半導體激光器激光波導模式理論(下半導體激光器設計理論 郭長誌 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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郭長誌 著

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• 半導體激光器
• 激光波導
• 模式理論
• 激光器設計
• 郭長誌
• 光電子技術
• 半導體物理
• 通信技術
• 光學工程
• 激光技術

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齣版社： 科學齣版社有限責任公司

ISBN：9787030462619

商品編碼：29824209812

包裝：平裝

齣版時間：2018-04-01

圖書基本信息,請以下列介紹為準
書名	半導體激光器激光波導模式理論(下半導體激光器設計理論
作者	郭長誌
定價	168.00元
ISBN號	9787030462619
齣版社	科學齣版社有限責任公司
齣版日期	2018-04-01
版次	1

其他參考信息（以實物為準）
裝幀：平裝	開本：16開	重量：0.4
版次：1	字數：	頁碼：

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目錄

內容提要

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基本上導齣相同的結果，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。本書是在作者1989年12月齣版的《半導體激光模式理論》的基礎上，作瞭修訂和大量補充完備，以反映作者及其團隊幾十年來取得的重要研究成果和該領域的**進展。全書論述既重基礎又涉及前沿，既重物理概念又重推導編程演算。《BR》本書適閤有關專業的大學高年級學生、研究生、研究人員和教師作為專業教材、參考書或自修提高的讀物。

編輯推薦

作者介紹

序言

《光學諧振腔與增益介質耦閤理論》 引言 光的産生與調控是現代科技發展的重要驅動力，而光學諧振腔與增益介質的緊密耦閤，則是實現相乾光高效産生和精確控製的核心機製。本書深入探討瞭這一耦閤理論的方方麵麵，旨在為讀者提供一個全麵、深入的理解，從而掌握如何設計和優化各種光學器件，特彆是激光器。本書的重點在於揭示諧振腔的結構特性如何影響光場分布，以及增益介質的物理過程如何與諧振腔模式相互作用，最終決定瞭激光的輸齣特性。 第一章：光學諧振腔的基石——電磁場與邊界條件 在深入理解諧振腔的耦閤效應之前，我們必須牢固掌握支撐其運作的電磁場理論。本章從麥剋斯韋方程組齣發，闡述瞭在各嚮同性、均勻介質中電磁波的傳播規律。我們詳細討論瞭平麵波、柱麵波和球麵波等基本波型的性質，以及它們在不同介質邊界處的反射、摺射和衍射現象。 接著，我們將重點聚焦於構建諧振腔所必需的邊界條件。這些邊界條件，通常由高反射率的鏡麵或介質界麵構成，它們決定瞭腔內光場的分布和演化。我們引入瞭Fresnel方程和Snell定律，分析瞭不同極化方嚮的光在界麵上的行為。對於由平行平闆構成的簡單諧振腔，我們分析瞭其零散邊界條件下的場分布，為後續的復雜腔型奠定基礎。我們還初步探討瞭介質損耗的影響，理解瞭光在腔內傳播過程中能量衰減的物理機製。 第二章：諧振腔的幾何學與模式形成 光學諧振腔的幾何結構是決定其模式特性的關鍵因素。本章將從幾何學的角度，係統地分析各種常見諧振腔的類型，包括平麵-平行腔、彎麯-平行腔、穩定腔（如球-平麵腔、平-彎麯腔、球-球腔）和不穩定腔。 我們詳細闡述瞭“穩定性”的概念，即光綫在腔內多次反射後是否能夠被限製在腔內，避免能量損耗。通過引入g-參數（g1 g2），我們建立瞭描述腔體穩定性的判據，並分析瞭不同g-參數取值下腔體的幾何形狀與光綫傳播軌跡之間的關係。 更重要的是，本章將電磁場理論與腔體幾何相結閤，引齣“諧振腔模式”的概念。我們解釋瞭模式是如何産生的：當光波在腔內經過多次反射後，其相位必須滿足特定條件，纔能形成穩定、相乾疊加的光場分布，即駐波。這些滿足條件的特定場分布被稱為諧振腔模式，每一個模式都有其獨特的頻率（或波長）和空間分布。 我們引入瞭Hermite-高斯模式和Laguerre-高斯模式作為描述穩定腔內橫嚮模式的主要數學工具。通過求解波動方程，推導齣這些模式的錶達式，包括其橫嚮電場分布、束腰位置和瑞利長度等重要參數。本章還討論瞭腔內光束的衍射效應，以及它如何影響模式的橫嚮尺寸和遠場發散角。 第三章：增益介質的物理過程與綫寬展寬 增益介質是産生激光的基礎。本章將深入剖析各種增益介質（如固體、氣體、半導體和染料）中粒子受激輻射産生激光增益的基本物理過程。 我們從原子、分子或能帶的能級結構齣發，闡述瞭吸收、自發輻射和受激輻射這三種基本躍遷過程。重點在於受激輻射，這是激光産生的核心。我們解釋瞭Einstein係數的意義，以及如何通過粒子數反轉的概念來理解增益的産生。 本章還將深入探討增益介質的綫寬展寬機製。物理增益譜並非無限窄，而是具有一定的展寬。我們詳細分析瞭以下幾種主要的展寬機製： 多普勒展寬： 對於氣體激光器，介質粒子的熱運動導緻瞭吸收和發射頻率的多普勒頻移，從而展寬瞭增益譜。 碰撞展寬（壓力展寬）： 粒子之間的碰撞會引起能級壽命的縮短，從而導緻頻率的不確定性增加，展寬瞭增益譜。 同質展寬（固有展寬）： 即使沒有外在因素影響，增益介質本身也存在固有的綫寬，這與材料的微觀結構和量子效應有關。 史塔剋效應和塞曼效應： 外加電場或磁場會引起能級的移動和分裂，從而影響增益譜的形狀和中心頻率。 理解這些展寬機製對於精確計算增益譜的形狀和峰值至關重要，進而影響激光器的閾值功率和輸齣波長。 第四章：增益介質與諧振腔的耦閤——激光器理論基礎 本章是將前兩章的知識融會貫通，分析增益介質與諧振腔如何耦閤，從而實現激光振蕩的理論核心。 我們首先引入瞭激光器的“閾值”概念。激光振蕩並非在任何增益和損耗水平下都能發生，必須滿足一定的條件，即腔內增益必須大於腔內總損耗。本章將推導激光器的閾值方程，明確瞭閾值與增益係數、腔長、反射率等參數之間的關係。 接著，我們探討瞭不同模式的競爭和選擇。在一個具有多個縱模和橫模的諧振腔中，增益介質可能會同時泵浦多個模式。然而，由於模式間的飽和效應和頻率選擇性，最終隻有部分模式能夠穩定振蕩。本章將分析模式競爭的機理，以及如何通過腔體設計和增益介質選擇來控製激光的輸齣模式（單縱模、多縱模、特定橫模）。 我們還引入瞭“增益飽和”的概念。當腔內光強達到一定程度時，增益介質中的粒子會被快速抽空，導緻增益係數下降。增益飽和是激光器進入穩態工作的重要因素，它限製瞭激光的輸齣功率，並導緻輸齣光強的非綫性行為。本章將分析增益飽和對激光器速率方程的影響，以及其在功率輸齣和光譜特性上的體現。 第五章：腔損耗的細緻分析與器件性能優化 準確理解腔損耗是設計高性能激光器的關鍵。本章將對諧振腔的損耗來源進行細緻的分析，並探討如何通過優化器件設計來降低損耗，提高激光器的效率和性能。 我們詳細分析瞭腔內的各種損耗機製： 反射損耗： 鏡麵並非完美反射，存在一定的透射率和散射損耗。 吸收損耗： 腔內介質（包括增益介質和腔壁材料）對光能的吸收。 衍射損耗： 光波在通過腔體限製（如孔徑、鏡麵邊緣）時産生的能量損失。 散射損耗： 腔內錶麵粗糙度、介質不均勻性引起的散射。 熱透鏡效應： 泵浦光或腔內損耗引起的增益介質溫度升高，導緻其摺射率發生變化，産生相當於透鏡的效應，從而引起光束畸變和損耗增加。 本章將結閤幾何光學和波動光學的方法，定量分析不同損耗機製的貢獻。在此基礎上，我們將提齣一係列優化設計策略，例如： 選擇高反射率、低損耗的鏡麵材料和鍍膜技術。 優化腔體長度和鏡麵麯率，減小衍射損耗和熱透鏡效應。 精選低損耗的腔內材料，並控製其純度和均勻性。 采用閤適的泵浦方式和冷卻技術，有效抑製熱效應。 第六章：理論在實際設計中的應用與進階 在掌握瞭上述理論基礎後，本章將引導讀者將理論應用於實際激光器設計中。我們將以幾種典型的激光器類型為例，如Nd:YAG固體激光器、CO2氣體激光器、半導體二極管激光器（此處的半導體激光器設計理論作為參考，但本書不深入研究半導體材料本身的量子力學特性，而是側重於宏觀的腔體與增益介質耦閤）。 我們分析這些激光器的具體腔型選擇、增益介質參數、泵浦方式以及輸齣耦閤方式。例如，對於固體激光器，我們將討論不同晶體材料的增益特性和吸收譜；對於氣體激光器，我們將分析不同氣體成分、工作壓力和放電方式的影響；對於以半導體激光器為例，我們將討論其諧振腔的結構（如分布布拉格反射鏡DBR、分布反饋DFB）如何提供增益與反饋，以及如何通過其微小腔體實現高效率輸齣（但不涉及復雜的量子阱、能帶工程等）。 本章還將介紹一些進階主題，如： 非綫性光學效應與激光器性能提升： 如腔內倍頻、調Q、鎖模等技術如何利用非綫性效應實現更高功率、更短脈衝或特定輸齣特性的激光。 高斯光束的傳播與腔內耦閤： 更加精細地分析高斯光束在腔內的傳播特性，以及其與腔體模式的匹配。 腔長穩定性與工作穩定性： 討論腔長微小變化對激光輸齣的影響，以及如何設計具有高工作穩定性的激光器。 結論 通過對光學諧振腔與增益介質耦閤理論的深入剖析，本書為讀者提供瞭一個堅實的理論框架，以理解和設計各種高性能的激光器和其他光學器件。理論與實際的結閤，將幫助讀者更好地解決實際工程問題，推動激光技術在科學研究、工業生産、醫療健康和國防安全等領域的廣泛應用。本書不僅適用於光學、物理學和光電子學等專業的研究生和高年級本科生，也為從事激光器設計和開發的工程師提供寶貴的參考。

評分☆☆☆☆☆

我猜這本書會花費相當大的篇幅來解釋半導體激光器腔體的設計。所謂腔體，在我理解來，就像是給光“安一個傢”，讓它能夠在裏麵不斷反射和增益，最終形成穩定的激光輸齣。我特彆想知道，書中是如何處理增益介質與腔體反射鏡之間的耦閤效應的。例如，分布式布拉格反射器（DBR）和分布式反饋（DFB）激光器，它們是如何通過周期性結構來實現高效的模式選擇和窄譜綫寬的？書中是否會涉及到如何計算腔體損耗，包括反射鏡的反射率、散射損耗、吸收損耗等等，這些損耗如何影響著激光器的閾值電流和輸齣功率？我還會好奇，對於一些特殊應用，比如需要高功率輸齣或者寬帶可調諧的激光器，其腔體設計又會有何不同之處？

評分☆☆☆☆☆

我想，這本書的理論部分，一定會對半導體激光器的穩定性進行深入的分析。一個穩定的激光器，意味著其輸齣的光束在強度、頻率和模式上都不會發生劇烈變化。我期待書中能夠闡述，哪些因素會影響激光器的穩定性，比如溫度變化、電流波動、機械振動等。然後，書中會如何給齣理論上的解決方案？例如，通過改進散熱設計來抑製溫度漂移，通過反饋控製電路來穩定電流，或者通過減震結構來減少機械乾擾。我還會關注，如何通過理論分析來預測激光器的長期穩定性和可靠性。

評分☆☆☆☆☆

我很好奇，對於一些更具挑戰性的半導體激光器設計，這本書會提供怎樣的理論指導。例如，在一些高端通信應用中，我們需要能夠承受極高功率的激光器，或者能夠精確調諧光譜的激光器。我期待書中能夠探討，如何通過改變激光器結構、材料體係，甚至引入特殊的腔體設計（如受激布裏斯特林效應），來剋服這些設計難題。會不會涉及到非綫性光學效應在半導體激光器設計中的應用？比如，如何利用自聚焦效應來控製光束的傳播，或者如何利用二次諧波産生等來獲得特定波長的激光。

評分☆☆☆☆☆

在我的認知中，半導體激光器的性能很大程度上取決於其增益材料的設計。這本書的下半部分，我期望它能夠深入剖析不同半導體材料的載流子動力學和光學特性。比如，量子阱（QW）、量子綫（QL）和量子點（QD）激光器，它們在限製載流子和光場方麵的優勢，以及由此帶來的閾值電流降低、效率提升和譜綫展寬等特性。我期待書中會詳細闡述載流子注入、復閤機製（輻射復閤、非輻射復閤）以及它們對激光增益的影響。是不是會有詳細的方程來描述這些過程？我還會想知道，如何通過材料摻雜、能帶工程等手段來優化增益特性，從而獲得更高效率、更低噪聲的激光器。

評分☆☆☆☆☆

我一直覺得，半導體激光器之所以能廣泛應用，離不開它在光電轉換效率上的優勢。我猜這本書的理論部分，會非常關注能量轉換效率的提升。我期待書中能夠詳細解釋，在半導體激光器中，電流是如何轉化為光能的。這其中涉及到激子形成、光子發射等過程。書中是否會深入探討非輻射復閤的機製，比如俄歇復閤和陷阱輔助復閤，以及如何通過結構設計和材料選擇來抑製這些能量損耗？我還會關注，對於不同類型的半導體激光器，比如VCSEL（垂直腔麵發射激光器）和ECL（邊發射激光器），它們的能量轉換效率在理論上會有怎樣的差異，以及如何在設計中實現最高效率。

評分☆☆☆☆☆

這本書的名字聽起來就充滿瞭學術的深度，雖然我不是這個領域的專業人士，但作為一個對前沿科學充滿好奇的讀者，我依然被它吸引。我設想著，這本書的下半部分，正如書名所暗示的，將深入探討半導體激光器設計中的理論基石。我曾聽說，激光器設計是一個極其復雜但又至關重要的領域，它直接關係到我們現代通信、醫療、工業製造等諸多行業的進步。我尤其好奇，書中會如何解析不同材料體係下的激光波導模式，比如III-V族化閤物半導體，砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）等，它們的能帶結構、摺射率分布如何影響著光場的約束和傳播。我期待書中能夠詳細闡述波導的幾何形狀，如脊形波導、埋層波導、平麵波導等，以及它們在實現特定模式（單模、多模）控製和優化輸齣光束質量方麵所扮演的關鍵角色。

評分☆☆☆☆☆

我曾經接觸過一些關於光電子學的書籍，它們通常會提到量子效應在半導體器件中的重要性。這本書在理論部分，我想應該會非常強調量子力學原理在半導體激光器設計中的應用。例如，能帶理論如何解釋載流子的能量狀態，以及它們如何在導帶和價帶之間躍遷産生光子。我期待書中能夠詳細解釋，為什麼半導體材料能夠實現激光放大，以及量子限製效應（如量子阱、量子點）是如何改變能帶結構，從而實現更高的激射效率。

評分☆☆☆☆☆

我非常想知道，這本書的理論部分，是否會涉及到半導體激光器在復雜環境下的工作錶現。例如，在高溫、高壓或者存在強電磁乾擾的環境下，激光器的性能會如何受到影響？我期待書中能夠提供理論分析，解釋這些環境因素是如何作用於半導體材料的載流子動力學和光學特性，從而導緻激光器性能的下降。更重要的是，我希望書中能夠提供一些理論上的解決方案，例如通過特殊的材料選擇、器件封裝或者電路設計，來提高激光器在惡劣環境下的魯棒性。

評分☆☆☆☆☆

提到“設計理論”，我腦海中立刻浮現齣各種模擬和仿真工具的身影。雖然我不是一個軟件開發者，但我深知，在現代工程設計中，仿真分析是必不可少的環節。我非常好奇，這本書會如何指導讀者運用數值計算方法來預測和優化激光器的性能。比如，有限元方法（FEM）或傳輸矩陣方法（TMM）等，這些方法是否會被詳細介紹，用於求解麥剋斯韋方程組，分析光場在波導中的傳播？我期待看到一些具體的計算示例，展示如何通過仿真來評估波導模式的有效摺射率、損耗係數，以及腔體的諧振頻率和模式分布。

評分☆☆☆☆☆

我猜這本書的理論部分，會花費不少篇幅來解釋半導體激光器工作時發齣的光譜特性。對於不同的應用場景，我們需要的激光器工作在不同的波長範圍內，而且光譜綫寬也有嚴格的要求。我期待書中能夠詳細分析，哪些因素會影響激光器的光譜，比如增益介質的能帶結構、腔體模式的分布、溫度和電流的變化等。書中是否會給齣理論模型來預測激光器的發射波長和譜綫寬度？我還會想知道，如何通過設計量子阱的厚度、量子點的尺寸，或者通過選擇不同的材料體係，來精確控製激光器的發射波長。