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內容簡介

　　量子理論是研究半導體激光器中：①體半導體、量子阱、量子綫、量子點等增益介質的電子能譜結構，及其②電子與輻射光場的相互作用，包括光的産生、吸收、放大和散射等涉及不同能帶之間、能帶以內不同子帶或各種晶格缺陷和雜質能級之間的光躍遷和非光躍遷、帶內散射和弛豫等決定半導體激光器涉及光電性能的重要量子行為。其中①和②分彆用單電子近似理論和半經典理論處理。任務是研究對半導體激光器的激射閾值、激光功率、調製速率、器件結構和激光波段等的設計都有根本意義的激光材料光增益譜結構和激光量子效率等。全書論述既重基礎又涉前沿，既重物理概念又重推導編程演算，最後對全量子理論也有簡要的介紹。
　　《半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論（上冊）》適閤有關專業的研究人員和教師、研究生、大學高年級本科生作為專業課本、參考書或自修提高的讀物。

內頁插圖

目錄

總序
引言

第1章 半導體及其低維結構能帶理論
1．1 能帶論的基礎
1．1．1 單電子能帶模型的三個基本近似
1．1．2 晶格周期性的作用
1．1．3 晶格電子能譜及其錶述方式
1．1．4 能帶結構的計算
1．2 有效質量分析與k-p微擾論
1．2．1 有效質量分析
1．2．2 K·p微擾論的有限個能帶模型
1．2．3 凱恩簡並四帶模型，有自鏇一軌道相互作用的k·p法
1．2．4 拉廷格一科恩簡並價帶k·p微擾論
1．2．5 應變對能帶結構的影響
1．2．6 GaN的能帶結構
1．3 非均勻半導體一半導體異質結構
1．3．1 模型固體理論
1．3．2 包絡函數理論和有效質量方程
1．3．3 半導體量子阱的能帶結構
1．3．4 量子阱的子帶結構
1．3．5 多阱結構和阱間耦閤
1．3．6 任意一維勢能場中的電子包絡態——傳播矩陣法
1．3．7 空間電荷分布對能帶結構的影響

第2章 半導體能帶之間的躍遷
2．1 電子和光子的能態密度及其統計占據率
2．1．1 電子能帶的態密度
2．1．2 半導體量子點中的三維諧振子模型
2．1．3 光子能態密度——大光腔情況
2．1．4 電子和光子在多能級係統上的統計分布
2．1．5 體半導體中載流子濃度及其費米能級的確定
2．1．6 半導體量子阱中的載流子濃度及其費米能級的確定
2．2 半導體中的光躍遷
2．2．1 微觀唯象理論
2．2．2 三種基本光躍遷速率之間的關係
2．3 光躍遷的量子力學
2．3．1 光躍遷幾率
2．3．2 半導體帶間光吸收和光增益

前言/序言

　　任何激光器都由三個主要部分組成，一是增益材料、二是波導光腔、三是激發機製，半導體激光器的增益材料主要是直接帶隙半導體，包括高摺射率的體半導體和低維半導體（量子阱、量子綫、量子點），或低摺射率的摻餌（Er）S102、摻餌Si3N4等；其波導光腔可由介電波導或等離子體波導構成，其激發機製可為光注入、pn結注入、或量子隧穿注入等。
　　1948年提齣半導體激光器的設想，1961年在理論上肯定瞭在半導體中實現粒子數反轉的可能性，並於1962年在發光二極管中偶然觀測到激光發射現象之後，製成同質結激光器，從此不斷為其提高工作壽命、降低閾值（首先是為瞭實現室溫連續工作）、控製激光模式、提高齣光功率、提高調製速率、提高工作溫度、拓寬激光波長範圍、微型化和集成化、以及某些特殊用途等的目標而迅速發展。在半導體激光器的發展過程中，理論和實驗之間，或先或後、互相促進、共同得到重大發展。其中富有活力的設計理論，往往因其開創性和前瞻性，在思想上起著開路先鋒的作用，半導體激光器的設計理論大體可分為：工藝理論、速率方程理論、模式理論、和量子理論四個方麵：
　　（1）工藝理論在繼承傳統半導體工藝理論，例如，熔體拉晶、雜質擴散、離予注入、掩膜刻蝕、熔焊燒結等的基礎上，著重發展瞭液相外延、分子束外延、金屬有機氣相沉積外延生長、和自組織生長等化學熱力學和晶體生長動力學的設計理論。其任務是根據半導體激光器件的結構和性能要求，設計齣閤理可行的製作工藝方法、條件和流程。
　　（2）速率方程理論是從微觀唯象觀點，以唯象參數為工具，以粒子數守恒為依據的速率方程為分析手段的半導體激光器件物理理論，從全局上揭示瞭半導體激光器的激射閾值相變、多模之間的模式競爭、模式譜係結構等靜態行為，延遲、過衝、振蕩過渡等瞬態行為、調製方式方法及其速率、動態頻譜結構、動態單模化、光模注入鎖定、激光的雙穩態、自脈動、分叉、混沌、量子噪聲和譜綫展寬、載流子在量子阱、量子綫、量子點等低維結構中的捕獲和逃逸等動力學行為及其物理機製，所涉及的有關唯象參數的數值大小則由實驗估測，而其物理機製、內涵、導齣、和理論估算等，則由下述宏觀和微觀理論分彆解決和提供。其任務是挖掘器件的潛能，發現和提齣可能的新器件或新性能、提齣優化器件現有性能等的器件設計方案。
　　（3）模式理論是研究激光在波導光腔中的傳播規律，各種波導結構中可能存在的各種光模類型和模式結構特點、揭示激光模式結構與波導結構的內在聯係，從而發現控製波導結構和模式結構的途徑。由於光在傳播過程中主要突齣其波動性，因而量子場論和經典場論導齣基本上相同的結果，因此完全可以從麥剋斯韋方程組齣發進行分析。其任務是找齣器件性能所需的佳激光模式結構和設計齣其閤理的波導光腔結構方案。
　　（4）量子理論是研究半導體激光器中體半導體、量子阱、量子綫、量子點等增益介質的電子能譜結構及其電子與輻射光場的相互作用，包括光的産生、吸收、放大和散射等涉及不同能帶之間、能帶以內不同子帶或各種晶格缺陷和雜質能級之間的光躍遷和非光躍遷、帶內散射和弛豫等決定半導體激光器涉及光電性能的重要量子行為。其處理所涉及的電子係統與光子係統相互作用的理論基礎或齣發點，有經典理論、半經典理論、全量子理論三個層次。經典理論是將電子的運動服從牛頓力學，光波及其與電子的相互作用服從經典場論，即麥剋斯韋方程組。這對眾多的電子與光波之間弱相互作用的摺射率現象和自發發射因子現象都可得齣相當成功的理論結果。半經典理論是將電子的運動服從量子力學，但對光波采用經典場論近似，即近似服從麥剋斯韋方程組。這在受激輻射和散射問題都獲得非常成功，但無法直接處理自發輻射問題，全量子理論是將電子和光子的運動皆統一服從量子力學，即將電磁輻射場量子化，這樣的量子場論與量子電動力學或量子電子學或光子學的差彆隻在一般可忽略相對論效應，至於光和非光躍遷所涉的增益介質中的電子能級則由半導體能帶的量子理論得齣，因此，現行的半導體激光器發光過程的理論大多是以半導體能帶結構理論和半經典光躍遷的量子理論為基礎。其任務是研究半導體激光材料的光增益和激光的量子效率，及其光增益譜結構，如增益譜的峰值增益及其相應的峰值能量和增益譜寬與半導體能帶結構的關係，以及影響增益的可能因素，提齣拓寬激光波段和提高激光增益的新材料及其受到增益介質的尺寸和維數的影響。這對半導體激光器的激射閾值、激光功率、調製速率、器件結構和激光波段等都有根本性的意義。
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