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第1章 序言 1

参考文献 4

第一部分 基础理论 7

第2章 势阱和固体中的电子 7

2.1 一维势阱 7

2.1.1 电子的波动性 7

2.1.2 方势阱里的粒子 8

2.1.3 波函数和薛定谔方程 10

2.1.4 有限深方势阱 12

2.1.5 势能结构和能谱 12

2.1.6 双势阱和多势阱 14

2.2 隧道效应 15

2.3 中心对称势 17

2.4 周期性势垒 21

2.5 半导体和电介质中的能带结构 24

2.6 准粒子：电子，空穴，激子 27

小结 36

思考题 37

拓展阅读 38

参考文献 38

第3章 半导体中的量子限域效应 39

3.1 各种维度的态密度 39

3.1.1 相空间中基本单元hd的态密度 41

3.1.2 态密度的作用 42

3.2 半导体和金属中的电子限域 43

3.2.1 技术方法 45

3.2.2 金属中不存在量子限域效应的原因 45

3.3 量子阱、纳米片和超晶格 46

3.3.1 双异质结概念 46

3.3.2 二维量子阱中的电子和激子 48

3.4 量子线和纳米棒 53

3.5 纳米晶、量子点和量子点凝聚态物质 56

3.5.1 从团簇到晶体 56

3.5.2 半导体纳米晶的合成 57

3.5.3 光学吸收光谱 58

3.5.4 强限制作用 59

3.5.5 纳米晶的发光 64

3.5.6 量子点凝聚态物质 66

小结 67

思考题 68

拓展阅读 68

参考文献 69

第4章 几何尺寸受限的光波 72

4.1 两种电介质交界面上的光 72

4.1.1 色散定律和折射率 72

4.1.2 Helmholtz方程 75

4.1.3 光正入射在两种介电材料界面处的反射 76

4.1.4 斜入射：斯涅尔定律、全反射现象、菲涅耳公式和布儒斯特角 78

4.2 光在周期性介质中的传播 81

4.3 光子晶体 87

4.3.1 概念 87

4.3.2 光子能带结构的理论模型 88

4.3.3 2D和3D光子晶体的实验性能 91

4.3.4 自然界的光子晶体结构 93

4.3.5 光子晶体波导 94

4.4 金属反射镜 95

4.5 光的隧穿 97

4.6 微腔 99

4.7 光在金属-介电纳米结构中传输：纳米等离子体光子学 100

4.8 光学天线 105

4.9 非周期性结构和多重光散射 107

4.10 电学现象和光学现象上的相似性 110

小结 111

思考题 111

拓展阅读 112

参考文献 113

第5章 光子的自发辐射过程与荧光寿命调控 116

5.1 物质的发光过程 116

5.1.1 自发跃迁和受激跃迁 116

5.1.2 热平衡：玻耳兹曼分布和普朗克公式 117

5.1.3 发光 118

5.1.4 寿命和量子产率 119

5.1.5 荧光和磷光 121

5.1.6 自发跃迁和受激跃迁中爱因斯坦系数之间的基本关系 121

5.2 光子态密度 121

5.3 珀塞尔效应 123

5.4 光子密度在光学中的状态效应 125

5.5 Barnett-Loudon求和规则 126

5.6 镜面和界面 127

5.7 微腔 130

5.8 光子晶体 131

5.9 纳米光子学 133

5.10 纳米天线 139

5.11 控制发射模式 140

小结 141

思考题 143

拓展阅读 143

参考文献 144

第6章 受激发射和激光 146

6.1 受激辐射、饱和吸收和光增益 146

6.2 激光 149

6.3 半导体激光器 151

6.4 双异质结和量子阱 154

6.5 面发射半导体激光器 155

6.6 量子点激光器 156

6.7 量子级联激光器 157

6.8 半导体激光器市场 158

小结 158

思考题 159

拓展阅读 159

参考文献 160

第7章 能量转移过程 161

7.1 引言 161

7.2 辐射能量转移和非辐射能量转移 162

7.3 能量转移的基本过程 163

7.4 福斯特共振能量转移 164

7.5 德克斯特能量转移、电荷转移、激子扩散和激子解离 167

7.6 复合维度的纳米结构 167

7.7 纳米结构组合体 169

小结 170

思考题 170

拓展阅读 171

参考文献 171

第二部分 前沿与挑战 175

第8章 纳米结构在照明中的应用 175

8.1 人的视觉与光度学 175

8.2 量子点发光体和光源 179

8.2.1 激发、弛豫和发射过程 179

8.2.2 新兴发光体胶体量子点在照明中的应用 180

8.2.3 可抑制俄歇复合的多壳结构 182

8.2.4 稀土发光体的性质 184

8.2.5 量子点在显示器件中的首次应用 186

8.2.6 用于发光量子点的新型材料 187

8.3 基于量子阱的蓝光LED 187

8.4 高质量的纳米晶白光光源 192

8.5 胶体量子点LED 198

8.6 等离子增强LED性能 202

8.6.1 光致发光强度增强 202

8.6.2 辐射衰减速率增强 203

8.6.3 电致发光强度增强 204

8.6.4 LED中激子衰减速率的增强 205

8.7 挑战与展望 205

8.7.1 照明革命 205

8.7.2 Li-Fi：可见光无线通信技术 206

8.7.3 用于增强光发射和电流调控的新型纳米结构 207

8.7.4 新型纳米发光材料 207

小结 208

思考题 208

拓展阅读 209

参考文献 209

第9章 激光器 212

9.1 外延量子阱激光器 212

9.1.1 单一空间模式法布里-珀罗边缘发射激光器 213

9.1.2 多模激光器：阵列与堆栈结构 216

9.1.3 分布式反馈激光器 216

9.1.4 垂直腔表面发射激光器 219

9.2 外延量子点激光器胶体激光 224

9.2.1 边缘发射型激光二极管：商业化设备 224

9.2.2 垂直腔面发射激光器 226

9.3 胶体量子点激光器 229

9.4 光子晶体在激光器中的应用 233

9.4.1 光子晶体纳米腔半导体激光器 233

9.4.2 激光器微型化的目标 236

9.4.3 光子晶体表面发射激光器 236

9.5 基于量子点和量子阱结构的Q开关和锁模 238

9.5.1 可饱和吸收体Q开关 238

9.5.2 可饱和吸收体，用作激光脉冲宽度压缩器和强度动态范围扩展器 240

9.5.3 可饱和吸收体锁模技术 240

9.5.4 量子点玻璃作为有效的可饱和吸收体的研究 241

9.5.5 半导体可饱和吸收镜 244

9.6 具有外腔的量子阱和量子点激光器（VECSEL） 245

9.6.1 什么是VECSEL 245

9.6.2 具有光和电泵浦的CW VECSEL器件 246

9.6.3 超快VECSEL 247

9.6.4 锁模集成外腔表面发射激光器 251

9.7 挑战和前景 253

9.7.1 VCSEL是否会完全替代边缘发射激光器 253

9.7.2 激光器的极限尺寸 253

9.7.3 量子点激光器会取代量子阱激光器吗 253

9.7.4 多数情况下外延DBR的导热性差限制表面发射激光器的输出 253

9.7.5 窄带布拉格镜的反射率限制超快激光器的带宽 254

9.7.6 Ⅲ族氮化物激光器中的绿光空带 254

9.7.7 硅基激光器 254

小结 255

思考题 256

拓展阅读 256

参考文献 257

第10章 光子电路 262

10.1 光子晶体波导 262

10.2 通过隧道耦合光波 266

10.3 光交换 266

10.3.1 Kramers-Kronig关系 266

10.3.2 电场对半导体纳米结构光学性能的影响 267

10.3.3 基于载流子密度对光学性质影响的光控载流子开关 269

10.3.4 全光开关：以光控光 272

10.4 挑战和前景 275

小结 276

思考题 276

拓展阅读 276

参考文献 277

第11章 光伏 279

11.1 纳米光子学对光伏的启示 279

11.1.1 光伏与传统电力 279

11.1.2 太阳能转换的最高效率 280

11.2 太阳能电池中的胶体量子点 282

11.2.1 基于肖特基结构的太阳能电池 283

11.2.2 异质结器件 284

11.2.3 多激子的产生 284

11.2.4 量子点作为介观太阳能电池的敏化剂 285

11.2.5 量子点作为光转换材料 286

11.3 周期性结构降低反射率 287

11.4 金属纳米结构提高吸收率 288

11.5 挑战与展望 289

小结 290

思考题 290

拓展阅读 290

参考文献 290

第12章 新兴的纳米光子学 293

12.1 胶体技术平台 293

12.2 纳米等离子体 299

12.2.1 增强光与物质的相互作用 300

12.2.2 波长尺度以外的光波约束 302

12.3 传感器 302

12.3.1 生物领域 302

12.3.2 荧光标记 303

12.3.3 拉曼标记 303

12.3.4 用于荧光检测的等离子体 304

12.3.5 用于拉曼传感的等离子体 305

12.3.6 荧光量子点传感器：胶体量子点 305

12.3.7 等离子体用于折射率传感 307

12.3.8 传感应用中的回音壁模 308

12.4 硅光子学 309

12.4.1 Ⅲ-Ⅴ族混合Si结构 310

12.4.2 硅波导结构与Ⅲ-Ⅴ光电探测器的耦合 311

12.4.3 外延生长GeSn光电探测器 312

12.4.4 预先设定的拉伸应变促进Ge光致发光 313

12.4.5 调节器 313

12.5 量子光学 313

12.5.1 散粒噪声 314

12.5.2 光子的反聚束作用 314

12.5.3 单光子发射器和压缩光 315

12.5.4 微腔和光子晶体中的强光物质耦合 316

12.6 超材料 317

12.6.1 带磁性材料的光学 317

12.6.2 左旋材料 319

12.7 仿生纳米光子学 321

12.7.1 生物光子晶体作为设计原型和模板 321

12.7.2 利用生物组分进行化学连接的纳米结构的空间排列 322

12.7.3 利用生物材料作为光子器件 323

小结 323

拓展阅读 324

参考文献 325

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