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内容简介

　　量子理论是研究半导体激光器中：①体半导体、量子阱、量子线、量子点等增益介质的电子能谱结构，及其②电子与辐射光场的相互作用，包括光的产生、吸收、放大和散射等涉及不同能带之间、能带以内不同子带或各种晶格缺陷和杂质能级之间的光跃迁和非光跃迁、带内散射和弛豫等决定半导体激光器涉及光电性能的重要量子行为。其中①和②分别用单电子近似理论和半经典理论处理。任务是研究对半导体激光器的激射阈值、激光功率、调制速率、器件结构和激光波段等的设计都有根本意义的激光材料光增益谱结构和激光量子效率等。全书论述既重基础又涉前沿，既重物理概念又重推导编程演算，最后对全量子理论也有简要的介绍。
　　《半导体激光器能带结构和光增益的量子理论（上册）》适合有关专业的研究人员和教师、研究生、大学高年级本科生作为专业课本、参考书或自修提高的读物。

内页插图

目录

总序
引言

第1章 半导体及其低维结构能带理论
1．1 能带论的基础
1．1．1 单电子能带模型的三个基本近似
1．1．2 晶格周期性的作用
1．1．3 晶格电子能谱及其表述方式
1．1．4 能带结构的计算
1．2 有效质量分析与k-p微扰论
1．2．1 有效质量分析
1．2．2 K·p微扰论的有限个能带模型
1．2．3 凯恩简并四带模型，有自旋一轨道相互作用的k·p法
1．2．4 拉廷格一科恩简并价带k·p微扰论
1．2．5 应变对能带结构的影响
1．2．6 GaN的能带结构
1．3 非均匀半导体一半导体异质结构
1．3．1 模型固体理论
1．3．2 包络函数理论和有效质量方程
1．3．3 半导体量子阱的能带结构
1．3．4 量子阱的子带结构
1．3．5 多阱结构和阱间耦合
1．3．6 任意一维势能场中的电子包络态——传播矩阵法
1．3．7 空间电荷分布对能带结构的影响

第2章 半导体能带之间的跃迁
2．1 电子和光子的能态密度及其统计占据率
2．1．1 电子能带的态密度
2．1．2 半导体量子点中的三维谐振子模型
2．1．3 光子能态密度——大光腔情况
2．1．4 电子和光子在多能级系统上的统计分布
2．1．5 体半导体中载流子浓度及其费米能级的确定
2．1．6 半导体量子阱中的载流子浓度及其费米能级的确定
2．2 半导体中的光跃迁
2．2．1 微观唯象理论
2．2．2 三种基本光跃迁速率之间的关系
2．3 光跃迁的量子力学
2．3．1 光跃迁几率
2．3．2 半导体带间光吸收和光增益

前言/序言

　　任何激光器都由三个主要部分组成，一是增益材料、二是波导光腔、三是激发机制，半导体激光器的增益材料主要是直接带隙半导体，包括高折射率的体半导体和低维半导体（量子阱、量子线、量子点），或低折射率的掺饵（Er）S102、掺饵Si3N4等；其波导光腔可由介电波导或等离子体波导构成，其激发机制可为光注入、pn结注入、或量子隧穿注入等。
　　1948年提出半导体激光器的设想，1961年在理论上肯定了在半导体中实现粒子数反转的可能性，并于1962年在发光二极管中偶然观测到激光发射现象之后，制成同质结激光器，从此不断为其提高工作寿命、降低阈值（首先是为了实现室温连续工作）、控制激光模式、提高出光功率、提高调制速率、提高工作温度、拓宽激光波长范围、微型化和集成化、以及某些特殊用途等的目标而迅速发展。在半导体激光器的发展过程中，理论和实验之间，或先或后、互相促进、共同得到重大发展。其中富有活力的设计理论，往往因其开创性和前瞻性，在思想上起着开路先锋的作用，半导体激光器的设计理论大体可分为：工艺理论、速率方程理论、模式理论、和量子理论四个方面：
　　（1）工艺理论在继承传统半导体工艺理论，例如，熔体拉晶、杂质扩散、离予注入、掩膜刻蚀、熔焊烧结等的基础上，着重发展了液相外延、分子束外延、金属有机气相沉积外延生长、和自组织生长等化学热力学和晶体生长动力学的设计理论。其任务是根据半导体激光器件的结构和性能要求，设计出合理可行的制作工艺方法、条件和流程。
　　（2）速率方程理论是从微观唯象观点，以唯象参数为工具，以粒子数守恒为依据的速率方程为分析手段的半导体激光器件物理理论，从全局上揭示了半导体激光器的激射阈值相变、多模之间的模式竞争、模式谱系结构等静态行为，延迟、过冲、振荡过渡等瞬态行为、调制方式方法及其速率、动态频谱结构、动态单模化、光模注入锁定、激光的双稳态、自脉动、分叉、混沌、量子噪声和谱线展宽、载流子在量子阱、量子线、量子点等低维结构中的捕获和逃逸等动力学行为及其物理机制，所涉及的有关唯象参数的数值大小则由实验估测，而其物理机制、内涵、导出、和理论估算等，则由下述宏观和微观理论分别解决和提供。其任务是挖掘器件的潜能，发现和提出可能的新器件或新性能、提出优化器件现有性能等的器件设计方案。
　　（3）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，因而量子场论和经典场论导出基本上相同的结果，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佳激光模式结构和设计出其合理的波导光腔结构方案。
　　（4）量子理论是研究半导体激光器中体半导体、量子阱、量子线、量子点等增益介质的电子能谱结构及其电子与辐射光场的相互作用，包括光的产生、吸收、放大和散射等涉及不同能带之间、能带以内不同子带或各种晶格缺陷和杂质能级之间的光跃迁和非光跃迁、带内散射和弛豫等决定半导体激光器涉及光电性能的重要量子行为。其处理所涉及的电子系统与光子系统相互作用的理论基础或出发点，有经典理论、半经典理论、全量子理论三个层次。经典理论是将电子的运动服从牛顿力学，光波及其与电子的相互作用服从经典场论，即麦克斯韦方程组。这对众多的电子与光波之间弱相互作用的折射率现象和自发发射因子现象都可得出相当成功的理论结果。半经典理论是将电子的运动服从量子力学，但对光波采用经典场论近似，即近似服从麦克斯韦方程组。这在受激辐射和散射问题都获得非常成功，但无法直接处理自发辐射问题，全量子理论是将电子和光子的运动皆统一服从量子力学，即将电磁辐射场量子化，这样的量子场论与量子电动力学或量子电子学或光子学的差别只在一般可忽略相对论效应，至于光和非光跃迁所涉的增益介质中的电子能级则由半导体能带的量子理论得出，因此，现行的半导体激光器发光过程的理论大多是以半导体能带结构理论和半经典光跃迁的量子理论为基础。其任务是研究半导体激光材料的光增益和激光的量子效率，及其光增益谱结构，如增益谱的峰值增益及其相应的峰值能量和增益谱宽与半导体能带结构的关系，以及影响增益的可能因素，提出拓宽激光波段和提高激光增益的新材料及其受到增益介质的尺寸和维数的影响。这对半导体激光器的激射阈值、激光功率、调制速率、器件结构和激光波段等都有根本性的意义。
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