半導體激光器設計理論3：半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論（下冊） 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
• 半導體物理
• 能帶結構
• 光增益
• 量子理論
• 激光物理
• 材料科學
• 電子工程
• 光學
• 半導體器件

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030473806

版次：1

商品編碼：11900169

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：2016-03-01

用紙：膠版紙

頁數：399

字數：510000

正文語種：中文

內容簡介

　　量子理論是研究半導體激光器中：①體半導體、量子阱、量子綫、量子點等增益介質的電子能譜結構，及其②電子與輻射光場的相互作用，包括光的産生、吸收、放大和散射等涉及不同能帶之間、能帶以內不同子帶或各種晶格缺陷和雜質能級之間的光躍遷和非光躍遷、帶內散射和弛豫等決定半導體激光器涉及光電性能的重要量子行為。其中①和②分彆用單電子近似理論和半經典理論處理。任務是研究對半導體激光器的激射閾值、激光功率、調製速率、器件結構和激光波段等的設計都有根本意義的激光材料光增益譜結構和激光量子效率等。
　　《半導體激光器設計理論3：半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論（下冊）》論述既重基礎又涉前沿，既重物理概念又重推導編程演算，書末對全量子理論也有簡要的介紹。
　　《半導體激光器設計理論3：半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論（下冊）》適閤有關專業的研究人員和教師、研究生、大學高年級本科生、作為專業課本、參考書或自修提高的讀物。

內頁插圖

目錄

總序

第2章 半導體能帶之間的躍遷
2．3 光躍遷的量子力學
2．3．3 連續能態在能級躍遷中的作用
2．3．4 帶內弛豫及其譜綫展寬
2．3．5 量子阱結構的帶間光躍遷譜
2．3．6 光躍遷動量矩陣元的計算
2．3．7 間接帶隙半導體的帶間光躍遷
2．3．8 與雜質有關的光躍遷一無七選擇定則
2．3．9 能帶的非拋物性及其影響
2．3．10 多體相互作用的能帶隙重整化
2．3．11 量子阱中的能帶混閤效應及其影響
2．3．12 大應變對增益的影響
2．3．13 應變程度的極限
2．3．14 量子阱微分增益及其作用
2．3．15 摺射率（勢壘）漸變分彆限製量子阱的增益
2．3．16 量子阱激光器的激射閾值
2．4 溫度對閾值的影響——％問題
2．4．1 總論
2．4．2 俄歇復閤過程的量子理論
2．4．3 價帶間光吸收過程
2．4．4 溫度對光增益譜的影響
2．4．5 數值結果與討論．

第3章 半導體帶內能態之間的躍遷和量子光學
3．1 量子阱中的子帶間光躍遷
3．1．1 子帶間光吸收
3．1．2 子帶間光發射
3．1．3 QCL能譜和波函數設計
3．2 量子阱中電子子帶能級的壽命時間
3．2．1 決定能級壽命的散射過程
3．2．2 量子阱結構中載流子的非平衡收集過程
3．3 輻射的全量子理論和半經典理論的極限
3．3．1 輻射及其波粒二重性
3．3．2 輻射場的量子化
3．3．3 輻射的吸收和發射
3．3．4 相乾函數
3．3．5 相乾態
3．3．6 半經典理論和量子電動力學
3．3．7 量子力學的基本公設、錶象與圖像

附錄A 數值計算分析的編程
A-1 函數值的計算分析和二維繪圖
A-2 方程求解、函數計算和繪圖
A-3 三維繪圖
附錄B 基本物理常數的數值和單位量綱

索引

前言/序言

　　任何激光器都由三個主要部分組成，一是增益材料、二是波導光腔、三是激發機製。半導體激光器的增益材料主要是直接帶隙半導體，包括高摺射率的體半導體和低維半導體（量子阱、量子綫、量子點），或低摺射率的摻餌（Er）Si02。摻餌Si3N4等；其波導光腔可由介電波導或等離子體波導構成，其激發機製可為光注入、pn結注入、或量子隧穿注入等。
　　1948年提齣半導體激光器的設想，1961年在理論上肯定瞭在半導體中實現粒子數反轉的可能性，並於1962年在發光二極管中偶然觀測到激光發射現象之後，製成同質結激光器。從此不斷為其提高工作壽命、降低閾值（首先是為瞭實現室溫連續工作）、控製激光模式、提高齣光功率、提高調製速率、提高工作溫度、拓寬激光波長範圍、微型化和集成化、以及某些特殊用途等的目標而迅速發展。
　　在半導體激光器的發展過程中，理論和實驗之間，或先或後、互相促進、共同得到重大發展，其中富有活力的設計理論，往往因其開創性和前瞻性，在思想上起著開路先鋒的作用，半導體激光器的設計理論大體可分為：工藝理論、速率方程理論、模式理論、和量子理論四個方麵：
　　（1）工藝理論在繼承傳統半導體工藝理論，例如，熔體拉晶、雜質擴散、離子注入、掩膜刻蝕、熔焊燒結等的基礎上，著重發展瞭液相外延、分子束外延、金屬有機氣相沉積外延生長、和自組織生長等化學熱力學和晶體生長動力學的設計理論，其任務是根據半導體激光器件的結構和性能要求，設計齣閤理可行的製作工藝方法、條件和流程。
　　（2）速率方程理論是從微觀唯象觀點，以唯象參數為工具，以粒子數守恒為依據的速率方程為分析手段的半導體激光器件物理理論，從全局上揭示瞭半導體激光器的激射閾值相變、多模之間的模式競爭、模式譜係結構等靜態行為，延遲、過衝、振蕩過渡等瞬態行為、調製方式方法及其速率、動態頻譜結構、動態單模化、光模注入鎖定、激光的雙穩態、自脈動、分叉、混沌、量子噪聲和譜綫展寬、載流子在量子阱、量子綫、量子點等低維結構中的捕獲和逃逸等動力學行為及其物理機製。所涉及的有關唯象參數的數值大小則由實驗估測，而其物理機製、內涵、導齣、和理論估算等，則由下述宏觀和微觀理論分彆解決和提供。其任務是挖掘器件的潛能，發現和提齣可能的新器件或新性能、提齣優化器件現有性能等的器件設計方案。
　　（3）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，因而量子場論和經典場論導齣基本上相同的結果，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激光模式結構和設計齣其閤理的波導光腔結構方案。
　　（4）量子理論是研究半導體激光器中體半導體、量子阱、量子綫、量子點等增益介質的電子能譜結構及其電子與輻射光場的相互作用，包括光的産生、吸收、放大和散射等涉及不同能帶之間、能帶以內不同子帶或各種晶格缺陷和雜質能級之間的光躍遷和非光躍遷、帶內散射和弛豫等決定半導體激光器涉及光電性能的重要量子行為。其處理所涉及的電子係統與光子係統相互作用的理論基礎或齣發點，有經典理論、半經典理論、全量子理論三個層次。經典理論是將電子的運動服從牛頓力學，光波及其與電子的相互作用服從經典場論，即麥剋斯韋方程組。這對眾多的電子與光波之間弱相互作用的摺射率現象和自發發射因子現象都可得齣相當成功的理論結果。半經典理論是將電子的運動服從量子力學，但對光波采用經典場論近似，即近似服從麥剋斯韋方程組。這在受激輻射和散射問題都獲得非常成功，但無法直接處理自發輻射問題，全量子理論是將電子和光子的運動皆統一服從量子力學，即將電磁輻射場量子化，這樣的量子場論與量子電動力學或量子電子學或光子學的差彆隻在一般可忽略相對論效應。至於光和非光躍遷所涉的增益介質中的電子能級則由半導體能帶的量子理論得齣。因此，現行的半導體激光器發光過程的理論大多是以半導體能帶結構理論和半經典光躍遷的量子理論為基礎，其任務是研究半導體激光材料的光增益和激光的量子效率，及其光增益譜結構，如增益譜的峰值增益及其相應的峰值能量和增益譜寬與半導體能帶結構的關係，以及影響增益的可能因素，提齣拓寬激光波段和提高激光增益的新材料及其受到增益介質的尺寸和維數的影響，這對半導體激光器的激射閾值、激光功率、調製速率、器件結構和激光波段等都有根本性的意義。

《量子半導體光電子學：能帶工程與非綫性光學》 內容簡介 本書是《量子半導體光電子學》係列中的關鍵一捲，深入探討瞭半導體材料在量子尺度下的能帶結構及其對光電特性産生的深刻影響，並在此基礎上，聚焦於非綫性光學效應在半導體器件設計中的應用。全書以嚴謹的理論分析為基石，輔以豐富的例證和模型，旨在為讀者提供一套係統而前沿的量子半導體光電子學理論框架，特彆關注材料工程與器件性能的協同優化。 第一部分：能帶工程的量子基石 本部分將從量子力學的基本原理齣發，層層遞進地剖析半導體材料的能帶結構。我們將首先迴顧晶體結構與布裏淵區的概念，介紹周期性勢場下電子波函數的形式，並引齣Bloch定理。在此基礎上，我們將詳細闡述不同半導體材料（如GaAs、InP、GaN及其閤金）的電子結構特性，包括價帶、導帶、帶隙能量以及各能帶的色散關係。 第一章：晶體對稱性與電子態 介紹點群和空間群理論在描述晶體對稱性中的作用。 討論晶體勢場對電子能量的影響，以及電子波函數的空間對稱性。 深入理解Bloch定理的物理意義，以及晶格動量和能量本徵態的概念。 第二章：半導體能帶理論 介紹有效質量近似及其在描述電子動力學中的重要性。 分析直接帶隙和間接帶隙半導體的能帶形狀差異，以及它們對光躍遷概率的影響。 討論價帶頂的簡並度（如重空穴、輕空穴、劈裂空穴）及其在電學和光學性質中的體現。 介紹 Wannier函數和Bloch函數的相互關係，以及它們在描述局域化與離域化電子態上的應用。 第三章：量子限製效應與低維結構 深入闡述量子阱（Quantum Well, QW）的能帶結構，包括其形成條件、阱的深度和寬度對能級離散化的影響。 分析量子綫（Quantum Wire, QWR）和量子點（Quantum Dot, QD）的量子限製效應，討論其準一維和零維能級結構。 介紹周期性勢場（如超晶格）的能帶工程，包括能帶摺疊、能隙形成以及其在光電探測器和激光器中的潛在應用。 討論錶麵和界麵效應在低維結構中的作用，例如錶麵態、界麵散射等。 第四章：應變工程對能帶結構的影響 詳細分析晶格失配誘導的應力及其在半導體薄膜中的分布。 討論雙軸應變、單軸應變對價帶和導帶頂能級的影響，包括能級劈裂和能量移動。 介紹如何通過應變工程來調控帶隙能量、載流子有效質量以及載流子遷移率，以優化器件性能。 舉例說明應變工程在高性能晶體管和光電器件設計中的成功應用。 第二部分：非綫性光學效應與半導體器件 本部分將聚焦於半導體材料中的非綫性光學現象，並探討這些現象如何被用於設計和優化各種光電子器件。我們將從基本的非綫性光學理論齣發，深入分析其在半導體體係中的具體錶現，並結閤現代器件設計理念，揭示其潛在的應用價值。 第五章：非綫性光學基礎理論 介紹宏觀和微觀的非綫性光學理論。 定義非綫性極化率張量，並解釋其與材料微觀結構的關係。 詳細介紹二次諧波産生（Second Harmonic Generation, SHG）、三次諧波産生（Third Harmonic Generation, THG）以及光學剋爾效應（Optical Kerr Effect）等基本非綫性現象。 討論非綫性光學現象的強度依賴性，以及高強度激光與半導體材料相互作用的物理過程。 第六章：半導體中的非綫性光學效應 分析半導體材料中由自由載流子引起的非綫性效應，如自由載流子吸收（Free Carrier Absorption, FCA）和自由載流子散射（Free Carrier Scattering）。 深入研究通過能帶結構産生的非綫性效應，包括電場誘導的電緻伸縮效應（Electro-Optic Effect）、電緻吸收效應（Electro-Absorption Effect）以及二次諧波産生。 討論等離子體共振（Plasma Resonance）引起的非綫性光學效應，以及其在納米結構中的應用。 介紹相乾布拉格反射（Coherent Bragg Diffraction, CBD）等復雜的非綫性光學現象在半導體材料中的體現。 第七章：光縴通信中的非綫性效應 探討光縴材料（如摻雜石英）中的非綫性效應，特彆是其對高速率、長距離光信號傳輸的影響。 分析自相位調製（Self-Phase Modulation, SPM）、交叉相位調製（Cross-Phase Modulation, XPM）和四波混頻（Four-Wave Mixing, FWM）等非綫性效應在光信號失真和串擾中的作用。 介紹非綫性效應的抑製和利用策略，例如使用新型光縴材料、優化信號編碼格式等。 討論光放大器（如摻鉺光縴放大器）中非綫性效應的優化設計。 第八章：有機半導體與柔性電子器件的非綫性光學 介紹有機半導體材料的分子結構特點及其對非綫性光學性質的影響。 討論有機染料、共軛聚閤物等材料在非綫性光學器件中的應用，如光學開關、頻率轉換器等。 分析柔性電子器件在彎麯、拉伸等形變下可能産生的非綫性光學行為。 探索新型有機半導體材料的設計原則，以實現更優異的非綫性光學性能。 第九章：新型半導體器件中的非綫性光學應用 深入研究受激布裏淵散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS）和受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）在光縴激光器、光參量放大器（Optical Parametric Amplifier, OPA）等器件中的應用。 探討高次諧波産生（Higher Harmonic Generation, HHG）在超快激光技術和阿秒脈衝産生中的應用。 分析光誘導的摺射率變化在光存儲、光調製等領域的應用潛力。 介紹基於非綫性光學效應的傳感技術，以及其在環境監測、生物醫學等領域的應用前景。 本書的讀者對象為從事半導體物理、光電子學、材料科學、量子光學、以及相關工程領域的科研人員、研究生和高級本科生。通過學習本書，讀者將能夠深刻理解半導體材料的量子力學本質，掌握能帶工程的理論工具，並能夠運用非綫性光學原理設計和優化下一代光電器件。本書強調理論與實踐的結閤，為讀者在快速發展的量子半導體光電子學領域提供堅實的理論基礎和創新的思維啓迪。

評分☆☆☆☆☆

對於像我這樣，已經在半導體激光器領域有所涉獵的研究者來說，一本深入探討其量子理論基礎的著作，無疑是雪中送炭。我一直覺得，過去的學習和工作中，雖然能夠掌握一些工程上的設計技巧，但對於更深層次的物理原理，總覺得隔靴搔癢。《半導體激光器設計理論3：半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論（下冊）》這個書名，精準地命中瞭我的需求。我非常期待書中能夠詳細闡述量子力學如何解釋半導體材料中電子和空穴的能級分布，以及這些能級如何形成復雜的能帶結構，包括價帶、導帶和禁帶的形成過程。更重要的是，我希望書中能夠詳細剖析光增益的量子起源，比如如何通過費米黃金定則等量子力學原理來描述輻射躍遷的概率，以及如何理解電子-空穴對的相乾行為對光增益的影響。我尤其關心書中是否會涉及激射條件和增益譜的計算方法，以及不同材料體係（如量子阱、量子點）的量子限製效應如何改變其能帶結構和光增益特性。這本書，在我看來，是一本能夠幫助我將工程實踐與基礎理論緊密聯係起來的橋梁，我希望它能為我的研究提供新的視角和更深的洞見。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計簡潔而大氣，書名《半導體激光器設計理論3：半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論（下冊）》透著一股嚴謹的學術氣息，讓我對內容充滿瞭期待。作為一名對半導體激光器領域充滿好奇的初學者，我尤其關注那些能夠幫助我建立紮實理論基礎的著作。這本書的標題明確指嚮瞭其核心內容，即量子理論在理解能帶結構和光增益方麵的應用，這正是目前我知識體係中的薄弱環節。我希望這本書能夠以一種清晰易懂的方式，將復雜的量子力學概念與半導體激光器的實際工作原理相結閤，讓我能夠真正理解“為什麼”以及“如何”實現光生。例如，書中關於電子-空穴對的産生與復閤機製，以及它們如何在能帶結構中扮演關鍵角色，是我想深入瞭解的部分。我也非常期待書中能夠闡述不同半導體材料體係，比如III-V族化閤物半導體和II-VI族化閤物半導體，在能帶結構上的差異如何影響其光增益特性，以及如何通過材料選擇和結構設計來優化激光器的性能。總而言之，這本書在我眼中，是通往更深層次半導體激光器理解的一扇大門，我渴望通過它，獲得更專業、更係統化的知識，為未來的學習和研究打下堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

這本書的書名就吸引瞭我，因為我一直在尋找能夠深入理解半導體激光器工作原理的權威著作。《半導體激光器設計理論3：半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論（下冊）》這個標題，精確地指齣瞭我一直以來想要深入瞭解的核心內容。我希望這本書能夠非常細緻地解釋半導體材料的能帶結構是如何形成的，包括原子軌道如何形成分子軌道，以及在晶體中如何進一步形成連續的能帶。我特彆想知道書中是如何從量子力學的角度來描述電子和空穴在這些能帶中的運動和分布的，以及費米能級在其中扮演的角色。另外，關於“光增益”，我希望書中能夠詳細闡述其背後的量子物理機製，例如，是如何理解受激輻射過程的，以及為什麼特定的能帶結構和載流子分布能夠産生淨的光增益。我期望書中能夠提供清晰的數學模型和推導過程，讓我能夠理解光子與電子-空穴對的相互作用是如何發生的，以及如何通過材料設計和泵浦機製來優化這一過程。這本書對我來說，是一次深入探索半導體激光器“靈魂”的旅程，我希望它能給我帶來最本質的理解。

評分☆☆☆☆☆

翻開這本書，撲麵而來的是一種沉靜而深刻的知識氛圍。書名中的“量子理論”幾個字，就足以讓人感受到其學術的厚重感。我一直覺得，要真正掌握一門技術，尤其是像半導體激光器這樣涉及微觀物理原理的領域，就必須深入到最根本的理論層麵。這本書顯然正是朝著這個方嚮深入挖掘。我特彆好奇書中會如何係統地介紹半導體能帶結構的形成，包括不同晶體結構、晶格常數以及摻雜濃度對能帶的影響。而“光增益”作為激光器工作的核心，書中必然會詳細闡述其量子力學機製，比如吸收、自發輻射和受激輻射等過程是如何在半導體材料中發生的。我希望書中能提供豐富的數學推導和物理模型，讓我能夠理解這些過程的定量描述，並且能夠通過這些模型來預測和設計具有特定增益特性的激光器。此外，我也對書中可能涉及的激發機製，例如電注入和光激發，以及它們如何影響能帶中的載流子分布和光增益，充滿期待。這本書在我看來，是一部關於半導體激光器“心髒”的解剖學著作，我迫不及待地想去瞭解它的每一個跳動節律。

評分☆☆☆☆☆

作為一名渴望拓展知識邊界的半導體技術愛好者，我對《半導體激光器設計理論3：半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論（下冊）》這本書充滿瞭興趣。書名中的“量子理論”幾個字，就意味著這本書將帶領我深入到半導體激光器最微觀、最本質的層麵去理解其工作原理。我非常期待書中能夠詳細介紹半導體材料的能帶結構，例如，如何理解價帶、導帶和禁帶的形成，以及它們之間的能量關係。我希望書中能夠用清晰的語言和圖示，解釋電子和空穴在這些能帶中的行為，以及它們如何影響材料的光學特性。對於“光增益”，我希望書中能夠深入闡述其量子力學基礎，比如，受激輻射是如何發生的，以及為什麼特定的能帶結構和載流子濃度能夠實現光放大。我尤其希望書中能夠解釋不同類型的半導體材料，例如直接帶隙和間接帶隙材料，在能帶結構和光增益方麵存在的差異，以及這些差異如何影響激光器的設計和性能。這本書在我眼中，是一扇通往更深層理解半導體激光器奧秘的大門，我渴望通過它，獲得更具啓發性的知識。