半导体激光器电子能带结构和光增益的量子理论 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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店铺： 北京群洲文化专营店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030473400

商品编码：29332661939

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

作者：郭长志

出版社：科学出版社

出版日期：2016-05-01

ISBN：9787030473400

字数：

页码：

版次：1

装帧：圆脊精装

开本：B5

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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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

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作者介绍

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文摘

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序言

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《半导体激光器电子能带结构与光增益的量子理论》 作者：郭长志 简介： 郭长志教授倾注多年心血撰写的《半导体激光器电子能带结构与光增益的量子理论》，并非一本浅尝辄止的科普读物，而是一部深入钻研半导体激光器核心物理机制的学术专著。本书旨在为读者提供一套严谨、系统且具有前瞻性的理论框架，以深刻理解半导体激光器的工作原理，并为器件的优化设计与新材料的探索奠定坚实的理论基础。 本书的核心内容围绕半导体激光器中两个至关重要的物理概念展开：电子能带结构与光增益。作者以量子力学和固体物理学为基石，循序渐进地解析了这两大概念在半导体激光器工作过程中的内在联系与相互作用，力求揭示其精妙的物理本质。 一、 电子能带结构：半导体激光器的“骨架” 理解半导体激光器，首先需要透彻掌握其作为工作物质基础的半导体材料的电子能带结构。本书在这一部分投入了大量的篇幅，力图以最详实、最严谨的方式构建这一理论框架。 量子力学基础与晶体周期势： 作者首先回顾了量子力学中描述电子行为的基本原理，并以此为出发点，引入了晶体周期势的概念。通过求解薛定谔方程，详细阐述了布里渊区、能带、禁带、晶格振动（声子）等关键物理量的形成机制。读者将在此深入理解电子在晶体中并非自由运动，而是受到周期性势场的影响，从而形成离散的能级，进而汇聚成具有特定宽度和形状的能带。 能带理论的深化： 针对半导体激光器常用的III-V族、II-VI族化合物半导体以及量子点、量子阱等低维材料，本书深入探讨了其特有的能带结构特征。例如，直接带隙与间接带隙材料的区别及其对光发射效率的影响；不同晶体结构（如闪锌矿、纤锌矿）导致的能带形状差异；以及应变效应、同质结与异质结的形成对能带结构的影响。作者还将详细介绍能带计算的各种方法，包括紧束缚法、平面波展开法、密度泛函理论（DFT）及其在实际应用中的优缺点，为读者提供选择和理解计算结果的工具。 载流子统计与费米能级： 明白了能带结构，接下来便是理解电子（自由电子）和空穴（电子的缺失）在这些能带中的分布。本书将详细讲解玻尔兹曼统计和费米-狄拉克统计，以及在不同温度和载流子浓度下，费米能级的位置对半导体光学性质的影响。对于激光器而言，载流子的填充状态是实现光增益的前提，因此，对费米能级的准确理解至关重要。 低维结构与量子受限效应： 随着微电子和光电子技术的飞速发展，量子阱、量子线、量子点等低维半导体材料在激光器制造中的应用日益广泛。本书将着重阐述这些结构中由于量子限制效应而产生的能带结构的独特变化，如能级分立、态密度函数的变化，以及这些变化如何影响激射特性。作者将详细讲解德布罗意波长与结构尺寸的相对大小是决定量子受限程度的关键因素。 二、 光增益的量子理论：半导体激光器的“动力引擎” 在充分理解了半导体材料的电子能带结构后，本书将聚焦于解释激光器工作中最核心的物理过程——光增益的产生机制。 光与物质的相互作用： 作者将从量子电动力学的角度出发，详细分析光子与半导体材料中的电子和空穴之间的相互作用。这包括吸收、自发辐射和受激辐射这三种基本过程。本书将深入探讨这些过程的量子化本质，例如，光子的能量如何与电子的跃迁能量相匹配，以及跃迁的概率如何决定了相互作用的强度。 增益谱的形成： 光增益并非一个单一的数值，而是依赖于光子能量（或波长）的函数。本书将详细推导描述光增益谱的理论公式。这涉及到对吸收截面、受激辐射截面、态密度、载流子填充几率等关键参数的精确计算。作者将重点分析材料参数（如带隙、有效质量、偶极矩）、温度、载流子浓度以及缺陷等因素对增益谱形状和峰值的影响。 四能级模型与粒子数反转： 为了实现激光的相干输出，必须在半导体中建立粒子数反转的条件，即高能级上的粒子数大于低能级上的粒子数。本书将详细讲解实现粒子数反转的必要性，并引入经典的四能级和三能级模型，分析不同泵浦机制（如电注入、光泵浦）如何驱动电子和空穴填充到特定的能级，从而达到粒子数反转。对于半导体激光器而言，理解电子和空穴在导带和价带中填充的动态过程尤为重要。 增益系数的计算与优化： 建立在量子理论基础之上，本书将提供计算半导体激光器增益系数的详细步骤和方法。这包括引入紧束缚模型、k·p微扰理论等计算工具，来精确计算电子-空穴复合的跃迁偶极矩，并进一步推导出增益系数的表达式。作者还将讨论影响增益系数的关键因素，例如： 载流子浓度： 阐述载流子浓度对粒子数反转和增益强度的直接影响，以及过高的载流子浓度可能导致的负阻效应等问题。 温度效应： 分析温度变化如何影响能带结构、载流子分布以及跃迁速率，进而影响光增益。 带隙工程（Bandgap Engineering）： 详细介绍如何通过改变材料组分、掺杂浓度、设计多层异质结结构（如量子阱、超晶格）来调控材料的带隙和能带结构，从而优化增益谱的位置、宽度和峰值，实现特定波长和高效率的激光输出。 低维结构增益特性： 再次强调量子阱、量子线、量子点等低维结构在提升增益因子、降低阈值电流方面的优势，并详细分析其背后深刻的量子物理原因，例如态密度奇点对增益的贡献。 光反馈与激光振荡： 虽然本书的重点是电子能带结构和光增益，但为了完整性，作者也会简要介绍光反馈机制（如分布式布拉格反射器DBR、光栅耦合）如何与光增益相互作用，最终形成相干的激光输出。这一部分将作为对增益理论在实际激光器应用中的一个初步展望。 本书的特色与价值： 理论的深度与严谨性： 本书并非简单罗列公式，而是深入剖析了每一个理论推导背后的物理意义，并提供了详实的数学推导过程，适合具备一定量子力学和固体物理基础的研究生及研究人员阅读。 体系的完整性与逻辑性： 从宏观的能带结构到微观的光增益产生，本书构建了一个完整的理论体系，层层递进，逻辑清晰，能够帮助读者建立起对半导体激光器工作原理的系统认知。 面向前沿的视野： 本书不仅涵盖了半导体激光器领域经典的理论模型，也对低维结构、带隙工程等前沿技术进行了深入探讨，为读者了解和参与相关领域的研究提供了理论指导。 应用导向： 尽管本书以理论研究为主，但其严谨的理论分析，为半导体激光器的器件设计、材料选择、性能优化提供了重要的理论依据和指导方向，具有极高的应用价值。 《半导体激光器电子能带结构与光增益的量子理论》无疑将成为半导体激光器领域理论研究的宝贵参考，为有志于深入探索这一迷人领域的科研人员提供一套坚实而系统的理论武器。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字，听起来就充满了挑战性，但同时又极具吸引力。我猜想，这本书的核心内容将围绕着“电子能带结构”展开，这无疑是理解半导体材料性质的基石。我希望能在这本书中找到关于半导体晶格振动、电子-声子散射，以及这些因素如何影响能带形状和电子迁移率的详细讲解。书中是否会涉及 k·p 微扰理论等更高级的工具来精确描述能带的局部特征？我对于了解不同原子族（如 III-V 族、II-VI 族）在能带结构上的细微差异，以及这些差异如何导致不同的光学特性，充满了兴趣。 而“光增益”部分，则是我最期待的内容之一。我希望这本书能够用清晰的逻辑，从量子力学的角度解释半导体激光器是如何实现光放大的。这很可能涉及到“粒子数反转”这一关键概念，以及如何通过载流子注入（例如电注入或光注入）来达到这一状态。我设想书中会给出增益系数的数学表达式，并详细分析其与材料参数、工作条件（如泵浦强度、温度）之间的关系。这本书能否为我揭示，为何在特定条件下，半导体材料能够高效地放大光，成为激光器的核心，是我关注的重点。

评分☆☆☆☆☆

看到《半导体激光器电子能带结构和光增益的量子理论》这个书名，我立刻联想到这是一本严谨而深入的学术著作。我猜测本书会从量子力学的基本原理出发，详细剖析半导体材料内部电子的行为。具体来说，“电子能带结构”部分，我预期会看到关于 Bloch 定理、能带形成机制、有效质量等概念的详尽论述。书中是否会运用薛定谔方程等工具来描述电子在周期性势场中的运动？我希望能够理解不同晶体结构（例如立方晶格）如何导致特定的能带形状，以及这些形状如何影响材料的光学和电学性质。 随后，“光增益”作为激光器的核心功能，我期望书中能够提供一套严谨的理论框架来解释其产生机制。这可能涉及到 Einstein 提出的受激发射理论，以及如何将其应用于半导体体系。我希望能看到关于光学增益谱、峰值增益、增益带宽等关键参数的理论推导。书中是否会讨论不同量子阱、超晶格等纳米结构如何通过调控能带结构来优化光增益？我对作者如何将微观的量子行为与宏观的光放大效应联系起来，感到特别好奇。

评分☆☆☆☆☆

《半导体激光器电子能带结构和光增益的量子理论》这个书名，让我联想到了一次深入的学术探索之旅。首先，我对“电子能带结构”部分的讲解充满期待。我设想作者会详细介绍半导体材料的能带理论，包括费米能级、导带、价带、禁带等基本概念。书中是否会涉及材料的晶格结构、周期性势场对电子运动的影响，以及 Brillouin 区域的划分？我特别希望看到关于不同半导体材料（如 GaAs, InP, GaN 等）的能带参数是如何测定和计算的。 接着，“光增益”作为激光器工作的核心，我期望本书能提供一套严谨的理论分析。这可能包括从量子力学的角度解释受激发射过程，以及半导体材料中实现粒子数反转的条件。我希望能读到关于增益谱、增益系数、阈值光强的理论推导和计算方法。书中是否会讨论半导体激光器中的非线性光学效应，以及这些效应如何影响光增益？我希望这本书能够为我揭示，半导体材料是如何通过巧妙的能带设计和精确的量子调控，实现高效的光放大，从而诞生出我们日常生活中广泛应用的半导体激光器。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对激光技术应用感兴趣的普通读者，我被这本书的题目所吸引，因为它直击半导体激光器的核心物理机制。我预期这本书会带领我深入理解“电子能带结构”这一 foundational concept。我会期待作者能够详细阐述不同半导体材料（如硅、砷化镓等）的能带模型，包括其形状、宽度以及能隙的物理意义。书中是否会触及 Brillouin 区域、晶格振动以及这些因素如何影响能带的细节，这一点让我尤为好奇。 紧接着，“光增益”的部分，我希望看到的是其背后精妙的量子力学解释。我推测书中会探讨粒子数反转、受激发射等关键物理过程，并提供相应的数学模型。例如，是否会讲解 Fermi-Dirac 分布在能带中的作用，以及如何通过注入载流子来诱导反转分布，从而实现光学放大。对于“光增益”的计算方法，以及影响其大小的因素（如材料质量、结构设计、温度等），我也充满了探索的兴趣。这本书能否为我揭示半导体激光器为何能够产生相干光，并且高效放大的奥秘，是我期待的核心。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字听起来就十分专业，虽然我目前对半导体激光器的电子能带结构和光增益的量子理论了解不多，但仅仅是看到这个标题，就激起了我探索的欲望。我猜想，这本书会深入浅出地讲解半导体激光器最核心的物理原理。从“电子能带结构”这个词来看，它应该会详细介绍半导体材料内部电子的能量分布，以及禁带、价带、导带等概念是如何形成的。这一点对于理解半导体材料为何能够发光至关重要。我特别好奇，书中是否会用生动的比喻或者图示来帮助读者理解这些抽象的概念，毕竟能带理论对于初学者来说可能有些门槛。 接着，“光增益”这个词也让我充满了期待。光增益是激光器能够实现光放大的关键。我设想书中会从量子力学的角度，解释电子在能带中如何跃迁，并在这个过程中吸收或辐射光子。特别是“光增益”是如何产生的，是需要达到一定的粒子数反转，还是其他更深层次的量子效应？这本书会不会讨论不同材料体系（例如III-V族、II-VI族半导体）在能带结构上的差异，以及这些差异如何影响光增益的特性？我希望能读到关于阈值电流、增益谱、增益系数等重要参数的理论推导和物理意义的阐释。