本书聚焦半导体太赫兹量子级联激光器(THzQCL)，从基本原理出发，主要介绍有源区设计方法、微观电子输运与电磁场理论材料生长与器件制备、高性能THzQCL研制、THzQCL模式调控、THz

QCL光频梳及应用等。

本书由浅入深，分为概述篇(第1章~第2章)、基础篇(第3章~第5章)和专题篇(第6章~第10章)，可满足不同知识背景读者的阅读需求。本书可供半导体物理与器件、光电子、光学、电子信息等专业高年级本科生和研究生，以及从事太赫兹成像、通信等应用领域的工程技术人员学习和参考。

构建半导体太赫兹量子级联激光器从基础理论到前沿应用的完整技术体系

1. 贯通理论基础、前沿技术与工程应用的知识架构

本书突破传统专著侧重单一方向的局限，围绕半导体太赫兹量子级联激光器构建完整知识体系。内容涵盖太赫兹波与辐射源基础、量子级联激光器工作原理、微观电子输运与电磁场理论、材料生长与器件制备，以及器件表征和应用探索等内容，形成从物理机制到工程实现的系统性知识闭环，帮助读者全面把握该领域的发展脉络与技术体系。

2. 聚焦前沿，深入解析高性能太赫兹量子级联激光器关键技术

围绕制约半导体太赫兹量子级联激光器发展的核心科学问题和技术瓶颈，本书重点介绍有源区结构设计、高温工作机制、大功率输出、激光模式调控以及光频梳等前沿研究方向，并融入作者团队近年来的重要研究成果与创新思路。通过理论分析与案例研究相结合的方式，系统阐述器件性能提升的关键路径，为相关科研人员开展创新研究提供重要参考。

3. 理论结合实践，贯通器件研制与应用创新

本书不仅关注理论模型与物理机制，更注重科研实践经验的总结与凝练。在介绍核心技术的同时，配套器件制备工艺、实验表征方法和典型研究案例，帮助读者掌握解决实际问题的思路与方法。此外，本书还系统展示了太赫兹量子级联激光器在光谱检测、成像、通信、传感等领域的应用进展，实现基础研究与工程应用的深度融合。

目录

第 1 章 太赫兹波与太赫兹辐射源

1.1 太赫兹波的性质与应用

1.2 基于电子学的太赫兹辐射源

1.3 基于光子学的太赫兹辐射源

参考文献

第 2 章 半导体太赫兹量子级联激光器概述

2.1 太赫兹量子级联激光器的发展历程

2.2 太赫兹量子级联激光器的基本原理

2.2.1 子带间跃迁

2.2.2 级联子带跃迁

2.2.3 激光器有源区结构设计

2.2.4 波导设计

2.3 太赫兹量子级联激光器的理论与实验方法

2.4 太赫兹量子级联激光器的研究现状与发展趋势

参考文献

第 3 章 太赫兹量子级联激光器的微观电子输运

3.1 太赫兹量子级联激光器的电子输运模拟方法

3.2 多量子阱结构中的电子态与波函数

3.2.1 子带中电子的波函数

3.2.2 传输矩阵方法

3.3 子带间的电子跃迁

3.3.1 自发辐射

3.3.2 受激辐射

3.3.3 非辐射跃迁

3.3.4 电子的隧穿过程

3.4 子带间的激光增益与吸收特性

3.4.1 激光增益与展宽

3.4.2 增益钳制效应

3.4.3 子带间电子跃迁吸收

3.5 电子输运过程与动态特性

3.5.1 基于三能级的速率方程

3.5.2 电子数分布计算

3.5.3 粒子数反转与光子数分布

参考文献

第 4 章 太赫兹量子级联激光器的电磁场理论

4.1 表面等离激元模型

4.1.1 表面等离激元的基本概念

4.1.2 表面等离激元的数学描述

4.1.3 表面等离激元在太赫兹量子级联激光器中的应用

4.2 传输线模型

4.2.1 传输线模型的基本概念

4.2.2 传输线模型的数学描述

4.2.3 传输线模型在太赫兹量子级联激光器中的应用

4.3 太赫兹量子级联激光器中电磁波的传导与反馈

4.3.1 法布里 - 珀罗腔

4.3.2 耦合腔

4.3.3 周期性波导结构

参考文献

第 5 章 太赫兹量子级联激光器的制备与表征技术

5.1 引言

5.2 太赫兹量子级联激光器的材料生长与表征技术

5.2.1 太赫兹量子级联激光器材料的外延生长

5.2.2 太赫兹量子级联激光器的材料表征技术

5.3 太赫兹量子级联激光器器件制备与封装技术

5.3.1 半绝缘表面等离子体波导结构的器件工艺

5.3.2 双面金属波导结构的器件工艺

5.4 太赫兹量子级联激光器的特性表征技术

5.4.1 功率 - 电流 - 电压测试

5.4.2 光谱测试

5.4.3 远场发散角测试

5.5 本章小结

参考文献

第 6 章 高温工作的太赫兹量子级联激光器

6.1 引言

6.2 限制高温工作的主要因素

6.2.1 声子辅助的非辐射跃迁

6.2.2 电子的热回流

6.2.3 热致电子逃逸

6.3 高温工作太赫兹量子级联激光器的有源区结构设计

6.3.1 三阱斜跃迁结构

6.3.2 四阱散射辅助注入 / 抽取结构

6.3.3 双阱直接跃迁结构

6.3.4 新型有源区结构设计

6.4 高温太赫兹量子级联激光器的研制

6.4.1 波导结构创新

6.4.2 热管理技术

6.4.3 电极接触优化

6.5 本章小结

参考文献

第 7 章 大功率太赫兹量子级联激光器

7.1 引言

7.2 大功率太赫兹量子级联激光器的设计

7.2.1 增益与阈值条件

7.2.2 波导效应

7.2.3 工作温度与激光功率的协同提升

7.3 大功率太赫兹量子级联激光器的研制

7.3.1 有源区结构改良

7.3.2 波导结构改良

7.3.3 封装结构改良

7.4 本章小结

参考文献

第 8 章 太赫兹量子级联激光器中的模式调控

8.1 模式竞争的调控

8.1.1 模式竞争的产生

8.1.2 模式竞争的调控方法

8.2 波前的调控

8.2.1 波前调控的挑战

8.2.2 波前调控方法

8.2.3 波前调控应用实例

8.3 激光频率的调谐

8.3.1 激光频率调谐机制

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