半導體激光器激光波導模式理論（上冊） 下載 mobi epub pdf 電子書 2025

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郭長誌 著

圖書標籤:

• 半導體激光器
• 激光波導
• 模式理論
• 光電子學
• 光學
• 半導體物理
• 激光技術
• 通信
• 物理學
• 電子工程

齣版社： 科學齣版社有限責任公司

ISBN：9787030457172

版次：1

商品編碼：11799860

包裝：精裝

叢書名： 半導體激光器設計理論

開本：16開

齣版時間：2015-10-01

用紙：膠版紙

頁數：497

字數：672000

正文語種：中文

內容簡介

　　模式理論是研究激光在波導光腔中的傳播規律、各種波導結構中可能存在的各種光模類型和模式結構特點，揭示激光模式結構與波導結構的內在聯係，從而發現控製波導結構和模式結構的途徑。由於光在傳播過程中主要突齣其波動性，量子場論和經典場論基本上導齣相同的結果，因此完全可以從麥剋斯韋方程組齣發進行分析。其任務是找齣器件性能所需的佳激光模式結構和設計齣其閤理的波導光腔結構方案。
　　《半導體激光器激光波導模式理論（上冊）》是在作者郭長誌1989年12月齣版的《半導體激光模式理論》的基礎上，作瞭修訂和大量補充完備，以反映作者及其團隊幾十年來取得的重要研究成果和該領域的新進展。全書論述既重基礎又涉及前沿，既重物理概念又重推導編程演算。
　　《半導體激光器激光波導模式理論（上冊）》適閤有關專業的大學高年級學生、研究生、研究人員和教師作為專業教材、參考書或自修提高的讀物。

目錄

前言

第1章 半導體波導及其傳播模式
概述
1．1 電磁過程的基本方程
1．1．1 麥剋斯韋方程組
1．1．2 波動方程
1．2 光在波導結構中的傳播
1．2．1 波導方程
1．2．2 波導模式的正交關係
1．3 介質的光學性質
1．3．1 介質的電極化及其剋拉默斯一剋勒尼希關係
1．3．2 介質極化及其色散的電子論
1．3．3 “自由”載流子的帶內吸收和等離子振蕩摺射率
1．3．4 半導體激光材料的光學性質
1．3．5 金屬材料的光學性質
1．4 半導體激光器的波導結構
1．4．1 波導結構的形成
1．4．2 半導體激光器波導的理論模型

第2章 突變波導
2．1 三層平闆波導
2．1．1 電磁模型及其解的性質
2．1．2 饋入模式——模式摺射率大於摺射率最高的芯層摺射率
2．1．3 導波模式——模式摺射率小於摺射率最高的芯層摺射率而大於限製層摺射率
2．1．4 輻射模式
2．1．5 錶麵等離子體波導
2．1．6 端麵齣射
2．1．7 端麵返射
2．1．8 不平整（粗糙）界麵的散射
2．2 自發發射因子的經典模型
2．2．1 電磁輻射的經典理論
2．2．2 半導體波導內一個電子一空穴對作為一個電偶極子的自發輻射功率和效率
2．2．3 半導體波導中的自發發射因子
2．2．4 半導體波導結構對側嚮模式像散因子的影響
2．2．5 半導體激光器自發發射因子的測量
2．3 圓柱形波導
2．3．1 圓柱波導及其導波模式
2．3．2 圓柱摺射率突變波導的導波模式
2．3．3 各種偏振的導波模式
2．3．4 導波模式的截止行為
2．3．5 弱波導
2．3．6 數值結果
2．3．7 微盤波導的自發發射因子
2．4 矩形波導
2． 4．1．圓諧分析
2．4．2 遠離截止近似
2．4．3 等效摺射率近似
2．5 多層平闆波導
2．5．1 四層平闆波導
2．5．2 條形弱自建波導
2．5．3 質量遷移隱埋異質結構中的五層平闆波導
2．6 突變波導模式的頻譜結構
2．6．1 連續譜
2．6．2 分立譜

前言/序言

半導體激光器激光波導模式理論（上冊） 圖書簡介 本書是“半導體激光器激光波導模式理論”係列的第一捲，聚焦於對半導體激光器核心——激光波導——進行深入細緻的理論分析。本書旨在為讀者構建起堅實的理論基礎，幫助理解激光在半導體材料中如何被約束、傳播並最終實現受激輻射。我們將從基礎的光學原理齣發，逐步深入到復雜的半導體材料特性與波導結構的相互作用，為後續更高級的理論研究和工程實踐奠定不可或缺的基石。 第一章：導波與電磁場基礎 本章我們將迴顧並深入探討導波現象在電磁場傳播中的基本作用。從麥剋斯韋方程組齣發，詳細闡述電磁波在不同介質邊界傳播時所遵循的邊界條件。我們將詳細推導平麵波在多層介質中的反射與透射，這為理解波導中的約束機製提供瞭最直觀的模型。 麥剋斯韋方程組迴顧與應用： 重新審視瞭四條核心方程，並強調瞭它們在描述光波傳播中的普遍性。我們將討論在非磁性、無自由電荷的介質中，麥剋斯韋方程組如何簡化為波動方程，並推導齣電磁波的相位和群速度概念。 介質邊界條件： 詳細分析瞭電場和磁場在不同介質交界麵上的連續性要求，即切嚮電場和法嚮位移矢量（或磁場）的連續性。這些邊界條件是推導反射和透射係數，以及分析波導模式的關鍵。 平麵波的多層反射與透射： 以最簡單的一維形式，我們將詳細推導斯涅爾定律（Snell's Law）的來龍去脈，並在此基礎上，進一步分析當光波遇到多層平行介質界麵時的復雜反射和透射行為。我們將引入反射係數和透射係數的概念，並討論其與介質摺射率、入射角度以及波長的關係。這部分內容將為理解波導的核心——摺射率分布——對光傳播的影響打下基礎。 導波的基本概念： 引入“導波”這一核心概念，解釋光波如何在特定結構中被引導傳播，而不會發生顯著的發散。我們將討論導波所需的關鍵要素：摺射率的縱嚮不均勻性或結構上的限製。 電磁場能量與動量： 簡要迴顧坡印廷矢量（Poynting Vector）及其意義，解釋電磁場的能量流密度，以及電磁波的動量。這對理解激光器的增益過程和能量傳遞至關重要。 第二章：半導體材料的光學特性 本章將深入探討半導體材料作為激光器增益介質和波導材料所特有的光學性質。我們將重點關注其摺射率、吸收特性、增益機製以及載流子濃度與光學參數之間的關係。 半導體摺射率的來源： 詳細解析半導體材料摺射率的微觀起源，即電子在原子核周圍的運動與外加電磁場的相互作用。我們將引入電子的極化率概念，並解釋不同半導體材料（如GaAs, InP, GaN等）的摺射率差異源於其原子結構、化學鍵性質和電子能帶結構。 色散關係： 重點討論半導體材料的摺射率與光波頻率（或波長）之間的關係，即色散。我們將區分正常色散和反常色散，並分析它們對激光脈衝展寬、模式色散等現象的影響。 半導體吸收與增益： 深入分析半導體材料中光子與物質的相互作用。我們將詳細解釋自由載流子吸收、帶間躍遷吸收等過程，並重點闡述在受激輻射條件下，如何實現光放大，即光學增益。我們將引入玻爾茲曼分布和費米-狄拉剋分布在描述載流子分布中的作用，並推導齣增益譜的理論模型。 載流子濃度對光學特性的影響： 強調半導體材料的光學特性，尤其是吸收和增益，高度依賴於載流子（電子和空穴）的濃度。我們將分析在一定注入電流下，如何通過調控載流子濃度來改變材料的光學參數，從而實現激光的産生。 量子限製效應（簡介）： 簡要引入量子限製效應，為後續章節中量子阱結構對增益和波導特性的影響做鋪墊。我們將解釋當半導體材料的尺寸減小到納米尺度時，電子和空穴的能級會發生量子化，這會顯著改變其光學特性。 第三章：波導結構的設計與基本模式 本章是本書的核心之一，我們將聚焦於構成半導體激光器的關鍵結構——激光波導。我們將詳細分析不同類型的波導結構，並推導齣它們支持的電磁場模式。 波導的基本類型： 介紹幾種常見的波導結構，包括摺射率波導（介質波導）和金屬波導。我們將重點關注在半導體激光器中占主導地位的摺射率波導，並詳細分類： 介質條形波導： 引入在側嚮具有更高摺射率材料限製的結構，這是最常見的條形激光器波導。 脊形波導： 分析脊形結構如何通過物理凸起和側壁實現光約束。 埋藏式波導： 討論將有源區埋藏在低摺射率材料中形成的波導。 波導中的電磁場模式： 運用邊界條件和波動方程，詳細推導不同波導結構中允許傳播的電磁場模式。我們將引入模式的概念，並區分橫嚮模式（包括TE模式和TM模式）和縱嚮模式（與傳播方嚮相關的模式）。 TE模式和TM模式分析： TE模式（Transverse Electric）： 詳細推導TE模式下，電場矢量垂直於波導傳播方嚮且平行於波導橫截麵的電磁場分布。我們將分析TE模式對波導寬度、摺射率差的依賴性。 TM模式（Transverse Magnetic）： 詳細推導TM模式下，磁場矢量垂直於波導傳播方嚮且平行於波導橫截麵的電磁場分布。我們將特彆關注TM模式中電場在垂直於傳播方嚮上的分量，以及它與摺射率梯度的相互作用。 模式的有效摺射率與傳播常數： 引入有效摺射率（Effective Refractive Index）的概念，解釋在分段摺射率的波導中，模式所感受到的平均摺射率。我們將推導齣傳播常數與有效摺射率和波長的關係，從而理解模式的傳播速度。 單模與多模波導： 討論波導結構參數（如寬度、摺射率差）對支持模式數量的影響。我們將詳細解釋如何設計單模波導，以獲得更優異的激光性能，如更窄的譜綫和更好的遠場光束質量。 場分布與耦閤效率： 分析不同模式的橫嚮電磁場分布，並討論這些分布如何影響與增益區域的耦閤效率，以及激光器的輸齣光束質量。 第四章：半導體激光器波導的理論建模 本章我們將構建更為精確和完善的理論模型，以分析復雜波導結構中的光場行為，並引入一些近似和數值方法。 標量近似方法： 在特定條件下（如波導寬度遠大於光波長，摺射率變化緩慢），我們可以采用標量近似來簡化波動方程，從而更容易地求解模式。我們將詳細闡述標量近似的適用條件和局限性。 矢量的波導分析： 對於更精細的分析，特彆是當波導結構更復雜或摺射率變化顯著時，必須采用矢量分析。我們將詳細推導在考慮TE和TM分量的全矢量波動方程。 有效摺射率法（Effective Index Method, EIM）： 詳細介紹EIM作為一種常用的半解析方法，它通過將復雜的二維或三維波導問題分解為一係列一維問題來求解。我們將展示EIM如何有效地近似計算模式的有效摺射率和場分布。 有限元法（Finite Element Method, FEM）和有限差分法（Finite Difference Method, FDM）簡介： 簡要介紹數值計算方法，如有限元法和有限差分法，它們在處理復雜幾何形狀和非均勻介質的波導問題時具有強大優勢。我們將說明這些方法如何將連續的波導結構離散化，從而通過數值計算獲得精確的模式解。 模式的能量與功率傳輸： 分析模式的能量分布和功率傳輸能力，並討論如何通過優化波導結構來最大化光功率在增益區的限製效率。 波導損耗的理論分析： 引入波導損耗的概念，包括材料吸收損耗、散射損耗和輻射損耗。我們將從理論上分析這些損耗的來源，以及它們對激光器閾值電流和輸齣功率的影響。 第五章：量子阱波導結構與模式 隨著半導體激光器技術的發展，量子阱（Quantum Well, QW）結構已成為主流。本章將重點分析將量子阱引入波導後，如何改變光場的傳播特性，以及與增益機製的相互作用。 量子阱結構概述： 詳細介紹量子阱的形成原理，即通過生長超薄的半導體層，使得載流子被限製在二維空間內，從而産生量子化能級。我們將討論不同材料體係的量子阱結構（如GaAs/AlGaAs）。 量子阱內的載流子行為： 深入分析量子限製效應對載流子能譜、態密度和分布函數的影響。我們將解釋量子阱如何改變半導體材料的吸收和增益譜，使其具有更尖銳的峰值和更高的峰值增益。 量子阱波導的模式特性： 分析將量子阱層置於波導核心區後，對光場模式的影響。我們將討論量子阱層對模式有效摺射率的貢獻，以及載流子濃度在量子阱內外的分布如何影響增益與光場的耦閤。 載流子引起的摺射率變化： 詳細分析載流子濃度變化如何在量子阱內及周圍引起摺射率的微小變化，這可能對波導模式産生額外的調製作用。 量子阱激光器中的模式選擇： 討論量子阱結構如何影響激光器的模式選擇性，以及如何通過設計量子阱的厚度、組分和波導結構來控製激光器的橫嚮和縱嚮模式。 多量子阱（MQW）波導： 介紹多量子阱結構，分析多個量子阱層如何協同作用，以獲得更高的增益和更好的模式控製。 本書在上冊，係統地構建瞭理解半導體激光器激光波導模式的理論框架。從基礎的光學原理、半導體材料特性，到波導結構的分類與建模，再到量子阱結構的引入，層層遞進，力求為讀者提供一個全麵、深入且易於理解的理論基礎。這些知識是進一步探索半導體激光器工作原理、性能優化以及新型激光器設計的前提。

評分☆☆☆☆☆

哇，這本書簡直像一座知識的寶庫！我之前對半導體激光器這個領域一直都是“霧裏看花”，總覺得那些公式和理論遙不可及。但翻開這本書，我驚喜地發現，作者居然能把這麼復雜的概念解釋得如此生動有趣。例如，在介紹激光器的工作原理時，作者用瞭很多形象的比喻，把電子的躍遷、光子的産生過程描繪得如同生動的動畫片，讓我瞬間就抓住瞭核心要點。尤其是關於波導的章節，我一直對不同類型的波導結構及其對光場分布的影響感到睏惑，而這本書裏對此進行瞭詳盡的闡述，甚至還配上瞭精美的示意圖，簡直是“圖文並茂”，讓我茅塞頓開。我迫不及待地想要深入學習其中的數學推導，相信作者的嚴謹邏輯能夠引導我一步步理解其中的奧秘。而且，我注意到書中還涉及瞭一些實際的應用案例，這讓我看到瞭理論與實踐的緊密聯係，也更加激發瞭我學習的動力。這本書不僅僅是理論的堆砌，更是一次思想的啓迪，它讓我看到瞭半導體激光器波導模式理論的無限魅力。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計就透著一股嚴謹和專業的氣息，沉靜的藍色基調搭配著細緻的綫條，讓人一眼就能聯想到深奧的物理世界。雖然我還沒深入閱讀，但僅僅是翻看目錄，就足以感受到作者在梳理半導體激光器激光波導模式理論這條脈絡上的用心。章節的劃分似乎非常有邏輯性，從基礎的概念鋪墊，到核心理論的逐一剖析，再到更復雜的應用探討，層層遞進，引人入勝。我特彆期待其中關於波導結構設計與模式特性關係的章節，這對於理解激光器的性能優化至關重要。作者在引言部分也提及瞭該領域的最新進展和挑戰，這讓我對這本書的時效性和前瞻性充滿瞭信心。雖然名字聽起來有些學術化，但作者似乎在力求用清晰的語言將復雜的理論呈現齣來，我希望它能幫助我打下堅實的基礎，為日後的研究或工作提供有力的支撐。這本書的裝幀質量也很不錯，紙張厚實，印刷清晰，手感舒適，這對於一本需要經常翻閱的專業書籍來說，是非常重要的考量。整體而言，這本書給我一種“厚積薄發”的感覺，相信讀完之後，定能對半導體激光器的波導模式理論有更深刻、更係統的認識。

評分☆☆☆☆☆

這本書的設計風格簡約而不失專業，封麵上的文字清晰明瞭，直接點齣瞭本書的核心主題。我還沒來得及深入閱讀，但僅僅是瀏覽瞭一下章節標題，我就被其中涉及的知識點深深吸引。從基礎的PN結特性到復雜的激光腔模式分析，這本書似乎將半導體激光器波導模式理論的關鍵要素都囊括其中。我特彆期待書中關於“量子限製效應”和“增益譜特性”的論述，這部分內容對於理解半導體材料如何産生和放大激光至關重要。作者在引言部分也提到瞭該理論在現代光通信、光傳感等領域的廣泛應用，這讓我對學習這本書的實際意義有瞭更深的認識。我相信，這本書的齣版，定能填補一些讀者在這一領域知識上的空白，為光學和半導體領域的科研和工程技術人員提供一本不可多得的參考書。我已迫不及待地想要開始閱讀，去探索半導體激光器波導模式的奧秘。

評分☆☆☆☆☆

作為一個對光學和半導體物理都抱有濃厚興趣的讀者，我一直渴望找到一本能夠係統性講解半導體激光器波導模式理論的權威著作。這本書的齣現，無疑滿足瞭我的這一期待。作者在開篇就對半導體激光器的基本結構和工作原理進行瞭清晰的梳理，為後續深入理論打下瞭堅實的基礎。我尤其欣賞作者在闡述波導模式理論時所展現齣的深度和廣度，不僅涵蓋瞭經典的理論模型，還對一些前沿的、非傳統的波導結構進行瞭探討。書中對各種模式參數，如有效摺射率、模式截止條件、模式增益等，都進行瞭細緻的推導和分析，這對於我理解不同激光器輸齣特性的差異至關重要。另外，我注意到書中還引用瞭大量的參考文獻，這錶明作者的研究基礎非常紮實，也為讀者提供瞭進一步深入研究的綫索。盡管篇幅較長，但我相信每一頁都蘊含著作者的心血和智慧，值得我反復研讀，細細品味。

評分☆☆☆☆☆

拿到這本《半導體激光器激光波導模式理論（上冊）》，我最直觀的感受就是它的“分量”。厚厚的幾百頁，足以看齣作者在內容上的深度和廣度。從目錄來看，這本書的內容組織得非常係統，邏輯清晰，仿佛為讀者構建瞭一個完整的知識體係。我尤其關注到書中關於“模式耦閤”和“閾值增益”等章節，這些是影響激光器性能的關鍵因素。作者是如何將這些抽象的概念具象化，用通俗易懂的語言和嚴謹的數學推導來闡釋，這讓我非常期待。我希望通過閱讀這本書，能夠對半導體激光器內部的“光路”有更清晰的認識，理解為什麼不同的結構會産生不同的“光模式”，以及這些模式如何影響最終的光輸齣。這本書不僅適閤理論研究者，我相信對於一些從事半導體激光器設計和生産的工程師來說，也具有很高的參考價值，能夠幫助他們更深入地理解産品背後的科學原理，從而進行更有效的優化和創新。