半导体激光器电子能带结构和光增益的量子理论 9787030473400 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

郭长志 著

图书标签:

• 半导体激光器
• 量子理论
• 电子能带结构
• 光增益
• 半导体物理
• 光学物理
• 材料科学
• 物理学
• 激光技术
• 量子力学

店铺： 广影图书专营店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030473400

商品编码：29625081886

包装：圆脊精装

出版时间：2016-05-01

基本信息

书名:半导体激光器电子能带结构和光增益的量子理论

定价：178.00元

售价：129.9元,便宜48.1元,折扣72

作者:郭长志

出版社：科学出版社

出版日期：2016-05-01

ISBN：9787030473400

字数：600

页码：488

版次：1

装帧：圆脊精装

开本：B5

商品重量：0.4kg

编辑推荐

内容提要

本书讨论了达到设计所需精度的量子阱、量子线、和量子点的电子能带和能级的量子理论和设计计算,带间和子带间光跃迁几率和光增益的半径典量子理论和设计,应变效应及其对各维能带结构的影响、温度效应T0问题的物理机制，特别是俄歇复合的量子理论及其克服方案和设计,量子阱间耦合、载流子落入和逃逸时间的理论和设计。子带间量子级联激光器的理论和设计，其真正优点和局限性。扼要介绍全量子理论的量子光学和自发发射等理论问题。

目录

作者介绍

文摘

序言

深入探索半导体激光器核心奥秘：电子能带结构与光增益的量子理论 书籍简介 本书旨在为读者提供一个全面、深入且基于量子理论的半导体激光器工作原理的透彻理解。我们聚焦于半导体激光器最核心的两个概念：电子能带结构与光增益。理解这两个方面，是掌握半导体激光器为何能发出特定波长激光，以及其工作效率和性能如何调控的关键所在。本书将带领读者穿越微观世界的量子力学框架，层层剖析半导体材料的电子特性如何直接影响激光的产生与放大，为从事相关领域研究、开发和应用的技术人员、研究学者以及高年级本科生、研究生提供一份权威而详实的理论指南。 第一部分：半导体电子能带结构的量子理论基石 半导体材料的独特导电性能，源于其精妙的电子能带结构。本书将从量子力学的基本原理出发，详细阐述这一结构是如何形成的。 晶体结构与周期性势场: 我们首先会介绍构成半导体材料的基本单元——原子，以及它们在三维空间中如何排列形成晶格。然后，我们将引入周期性势场概念，这是理解能带形成的起点。在周期性晶格中，电子所处的电场并非均匀，而是呈现出与晶格周期性相对应的周期性变化。 布洛赫定理: 在周期性势场中，电子的行为不再像自由电子那样简单。布洛赫定理是描述这些电子运动的关键。我们将详细解释布洛赫定理如何指出，在周期性势场中的电子波函数具有特定的形式，即可以表示为平面波与一个具有晶格周期的函数的乘积。这一定理直接导出了电子能谱的离散化，为能带的出现埋下了伏笔。 能带的形成与区分: 紧接着，我们将深入探讨周期性势场如何导致电子能量的离散化，并最终形成“能带”。我们将详细解释“价带”和“导带”的概念，以及它们之间的“带隙”是如何形成的。价带是满带，其电子通常不易参与导电；导带是空的或部分空的，其电子的运动能够导致电流的产生。带隙的宽度是决定半导体材料导电类型（如绝缘体、半导体、导体）的根本因素。 不同半导体材料的能带结构: 不同的半导体材料（如硅、锗、砷化镓、氮化镓等）具有不同的原子构成和晶体结构，从而表现出各异的能带结构。本书将重点介绍几种重要的半导体材料，分析它们的能带结构特点，例如直接带隙半导体与间接带隙半导体的区别，以及这种区别对激光器应用的重要性。我们还会讨论能带的形状（色散关系）如何影响电子的有效质量，进而影响其在电场作用下的行为。 掺杂对能带结构的影响: 为了实现半导体的导电特性调控，常常会对其进行掺杂。本书将详细阐述掺杂（如n型掺杂和p型掺杂）如何通过引入额外的电子或空穴，在原来的能带结构中形成“杂质能级”，并显著改变材料的导电性能。我们将深入分析杂质能级的能量位置及其对费米能级的影响，为后续理解p-n结的形成和载流子注入打下基础。 量子尺寸效应（可选，根据具体内容添加）: 对于某些特殊的半导体结构，如量子阱、量子线和量子点，当其尺寸接近或小于电子的德布罗意波长时，会发生量子尺寸效应，导致能带结构发生显著变化，形成离散的能级。如果书中包含这部分内容，我们将详细介绍这些微纳结构中的电子行为，以及它们如何为开发新型激光器提供可能。 第二部分：光增益的量子理论机制 光增益是激光器工作的核心概念，它指的是在特定条件下，介质对光的放大作用。在半导体激光器中，光增益的产生与电子能带结构紧密相关，是电子跃迁过程的直接体现。 受激辐射与吸收的基本原理: 本部分将从量子力学的基本概念出发，解释光与物质的相互作用。我们将详细阐述三种基本过程：自发辐射、受激辐射和吸收。受激辐射是激光产生的前提，即一个处于高能级（激发态）的粒子（电子）在外部光子的作用下，释放出与该光子频率、方向、相位都相同的光子，从而实现光的放大。吸收则是光子被粒子吸收，导致粒子从低能级跃迁到高能级。 光增益的产生条件：粒子数反转: 为了实现净的光增益，必须满足“粒子数反转”的条件。这意味着在特定的能级上，处于高能级的粒子数必须多于处于低能级的粒子数。我们将深入分析，在半导体激光器中，如何通过电注入的方式（即施加反向偏压，向p-n结注入电子和空穴），在导带和价带的特定区域实现粒子数反转。 费米-狄拉克统计与载流子分布: 电子在半导体中的分布遵循费米-狄拉克统计。我们将详细介绍费米-狄拉克分布函数，以及它如何描述在不同温度和费米能级下，电子占据各个能级的概率。在受激发射发生前，需要将大量电子注入到导带，同时将大量空穴注入到价带，从而使得导带底部的电子占据概率显著升高，价带顶部的空穴占据概率显著升高，在一定能量范围内形成粒子数反转。 光学跃迁与跃迁率: 光增益的本质在于受激辐射过程的速率。我们将介绍电子在能带之间的光学跃迁，包括直接跃迁和间接跃迁。对于直接带隙半导体，电子可以直接从导带跃迁到价带，辐射光子。对于间接带隙半导体，跃迁过程中需要同时涉及声子的参与，效率较低。我们将介绍跃迁率的计算，以及它如何受到能带结构、载流子浓度和温度等因素的影响。 增益谱的形成与特性: 光增益并非在所有频率上都相同，而是存在一个“增益谱”。我们将分析增益谱的形状，以及它如何与半导体材料的能带结构、费米能级的移动、激子效应（如果书中涉及）等因素相关。书中将详细介绍如何通过控制掺杂浓度、注入电流密度以及材料组成来调控增益谱的位置和宽度，以获得特定波长的激光输出。 吸收损耗与阈值条件: 任何激光器都存在损耗，包括吸收损耗、散射损耗等。在半导体激光器中，电子-空穴对的吸收、自由载流子吸收等都会消耗光能。为了实现激光输出，受激辐射产生的增益必须克服这些损耗。我们将详细介绍激光器工作所需的“阈值条件”，即增益等于损耗的临界状态。只有当注入的载流子密度达到一定程度，产生足够的增益来补偿腔内的损耗时，激光器才能稳定地发出激光。 载流子动力学与速率方程: 载流子在注入、复合和跃迁过程中的动态行为对激光器的瞬态响应和稳定性至关重要。本书将引入载流子速率方程和光子速率方程，用于描述载流子密度、光子密度以及激光输出功率随时间的变化。我们将分析这些方程如何揭示激光器的起振过程、阈值行为以及动态特性。 本书的价值与读者收益 本书以严谨的科学态度，清晰的逻辑思路，深入浅出的讲解方式，将复杂的量子理论转化为易于理解的知识体系。读者通过阅读本书，将能够： 1. 深刻理解半导体激光器的基本工作原理： 摆脱对黑箱式设备的依赖，真正掌握电子能带结构如何决定光子产生，以及光增益如何实现光的放大。 2. 建立扎实的量子理论基础： 掌握描述半导体电子行为的关键量子力学概念，为进一步深入研究量子光学、固体物理等领域打下坚实基础。 3. 掌握分析和设计半导体激光器的理论工具： 学习如何利用能带理论和光增益理论来预测和优化激光器的性能，例如激光输出波长、阈值电流、效率等。 4. 了解不同半导体材料的特性与应用： 能够根据材料的能带结构，理解其在不同激光器应用中的优势与劣势。 5. 为解决实际工程问题提供理论指导： 无论是激光器的故障诊断，还是新一代激光器的概念设计，本书提供的理论框架都将发挥重要作用。 目标读者 从事半导体激光器研发、设计、制造和测试的工程师。 从事光电子学、量子光学、固体物理等领域研究的研究学者。 对半导体激光器工作原理感兴趣的高年级本科生、研究生。 希望系统性学习半导体激光器理论的高等院校教师。 本书不仅仅是一本教科书，更是一扇通往理解半导体激光器微观世界奥秘的大门。我们相信，通过对电子能带结构和光增益量子理论的深入探索，您将对这一改变世界的科技发明有一个全新的、更深刻的认识。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就透着一股深沉的学术气息，那种厚重感让人一上手就觉得它绝非等闲之作。我原本对这个领域了解有限，只是出于兴趣想稍微探究一下。翻开第一章，那种严谨的逻辑和详尽的数学推导立刻就给我来了个下马威。它不像某些科普读物那样试图用比喻来软化晦涩的概念，而是直截了当地深入到物理图像的核心。大量的公式和符号充斥其中，看得我头皮发麻，但那种步步为营、层层递进的论证过程，又让人不得不佩服作者对材料和光子相互作用的理解达到了何等精微的境界。特别是关于能带理论在半导体结构中的应用部分，作者似乎毫不保留地展示了其研究的深度，对于那些试图从第一性原理理解激光发射机制的读者来说，这无疑是一本极佳的“硬核”教材。虽然阅读过程需要极大的专注力和扎实的物理基础，但每攻克一个难点，心中涌起的满足感也是无与伦比的。这本书的价值在于它的深度和全面性，它不是在介绍“是什么”，而是在解释“为什么是这样”，这才是真正学术著作的魅力所在。

评分☆☆☆☆☆

我尝试从一个跨学科研究者的角度来评价这本书的贡献。我的主要研究方向是光子学与材料科学的交叉点，我们常常需要快速评估新型半导体材料的潜在光放大能力。这本书提供了一个非常系统且自洽的框架来完成这种评估。它没有将“电子”和“光子”视为孤立的实体，而是通过耦合的哈密顿量和微扰理论，将这两者的相互作用置于一个统一的量子力学范畴内进行处理。这种“一体化”的视角，极大地拓宽了我对光-物质相互作用的理解边界。书中对于非线性效应在增益饱和阶段的初步探讨，也为我们后续探索超快激光领域中的某些现象提供了理论起点。虽然书中对高级的非线性光学效应着墨不多，但它构建的量子基础是理解这些复杂现象的必经之路。可以说，它为我们这些应用导向的研究人员提供了一张清晰的“理论地图”。

评分☆☆☆☆☆

总的来说，这本书的难度定位非常清晰，它面向的是高阶的研究生或者已经有一定研究基础的科研人员，对于入门者来说可能需要极强的毅力和耐心。我个人花费了比预期长得多的时间来消化其中的内容，尤其是在处理半定域化电荷密度和晶格振动耦合引发的弛豫过程时，感觉自己仿佛回到了最艰难的博士阶段。然而，正是这种挑战性，确保了其内容的权威性和不可替代性。它没有提供任何捷径，而是要求读者必须亲手推导、亲身经历每一个理论构建的过程。这种“硬碰硬”的阅读体验，最终带来的知识沉淀是无可替代的。如果一个专业人士想要深入理解半导体激光器在微观层面是如何实现高效光输出的，这本书绝对是绕不开的一座高峰，值得投入时间和精力去征服。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和图表的质量给我留下了非常好的印象。在如此密集的理论推导中，清晰的图表是理解复杂物理过程的生命线。作者在解释电子在能带间跃迁、激发态寿命等动态过程时，所配的示意图不仅数量多，而且准确地捕捉了理论模型的核心要素。特别是涉及费米能级移动和准费米能级分离的能带图，画得极其细致，让人能清晰地分辨出粒子注入前后能带结构的变化趋势。坦白说，有些国内出版的专业书籍在图表印刷上经常出现模糊不清或者信息过载的问题，但这本书在这方面做得非常出色，体现了出版方对学术质量的尊重。对于需要通过视觉辅助来理解这些抽象量子现象的研究者来说，这种高标准的制图是极大的便利。阅读体验的流畅度，很大程度上得益于这种严谨的版式设计和高质量的插图支撑。

评分☆☆☆☆☆

我是一个资深的半导体器件工程师，日常工作接触的更多是实际的工艺参数和器件性能优化，对于背后的基础物理理论，有时会感到知识链条有些断裂。这本书的出现，正好填补了我理论知识上的空白。最让我印象深刻的是它对“光增益”这一核心概念的剖析。它没有停留在简单的粒子数反转层面，而是通过精细的量子力学模型，将增益系数的计算与材料的带隙结构、载流子分布函数紧密联系起来。书中对异质结、量子阱等复杂结构下的能带弯曲和载流子限制效应的讨论尤为精彩，这些都是我们在设计高效率激光器时必须考虑的实际问题。虽然初读时，为了跟上作者的思维跳跃速度，我不得不频繁地查阅量子力学和固体物理的前置知识，但一旦理清了这些基础，再回看现代激光器设计规范时，那些原本抽象的参数背后都有了坚实的理论支撑。这本书与其说是一本参考书，不如说是一个高级的“理论训练营”，强迫你从最底层的物理规律去重新审视你每天操作的器件。