半导体激光器波导模式理论(上册) 郭长志 9787030457172 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

ISBN：9787030457172

商品编码：29373927589

包装：圆脊精装

出版时间：2018-04-01

基本信息

书名：半导体激光器波导模式理论(上册)

定价：178.00元

作者：郭长志

出版社：科学出版社

出版日期：2018-04-01

ISBN：9787030457172

字数：

页码：

版次：31

装帧：圆脊精装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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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，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。

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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光与物质的精密舞蹈：探索半导体激光器波导模式的奥秘 本书是《半导体激光器波导模式理论(上册)》的姊妹篇，作为该领域的深入探索，它将引领读者从宏观理论的构建，深入到微观物理机制的解析，揭示半导体激光器中光波与半导体材料之间复杂而精妙的相互作用。本书旨在为读者提供一个全面、系统且深入的理论框架，理解在微纳尺度下，光如何在半导体波导结构中传播、演化，并最终实现激光输出。上册奠定了理论基础，本册则将这些基础付诸实践，通过对一系列关键物理现象的细致剖析，展示波导模式理论在实际器件设计与性能优化中的核心作用。 引言：从微观世界到宏观性能的桥梁 半导体激光器作为现代光电子信息产业的基石，其性能的提升与创新离不开对器件内部物理过程的深刻理解。而波导模式理论，正是连接半导体材料特性与激光器宏观输出特性的关键桥梁。当光波被限制在厘米、微米甚至纳米级别的半导体波导结构中时，其传播行为将不再是简单的直线传播，而是呈现出高度的量子化和波动性。理解这些“模式”，以及它们如何相互影响，如何与增益介质耦合，最终决定了激光器的阈值电流、输出功率、光谱特性、光束质量等一系列至关重要的参数。本书将聚焦于这些核心问题，从理论层面深入剖析，为读者构建一个扎实的知识体系，使其能够洞悉半导体激光器波导模式的生成、演化与调控机制。 第一章：波动方程与边界条件——奠定理论基石 本书的起点，将是对波动方程的严谨推导与分析。我们将从麦克斯韦方程组出发，将其应用于包含介电常数随空间变化的半导体材料介质中。通过引入电场和磁场的矢量形式，以及相应的矢势和标势，我们将推导出描述光波在介质中传播的亥姆霍兹方程。特别地，对于具有周期性结构或非均匀性的半导体材料，将进一步讨论如何利用不同的近似方法，如慢变包络近似（Slowly Varying Envelope Approximation, SVEA），来简化波动方程，使其更便于求解。 紧接着，我们将深入探讨边界条件的重要性。在半导体波导结构中，光波的传播受到材料界面、表面以及结构边缘的严格约束。我们将详细介绍电磁场在介质界面处的连续性条件，包括电场切向分量和磁场切向分量的连续性，以及法向电位移和磁感应强度的连续性。这些边界条件的精确应用，是获得精确波导模式解的必要前提。我们将通过分析不同形状和材料组成的波导结构，例如脊形波导（Ridge Waveguide）、埋置型波导（Buried Waveguide）等，来展示边界条件如何塑造光场分布。 第二章：模式的分类与特性——理解光场的“身份” 理解波导中的光场，关键在于识别和区分不同的“模式”。本章将系统介绍波导模式的分类方法。对于介质波导，我们将重点讨论横电（TE）模式和横磁（TM）模式。我们将详细推导这些模式的电磁场分量表达式，并分析它们的特点，例如在TE模式中，电场分量平行于波导的横向平面，而在TM模式中，磁场分量平行于波导的横向平面。 进一步，我们将引入更通用的概念——准横电（Quasi-TE）和准横磁（Quasi-TM）模式，这对于理解具有复杂介电常数分布的半导体波导至关重要。我们将分析模式的传播常数（Propagation Constant, $eta$）及其与波长、材料折射率、波导尺寸之间的关系。传播常数直接决定了光波在波导中的传播速度和相位变化，是计算模式损耗、耦合效率等关键参数的基础。 此外，本章还将深入探讨模式的场分布特性。我们将展示不同阶数的模式在波导横向平面内的分布情况，例如基模（Fundamental Mode）通常具有最紧凑的场分布，而高阶模式则可能在横向平面内呈现出多个极值，甚至出现“旁瓣”现象。我们将分析场分布的宽度、形状以及能量的集中程度，并讨论这些特性如何影响激光器的光束质量和空间相干性。 第三章：均匀介质波导的解析解——经典理论的重现 在掌握了基本的光学波动方程和边界条件后，本章将聚焦于求解最基本、也是最经典的半导体波导模型——均匀介质波导。我们将详细推导二维均匀介质波导（即单层薄膜波导）的解析解。通过分离变量法，我们将把三维波动方程降维到二维或一维问题，并求解出具有特定传播常数和横向场分布的本征模式。 我们将重点分析条形波导（Strip Waveguide）和脊形波导（Ridge Waveguide）的特性。对于条形波导，我们将探讨其横向场分布的解析表达式，并分析不同参数（如条形宽度、芯层厚度、包层折射率）对其模式特性的影响。对于脊形波导，我们将讨论其非均匀的横向结构如何影响模式的传播常数和场分布，并引入近似方法来处理其更复杂的几何形状。 本章还将讨论均匀介质波导的模式容量（Mode Capacity），即在给定波导尺寸和材料折射率差下，能够支持的模式数量。我们将分析当波导尺寸减小或折射率差减小时，模式数量如何变化，以及如何实现单模（Single-Mode）或多模（Multi-Mode）传播。这些解析解不仅是理解更复杂波导结构的基础，也为评估和选择合适的波导设计提供了重要的理论依据。 第四章：非均匀介质波导理论——应对复杂结构 现实中的半导体激光器波导结构往往并非简单的均匀介质。它们可能包含复杂的掺杂区域、多层堆叠结构，或者具有变化的折射率分布。本章将深入探讨非均匀介质波导的理论处理方法。 我们将首先介绍分段介质近似（Effective Index Method, EIM）和分段折射率法（Discretized Waveguide Method）等近似求解技术。这些方法通过将非均匀波导分割成若干均匀的子区域，然后利用均匀波导的理论解来近似求解整体模式，能够有效地处理复杂的多层结构和渐变折射率分布。我们将详细讲解这些方法的原理、推导过程以及适用范围，并分析其带来的误差。 对于具有周期性折射率调制（如布拉格光栅）的波导结构，我们将引入耦合模理论（Coupled Mode Theory, CMT）。 CMT能够很好地描述在周期性结构中，不同模式之间如何相互耦合，以及由此产生的布拉格反射和模式转换现象。我们将推导出耦合方程组，并分析其解，以理解光栅的反射谱、透射谱以及与之相关的激光器性能。 此外，本章还将讨论其他非均匀波导的特殊情况，例如渐变折射率（Graded-Index, GRIN）波导，以及如何利用数值方法（如有限元法、有限差分法）来精确求解这些复杂结构下的模式特性。 第五章：模式耦合与能量传输——理解光场的互动 在复杂的半导体激光器器件中，光波的传播并非孤立进行。不同模式之间可能发生耦合，光场能量也需要在不同区域之间传输。本章将专注于这一重要课题。 我们将首先介绍模式耦合的基本概念，包括模式间耦合的来源，如波导的不规则性、非均匀掺杂、材料缺陷等。我们将利用耦合模理论来分析不同模式之间的耦合强度，并推导出耦合方程组。通过求解这些方程，我们可以了解在耦合作用下，能量如何在不同模式之间转移，以及如何导致模式转换或能量损耗。 接着，我们将深入探讨模式耦合在激光器中的应用。例如，在多模激光器中，模式耦合可以导致模式竞争，影响激光器的输出特性。而在某些特殊的波导结构设计中，有目的地引入模式耦合，可以用于实现光功率的定向传输或光束整形。 本章还将讨论光场能量的传输和分布。我们将介绍如何计算不同模式在波导中的功率流密度，以及如何分析光场能量在增益区域的吸收和辐射过程。这对于理解激光器的增益机制和优化增益分布至关重要。 结语：迈向更深层次的理解 《半导体激光器波导模式理论(上册)》为你打下了坚实的理论基础，而本书则在此基础上，进一步深化了对半导体激光器波导模式的理解。通过对波动方程、边界条件、模式特性、经典与非均匀波导理论以及模式耦合等关键内容的深入剖析，你将能够构建起一个完整、清晰的理论框架，用以分析和预测半导体激光器在实际工作中的行为。这些知识不仅对于理解现有器件至关重要，更为你未来在半导体激光器设计、研发和创新方面，提供了强有力的理论支撑。在掌握了这些理论工具后，你将能够更精准地设计出高性能、特定功能的半导体激光器，为光电子技术的发展贡献力量。

评分☆☆☆☆☆

这本《半导体激光器波导模式理论(上册)》刚到手，还没来得及细细品味，但仅从装帧和目录的初步浏览来看，就足以让人感受到这是一部沉甸甸的学术巨著。封面设计简洁大气，烫金的书名在灯光下熠熠生辉，透着一股严谨的科学气质。翻开目录，一系列熟悉的专业术语扑面而来：波动方程、色散关系、模式解、增益、损耗…… 每一个词汇都勾勒出半导体激光器核心理论的轮廓。虽然我是一名刚刚踏入这个领域的学生，对很多概念还处于懵懂阶段，但这份目录就已经勾勒出了一条清晰的学习路径。我特别期待书中对波导理论基础的详细阐述，例如不同几何形状波导的模式特性，以及它们如何影响激光器的光场分布和性能。毕竟，理解了波导模式，才能更深入地掌握半导体激光器的工作原理。此外，我对书中可能涉及的数值计算方法和仿真技术也抱有极高的兴趣，希望能够从中学习到实用的分析工具，为未来的研究打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

一直以来，半导体激光器的相关书籍市面上并不少见，但真正能够深入浅出、系统性讲解波导模式理论的却相对稀少。这次购入《半导体激光器波导模式理论(上册)》，很大程度上是出于对作者郭长志先生学术声誉的信任。从其他途径了解到，郭先生在该领域有着深厚的造诣，其研究成果在国际上享有盛誉。因此，我对于本书的内容质量有着非常高的期待。我希望这本书能够不仅仅停留在理论公式的堆砌，而是能够通过精妙的推导和清晰的逻辑，将复杂的物理现象层层剥开，让读者能够真正理解其内在的联系和物理意义。特别是关于模式的演化、耦合以及在不同波导结构下的行为，这些都是理解半导体激光器性能的关键。我设想书中会提供大量的图表和示意图，用以辅助说明抽象的理论概念，让学习过程更加直观和高效。

评分☆☆☆☆☆

对于我这样的初学者来说，半导体激光器的波导模式理论无疑是一个充满挑战的领域。市面上很多教材往往过于偏重某一方面，或者过于抽象，让非专业人士望而却步。我寄希望于《半导体激光器波导模式理论(上册)》能够填补这一空白。我特别希望书中能够从最基础的波动方程出发，一步步引导读者构建起对模式的认知。例如，书中是否会详细介绍不同近似方法（如弱导近似）的适用条件和局限性？它们在实际计算中能带来怎样的便利，又会引入怎样的误差？这些都是我在学习过程中非常困惑但又急切想弄明白的问题。同时，我也期待书中能够穿插一些实例分析，比如针对某个具体的半导体激光器结构，如何利用波导模式理论来预测其光场分布和阈值电流等关键参数。

评分☆☆☆☆☆

拿到这本书，首先映入眼帘的是其厚实的纸张和精美的印刷。作为一名长期与学术文献打交道的研究者，深知一本高质量的学术著作对于知识的传承和研究的推进有着至关重要的作用。翻阅《半导体激光器波导模式理论(上册)》，其编排结构严谨而清晰，章节之间的过渡自然流畅，给人一种循序渐进的学习体验。我对书中关于模式截止条件、有效折射率法、以及全矢量模式求解等内容尤为关注。这些都是构建半导体激光器波导模型的基础，掌握得越扎实，越能为后续更深入的研究打下坚实基础。我期待书中能够提供详细的数学推导过程，并且每一步都附有清晰的物理解释，避免出现“黑箱操作”。同时，我也希望能看到书中对一些经典波导结构（如脊形波导、带状波导等）的模式特性进行深入分析，并对比它们在激光器性能上的优劣。

评分☆☆☆☆☆

尽管我还没有深入阅读《半导体激光器波导模式理论(上册)》的具体内容，但仅凭其封面和作者的声望，我就对其寄予厚望。对于半导体激光器来说，波导结构的设计和模式的控制是决定器件性能的核心要素之一。因此，一本能够系统、全面地阐述这一理论的书籍，对于任何想要深入理解和设计半导体激光器的研究人员来说，都具有不可或缺的价值。我希望这本书能够深入剖析模式与激光器输出特性之间的内在联系，比如如何通过调控波导结构来抑制高阶模式、实现单模输出，以及优化光场限制因子以提高效率。同时，我也期待书中能够涉及一些前沿性的内容，例如新型波导结构的设计理念，以及在微腔激光器、光子晶体激光器等领域波导模式理论的应用。