Coherent Semiconductor Optics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Koch, Stephan W.

出品人:

页数:333

译者:

出版时间:

价格:$ 123.17

装帧:HRD

isbn号码:9783540325543

丛书系列:

图书标签:

• 半导体光学
• 相干光学
• 光电子学
• 集成光学
• 纳米光子学
• 半导体物理
• 光学工程
• 材料科学
• 光通信
• 量子光学

激发态量子输运与拓扑光子学新范式：从基础理论到前沿应用 本书聚焦于理解和设计基于新型量子材料和结构的光学系统，深入探讨了激发态动力学、拓扑效应在光子学中的新兴应用，以及如何利用这些原理实现超快速、低损耗和高鲁棒性的光子器件。 --- 第一部分：激发态量子动力学的精细调控 本部分致力于揭示物质在光照下的瞬态响应机制，重点关注电子-光子相互作用的非线性过程以及能量在复杂结构中的有效传输路径。我们摒弃了传统半导体光学中基于平衡态的简单模型，转而采用时间分辨的量子动力学方法来描绘激发态的演化。 第一章：超快激发态的产生与弛豫机制 本章详细分析了皮秒乃至阿秒尺度下，光子激发如何瞬时改变材料的电子结构。我们引入了非平衡态格林函数（NEGF）方法，结合密度泛函理论（DFT）计算，精确模拟了载流子在能带结构中的填充、散射和复合过程。重点探讨了以下关键现象： 载流子热化与冷却： 分析了光致电子如何通过电子-电子和电子-声子相互作用快速弛豫至能带边缘。讨论了不同晶格结构（如二维材料与三维块体）中，热化速率的内在差异及其对光吸收效率的影响。 激子-极化激元动力学： 在强耦合系统中，激子与光子混合形成准粒子。本章深入研究了激子-极化激元在微腔结构中的布居、寿命及其在波导结构中的横向输运特性。我们提出了评估激元玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）阈值的修正模型，考虑了材料非线性和表面粗糙度的影响。 表面态诱导的弛豫： 探讨了材料表面和界面缺陷如何成为激发态能量耗散的主要通道。通过精确计算界面处的电荷转移速率和界面态能级，我们为设计低表面复合速率的异质结结构提供了理论指导。 第二章：量子退相干与相干控制 相干性是实现高效量子信息处理和光存储的基础。本章着重于量化和抑制激发态的退相干过程，并探索利用外部场（如电场、磁场或拉曼光）来操控量子态的可能途径。 相干时间量度： 介绍了二维光谱学（2D-ES）在解析复杂激发态寿命和耦合强度方面的应用。重点分析了拉曼过程和四波混频（FWM）信号如何揭示载流子间的瞬时相关性。 环境耦合的建模： 采用开放量子系统理论，将环境噪声（声子、缺陷散射）引入薛定谔方程，构建了描述激发态演化的主方程（Master Equation）。我们着重分析了“闪烁”（dephasing）噪声与激发频率的相关性，并提出通过周期性调制激发光来动态抵消特定噪声源的策略。 电场调控下的量子态操控： 分析了斯塔克（Stark）效应在量子阱和量子点中的应用。通过外加电场改变量子能级结构，实现了对发光波长、吸收截面以及载流子隧穿概率的精确控制，为集成调制器和开关的设计奠定了理论基础。 --- 第二部分：拓扑光子学：鲁棒性与新颖拓扑态的构建 本部分将目光转向几何与拓扑概念在光子系统中的应用。我们探讨了如何通过周期性或非周期性的结构设计，诱导出具有拓扑保护特性的光流，实现无损或抗散射的能量传输。 第三章：拓扑绝缘体与拓扑平带的光子模拟 本章介绍了光子系统模拟凝聚态物理中拓扑绝缘体和拓扑超导体的方法论，并重点分析了拓扑边缘态的物理特性。 光子拓扑不变量的计算： 引入了布里渊区中的陈数（Chern Number）和拓扑保护的能带反转等概念，并将其应用于光子晶体和超材料的能带计算。详细阐述了如何利用复有效介电常数来模拟具有时间反演对称性破缺的系统。 边缘态的零频与单向传输： 深入分析了在二维光子系统中，拓扑边缘态如何将能量局域在边界，并实现单向、无反射的传输。我们对比了基于磁场（法拉第隔离器）和基于自旋-轨道耦合（SOC）的拓扑边缘态的实现机制，强调了后者在集成电路中的潜力。 拓扑平带（Flat Bands）的光学特性： 探讨了如何设计具有特定几何结构的光子晶格（如“蜂窝晶格”或“Kagome”晶格），以实现拓扑平带。平带特性导致极高的局域密度，从而极大地增强了光与物质的非线性相互作用，为高效的低阈值激光器和单光子源提供了新的设计思路。 第四章：高阶拓扑结构与非互易光流 超越传统的二维边缘态，本章探索了更高阶的拓扑保护，以及如何利用这些结构实现更复杂的波前控制。 高阶拓扑不变量（Corner/Hinge States）： 介绍了二维材料在边缘处出现的零维拓扑态（角态）和一维拓扑态（铰链态）。我们分析了这些态在光子电路中实现高效光开关和波导交叉点的潜力，因为角态的能带分离度往往高于传统边缘态。 拓扑绝缘体与非互易传输： 详细分析了如何通过引入手性（时间反演对称性破缺）来实现光信号的单向传输，即光沿一个方向传输而不会被散射回源头。探讨了磁光材料、光力耦合系统以及几何相位（Berry Phase）在实现无源非互易器件中的作用，这对于避免光反馈对激光器的干扰至关重要。 拓扑保护下的局域场增强： 结合激发态动力学（第一部分的内容），我们分析了拓扑边缘态如何将光场能量限制在一个极小的空间尺度内（局域化），从而大幅提升局部光场强度，这对于实现低功率下的二次谐波产生（SHG）和光致拉曼增强效应具有重要意义。 --- 第三部分：集成与应用前沿 本部分将理论框架与实际工程挑战相结合，探讨如何将激发态调控和拓扑原理应用于下一代光子器件的制造。 第五章：低维材料与界面工程的光学性质 深入研究了二维材料（如过渡金属硫化物、石墨烯）在集成光子学中的独特优势，特别是其表面的高量子效率和可调谐的光学带隙。 第六章：拓扑光子集成电路的设计与仿真 专注于将拓扑原理转化为可制造的集成光路单元，包括无损耦合器、光隔离器和拓扑级别的光信号处理器。重点探讨了如何利用光刻和原子层沉积技术在硅基平台上实现高精度的拓扑结构。 本书旨在为光电子器件设计师和基础物理研究人员提供一个跨越传统半导体光学和前沿拓扑物理的综合性参考框架，指引未来光信息技术向更稳定、更高效的方向发展。

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