半导体激光器激光波导模式理论(下半导体激光器设计理论 郭长志 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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郭长志 著

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出版社： 科学出版社有限责任公司

ISBN：9787030462619

商品编码：29824209812

包装：平装

出版时间：2018-04-01

图书基本信息,请以下列介绍为准
书名	半导体激光器激光波导模式理论(下半导体激光器设计理论
作者	郭长志
定价	168.00元
ISBN号	9787030462619
出版社	科学出版社有限责任公司
出版日期	2018-04-01
版次	1

其他参考信息（以实物为准）
装帧：平装	开本：16开	重量：0.4
版次：1	字数：	页码：

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目录

内容提要

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基本上导出相同的结果，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。本书是在作者1989年12月出版的《半导体激光模式理论》的基础上，作了修订和大量补充完备，以反映作者及其团队几十年来取得的重要研究成果和该领域的**进展。全书论述既重基础又涉及前沿，既重物理概念又重推导编程演算。《BR》本书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专业教材、参考书或自修提高的读物。

编辑推荐

作者介绍

序言

《光学谐振腔与增益介质耦合理论》 引言 光的产生与调控是现代科技发展的重要驱动力，而光学谐振腔与增益介质的紧密耦合，则是实现相干光高效产生和精确控制的核心机制。本书深入探讨了这一耦合理论的方方面面，旨在为读者提供一个全面、深入的理解，从而掌握如何设计和优化各种光学器件，特别是激光器。本书的重点在于揭示谐振腔的结构特性如何影响光场分布，以及增益介质的物理过程如何与谐振腔模式相互作用，最终决定了激光的输出特性。 第一章：光学谐振腔的基石——电磁场与边界条件 在深入理解谐振腔的耦合效应之前，我们必须牢固掌握支撑其运作的电磁场理论。本章从麦克斯韦方程组出发，阐述了在各向同性、均匀介质中电磁波的传播规律。我们详细讨论了平面波、柱面波和球面波等基本波型的性质，以及它们在不同介质边界处的反射、折射和衍射现象。 接着，我们将重点聚焦于构建谐振腔所必需的边界条件。这些边界条件，通常由高反射率的镜面或介质界面构成，它们决定了腔内光场的分布和演化。我们引入了Fresnel方程和Snell定律，分析了不同极化方向的光在界面上的行为。对于由平行平板构成的简单谐振腔，我们分析了其零散边界条件下的场分布，为后续的复杂腔型奠定基础。我们还初步探讨了介质损耗的影响，理解了光在腔内传播过程中能量衰减的物理机制。 第二章：谐振腔的几何学与模式形成 光学谐振腔的几何结构是决定其模式特性的关键因素。本章将从几何学的角度，系统地分析各种常见谐振腔的类型，包括平面-平行腔、弯曲-平行腔、稳定腔（如球-平面腔、平-弯曲腔、球-球腔）和不稳定腔。 我们详细阐述了“稳定性”的概念，即光线在腔内多次反射后是否能够被限制在腔内，避免能量损耗。通过引入g-参数（g1 g2），我们建立了描述腔体稳定性的判据，并分析了不同g-参数取值下腔体的几何形状与光线传播轨迹之间的关系。 更重要的是，本章将电磁场理论与腔体几何相结合，引出“谐振腔模式”的概念。我们解释了模式是如何产生的：当光波在腔内经过多次反射后，其相位必须满足特定条件，才能形成稳定、相干叠加的光场分布，即驻波。这些满足条件的特定场分布被称为谐振腔模式，每一个模式都有其独特的频率（或波长）和空间分布。 我们引入了Hermite-高斯模式和Laguerre-高斯模式作为描述稳定腔内横向模式的主要数学工具。通过求解波动方程，推导出这些模式的表达式，包括其横向电场分布、束腰位置和瑞利长度等重要参数。本章还讨论了腔内光束的衍射效应，以及它如何影响模式的横向尺寸和远场发散角。 第三章：增益介质的物理过程与线宽展宽 增益介质是产生激光的基础。本章将深入剖析各种增益介质（如固体、气体、半导体和染料）中粒子受激辐射产生激光增益的基本物理过程。 我们从原子、分子或能带的能级结构出发，阐述了吸收、自发辐射和受激辐射这三种基本跃迁过程。重点在于受激辐射，这是激光产生的核心。我们解释了Einstein系数的意义，以及如何通过粒子数反转的概念来理解增益的产生。 本章还将深入探讨增益介质的线宽展宽机制。物理增益谱并非无限窄，而是具有一定的展宽。我们详细分析了以下几种主要的展宽机制： 多普勒展宽： 对于气体激光器，介质粒子的热运动导致了吸收和发射频率的多普勒频移，从而展宽了增益谱。 碰撞展宽（压力展宽）： 粒子之间的碰撞会引起能级寿命的缩短，从而导致频率的不确定性增加，展宽了增益谱。 同质展宽（固有展宽）： 即使没有外在因素影响，增益介质本身也存在固有的线宽，这与材料的微观结构和量子效应有关。 史塔克效应和塞曼效应： 外加电场或磁场会引起能级的移动和分裂，从而影响增益谱的形状和中心频率。 理解这些展宽机制对于精确计算增益谱的形状和峰值至关重要，进而影响激光器的阈值功率和输出波长。 第四章：增益介质与谐振腔的耦合——激光器理论基础 本章是将前两章的知识融会贯通，分析增益介质与谐振腔如何耦合，从而实现激光振荡的理论核心。 我们首先引入了激光器的“阈值”概念。激光振荡并非在任何增益和损耗水平下都能发生，必须满足一定的条件，即腔内增益必须大于腔内总损耗。本章将推导激光器的阈值方程，明确了阈值与增益系数、腔长、反射率等参数之间的关系。 接着，我们探讨了不同模式的竞争和选择。在一个具有多个纵模和横模的谐振腔中，增益介质可能会同时泵浦多个模式。然而，由于模式间的饱和效应和频率选择性，最终只有部分模式能够稳定振荡。本章将分析模式竞争的机理，以及如何通过腔体设计和增益介质选择来控制激光的输出模式（单纵模、多纵模、特定横模）。 我们还引入了“增益饱和”的概念。当腔内光强达到一定程度时，增益介质中的粒子会被快速抽空，导致增益系数下降。增益饱和是激光器进入稳态工作的重要因素，它限制了激光的输出功率，并导致输出光强的非线性行为。本章将分析增益饱和对激光器速率方程的影响，以及其在功率输出和光谱特性上的体现。 第五章：腔损耗的细致分析与器件性能优化 准确理解腔损耗是设计高性能激光器的关键。本章将对谐振腔的损耗来源进行细致的分析，并探讨如何通过优化器件设计来降低损耗，提高激光器的效率和性能。 我们详细分析了腔内的各种损耗机制： 反射损耗： 镜面并非完美反射，存在一定的透射率和散射损耗。 吸收损耗： 腔内介质（包括增益介质和腔壁材料）对光能的吸收。 衍射损耗： 光波在通过腔体限制（如孔径、镜面边缘）时产生的能量损失。 散射损耗： 腔内表面粗糙度、介质不均匀性引起的散射。 热透镜效应： 泵浦光或腔内损耗引起的增益介质温度升高，导致其折射率发生变化，产生相当于透镜的效应，从而引起光束畸变和损耗增加。 本章将结合几何光学和波动光学的方法，定量分析不同损耗机制的贡献。在此基础上，我们将提出一系列优化设计策略，例如： 选择高反射率、低损耗的镜面材料和镀膜技术。 优化腔体长度和镜面曲率，减小衍射损耗和热透镜效应。 精选低损耗的腔内材料，并控制其纯度和均匀性。 采用合适的泵浦方式和冷却技术，有效抑制热效应。 第六章：理论在实际设计中的应用与进阶 在掌握了上述理论基础后，本章将引导读者将理论应用于实际激光器设计中。我们将以几种典型的激光器类型为例，如Nd:YAG固体激光器、CO2气体激光器、半导体二极管激光器（此处的半导体激光器设计理论作为参考，但本书不深入研究半导体材料本身的量子力学特性，而是侧重于宏观的腔体与增益介质耦合）。 我们分析这些激光器的具体腔型选择、增益介质参数、泵浦方式以及输出耦合方式。例如，对于固体激光器，我们将讨论不同晶体材料的增益特性和吸收谱；对于气体激光器，我们将分析不同气体成分、工作压力和放电方式的影响；对于以半导体激光器为例，我们将讨论其谐振腔的结构（如分布布拉格反射镜DBR、分布反馈DFB）如何提供增益与反馈，以及如何通过其微小腔体实现高效率输出（但不涉及复杂的量子阱、能带工程等）。 本章还将介绍一些进阶主题，如： 非线性光学效应与激光器性能提升： 如腔内倍频、调Q、锁模等技术如何利用非线性效应实现更高功率、更短脉冲或特定输出特性的激光。 高斯光束的传播与腔内耦合： 更加精细地分析高斯光束在腔内的传播特性，以及其与腔体模式的匹配。 腔长稳定性与工作稳定性： 讨论腔长微小变化对激光输出的影响，以及如何设计具有高工作稳定性的激光器。 结论 通过对光学谐振腔与增益介质耦合理论的深入剖析，本书为读者提供了一个坚实的理论框架，以理解和设计各种高性能的激光器和其他光学器件。理论与实际的结合，将帮助读者更好地解决实际工程问题，推动激光技术在科学研究、工业生产、医疗健康和国防安全等领域的广泛应用。本书不仅适用于光学、物理学和光电子学等专业的研究生和高年级本科生，也为从事激光器设计和开发的工程师提供宝贵的参考。

评分☆☆☆☆☆

我想，这本书的理论部分，一定会对半导体激光器的稳定性进行深入的分析。一个稳定的激光器，意味着其输出的光束在强度、频率和模式上都不会发生剧烈变化。我期待书中能够阐述，哪些因素会影响激光器的稳定性，比如温度变化、电流波动、机械振动等。然后，书中会如何给出理论上的解决方案？例如，通过改进散热设计来抑制温度漂移，通过反馈控制电路来稳定电流，或者通过减震结构来减少机械干扰。我还会关注，如何通过理论分析来预测激光器的长期稳定性和可靠性。

评分☆☆☆☆☆

提到“设计理论”，我脑海中立刻浮现出各种模拟和仿真工具的身影。虽然我不是一个软件开发者，但我深知，在现代工程设计中，仿真分析是必不可少的环节。我非常好奇，这本书会如何指导读者运用数值计算方法来预测和优化激光器的性能。比如，有限元方法（FEM）或传输矩阵方法（TMM）等，这些方法是否会被详细介绍，用于求解麦克斯韦方程组，分析光场在波导中的传播？我期待看到一些具体的计算示例，展示如何通过仿真来评估波导模式的有效折射率、损耗系数，以及腔体的谐振频率和模式分布。

评分☆☆☆☆☆

我很好奇，对于一些更具挑战性的半导体激光器设计，这本书会提供怎样的理论指导。例如，在一些高端通信应用中，我们需要能够承受极高功率的激光器，或者能够精确调谐光谱的激光器。我期待书中能够探讨，如何通过改变激光器结构、材料体系，甚至引入特殊的腔体设计（如受激布里斯特林效应），来克服这些设计难题。会不会涉及到非线性光学效应在半导体激光器设计中的应用？比如，如何利用自聚焦效应来控制光束的传播，或者如何利用二次谐波产生等来获得特定波长的激光。

评分☆☆☆☆☆

在我的认知中，半导体激光器的性能很大程度上取决于其增益材料的设计。这本书的下半部分，我期望它能够深入剖析不同半导体材料的载流子动力学和光学特性。比如，量子阱（QW）、量子线（QL）和量子点（QD）激光器，它们在限制载流子和光场方面的优势，以及由此带来的阈值电流降低、效率提升和谱线展宽等特性。我期待书中会详细阐述载流子注入、复合机制（辐射复合、非辐射复合）以及它们对激光增益的影响。是不是会有详细的方程来描述这些过程？我还会想知道，如何通过材料掺杂、能带工程等手段来优化增益特性，从而获得更高效率、更低噪声的激光器。

评分☆☆☆☆☆

我曾经接触过一些关于光电子学的书籍，它们通常会提到量子效应在半导体器件中的重要性。这本书在理论部分，我想应该会非常强调量子力学原理在半导体激光器设计中的应用。例如，能带理论如何解释载流子的能量状态，以及它们如何在导带和价带之间跃迁产生光子。我期待书中能够详细解释，为什么半导体材料能够实现激光放大，以及量子限制效应（如量子阱、量子点）是如何改变能带结构，从而实现更高的激射效率。

评分☆☆☆☆☆

我一直觉得，半导体激光器之所以能广泛应用，离不开它在光电转换效率上的优势。我猜这本书的理论部分，会非常关注能量转换效率的提升。我期待书中能够详细解释，在半导体激光器中，电流是如何转化为光能的。这其中涉及到激子形成、光子发射等过程。书中是否会深入探讨非辐射复合的机制，比如俄歇复合和陷阱辅助复合，以及如何通过结构设计和材料选择来抑制这些能量损耗？我还会关注，对于不同类型的半导体激光器，比如VCSEL（垂直腔面发射激光器）和ECL（边发射激光器），它们的能量转换效率在理论上会有怎样的差异，以及如何在设计中实现最高效率。

评分☆☆☆☆☆

我猜这本书的理论部分，会花费不少篇幅来解释半导体激光器工作时发出的光谱特性。对于不同的应用场景，我们需要的激光器工作在不同的波长范围内，而且光谱线宽也有严格的要求。我期待书中能够详细分析，哪些因素会影响激光器的光谱，比如增益介质的能带结构、腔体模式的分布、温度和电流的变化等。书中是否会给出理论模型来预测激光器的发射波长和谱线宽度？我还会想知道，如何通过设计量子阱的厚度、量子点的尺寸，或者通过选择不同的材料体系，来精确控制激光器的发射波长。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字听起来就充满了学术的深度，虽然我不是这个领域的专业人士，但作为一个对前沿科学充满好奇的读者，我依然被它吸引。我设想着，这本书的下半部分，正如书名所暗示的，将深入探讨半导体激光器设计中的理论基石。我曾听说，激光器设计是一个极其复杂但又至关重要的领域，它直接关系到我们现代通信、医疗、工业制造等诸多行业的进步。我尤其好奇，书中会如何解析不同材料体系下的激光波导模式，比如III-V族化合物半导体，砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）等，它们的能带结构、折射率分布如何影响着光场的约束和传播。我期待书中能够详细阐述波导的几何形状，如脊形波导、埋层波导、平面波导等，以及它们在实现特定模式（单模、多模）控制和优化输出光束质量方面所扮演的关键角色。

评分☆☆☆☆☆

我非常想知道，这本书的理论部分，是否会涉及到半导体激光器在复杂环境下的工作表现。例如，在高温、高压或者存在强电磁干扰的环境下，激光器的性能会如何受到影响？我期待书中能够提供理论分析，解释这些环境因素是如何作用于半导体材料的载流子动力学和光学特性，从而导致激光器性能的下降。更重要的是，我希望书中能够提供一些理论上的解决方案，例如通过特殊的材料选择、器件封装或者电路设计，来提高激光器在恶劣环境下的鲁棒性。

评分☆☆☆☆☆

我猜这本书会花费相当大的篇幅来解释半导体激光器腔体的设计。所谓腔体，在我理解来，就像是给光“安一个家”，让它能够在里面不断反射和增益，最终形成稳定的激光输出。我特别想知道，书中是如何处理增益介质与腔体反射镜之间的耦合效应的。例如，分布式布拉格反射器（DBR）和分布式反馈（DFB）激光器，它们是如何通过周期性结构来实现高效的模式选择和窄谱线宽的？书中是否会涉及到如何计算腔体损耗，包括反射镜的反射率、散射损耗、吸收损耗等等，这些损耗如何影响着激光器的阈值电流和输出功率？我还会好奇，对于一些特殊应用，比如需要高功率输出或者宽带可调谐的激光器，其腔体设计又会有何不同之处？