具体描述
| 图书基本信息 | |
| 图书名称 | 光泵浦外腔面发射激光器——理论、实验及应用 |
| 作者 | 张鹏 |
| 定价 | 79.0元 |
| 出版社 | 科学出版社 |
| ISBN | 9787030442888 |
| 出版日期 | 2015-06-01 |
| 字数 | 569000 |
| 页码 | |
| 版次 | 1 |
| 装帧 | 平装 |
| 开本 | 16开 |
| 商品重量 | 0.4Kg |
| 内容简介 | |
| 光泵浦外腔面发射激光器（VECSEL）是近年来兴起的一种新型激光器件，它综合了边发射型半导体激光器、垂直腔面发射半导体激光器及光泵浦固体薄片激光器的优点，能同时获得高输出功率、高光束质量以及从可见光到红外波段可设计的波长。《光泵浦外腔面发射激光器:理论、实验及应用》主要介绍增益理论、量子设计、热管理等与VECSEL相关的基本理论，高功率、倍频、锁模、可调谐等VECSEL实验研究的研究方法、研究趋势和研究前沿，以及VECSEL在激光显示、激光光谱学、自由空间通信、军事科学、生命科学等领域的主要应用。 |
| 作者简介 | |
| 目录 | |
| 编辑推荐 | |
| 《光泵浦外腔面发射激光器:理论、实验及应用》可供从事激光器件研究和应用开发的科技人员，以及光学工程相关专业研究生参考。 |
| 文摘 | |
| '章简介 1.1半导体激光器 1.1.1激光的问世 激光（light amplification by stimulated emission of radiation，laser）与原子能、计算机、半导体并称为20世纪四大发明，其理论基础需要追溯到1900年普朗克（M.Planck）提出的量子假说。1905年，爱因斯坦（A.Einstein）在普朗克量子假说的基础上提出光子说，很好地解释了光电效应现象。1917年，爱因斯坦进一步提出光与物质相互作用理论，建立了受激辐射等基本概念，预测到光可以产生受激辐射放大。 1924年，托尔曼（R.C.Tolman）指出，产生粒子数反转的介质具有光学增益，这也是产生激光的基本条件之一。1953年，普罗科洛夫（A.M.Prokhorov）和汤斯（C.H.Townes）在微波段实现了受激辐射放大，分别独立报道了个微波受激辐射放大器（microwave amplification by stimulated emission of radiationmaser，MASER）。 把受激辐射放大从微波段推进到光频段的工作并不容易，因为要在光频段制作出与微波段类似的波长可比拟的封闭式谐振腔在当时几乎是不可能的。1958年，汤斯和肖洛（A.L.Schawlow）抛弃了尺度必须和波长可比拟的封闭式谐振腔的旧思路，提出利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔实现光频段受激辐射放大的想法。这期间，布隆伯根（N.Bloembergen）提出利用光泵浦三能级原子系统原子数反转分布来实现受激辐射光放大的构思。 1960年5月15日，美国休斯公司实验室的梅曼（T.H.Maiman）利用红宝石棒观察到激光。梅曼在7月7日正式演示了世界台红宝石固态激光器：利用一个高强度闪光灯管来激发红宝石棒，在端面镀上反光镜的红宝石的其中一个端面钻一个孔，使激光可以从这个孔输出。当年8月16日，他在Nature 发表了一个简短的快报，后来被汤斯评论为：梅曼的论文是如此之短而又产生了如此众多的巨大影响，以致我相信它是上个世纪Nature 发表的任何精彩论文中单个文字重要的论文。 激光被称为快的刀、准的尺、亮的光，它是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，一经问世，就获得了异乎寻常的飞速发展。激光的发展使古老的光学科学和光学技术获得了新生，使人们能有效地利用的先进方法和手段，获得空前的效益和成果，从而极大地促进了生产力的发展，也在程度上改变了人们的生产及生活方式。 1.1.2半导体激光器简介 半导体物理学的迅速发展及晶体管的发明，使科学家们早在20世纪50年代就设想发明半导体激光器。莫斯科列别捷夫物理研究所的巴索夫（N.G.Basov）提出建立不平衡量子系统的三能级方法，这种方法可放大受激辐射，并立即被应用于无线电微波段的量子振荡器和放大器上。1958年，巴索夫首先提出利用半导体制造激光器的可能性，后来实现了通过PN结、电子束和光泵激发的各种类型的半导体激光器。 在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（Kyes）和奎斯特（Qwest）报告了GaAs材料的发光现象，这引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）的极大兴趣。哈尔立即制定了研制半导体激光器的计划，数周后获得成功。 1962年9月，世界上的台半导体激光器几乎同时由通用电气公司、国际商用机器公司和麻省理工学院林肯实验室三个有威望的研究机构发明问世，三家机构各自在一个月内都报道了GaAs的904nm相干输出。 20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器，它是在一种材料上制作的PN结，只能在77K低温下以脉冲形式工作。1969年，单异质结激光器研制成功，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层所组成，其阈值电流密度数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。 1970年，贝尔实验室等机构相继研制出室温连续工作的双异质结激光器（DHL），其结构特点是在P型和N型材料之间生长了具有较窄能隙材料的一个薄层，因此注入的载流子被限制在该区域内，注入较少的电流就可以实现载流子数的反转。双异质结激光器的诞生使半导体激光器的可用波段不断拓宽，线宽和调谐性能逐步提高。而足够可靠的半导体激光器直到70年代中期才出现。 异质结激光器的发展，启发了人们将超薄的半导体层作为激光器的激活层，以便产生量子效应。在MBE、MOCVD等半导体外延生长技术的推动下，1978年出现了世界上只半导体量子阱激光器（QWL），它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能。量子阱半导体激光器与双异质结激光器相比，具有阈值电流低、输出功率高、频率响应好、光谱线宽窄、温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点。 从20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器，另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。分布反馈（DFB）式半导体激光器就是伴随光纤通信和集成光学回路的发展而出现的，它于1991年研制成功，完全实现了单纵模运行，在相干技术领域中又开辟了巨大的应用前景。在泵浦固体激光器等应用的推动下，高功率半导体激光器在20世纪90年代也取得了突破性进展，千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化。 典型的条形半导体激光器（也称二极管激光器或激光二极管，laser diode，LD）结构如图1.1所示［1］，自上而下，分别为P型接触、P掺杂的覆层、P掺杂的波导层、有源区、N掺杂的波导层、N掺杂的覆层以及N型接触。由于有源区的厚度只有数微米，而出光孔径的宽度在数十微米，所以半导体激光器的输出光束呈椭圆形，其纵横比差别很大。纵向（也称快轴方向）光束发散角大，但光束质量较好，容易准直，而横向（慢轴方向）光束发散角小，但光束质量较差，一般是多模，不容易准直。因此，在一些对光束质量有特殊要求的应用中，半导体激光器的输出光束需要经过专门的整形之后才能达到使用要求。 图1.2是半导体激光器的光学谐振腔的示意图。从已完成外延生长的半导体晶圆片上划分出来的芯片，在与生长平面垂直方向上的两个解理面，能对激光提供约30%的反射率，形成激光谐振腔。但这种自然形成的谐振腔损耗太大，而且实际应用中一般也只希望激光器的一端出光，所以往往在其中的一个端面进行高反镀膜处理，构成如图1.2所示的谐振腔［1］。 图1.1条形半导体二极管激光器示意图 图1.2激光二极管的光学谐振腔示意图 1.1.2.1半导体激光器的特点 与固体激光器、气体激光器等其他种类的激光器相比，半导体激光器（主要指电激励方式半导体激光器）由于其本身介质的特殊性，使得它具备以下一些特点［2］： （1）体积小，重量轻。电激励型半导体激光器器件本身的大小都在1mm3以下，即使加上散热片和电源装置，一个封装完整的成品半导体激光器仍然是一个非常小的小型系统。 （2）可以电流注入激励。单个的半导体激光器只需要几伏的低电压，毫安级注入电流（典型值2V，15mA）便可达到激光器阈值，发射出激光。除电源装置以外，激光器不需要其他任何附加的激励设备和部件。因为是电功率直接变换成输出光功率，所以能量转换效率高，目前商用半导体激光器的电.光转换效率达60%以上，实验室可达70%，理论上的高效率可达85%。 （3）室温下可连续振荡。在室温附近的温度范围内，大多数半导体激光器都能够实现连续振荡，给实际应用带来极大的方便。 （4）波长范围广。适当地选择半导体材料及合金半导体内各材料的组分，利用成熟的半导体能带工程，半导体激光器可输出从可见光到红外波长范围内的任意波长。 （5）增益带宽宽。即使是一种固定材料的半导体激光器，能够得到光放大增益的波长范围也是比较宽的。因此在这个范围内可以任意选择发射波长，从而实现波长可调谐输出激光器，也能够实现宽带光放大器。 （6）可直接调制。因为可以电流注入激励，所以可以把信号叠加在半导体激光器的激励电流上，在直流到吉赫兹（GHz）波段的宽频范围内，对激光器的振荡强度、振荡频率或相位进行调制。 （7）相干性好。用单横模的半导体激光器可以得到空间上相干性很高的输出激光。在DFB，DBR半导体激光器中能产生亚兆赫兹（MHz）窄谱线宽度的激光输出，得到稳定的单纵模激光，其时间上的相干性也很高。 （8）能够产生超短激光脉冲。采用增益开关或锁模的方法，以简单的系统结构就能从半导体激光器中获得从纳秒（ns）到皮秒（ps）量级的超短激光脉冲。 （9）可靠性高。半导体激光器是单片形状，具有牢固的机械结构。另外，半导体激光器没有磨损等因素，所以不需要维修，故寿命长，可靠性高。 （10）可批量生产。由于是小型、层状结构，半导体激光器可以用光刻和平面工艺技术制作，适宜于大批量生产。 （11）可单片集成化。由于是小型层状结构，半导体激光器体积小、重量轻、可电流注入激励、可靠性高，所以能够把同种半导体激光器集成在同一衬底上，实现半导体激光器本身的集成。另外，半导体激光器的制造工艺与半导体电子器件和集成电路的生产工艺兼容，所以在同一衬底上，用相同的半导体材料又可以制成光探测器、光调制器和电子电路元件，实现半导体激光器与其他光子及电子器件的集成，得到单片集成的高性能器件。 必须注意到，半导体激光器同时也存在自身的缺点和问题。 （1）温度特性差。由于半导体材料的各种性质与温度密切相关，所以半导体激光器的工作特性与温度有显著关系，环境温度的变化会导致激光器输出频率、阈值电流以及输出功率等随之发生改变。 （2）容易产生噪声。半导体激光器是利用高浓度的载流子工作，所以载流子的起伏会影响有源区的折射率。另外，半导体激光器的谐振腔长度短，还采用了低反射率的端面作为反射镜，所以激光振荡容易受到外部返回光的影响。因此，半导体激光也容易产生噪声和不稳定性。 （3）输出光束发散。由于半导体激光器的激光输出端面尺度小且纵横比差别很大，激光输出时形成椭圆形的发散光束，光束质量较差。一些情况下，需要对光束进行整形才符合使用要求。 1.1.2.2半导体激光器的应用 半导体激光器是成熟较早、发展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，生产量大，应用范围广。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术，在激光通信、激光测距、激光雷达、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用。 信息光电子方面的应用：半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展。1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，到如今，它是当前光通信领域中发展快、为重要的激光光纤通信的重要光源。由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存储、光计算机外部设备的光耦合等方面有重要用途。一般长波长半导体激光器用于光通信，短波长半导体激光器则用于光盘读出，而可见光半导体激光器在用作彩色显示器光源、光存储的读出和写入、激光打印、激光印刷、高密度光盘存储系统、条码读出器等方面有着广泛的用途。半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展。可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信。 工业生产方面的应用：大功率半导体激光器在精密机械零件等激光加工方面有重要应用。现在，大功率半导体激光器的投资费用及运营成本已经比Nd：YAG激光器低很多，与CO2激光器相当，甚至更低，所以，大功率半导体激光器逐渐跻身工业应用中的切割和高速深度焊接领域，在汽车车身制造和电子元件的密封封装方面有越来越多的应用。其次，高功率半导体激光器在工件的表面淬火硬化、表面沉积耐磨层或耐磨层的修复、对静电敏感及温度敏感元件的软焊接以及聚合物的焊接等方面也存在很好的应用前景。 科学研究方面的应用：半导体激光器是固体激光器理想的高效率泵浦光源' …… |
| 序言 | |
用户评价
从出版社来看，科学出版社的出版物，通常意味着内容的权威性和严谨性得到了充分的背书。这本书的ISBN号也指向了它是一部近年来出版的新作，这非常关键，因为半导体激光器的研究日新月异，老旧的资料很快就会过时。我非常关注书中对于新材料、新工艺的介绍。例如，在VCSEL领域，碳纳米管、二维材料（如石墨烯）作为电极或量子阱材料的探索，是否已经渗透到这本书的讨论范围之内？尤其是在“光泵浦”的背景下，如何利用新型介质来提高泵浦效率和散热性能，这无疑是当代研究的热点。此外，关于器件的可靠性与长期稳定性测试，是任何工程应用的前提。我期望书中能包含详细的加速老化实验数据和失效分析报告，而不是仅仅停留在实验室的瞬态演示上。一本优秀的专著，不仅要展示成功，更要剖析失败，分享工程化过程中遇到的“坑”和规避策略。这种基于实践的反馈，远比纯理论推导更有价值。
评分这本书，坦率地说，我还没来得及细读，但光是它的名字——《光泵浦外腔面发射激光器——理论、实验及应用》，就足以让我对它肃然起敬。我知道这个领域是光学和半导体物理交叉的前沿，充满了复杂而精妙的工程挑战。光泵浦技术本身就蕴含着极高的能量转换效率和光谱控制的潜力，而VCSEL（垂直腔面发射激光器）作为一种革命性的光源，其潜力在通信、传感乃至生物医学领域都尚未完全释放。因此，我预感这本书绝非泛泛之谈，它必然深入到了半导体异质结的能带结构、腔体设计中的光场分布、以及如何通过精确的电流注入和热管理来实现稳定的、高相干性的光束输出。光泵浦意味着它可能探讨的是如何用外部光源（比如高功率LED或另一个激光器）来激发VCSEL，这与传统的电注入有着本质的区别，需要更深入的物理机制分析，比如载流子的激发、复合过程的动力学，以及如何优化耦合效率。如果作者张鹏能将这些前沿且晦涩的理论，用清晰的数学推导和详实的实验数据支撑起来，那这本书的价值将无可估量，它会是本领域科研人员和高年级研究生的必备工具书。我期待看到它在器件性能极限探索方面的真知灼见。
评分拿到书后，首先吸引我的是“张鹏”这个作者名字。在激光物理领域，能够深入到如此精细的半导体器件结构层面进行系统性研究的学者，通常都具有深厚的物理直觉和严谨的实验作风。这本书的结构安排和叙事逻辑至关重要。我希望它不是那种堆砌公式和图表的教科书，而是一部有灵魂的著作。它应该像一位经验丰富的导师，循序渐进地引导读者从基础的PN结物理，过渡到量子阱/点结构的设计哲学，再到最终的外腔耦合的复杂反馈机制。外腔设计是提高相干性和单模特性的关键，这部分内容往往是普通教材的薄弱环节。我希望书中能够详尽阐述不同类型外腔（比如菲涅尔反射、衍射光栅等）的优缺点，以及它们对泵浦源耦合效率的影响。如果能配上高质量的仿真结果对比图，直观展示不同设计参数对光场模式的塑造作用，那将是锦上添花。总而言之，我期待它能在保持学术深度的同时，具备极佳的可读性和启发性，让我在阅读过程中，不仅是知识的接收者，更是思考的参与者。
评分我对这本书的期待，主要集中在“应用”这个词上。理论和实验固然重要，但真正让一本技术专著焕发生命力的，是它如何指导实际工程问题的解决。我特别想知道，书中对于VCSEL在光互连、激光雷达（LiDAR）以及光计算等高热点领域的应用案例分析得有多深入。例如，在高速光通信中，如何克服串扰和温度漂移，实现高码率下的误码率优化？在三维传感方面，是否提供了关于调制格式选择和探测器前端电路设计的实用指导？更进一步，考虑到这是一本涵盖“光泵浦”的专著，书中是否探讨了如何利用光泵浦机制来绕过传统电注入VCSEL在高功率密度下易出现的限制，实现超高功率密度、高亮度甚至高相干性的激光输出？如果它能提供一套结构化的、可复用的设计流程图或者评估标准，那么这本书就从一本学术著作，升级成了一份实用的工程蓝图。我尤其希望看到对当前主流商业化产品的性能对比和未来技术路线的预测分析，这能极大地帮助我们把握技术发展的脉搏。
评分说实话，这本书的书名如此专业且具体，意味着它的受众定位非常精准，主要面向从事激光器设计、半导体光电子学研究的专业人士。作为一名长期关注光电子领域的读者，我最看重的是它能否提供一个完整且连贯的知识体系，将“光泵浦”、“VCSEL”和“外腔”这三个关键技术点有机地融合起来。很多专著往往只深入其中一个环节，比如专门讲外腔共振，或者只谈VCSEL的材料生长。但这本书的潜力在于，它提供了一个跨越不同工程尺度的整合视图：从微观的量子效应，到中观的器件结构设计，再到宏观的系统集成。我希望作者能够清晰地阐述，光泵浦这种非标准的激发方式，如何反过来影响了外腔的锁定机制和模式选择，以及这种组合模式相对于传统电注入系统的根本性优势和局限性。如果能对这些复杂耦合的物理现象进行清晰的归类和数学建模，那么这本书就不仅仅是一本参考资料，更是一份指导未来研究方向的纲领性文件，能帮助我们避免走弯路，直接触及问题的核心。
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