓住了核心要点。尤其是关于波导的章节，我一直对不同类型的波导结构及其对光场分布的影响感到困惑，而这本书里对此进行了详尽的阐述，甚至还配上了精美的示意图，简直是“图文并茂”，让我茅塞顿开。我迫不及待地想要深入学习其中的数学推导，相信作者的严谨逻辑能够引导我一步步理解其中的奥秘。而且，我注意到书中还涉及了一些实际的应用案例，这让我看到了理论与实践的紧密联系，也更加激发了我学习的动力。这本书不仅仅是理论的堆砌，更是一次思想的启迪，它让我看到了半导体激光器波导模式理论的无限魅力。

评分☆☆☆☆☆

作为一个对光学和半导体物理都抱有浓厚兴趣的读者，我一直渴望找到一本能够系统性讲解半导体激光器波导模式理论的权威著作。这本书的出现，无疑满足了我的这一期待。作者在开篇就对半导体激光器的基本结构和工作原理进行了清晰的梳理，为后续深入理论打下了坚实的基础。我尤其欣赏作者在阐述波导模式理论时所展现出的深度和广度，不仅涵盖了经典的理论模型，还对一些前沿的、非传统的波导结构进行了探讨。书中对各种模式参数，如有效折射率、模式截止条件、模式增益等，都进行了细致的推导和分析，这对于我理解不同激光器输出特性的差异至关重要。另外，我注意到书中还引用了大量的参考文献，这表明作者的研究基础非常扎实，也为读者提供了进一步深入研究的线索。尽管篇幅较长，但我相信每一页都蕴含着作者的心血和智慧，值得我反复研读，细细品味。