半导体激光器设计理论3：半导体激光器能带结构和光增益的量子理论（下册） 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
• 半导体物理
• 能带结构
• 光增益
• 量子理论
• 激光物理
• 材料科学
• 电子工程
• 光学
• 半导体器件

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030473806

版次：1

商品编码：11900169

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：2016-03-01

用纸：胶版纸

页数：399

字数：510000

正文语种：中文

内容简介

　　量子理论是研究半导体激光器中：①体半导体、量子阱、量子线、量子点等增益介质的电子能谱结构，及其②电子与辐射光场的相互作用，包括光的产生、吸收、放大和散射等涉及不同能带之间、能带以内不同子带或各种晶格缺陷和杂质能级之间的光跃迁和非光跃迁、带内散射和弛豫等决定半导体激光器涉及光电性能的重要量子行为。其中①和②分别用单电子近似理论和半经典理论处理。任务是研究对半导体激光器的激射阈值、激光功率、调制速率、器件结构和激光波段等的设计都有根本意义的激光材料光增益谱结构和激光量子效率等。
　　《半导体激光器设计理论3：半导体激光器能带结构和光增益的量子理论（下册）》论述既重基础又涉前沿，既重物理概念又重推导编程演算，书末对全量子理论也有简要的介绍。
　　《半导体激光器设计理论3：半导体激光器能带结构和光增益的量子理论（下册）》适合有关专业的研究人员和教师、研究生、大学高年级本科生、作为专业课本、参考书或自修提高的读物。

内页插图

目录

总序

第2章 半导体能带之间的跃迁
2．3 光跃迁的量子力学
2．3．3 连续能态在能级跃迁中的作用
2．3．4 带内弛豫及其谱线展宽
2．3．5 量子阱结构的带间光跃迁谱
2．3．6 光跃迁动量矩阵元的计算
2．3．7 间接带隙半导体的带间光跃迁
2．3．8 与杂质有关的光跃迁一无七选择定则
2．3．9 能带的非抛物性及其影响
2．3．10 多体相互作用的能带隙重整化
2．3．11 量子阱中的能带混合效应及其影响
2．3．12 大应变对增益的影响
2．3．13 应变程度的极限
2．3．14 量子阱微分增益及其作用
2．3．15 折射率（势垒）渐变分别限制量子阱的增益
2．3．16 量子阱激光器的激射阈值
2．4 温度对阈值的影响——％问题
2．4．1 总论
2．4．2 俄歇复合过程的量子理论
2．4．3 价带间光吸收过程
2．4．4 温度对光增益谱的影响
2．4．5 数值结果与讨论．

第3章 半导体带内能态之间的跃迁和量子光学
3．1 量子阱中的子带间光跃迁
3．1．1 子带间光吸收
3．1．2 子带间光发射
3．1．3 QCL能谱和波函数设计
3．2 量子阱中电子子带能级的寿命时间
3．2．1 决定能级寿命的散射过程
3．2．2 量子阱结构中载流子的非平衡收集过程
3．3 辐射的全量子理论和半经典理论的极限
3．3．1 辐射及其波粒二重性
3．3．2 辐射场的量子化
3．3．3 辐射的吸收和发射
3．3．4 相干函数
3．3．5 相干态
3．3．6 半经典理论和量子电动力学
3．3．7 量子力学的基本公设、表象与图像

附录A 数值计算分析的编程
A-1 函数值的计算分析和二维绘图
A-2 方程求解、函数计算和绘图
A-3 三维绘图
附录B 基本物理常数的数值和单位量纲

索引

前言/序言

　　任何激光器都由三个主要部分组成，一是增益材料、二是波导光腔、三是激发机制。半导体激光器的增益材料主要是直接带隙半导体，包括高折射率的体半导体和低维半导体（量子阱、量子线、量子点），或低折射率的掺饵（Er）Si02。掺饵Si3N4等；其波导光腔可由介电波导或等离子体波导构成，其激发机制可为光注入、pn结注入、或量子隧穿注入等。
　　1948年提出半导体激光器的设想，1961年在理论上肯定了在半导体中实现粒子数反转的可能性，并于1962年在发光二极管中偶然观测到激光发射现象之后，制成同质结激光器。从此不断为其提高工作寿命、降低阈值（首先是为了实现室温连续工作）、控制激光模式、提高出光功率、提高调制速率、提高工作温度、拓宽激光波长范围、微型化和集成化、以及某些特殊用途等的目标而迅速发展。
　　在半导体激光器的发展过程中，理论和实验之间，或先或后、互相促进、共同得到重大发展，其中富有活力的设计理论，往往因其开创性和前瞻性，在思想上起着开路先锋的作用，半导体激光器的设计理论大体可分为：工艺理论、速率方程理论、模式理论、和量子理论四个方面：
　　（1）工艺理论在继承传统半导体工艺理论，例如，熔体拉晶、杂质扩散、离子注入、掩膜刻蚀、熔焊烧结等的基础上，着重发展了液相外延、分子束外延、金属有机气相沉积外延生长、和自组织生长等化学热力学和晶体生长动力学的设计理论，其任务是根据半导体激光器件的结构和性能要求，设计出合理可行的制作工艺方法、条件和流程。
　　（2）速率方程理论是从微观唯象观点，以唯象参数为工具，以粒子数守恒为依据的速率方程为分析手段的半导体激光器件物理理论，从全局上揭示了半导体激光器的激射阈值相变、多模之间的模式竞争、模式谱系结构等静态行为，延迟、过冲、振荡过渡等瞬态行为、调制方式方法及其速率、动态频谱结构、动态单模化、光模注入锁定、激光的双稳态、自脉动、分叉、混沌、量子噪声和谱线展宽、载流子在量子阱、量子线、量子点等低维结构中的捕获和逃逸等动力学行为及其物理机制。所涉及的有关唯象参数的数值大小则由实验估测，而其物理机制、内涵、导出、和理论估算等，则由下述宏观和微观理论分别解决和提供。其任务是挖掘器件的潜能，发现和提出可能的新器件或新性能、提出优化器件现有性能等的器件设计方案。
　　（3）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，因而量子场论和经典场论导出基本上相同的结果，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激光模式结构和设计出其合理的波导光腔结构方案。
　　（4）量子理论是研究半导体激光器中体半导体、量子阱、量子线、量子点等增益介质的电子能谱结构及其电子与辐射光场的相互作用，包括光的产生、吸收、放大和散射等涉及不同能带之间、能带以内不同子带或各种晶格缺陷和杂质能级之间的光跃迁和非光跃迁、带内散射和弛豫等决定半导体激光器涉及光电性能的重要量子行为。其处理所涉及的电子系统与光子系统相互作用的理论基础或出发点，有经典理论、半经典理论、全量子理论三个层次。经典理论是将电子的运动服从牛顿力学，光波及其与电子的相互作用服从经典场论，即麦克斯韦方程组。这对众多的电子与光波之间弱相互作用的折射率现象和自发发射因子现象都可得出相当成功的理论结果。半经典理论是将电子的运动服从量子力学，但对光波采用经典场论近似，即近似服从麦克斯韦方程组。这在受激辐射和散射问题都获得非常成功，但无法直接处理自发辐射问题，全量子理论是将电子和光子的运动皆统一服从量子力学，即将电磁辐射场量子化，这样的量子场论与量子电动力学或量子电子学或光子学的差别只在一般可忽略相对论效应。至于光和非光跃迁所涉的增益介质中的电子能级则由半导体能带的量子理论得出。因此，现行的半导体激光器发光过程的理论大多是以半导体能带结构理论和半经典光跃迁的量子理论为基础，其任务是研究半导体激光材料的光增益和激光的量子效率，及其光增益谱结构，如增益谱的峰值增益及其相应的峰值能量和增益谱宽与半导体能带结构的关系，以及影响增益的可能因素，提出拓宽激光波段和提高激光增益的新材料及其受到增益介质的尺寸和维数的影响，这对半导体激光器的激射阈值、激光功率、调制速率、器件结构和激光波段等都有根本性的意义。

《量子半导体光电子学：能带工程与非线性光学》 内容简介 本书是《量子半导体光电子学》系列中的关键一卷，深入探讨了半导体材料在量子尺度下的能带结构及其对光电特性产生的深刻影响，并在此基础上，聚焦于非线性光学效应在半导体器件设计中的应用。全书以严谨的理论分析为基石，辅以丰富的例证和模型，旨在为读者提供一套系统而前沿的量子半导体光电子学理论框架，特别关注材料工程与器件性能的协同优化。 第一部分：能带工程的量子基石 本部分将从量子力学的基本原理出发，层层递进地剖析半导体材料的能带结构。我们将首先回顾晶体结构与布里渊区的概念，介绍周期性势场下电子波函数的形式，并引出Bloch定理。在此基础上，我们将详细阐述不同半导体材料（如GaAs、InP、GaN及其合金）的电子结构特性，包括价带、导带、带隙能量以及各能带的色散关系。 第一章：晶体对称性与电子态 介绍点群和空间群理论在描述晶体对称性中的作用。 讨论晶体势场对电子能量的影响，以及电子波函数的空间对称性。 深入理解Bloch定理的物理意义，以及晶格动量和能量本征态的概念。 第二章：半导体能带理论 介绍有效质量近似及其在描述电子动力学中的重要性。 分析直接带隙和间接带隙半导体的能带形状差异，以及它们对光跃迁概率的影响。 讨论价带顶的简并度（如重空穴、轻空穴、劈裂空穴）及其在电学和光学性质中的体现。 介绍 Wannier函数和Bloch函数的相互关系，以及它们在描述局域化与离域化电子态上的应用。 第三章：量子限制效应与低维结构 深入阐述量子阱（Quantum Well, QW）的能带结构，包括其形成条件、阱的深度和宽度对能级离散化的影响。 分析量子线（Quantum Wire, QWR）和量子点（Quantum Dot, QD）的量子限制效应，讨论其准一维和零维能级结构。 介绍周期性势场（如超晶格）的能带工程，包括能带折叠、能隙形成以及其在光电探测器和激光器中的潜在应用。 讨论表面和界面效应在低维结构中的作用，例如表面态、界面散射等。 第四章：应变工程对能带结构的影响 详细分析晶格失配诱导的应力及其在半导体薄膜中的分布。 讨论双轴应变、单轴应变对价带和导带顶能级的影响，包括能级劈裂和能量移动。 介绍如何通过应变工程来调控带隙能量、载流子有效质量以及载流子迁移率，以优化器件性能。 举例说明应变工程在高性能晶体管和光电器件设计中的成功应用。 第二部分：非线性光学效应与半导体器件 本部分将聚焦于半导体材料中的非线性光学现象，并探讨这些现象如何被用于设计和优化各种光电子器件。我们将从基本的非线性光学理论出发，深入分析其在半导体体系中的具体表现，并结合现代器件设计理念，揭示其潜在的应用价值。 第五章：非线性光学基础理论 介绍宏观和微观的非线性光学理论。 定义非线性极化率张量，并解释其与材料微观结构的关系。 详细介绍二次谐波产生（Second Harmonic Generation, SHG）、三次谐波产生（Third Harmonic Generation, THG）以及光学克尔效应（Optical Kerr Effect）等基本非线性现象。 讨论非线性光学现象的强度依赖性，以及高强度激光与半导体材料相互作用的物理过程。 第六章：半导体中的非线性光学效应 分析半导体材料中由自由载流子引起的非线性效应，如自由载流子吸收（Free Carrier Absorption, FCA）和自由载流子散射（Free Carrier Scattering）。 深入研究通过能带结构产生的非线性效应，包括电场诱导的电致伸缩效应（Electro-Optic Effect）、电致吸收效应（Electro-Absorption Effect）以及二次谐波产生。 讨论等离子体共振（Plasma Resonance）引起的非线性光学效应，以及其在纳米结构中的应用。 介绍相干布拉格反射（Coherent Bragg Diffraction, CBD）等复杂的非线性光学现象在半导体材料中的体现。 第七章：光纤通信中的非线性效应 探讨光纤材料（如掺杂石英）中的非线性效应，特别是其对高速率、长距离光信号传输的影响。 分析自相位调制（Self-Phase Modulation, SPM）、交叉相位调制（Cross-Phase Modulation, XPM）和四波混频（Four-Wave Mixing, FWM）等非线性效应在光信号失真和串扰中的作用。 介绍非线性效应的抑制和利用策略，例如使用新型光纤材料、优化信号编码格式等。 讨论光放大器（如掺铒光纤放大器）中非线性效应的优化设计。 第八章：有机半导体与柔性电子器件的非线性光学 介绍有机半导体材料的分子结构特点及其对非线性光学性质的影响。 讨论有机染料、共轭聚合物等材料在非线性光学器件中的应用，如光学开关、频率转换器等。 分析柔性电子器件在弯曲、拉伸等形变下可能产生的非线性光学行为。 探索新型有机半导体材料的设计原则，以实现更优异的非线性光学性能。 第九章：新型半导体器件中的非线性光学应用 深入研究受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS）和受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）在光纤激光器、光参量放大器（Optical Parametric Amplifier, OPA）等器件中的应用。 探讨高次谐波产生（Higher Harmonic Generation, HHG）在超快激光技术和阿秒脉冲产生中的应用。 分析光诱导的折射率变化在光存储、光调制等领域的应用潜力。 介绍基于非线性光学效应的传感技术，以及其在环境监测、生物医学等领域的应用前景。 本书的读者对象为从事半导体物理、光电子学、材料科学、量子光学、以及相关工程领域的科研人员、研究生和高级本科生。通过学习本书，读者将能够深刻理解半导体材料的量子力学本质，掌握能带工程的理论工具，并能够运用非线性光学原理设计和优化下一代光电器件。本书强调理论与实践的结合，为读者在快速发展的量子半导体光电子学领域提供坚实的理论基础和创新的思维启迪。

评分☆☆☆☆☆

作为一名渴望拓展知识边界的半导体技术爱好者，我对《半导体激光器设计理论3：半导体激光器能带结构和光增益的量子理论（下册）》这本书充满了兴趣。书名中的“量子理论”几个字，就意味着这本书将带领我深入到半导体激光器最微观、最本质的层面去理解其工作原理。我非常期待书中能够详细介绍半导体材料的能带结构，例如，如何理解价带、导带和禁带的形成，以及它们之间的能量关系。我希望书中能够用清晰的语言和图示，解释电子和空穴在这些能带中的行为，以及它们如何影响材料的光学特性。对于“光增益”，我希望书中能够深入阐述其量子力学基础，比如，受激辐射是如何发生的，以及为什么特定的能带结构和载流子浓度能够实现光放大。我尤其希望书中能够解释不同类型的半导体材料，例如直接带隙和间接带隙材料，在能带结构和光增益方面存在的差异，以及这些差异如何影响激光器的设计和性能。这本书在我眼中，是一扇通往更深层理解半导体激光器奥秘的大门，我渴望通过它，获得更具启发性的知识。

评分☆☆☆☆☆

对于像我这样，已经在半导体激光器领域有所涉猎的研究者来说，一本深入探讨其量子理论基础的著作，无疑是雪中送炭。我一直觉得，过去的学习和工作中，虽然能够掌握一些工程上的设计技巧，但对于更深层次的物理原理，总觉得隔靴搔痒。《半导体激光器设计理论3：半导体激光器能带结构和光增益的量子理论（下册）》这个书名，精准地命中了我的需求。我非常期待书中能够详细阐述量子力学如何解释半导体材料中电子和空穴的能级分布，以及这些能级如何形成复杂的能带结构，包括价带、导带和禁带的形成过程。更重要的是，我希望书中能够详细剖析光增益的量子起源，比如如何通过费米黄金定则等量子力学原理来描述辐射跃迁的概率，以及如何理解电子-空穴对的相干行为对光增益的影响。我尤其关心书中是否会涉及激射条件和增益谱的计算方法，以及不同材料体系（如量子阱、量子点）的量子限制效应如何改变其能带结构和光增益特性。这本书，在我看来，是一本能够帮助我将工程实践与基础理论紧密联系起来的桥梁，我希望它能为我的研究提供新的视角和更深的洞见。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名就吸引了我，因为我一直在寻找能够深入理解半导体激光器工作原理的权威著作。《半导体激光器设计理论3：半导体激光器能带结构和光增益的量子理论（下册）》这个标题，精确地指出了我一直以来想要深入了解的核心内容。我希望这本书能够非常细致地解释半导体材料的能带结构是如何形成的，包括原子轨道如何形成分子轨道，以及在晶体中如何进一步形成连续的能带。我特别想知道书中是如何从量子力学的角度来描述电子和空穴在这些能带中的运动和分布的，以及费米能级在其中扮演的角色。另外，关于“光增益”，我希望书中能够详细阐述其背后的量子物理机制，例如，是如何理解受激辐射过程的，以及为什么特定的能带结构和载流子分布能够产生净的光增益。我期望书中能够提供清晰的数学模型和推导过程，让我能够理解光子与电子-空穴对的相互作用是如何发生的，以及如何通过材料设计和泵浦机制来优化这一过程。这本书对我来说，是一次深入探索半导体激光器“灵魂”的旅程，我希望它能给我带来最本质的理解。

评分☆☆☆☆☆

翻开这本书，扑面而来的是一种沉静而深刻的知识氛围。书名中的“量子理论”几个字，就足以让人感受到其学术的厚重感。我一直觉得，要真正掌握一门技术，尤其是像半导体激光器这样涉及微观物理原理的领域，就必须深入到最根本的理论层面。这本书显然正是朝着这个方向深入挖掘。我特别好奇书中会如何系统地介绍半导体能带结构的形成，包括不同晶体结构、晶格常数以及掺杂浓度对能带的影响。而“光增益”作为激光器工作的核心，书中必然会详细阐述其量子力学机制，比如吸收、自发辐射和受激辐射等过程是如何在半导体材料中发生的。我希望书中能提供丰富的数学推导和物理模型，让我能够理解这些过程的定量描述，并且能够通过这些模型来预测和设计具有特定增益特性的激光器。此外，我也对书中可能涉及的激发机制，例如电注入和光激发，以及它们如何影响能带中的载流子分布和光增益，充满期待。这本书在我看来，是一部关于半导体激光器“心脏”的解剖学著作，我迫不及待地想去了解它的每一个跳动节律。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计简洁而大气，书名《半导体激光器设计理论3：半导体激光器能带结构和光增益的量子理论（下册）》透着一股严谨的学术气息，让我对内容充满了期待。作为一名对半导体激光器领域充满好奇的初学者，我尤其关注那些能够帮助我建立扎实理论基础的著作。这本书的标题明确指向了其核心内容，即量子理论在理解能带结构和光增益方面的应用，这正是目前我知识体系中的薄弱环节。我希望这本书能够以一种清晰易懂的方式，将复杂的量子力学概念与半导体激光器的实际工作原理相结合，让我能够真正理解“为什么”以及“如何”实现光生。例如，书中关于电子-空穴对的产生与复合机制，以及它们如何在能带结构中扮演关键角色，是我想深入了解的部分。我也非常期待书中能够阐述不同半导体材料体系，比如III-V族化合物半导体和II-VI族化合物半导体，在能带结构上的差异如何影响其光增益特性，以及如何通过材料选择和结构设计来优化激光器的性能。总而言之，这本书在我眼中，是通往更深层次半导体激光器理解的一扇大门，我渴望通过它，获得更专业、更系统化的知识，为未来的学习和研究打下坚实的基础。