半导体激光器速率方程理论（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
• 速率方程
• 激光物理
• 光电子学
• 半导体物理
• 激光器理论
• 半导体器件
• 物理学
• 光学
• 通信技术

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030478122

版次：1

商品编码：11930204

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：2016-04-01

用纸：胶版纸

页数：384

字数：484000

正文语种：中文

内容简介

　　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，从全局上揭示半导体激光器的激射阈值相变、模式的竞争、谱系结构等静态行为和激射延迟、过冲、振荡过渡等瞬态行为，大小信号调制的方式方法及其速率、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、量子点等量子低维结构中的捕获和逃逸等动力学行为及其物理机制。其任务是挖掘激光器件的潜能，发现和提出可能的新器件或新性能新应用，提出优化器件现有性能等的器件设计方案。
　　《半导体激光器速率方程理论（上册）》论述既重基础又涉前沿，既重物理概念又重推导编程演算，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教材、参考书或自修读物。

内页插图

目录

第1章 异质结构的能带图及其电流机制
引论
1．1 突变异质结的耗尽区近似理论
1．1．1 基本模型和规律
1．1．2 费米能级
1．1．3 异型异质结准费米能级随空间位置的变化和电流密度
1．1．4 能带边的弯曲和能带图的绘制
1．2 缓变和突变同型异质结
1．2．1 缓变同型异质结的理论
1．2．2 泊松方程的数值解法——弛豫法
1．2．3 突变同型双异质结的精确计算
1．2．4 关于欧哈姆_米纳斯理论的讨论
1．3 突变同型异质结的库莫理论
1．3．1 n-N同型异质结
1．3．2 对有电流情况的推广
1．4 同型异质结电流
1．4．1 热电子发射模型
1．4．2 热发射理论推广到半导体情况
1．4．3 扩散一漂移理论对同型异质结的推广
1．4．4 数值结果和讨论

第2章 速率方程组的建立及其静态行为
2．1 微观唯象理论的基本方程
2．1．1 载流子的连续方程和双极性扩散方程
2．1．2 电子和光子的耦合速率方程组
2．1．3 光限制因子的全量子理论
2．2 单模半导体激光器的静态行为和阈值条件
2．2．1 归一化表述
2．2．2 阈值行为和阈值电流密度的定义
2．3 半导体激光器在光模注入下的静态行为
2．3．1 光模注入的作用——有电流注入和光模注入的速率方程组
2．3．2 半导体激光器在电流和单模光子流注入下的静态行为
2．3．3 数值结果和讨论
2．4 半导体激光器的多模行为
2．4．1 从光波在光腔中传播谐振过程到半导体激光器的激射条件
2．4．2 多模行为的速率方程理论
2．4．3 总模描述一一总模增益与总模速率方程组
2．4．4 单模化速率方程组
2．4．5 阈值的技术定义和自发发射因子的测定

第3章 半导体激光器的动力学行为概述
3．1 结型器件延迟过程的理论
3．1．1 注入延迟
3．1．2 半导体激光器的激射延迟
3．1．3 数字（脉码）信号及其图形效应
3．2 单模半导体激光器的激光过冲及其抑制
3．2．1 激光过冲方程的建立
3．2．2 激光过冲方程的解析解
3．2．3 激光过冲的抑制
3．2．4 单模半导体激光器光模阶跃注入的瞬态过程
3．3 张弛振荡过程
3．3．1 定性理论
3．3．2 多模半导体激光器的瞬态过程
3．4 多模半导体激光器中光注入的锁模作用
3．4．1 注入光锁模现象及其过程的基本方程
3．4．2 增益谱的作用及其模型的改进
3．4．3 分模自发发射因子的波谱模型
3．4．4 超速超短相位锁模激光脉冲

前言/序言

《半导体激光器速率方程理论（上册）》内容概述 本书是“半导体激光器速率方程理论”系列丛书的上册，旨在系统、深入地阐述半导体激光器速率方程的理论基础、推导方法及其在理解和分析激光器工作特性中的核心作用。上册内容聚焦于速率方程的建立、基本理论框架的构建，以及分析激光器静态性能的关键要素。全书以严谨的物理概念为指导，以清晰的数学推导为工具，力求为读者构建一个扎实而全面的理论认识。 第一章：引言与基础概念 本章首先简要回顾了激光器发展史上的重要里程碑，并明确了半导体激光器在光电子技术领域不可替代的地位。随后，详细介绍了半导体材料的能带结构、载流子（电子和空穴）的概念及其在半导体中的行为。重点阐述了不同类型的半导体材料（如直接带隙和间接带隙材料）的特性，以及它们为何成为激光器的理想选择。 接着，引入了激光增益的基本概念，解释了受激发射、自发辐射和吸收这三种光与物质相互作用的基本过程。对粒子数反转的概念进行了深入剖析，强调了它是实现激光振荡的必要条件。同时，讨论了光子在半导体材料中的传播以及与材料的相互作用，为后续的速率方程推导奠定基础。 第二章：速率方程的物理基础 本章深入探讨了速率方程的物理根源。首先，从统计力学的角度出发，引入了载流子守恒定律和光子守恒定律，这是构建速率方程的基本框架。详细分析了影响载流子数量和光子数量的各种物理过程，包括载流子注入（注入电流）、载流子复合（辐射复合和非辐射复合）、光子产生（受激发射）以及光子损耗（吸收、散射和输出）。 重点阐述了辐射复合过程，包括其与材料的性质、载流子浓度以及温度的关系。分析了导致激光效率降低的非辐射复合机制，如俄歇复合和陷阱辅助复合，并对其影响进行了量化分析。 随后，引入了量子效率的概念，将其分解为内量子效率和外量子效率，并解释了这两个效率与上述复合过程的内在联系。这是理解激光器能量转换效率的关键。 第三章：载流子速率方程 本章是速率方程理论的核心部分，专注于载流子速率方程的推导与分析。首先，以一个简化的模型为起点，引入了体内的载流子浓度随时间的变化率，将其与载流子注入和复合过程联系起来。 详细推导了适用于不同结构半导体激光器的载流子速率方程。对于简单的均匀增益区域模型，方程形式较为直观。随后，进一步考虑了非均匀增益区域、多量子阱（MQW）结构等更复杂的激光器结构，推导了相应的载流子速率方程。特别强调了载流子在MQW结构中的量子限制效应，以及其如何影响载流子动力学。 讨论了载流子注入效率，并解释了注入电流如何转化为激励载流子。分析了载流子复合的各种速率，并将其纳入载流子速率方程的表达式中。 第四章：光子速率方程 本章聚焦于光子速率方程的推导与分析，与载流子速率方程相辅相成。首先，从光子在谐振腔内的产生和损耗出发，引入了光子密度随时间的变化率。 详细推导了适用于不同激光器结构的增益项和损耗项。增益项与载流子浓度以及材料的激发性质密切相关，而损耗项则包括了腔内吸收、散射以及通过反射镜的光子输出。 引入了光子寿命的概念，并解释了其与腔损耗的关系。详细讨论了腔损耗的不同来源，以及它们如何影响激光器的阈值特性和输出功率。 第五章：耦合速率方程与激光器阈值分析 本章将载流子速率方程和光子速率方程耦合起来，形成描述半导体激光器动态行为的完整速率方程组。首先，解释了载流子动力学和光子动力学之间的相互耦合机制：载流子浓度的变化影响增益，进而影响光子产生速率；而光子密度的变化则通过受激发射影响载流子复合速率。 重点分析了半导体激光器的阈值现象。通过对耦合速率方程进行稳态分析，推导了激光器的阈值电流密度。详细阐述了阈值电流的物理意义，以及它与材料参数、结构参数以及光子损耗的关联。 讨论了亚阈值、阈值和超阈值状态下激光器的行为差异。在亚阈值状态下，受激发射微弱，激光器主要表现为LED特性；在阈值附近，受激发射开始显著增长，激光功率急剧上升；超阈值状态下，激光器进入稳定的振荡模式。 第六章：激光器静态性能分析 本章利用上册推导的速率方程，对半导体激光器的静态性能进行深入分析。 输出功率-注入电流（L-I）特性曲线： 详细分析了L-I曲线的形状，包括亚阈值区域、阈值区域和线性区域。解释了斜率效率的概念，并探讨了影响斜率效率的各种因素，如内量子效率、外量子效率、阈值电流以及腔损耗。 微分量子效率： 介绍了微分量子效率的概念，并将其与L-I曲线的斜率联系起来。 阈值电流的温度依赖性： 深入分析了温度对阈值电流的影响，解释了俄歇复合等温度敏感过程如何导致阈值电流随温度升高而增加。 光束质量与输出特性： 简要讨论了速率方程如何间接影响激光器的光束质量，例如模式竞争和光束发散角等，虽然详细的光束传播分析可能在后续章节中展开。 不同结构激光器的静态性能比较： 简要探讨了不同结构（如DH结构、MQW结构）的激光器在静态性能上的差异，并说明速率方程理论如何解释这些差异。 总结与展望 上册内容为理解半导体激光器的动态行为奠定了坚实的理论基础。通过对速率方程的深入推导和分析，读者能够掌握半导体激光器产生激光的内在机制，理解其关键工作参数的物理含义，并能够通过理论模型预测和优化激光器的静态性能。本书的上册为后续关于动态特性、调制响应、噪声特性等更复杂主题的研究提供了必要的知识储备。 本书的编写风格力求严谨而不失逻辑性，数学推导清晰易懂，并辅以必要的物理图像解释，旨在帮助不同背景的读者（包括研究生、研究人员和工程技术人员）深入理解半导体激光器速率方程理论。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书，我感觉自己仿佛经历了一场思维的洗礼。作者的文字功底深厚，将那些原本枯燥的物理概念描述得生动有趣，让我对半导体激光器的内部机制有了全新的认识。我尤其被书中对于不同模型和近似方法的讨论所吸引，它不仅展示了理论研究的严谨性，也体现了作者在实际应用中的考量。书中对各种参数的敏感性分析，以及如何通过调整参数来优化激光器的性能，都给了我很多启发。我尝试着去理解那些复杂的微分方程，虽然有些地方对我来说还有些挑战，但作者详尽的解释和丰富的例子，让我能够逐步攻克难关。这本书更像是一位经验丰富的导师，耐心地引导着我，让我看到理论的深度和广度。它不仅仅是一本教材，更像是一部关于科学探索的史诗，让我感受到了前沿科技的魅力所在。我迫不及待地想看看下册会带来哪些更精彩的内容，相信一定会让我收获更多。

评分☆☆☆☆☆

我非常享受阅读这本书的过程，它给我带来了很多新的视角和思考。作者在讲解速率方程的理论时，将复杂的物理过程分解得清晰明了，让我在理解上少走了很多弯路。我尤其喜欢书中对于不同激光器结构和工作模式下速率方程差异的探讨，这让我看到了理论的普适性和特异性。书中对各种参数的物理意义进行了深入的剖析，让我能够更直观地理解这些参数如何影响激光器的输出特性。我反复琢磨书中关于噪声和调制响应的章节，这对于我理解实际激光器的性能至关重要。总的来说，这本书的设计非常人性化，既有严谨的理论支撑，又不乏生动的讲解和启发性的思考。它为我打开了通往半导体激光器世界的大门，让我对这个领域产生了浓厚的兴趣，并渴望进一步探索。

评分☆☆☆☆☆

这本书的阅读体验，可以说是一次充满挑战但也收获颇丰的旅程。作者以一种极其严谨的学术态度，剖析了半导体激光器速率方程的方方面面。我从书中体会到了理论研究的逻辑严密性和推导过程的精巧。特别是在讨论各种非线性效应时，我被作者对于复杂物理现象的深入洞察力所折服。书中对稳态和动态过程的详细讲解，让我对激光器的稳定性、模式竞争以及啁啾效应等有了更清晰的认识。虽然某些章节的数学推导对于我这个非专业背景的读者来说，存在一定的理解难度，但我依然被书中展现出的科学严谨性和知识的深度所吸引。它迫使我去思考，去学习，去拓展自己的知识边界。这本书不仅仅是关于公式和理论，更是关于如何运用数学语言去描绘和理解物理世界的智慧结晶。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的感觉是，作者在编撰过程中倾注了极大的心血，对半导体激光器的速率方程理论进行了系统而深入的阐述。我特别欣赏书中对于模型假设的清晰界定，以及对各个近似条件下理论结果的分析。这使得读者在应用这些理论时，能够清楚地认识到其适用范围和局限性。书中对各种物理过程的细致描绘，从载流子动力学到光子产生和传播，都展现了作者深厚的专业功底。我反复研读了关于稳态和瞬态行为的章节，对于理解激光器的动态特性有了更深刻的理解。书中的数学推导严谨而又不失清晰，即使是对于初学者，也能够通过细致的阅读，逐步掌握其中的精髓。总而言之，这是一本极具学术价值的著作，对于任何想要深入研究半导体激光器理论的研究者和工程师来说，都是一本不可或缺的参考书。

评分☆☆☆☆☆

这本书我前前后后翻了好几遍，虽然我不是这个领域的专业人士，但光是目录和一些章节的标题就足够让我感到惊叹。它深入浅出地探讨了速率方程的精妙之处，让我这个初学者也能窥见其中复杂的数学模型如何被用来描述激光器的行为。作者在理论推导上极其严谨，每一个公式的引入都清晰明了，仿佛为我打开了一扇通往微观世界的大门，让我看到了那些肉眼无法捕捉的电子和光子是如何协同作用，最终成就了激光的诞生。书中的插图也恰到好处，帮助我更好地理解那些抽象的概念。虽然上册侧重于理论基础，但它所奠定的扎实根基，让我对接下来的内容充满了期待。我尤其欣赏作者在讲解时那种循序渐进的逻辑，没有一步到位的生搬硬套，而是层层递进，让我在不知不觉中掌握了那些看似高深的知识。对于想要深入了解半导体激光器工作原理的读者来说，这本书无疑是一部不可多得的宝典，即使是初学者，也能从中受益匪浅，感受到理论的魅力。