具体描述
基本信息
书名：光泵浦外腔面发射激光器——理论、实验及应用
定价：79.0元
作者：张鹏
出版社：科学出版社
出版日期：2015-06-01
ISBN：9787030442888
字数：569000
页码：
版次：1
装帧：平装
开本：16开
商品重量：0.4kg
编辑推荐
《光泵浦外腔面发射激光器:理论、实验及应用》可供从事激光器件研究和应用开发的科技人员，以及光学工程相关专业研究生参考。
内容提要
光泵浦外腔面发射激光器（VECSEL）是近年来兴起的一种新型激光器件，它综合了边发射型半导体激光器、垂直腔面发射半导体激光器及光泵浦固体薄片激光器的优点，能同时获得高输出功率、高光束质量以及从可见光到红外波段可设计的波长。《光泵浦外腔面发射激光器:理论、实验及应用》主要介绍增益理论、量子设计、热管理等与VECSEL相关的基本理论，高功率、倍频、锁模、可调谐等VECSEL实验研究的研究方法、研究趋势和研究前沿，以及VECSEL在激光显示、激光光谱学、自由空间通信、军事科学、生命科学等领域的主要应用。
目录
作者介绍
文摘
'章简介
1.1半导体激光器
1.1.1激光的问世
激光（light amplification by stimulated emission of radiation，laser）与原子能、计算机、半导体并称为20世纪四大发明，其理论基础需要追溯到1900年普朗克（M.Planck）提出的量子假说。1905年，爱因斯坦（A.Einstein）在普朗克量子假说的基础上提出光子说，很好地解释了光电效应现象。1917年，爱因斯坦进一步提出光与物质相互作用理论，建立了受激辐射等基本概念，预测到光可以产生受激辐射放大。
1924年，托尔曼（R.C.Tolman）指出，产生粒子数反转的介质具有光学增益，这也是产生激光的基本条件之一。1953年，普罗科洛夫（A.M.Prokhorov）和汤斯（C.H.Townes）在微波段实现了受激辐射放大，分别独立报道了个微波受激辐射放大器（microwave amplification by stimulated emission of radiationmaser，MASER）。
把受激辐射放大从微波段推进到光频段的工作并不容易，因为要在光频段制作出与微波段类似的波长可比拟的封闭式谐振腔在当时几乎是不可能的。1958年，汤斯和肖洛（A.L.Schawlow）抛弃了尺度必须和波长可比拟的封闭式谐振腔的旧思路，提出利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔实现光频段受激辐射放大的想法。这期间，布隆伯根（N.Bloembergen）提出利用光泵浦三能级原子系统原子数反转分布来实现受激辐射光放大的构思。
1960年5月15日，美国休斯公司实验室的梅曼（T.H.Maiman）利用红宝石棒观察到激光。梅曼在7月7日正式演示了世界台红宝石固态激光器：利用一个高强度闪光灯管来激发红宝石棒，在端面镀上反光镜的红宝石的其中一个端面钻一个孔，使激光可以从这个孔输出。当年8月16日，他在Nature 发表了一个简短的快报，后来被汤斯评论为：梅曼的论文是如此之短而又产生了如此众多的巨大影响，以致我相信它是上个世纪Nature 发表的任何精彩论文中单个文字重要的论文。
激光被称为快的刀、准的尺、亮的光，它是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，一经问世，就获得了异乎寻常的飞速发展。激光的发展使古老的光学科学和光学技术获得了新生，使人们能有效地利用的先进方法和手段，获得空前的效益和成果，从而极大地促进了生产力的发展，也在程度上改变了人们的生产及生活方式。
1.1.2半导体激光器简介
半导体物理学的迅速发展及晶体管的发明，使科学家们早在20世纪50年代就设想发明半导体激光器。莫斯科列别捷夫物理研究所的巴索夫（N.G.Basov）提出建立不平衡量子系统的三能级方法，这种方法可放大受激辐射，并立即被应用于无线电微波段的量子振荡器和放大器上。1958年，巴索夫首先提出利用半导体制造激光器的可能性，后来实现了通过PN结、电子束和光泵激发的各种类型的半导体激光器。
在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（Kyes）和奎斯特（Qwest）报告了GaAs材料的发光现象，这引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）的极大兴趣。哈尔立即制定了研制半导体激光器的计划，数周后获得成功。
1962年9月，世界上的台半导体激光器几乎同时由通用电气公司、国际商用机器公司和麻省理工学院林肯实验室三个有威望的研究机构发明问世，三家机构各自在一个月内都报道了GaAs的904nm相干输出。
20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器，它是在一种材料上制作的PN结，只能在77K低温下以脉冲形式工作。1969年，单异质结激光器研制成功，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层所组成，其阈值电流密度数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。
1970年，贝尔实验室等机构相继研制出室温连续工作的双异质结激光器（DHL），其结构特点是在P型和N型材料之间生长了具有较窄能隙材料的一个薄层，因此注入的载流子被限制在该区域内，注入较少的电流就可以实现载流子数的反转。双异质结激光器的诞生使半导体激光器的可用波段不断拓宽，线宽和调谐性能逐步提高。而足够可靠的半导体激光器直到70年代中期才出现。
异质结激光器的发展，启发了人们将超薄的半导体层作为激光器的激活层，以便产生量子效应。在MBE、MOCVD等半导体外延生长技术的推动下，1978年出现了世界上只半导体量子阱激光器（QWL），它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能。量子阱半导体激光器与双异质结激光器相比，具有阈值电流低、输出功率高、频率响应好、光谱线宽窄、温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点。
从20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器，另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。分布反馈（DFB）式半导体激光器就是伴随光纤通信和集成光学回路的发展而出现的，它于1991年研制成功，完全实现了单纵模运行，在相干技术领域中又开辟了巨大的应用前景。在泵浦固体激光器等应用的推动下，高功率半导体激光器在20世纪90年代也取得了突破性进展，千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化。
典型的条形半导体激光器（也称二极管激光器或激光二极管，laser diode，LD）结构如图1.1所示［1］，自上而下，分别为P型接触、P掺杂的覆层、P掺杂的波导层、有源区、N掺杂的波导层、N掺杂的覆层以及N型接触。由于有源区的厚度只有数微米，而出光孔径的宽度在数十微米，所以半导体激光器的输出光束呈椭圆形，其纵横比差别很大。纵向（也称快轴方向）光束发散角大，但光束质量较好，容易准直，而横向（慢轴方向）光束发散角小，但光束质量较差，一般是多模，不容易准直。因此，在一些对光束质量有特殊要求的应用中，半导体激光器的输出光束需要经过专门的整形之后才能达到使用要求。
图1.2是半导体激光器的光学谐振腔的示意图。从已完成外延生长的半导体晶圆片上划分出来的芯片，在与生长平面垂直方向上的两个解理面，能对激光提供约30%的反射率，形成激光谐振腔。但这种自然形成的谐振腔损耗太大，而且实际应用中一般也只希望激光器的一端出光，所以往往在其中的一个端面进行高反镀膜处理，构成如图1.2所示的谐振腔［1］。
图1.1条形半导体二极管激光器示意图
图1.2激光二极管的光学谐振腔示意图
1.1.2.1半导体激光器的特点
与固体激光器、气体激光器等其他种类的激光器相比，半导体激光器（主要指电激励方式半导体激光器）由于其本身介质的特殊性，使得它具备以下一些特点［2］：
（1）体积小，重量轻。电激励型半导体激光器器件本身的大小都在1mm3以下，即使加上散热片和电源装置，一个封装完整的成品半导体激光器仍然是一个非常小的小型系统。
（2）可以电流注入激励。单个的半导体激光器只需要几伏的低电压，毫安级注入电流（典型值2V，15mA）便可达到激光器阈值，发射出激光。除电源装置以外，激光器不需要其他任何附加的激励设备和部件。因为是电功率直接变换成输出光功率，所以能量转换效率高，目前商用半导体激光器的电.光转换效率达60%以上，实验室可达70%，理论上的高效率可达85%。
（3）室温下可连续振荡。在室温附近的温度范围内，大多数半导体激光器都能够实现连续振荡，给实际应用带来极大的方便。
（4）波长范围广。适当地选择半导体材料及合金半导体内各材料的组分，利用成熟的半导体能带工程，半导体激光器可输出从可见光到红外波长范围内的任意波长。
（5）增益带宽宽。即使是一种固定材料的半导体激光器，能够得到光放大增益的波长范围也是比较宽的。因此在这个范围内可以任意选择发射波长，从而实现波长可调谐输出激光器，也能够实现宽带光放大器。
（6）可直接调制。因为可以电流注入激励，所以可以把信号叠加在半导体激光器的激励电流上，在直流到吉赫兹（GHz）波段的宽频范围内，对激光器的振荡强度、振荡频率或相位进行调制。
（7）相干性好。用单横模的半导体激光器可以得到空间上相干性很高的输出激光。在DFB，DBR半导体激光器中能产生亚兆赫兹（MHz）窄谱线宽度的激光输出，得到稳定的单纵模激光，其时间上的相干性也很高。
（8）能够产生超短激光脉冲。采用增益开关或锁模的方法，以简单的系统结构就能从半导体激光器中获得从纳秒（ns）到皮秒（ps）量级的超短激光脉冲。
（9）可靠性高。半导体激光器是单片形状，具有牢固的机械结构。另外，半导体激光器没有磨损等因素，所以不需要维修，故寿命长，可靠性高。
（10）可批量生产。由于是小型、层状结构，半导体激光器可以用光刻和平面工艺技术制作，适宜于大批量生产。
（11）可单片集成化。由于是小型层状结构，半导体激光器体积小、重量轻、可电流注入激励、可靠性高，所以能够把同种半导体激光器集成在同一衬底上，实现半导体激光器本身的集成。另外，半导体激光器的制造工艺与半导体电子器件和集成电路的生产工艺兼容，所以在同一衬底上，用相同的半导体材料又可以制成光探测器、光调制器和电子电路元件，实现半导体激光器与其他光子及电子器件的集成，得到单片集成的高性能器件。
必须注意到，半导体激光器同时也存在自身的缺点和问题。
（1）温度特性差。由于半导体材料的各种性质与温度密切相关，所以半导体激光器的工作特性与温度有显著关系，环境温度的变化会导致激光器输出频率、阈值电流以及输出功率等随之发生改变。
（2）容易产生噪声。半导体激光器是利用高浓度的载流子工作，所以载流子的起伏会影响有源区的折射率。另外，半导体激光器的谐振腔长度短，还采用了低反射率的端面作为反射镜，所以激光振荡容易受到外部返回光的影响。因此，半导体激光也容易产生噪声和不稳定性。
（3）输出光束发散。由于半导体激光器的激光输出端面尺度小且纵横比差别很大，激光输出时形成椭圆形的发散光束，光束质量较差。一些情况下，需要对光束进行整形才符合使用要求。
1.1.2.2半导体激光器的应用
半导体激光器是成熟较早、发展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，生产量大，应用范围广。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术，在激光通信、激光测距、激光雷达、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用。
信息光电子方面的应用：半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展。1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，到如今，它是当前光通信领域中发展快、为重要的激光光纤通信的重要光源。由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存储、光计算机外部设备的光耦合等方面有重要用途。一般长波长半导体激光器用于光通信，短波长半导体激光器则用于光盘读出，而可见光半导体激光器在用作彩色显示器光源、光存储的读出和写入、激光打印、激光印刷、高密度光盘存储系统、条码读出器等方面有着广泛的用途。半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展。可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信。
工业生产方面的应用：大功率半导体激光器在精密机械零件等激光加工方面有重要应用。现在，大功率半导体激光器的投资费用及运营成本已经比Nd：YAG激光器低很多，与CO2激光器相当，甚至更低，所以，大功率半导体激光器逐渐跻身工业应用中的切割和高速深度焊接领域，在汽车车身制造和电子元件的密封封装方面有越来越多的应用。其次，高功率半导体激光器在工件的表面淬火硬化、表面沉积耐磨层或耐磨层的修复、对静电敏感及温度敏感元件的软焊接以及聚合物的焊接等方面也存在很好的应用前景。
科学研究方面的应用：半导体激光器是固体激光器理想的高效率泵浦光源'
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序言
用户评价
作为一个对光学工程领域抱有濃厚興趣的业余爱好者，《RTDK 光泵浦外腔面发射激光器——理论、实验及应用》这个书名给我一种探索前沿科技的诱惑。我一直对半导体激光器很着迷，尤其是那些具有独特结构和工作原理的。面发射激光器（VCSEL）本身就因其低成本、易于二维集成等优点而备受关注，而“外腔”设计更是赋予了它提升光束质量和输出功率的潜力。加上“光泵浦”这种驱动方式，让我联想到其在能效和可调性上的可能优势。我尤其想了解“RTDK”究竟是什么，它是否代表了一种全新的设计理念或者优化方法，能够克服现有面发射激光器的一些瓶颈。在“理论”部分，我期望能看到关于其基本原理的深入剖析，例如光学谐振腔的模式特性、光泵浦的能量耦合效率、以及外腔对光束特性的影响机制。在“实验”部分，我希望作者能分享一些令人振奋的研究数据，展示这种激光器在实际测量中的各项指标，如光谱特性、远场光斑、以及动态响应。而“应用”部分，我则希望它能揭示这种技术在智能手机的3D传感、VR/AR设备、自动驾驶汽车的激光雷达、甚至是高速光通信等新兴领域的创新应用，让我能窥见未来的科技图景。
评分对于《RTDK 光泵浦外腔面发射激光器——理论、实验及应用》这本书，我更倾向于从一个实际应用者的角度来审视它。我目前的工作涉及高精度工业加工，而激光器是其中不可或缺的关键设备。目前市面上用于精密加工的激光器种类繁多，但总有一些环节存在提升空间，比如能量的稳定性、光束的聚焦性以及长期的可靠性。这本书的书名中“光泵浦”和“外腔面发射”这两个词，立刻勾起了我的兴趣。我很好奇，这种 RTDK（我猜它代表某种特定的技术规范或者优化方案）光泵浦外腔面发射激光器，是否能提供比我目前使用的激光器更优秀的性能指标？在“理论”部分，我希望能够快速了解这种激光器的核心优势，比如它如何实现高效率的光电转换，以及外腔结构如何改善光束质量。我更希望能直接跳到“实验”部分，看看在实际的测试中，它的输出功率稳定性如何？光束质量（例如M²因子）是否能达到我的加工需求？在“应用”部分，我期待能看到一些具体的行业案例，例如它在微纳加工、精密焊接、或者高分辨率打印等方面的成功应用，并且最好能提供一些关于如何将其集成到现有生产线中的指导性建议。如果书中能包含一些关于维护保养和故障排除的内容，那就更加完美了，这将直接关系到我日常生产的顺畅度。
评分这本书的名字听起来就挺有挑战性的，《RTDK 光泵浦外腔面发射激光器——理论、实验及应用》。我通常对一些比较前沿、偏理论性的科技书籍抱有很大兴趣，尤其是在光学领域。想象一下，外腔面发射激光器本身就充满了科技感，再结合光泵浦和RTDK这些专业术语，感觉这本书像是打开了通往激光技术深层奥秘的一扇门。我尤其好奇“RTDK”这个缩写到底代表着什么，它是否是作者提出的一个新概念，或者是一种特定的技术体系？书名中“理论、实验及应用”这三个关键词，预示着这本书不仅仅会讲解原理，还会包含实际的实验数据和案例，这对我来说非常重要。我希望作者能够深入浅出地讲解理论部分，让非专业背景但对该领域感兴趣的读者也能有所收获。实验部分我期待看到详细的实验设计、仪器搭建以及数据分析过程，这些往往是检验理论是否成立的关键。而应用部分，我希望能够了解到这种激光器在哪些领域发挥着重要作用，比如在通信、医疗、工业制造或者科研检测等方面，它有哪些独特的优势和解决方案。这本书的ISBN是9787030442888，我可以在一些图书网站上找到它，希望能早日一睹为快。
评分这本书《RTDK 光泵浦外腔面发射激光器——理论、实验及应用》，听起来像是为那些想要深入了解激光技术核心的人量身定制的。我通常喜欢那些能够帮助我理解“为什么”和“如何做”的书籍，尤其是在科研和技术开发领域。激光器，特别是面发射激光器，一直是光学和光电子领域的重要课题。我很好奇“RTDK”这个概念，它是否是一种全新的设计优化策略，能够显著提升光泵浦外腔面发射激光器的性能？我期待书中关于“理论”的部分能对我解释清楚其工作的基本原理，包括光泵浦的能量注入机制、外腔结构的腔模形成与选择、以及面发射输出的特性。我希望能看到严谨的数学推导和清晰的物理图像。在“实验”部分，我希望能看到实际的实验数据和结果，这能帮助我验证理论的有效性，并且了解在实际操作中会遇到哪些挑战，以及如何去解决。具体来说，我希望能看到关于不同材料体系、不同外腔结构、以及不同光泵浦方法的性能对比。而“应用”部分，我希望它能展示这种激光器在现实世界中的实际部署，例如在数据中心的高速光互连、在先进制造中的精密加工，或者在医疗诊断中的新型成像技术。我尤其关注它是否能提供一些关于器件设计、制造和测试的工程化细节，这将对我未来的研究和开发工作非常有帮助。
评分刚看到《RTDK 光泵浦外腔面发射激光器——理论、实验及应用》这本书的书名，脑海里就浮现出实验室里忙碌的场景。作为一名初入光电领域的研究生，我一直在寻找一本能够系统性梳理和深入探讨面发射激光器技术发展的书籍。这本书的出现，无疑是一场及时雨。光泵浦作为一种驱动方式，其效率和稳定性直接影响着激光器的性能，而“外腔”的设计更是为解决面发射激光器在光束质量、输出功率等方面的挑战提供了思路。我特别期待书中关于RTDK的论述，希望它能为我们揭示一种新的、更优化的激光器结构或工作模式。读到“理论”二字，我希望作者能对相关的物理原理进行详尽的推导和阐释，例如半导体量子阱的能级结构、光学谐振腔的模式特性、光泵浦机制的能量传递效率等。在“实验”部分，我期盼能看到一些经典的实验设置和最新的研究成果，比如不同材料体系下的激光器制备工艺、光电转换效率的测量方法、以及各种参数优化策略的对比分析。而“应用”部分，则是我最为关注的，期待书中能详细介绍RTDK光泵浦外腔面发射激光器在高清显示、激光雷达、光通信、甚至生物医学成像等领域的创新应用，并探讨其相较于传统激光器的优势和潜在局限性，这些对于指导我的科研方向将非常有价值。
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