半导体激光器理论基础 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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杜宝勋著 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030292810

商品编码：13302022697

出版时间：2011-01-01

作  者:杜宝勋 著 定  价:79 出 版 社:科学出版社 出版日期:2011年01月01日 页  数:185 装  帧:平装 ISBN:9787030292810 ●前言
●第1章光增益经典理论
●1.1电磁波
●1.1.1波动方程
●1.1.2光学常数
●1.1.3平面波
●1.1.4光强度
●1.1.5相速度和群速度
●1.2介质电极化
●1.2.1洛伦茨模型
●1.2.2复电极化率
●1.2.3K-K关系
●1.2.4自由电子的贡献
●1.2.5振子强度
●1.3激光
●1.3.1光增益和光吸收
●1.3.2折射率
●1.3.3兰姆方程
●1.3.4激光条件
●参考文献
●部分目录

内容简介

《半导体激光器理论基础》针对半导体激光器，强调其理论基础和理论的系统性。主要内容包括光增益理论、光波导理论、谐振腔理论、半导体发光、速率方程分析和典型半导体激光器的理论。本书可以作为光电子专业研究生课程的试用教材，也可以供相关专业的教师和科技人员参考。

光的低语：从原子跃迁到相干光源的探索之旅 本书并非一本关于半导体激光器内部精妙电子结构或激子行为的详尽技术手册。它更像是一场跨越数个世纪的科学史诗，追溯了人类理解和驾驭“光”这一神奇现象的漫长旅程，并最终触及了“相干光源”这一革命性概念的孕育过程。我们将一同拨开历史的迷雾，探寻那些塑造我们今日科技图景的 fundamental principles。 第一章：文明之光——对光的早期认知与哲学思辨 在激光器诞生之前，人类与光的互动已经绵延数千年。本章将带领读者回到那个仰望星空、探寻世界本源的时代。我们将追溯古希腊时期关于光的本质的哲学争论，从恩培多克勒的“流射说”到亚里士多德的“以太说”，深入了解先哲们如何试图解释眼睛为何能看见物体，以及光是否具有质量。我们会探讨古代中国墨家对于“光线直进”的朴素认识，以及他们对小孔成像的巧妙观察。 随后，我们将目光转向文艺复兴时期，伊萨克·牛顿这位科学巨匠的贡献将是本章的重点。他通过三棱镜实验，无可辩驳地证明了白光是由多种颜色混合而成，这一伟大的发现不仅为光学研究奠定了坚实的基础，也开启了人们对光本质的更深层次思考。我们会详细介绍牛顿的“微粒说”，以及他为何认为光是由极小的粒子构成，如同微小的弹丸一样沿着直线传播。同时，我们也将会简要提及当时与牛顿观点形成鲜明对比的惠更斯和他的“波动说”，为后续内容的展开埋下伏笔。 第二章：波动时代的黎明——光的波动性及其证明 牛顿的微粒说在相当长的一段时间内占据主导地位，然而，一些光学现象，例如衍射和干涉，难以用微粒说来解释。本章将聚焦于19世纪光学研究的重大突破，标志着光的波动性理论的崛起。我们将详细阐述托马斯·杨的双缝干涉实验，这个“简单而优雅”的实验如何以无可辩驳的证据证明了光的波动性，并引入了“相干性”这一概念的雏形。我们将解析干涉条纹的形成原理，理解为什么当光波叠加时会产生明暗相间的区域，以及这些现象是如何直接指向光具有波动特性的。 接着，我们将深入探究奥古斯丁·菲涅耳的贡献。他不仅在理论上完善了波动说，更是巧妙地解释了许多牛顿理论难以解释的衍射现象，例如菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射。我们会探讨菲涅耳的半影法，以及他如何通过积分方法精确计算衍射图样。此外，本章还将介绍麦克斯韦方程组的出现，这个划时代的理论将电和磁统一起来，并预言了电磁波的存在，而光，正是这种电磁波的一种。我们将简要阐述麦克斯韦方程组如何从根本上确立了光是电磁波的地位，为后续的量子理论发展提供了至关重要的理论框架。 第三章：量子时代的曙光——能量的跳跃与光子的诞生 尽管波动理论取得了巨大成功，但20世纪初，一些实验现象再次挑战了经典物理学的范畴，促使了量子理论的诞生。本章将带领读者进入量子世界的奇妙领域，探寻光的量子本质。我们将首先回顾普朗克的能量量子假说，解释他为何在研究黑体辐射时提出能量不是连续的，而是以一份份“量子”的形式存在的。我们会详细介绍普朗克常数（h）的意义，以及它在量子力学中的核心地位。 随后，我们将聚焦于阿尔伯特·爱因斯坦对光电效应的解释。这个解释不仅为他赢得了诺贝尔奖，更是革命性地提出了“光量子”（或称光子）的概念。我们将深入剖析光电效应的实验现象，理解为什么光的强度增加只会改变发射电子的数量，而光的频率（颜色）才是决定电子能量的关键。我们将详细阐述爱因斯坦的方程，揭示光子能量与频率之间的直接关系（E = hf），以及光子如何可以被看作是携带能量的粒子。这一章节的理解是掌握激光器工作原理的关键，因为它揭示了光与物质相互作用的量子层面。 第四章：物质与光的共舞——原子能级与受激发射的理论基石 在本章中，我们将开始将目光从纯粹的光学理论转向光与物质相互作用的微观层面，为理解受激发射这一激光器的核心机制打下基础。我们将回顾玻尔模型，尽管它已被更完善的量子力学所取代，但其关于原子电子轨道能级的概念为我们理解能量跃迁提供了直观的图景。我们将解释原子中的电子为何只能占据特定的、离散的能级，并阐述电子从高能级向低能级跃迁时会释放出能量，而从低能级向高能级跃迁时则需要吸收能量。 随后，我们将引入“跃迁”的概念。我们将区分“自发辐射”和“受激辐射”。自发辐射是指原子在高能级上自发地跃迁到低能级，并辐射出一个光子，这个光子的方向和相位是随机的。而受激辐射，正如其名，是指当一个处于高能级状态的原子遇到一个与其能量差匹配的光子时，会被“激发”，从而跃迁到低能级，并辐射出一个与入射光子完全相同（频率、相位、方向）的光子。我们将详细阐述受激辐射的原理，强调其“复制”和“放大”光子的特性。这一过程的深刻理解，将是理解激光器如何产生相干光束的关键。 第五章：能量的涟漪——从粒子束到宏观世界的相干性 本章将进一步拓展相干性的概念，并将其与宏观世界的物理现象联系起来，为理解激光的特殊性质做好铺垫。我们将回顾早期关于相干性的实验，例如双缝干涉实验中的“相干条件”。我们将更深入地分析干涉条纹的形成，强调波峰与波峰相遇（相长干涉）和波峰与波谷相遇（相消干涉）所产生的亮度差异。我们将讨论相干性的两个重要方面：频率（或颜色）的单一性，以及相位的稳定性和一致性。 我们将探讨为什么自然光源（如太阳光或白炽灯发出的光）通常是“非相干”的。分析自然光源中原子在不同时间、以不同方向、不同相位发出的大量光子，导致它们相互抵消，无法形成稳定的干涉图样。接着，我们将引入“相干长度”和“相干时间”等概念，用于描述一个光源的相干性程度。通过这些讨论，读者将能更清晰地认识到，能够产生稳定干涉的相干光，是一种高度有序的光，与我们日常接触到的非相干光有着本质的区别。这一章节的铺垫，将使得读者在后续章节中更容易理解激光器为何能产生如此“特别”的光。 结语：前路的展望 本书并非终点，而是一次深入的探索。我们已经共同回顾了人类对光的认知历程，从古老的哲学思辨到量子理论的革命，从波动现象的证明到原子能级的理解。我们为激光器的诞生奠定了坚实的理论基础，理解了相干性以及受激发射的原理。本书所构建的理论框架，正是孕育出激光这一革命性光源的土壤。未来的篇章，将把这些基础理论与具体的器件实现相结合，但那将是另一段激动人心的旅程。我们希望，通过这次对“光”的本质和“相干”原理的深入剖析，能够激发读者对更多前沿科学领域产生浓厚的兴趣。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，这本书的深度和广度让我感到非常震撼。它不仅仅是介绍半导体激光器，更像是带领我进行了一场深入的物理世界探索。作者对量子力学和固体物理学的基本概念的梳理，虽然篇幅不多，但却精准地抓住了理解半导体激光器所必需的核心要点。从电子在周期势场中的运动，到晶格振动和光子相互作用，再到费米-狄拉克统计和玻尔兹曼分布在载流子浓度分析中的应用，每一个环节都介绍得条理清晰。让我印象深刻的是，书中对于“粒子数反转”这一激光器核心概念的讲解，作者通过对比辐射跃迁和受激跃迁的概率，并结合能量守恒和动量守恒的原理，非常生动地解释了激光器为何能够产生高效率的光放大。此外，关于激光腔的谐振条件、模式结构以及Q值等概念的引入，让我理解了激光器输出光束的独特性质。这本书并没有回避复杂问题，而是通过精巧的论证和丰富的例证，将它们一一化解。我感觉自己像是被一位经验丰富的向导带领着，在浩瀚的半导体物理海洋中，精准地找到了通往激光器世界的航线。

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容真的让我惊喜连连，虽然书名听起来有点硬核，但它的讲解方式却出奇地循序渐进，让我这个对半导体物理原本知之甚少的读者也能逐渐领悟其中的奥妙。作者并没有一上来就抛出一堆复杂的数学公式，而是从最基本的半导体材料特性入手，例如能带理论、载流子浓度等，用非常形象的比喻和深入浅出的语言来解释。我特别喜欢它在讲解PN结形成以及PN结在激光器中扮演的角色时，那种层层剥茧的叙述方式，让原本抽象的概念变得具体可感。书中关于辐射复合和受激发射的原理阐述，更是让我茅塞顿开，终于明白了激光器为何能产生相干光，以及其中的能量转换机制。作者还详细介绍了不同类型的半导体激光器，如PN结激光器、异质结激光器，甚至还触及了量子阱激光器和分布式反馈激光器的一些初步概念。每一章都配备了清晰的图示和必要的公式推导，但最重要的是，这些公式都附有详细的解释，让你明白每个变量的物理意义，而不是一味地去记忆。这种从宏观到微观，从原理到应用的讲解模式，让我感觉自己真的在一步步构建起对半导体激光器完整的知识体系。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书，我最大的感受就是它的学术严谨性和对实际应用的考量并重。作者在深入剖析半导体激光器工作原理的同时，也为读者描绘了这些器件在现实世界中的广泛应用场景。例如，书中对不同波长激光器在光通信、激光雷达、医疗诊断等领域的作用进行了详细介绍，并结合这些应用，解释了为什么需要特定材料和结构的半导体激光器。我尤其对其中关于阈值电流、输出功率、光束质量等关键参数的讨论印象深刻。作者不仅给出了计算这些参数的公式，更重要的是，解释了影响这些参数的物理因素，以及如何通过优化结构和材料来改善器件性能。书中还对激光器的稳定性、寿命以及一些常见的故障模式进行了探讨，这对于希望将理论知识应用于实际工程的读者来说，是非常宝贵的。我特别喜欢书中关于腔体设计和增益介质选择部分的讲解，作者通过引入一些简化的模型，让我们能够理解不同设计选择对激光器整体性能的影响。这本书不像某些理论书籍那样枯燥乏味，它在保持科学性的同时，也充满了探索的乐趣，让我忍不住想去进一步研究某个特定类型的半导体激光器。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我最大的启发在于它对于“理解”的极致追求。作者并没有满足于简单地呈现公式和结果，而是花费了大量的笔墨去解释每一个公式背后的物理意义，以及每一个结论是如何从基本原理推导出来的。例如，在推导激光器增益系数的公式时，作者不仅仅给出了最终的表达式，还会一步步地剖析各项的来源，解释它们与材料性质、载流子浓度、光场强度等之间的关系。这种“刨根问底”的精神，让我觉得这本书不仅仅是在传授知识，更是在培养一种科学的思维方式。书中对于“非线性光学效应”在半导体激光器中的作用的探讨，也让我大开眼界。作者通过解释非线性效应如何影响激光器的输出特性，例如饱和效应、谐波产生等，让我对激光器的工作机理有了更深层次的认识。此外，本书还对未来半导体激光器技术的发展趋势进行了一些展望，例如对更高效率、更短波长、更强输出功率激光器的研究方向，以及量子点激光器、光子晶体激光器等新兴技术的潜力。这本书让我感受到，半导体激光器是一个充满活力且仍在不断发展的领域，它还有巨大的探索空间，这无疑激发了我继续深入学习的兴趣。

评分☆☆☆☆☆

这本书的阅读体验可以说是一种“沉浸式”的学习过程。作者在叙述中，常常会穿插一些历史性的回顾，介绍半导体激光器技术的发展历程，以及那些关键的科学发现和技术突破。这让我觉得，我不仅仅是在学习一个技术，更是在了解一项伟大的科学事业。例如，在介绍双异质结激光器时，作者不仅解释了其结构优势，还谈到了它如何解决了早期PN结激光器效率低下的问题，并提及了相关科学家的贡献。这种人文情怀的融入，使得这本书在学术性的同时，也充满了故事性。我特别喜欢书中关于半导体激光器材料选择的章节，作者详细对比了不同半导体材料（如GaAs、InP、GaN等）的能带结构、禁带宽度、载流子迁移率等特性，并解释了这些特性如何影响激光器的性能，例如发光波长、效率以及工作温度。这种跨学科的视角，让我看到了半导体激光器研发背后蕴含的材料科学、物理学以及工程学的深度融合。这本书的价值在于，它不仅仅教你“怎么做”，更让你理解“为什么这么做”，以及“这一切是如何一步步发展而来的”。