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 在线阅读 2026

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。