南邮光信息科学与技术导论

简述信息传递模型，并以光信息传递过程为例说明。信源——磁盘，变换——编码，调制，信道——光纤，还原——探测、解码，信宿——磁盘（图一）什么是光电子技术？光电子技术分为哪两大类？光电子技术就是光波段的电子技术，包括各种光电子器件及其应用的技术。什么是信息光电子技术？信息光电子技术按功能如何分类？光电子信息技术是由光学、光电子、微电子等技术结合而成的多学科综合信息技术，涉及光信息的辐射、传输、探测以及光电信息的转换、存储、处理与显示等众多的内容。与微波技术相比，光电子技术有哪些优点？角分变率高，距离分辨率高，频带宽、通信容量大，光谱分辨率大，非线性光学效应强按照国际惯例，光电子器件主要包含哪些？阴极射线管，电致发光显示器件，全息器件，变像管，激光器，发光二极管，光调制器，液晶显示器，光存储器，光波导，光探测器，太阳能电池，摄像管以及克耳盒之类的点光器件光电子技术在国民经济中主要有哪些应用？通信，工业生产，科研，诊断和医疗，印刷和办公自动化，交通运输，音像和娱乐，测绘和遥感，安全防卫，条形码识别光电子器件发展的主要趋势是什么？固态化、小型化、集成化和廉价化，工作波段范围扩大响应速度加快，更加适应恶劣环境什么是激光？通过辐射的受激发射实现光的放大激光的主要特点是什么？单色性好，方向性好，相干性好，瞬时性，亮度高光与原子的相互作用有哪三种基本过程？自发辐射，受激吸收，受激发射说明自发辐射和受激辐射的过程和特点？自发辐射的过程：如果原子处于高能级E2，处于高能级的原子是不稳定的，即使没有任何外来影响，它也必然会自发的向E1跃迁，同时释放出光子hv。特点：传播方向、初相位及偏振状态均呈随机分布受激辐射：同时释放出一个新的光子hv，连同外来光子变成两个光子。当外来光子能量hv =E2-E1时，处于E2上的原子就可能感受到外来光子的刺激（作用）而下跃迁到E1上，特点：受激辐射产生的光子与引起受激辐射的外来光子具有相同的特征（频率、相位、振动方向及传播方向均相同）。其主要区别是什么？自发辐射产生的光不相干，受激辐射产生相干光激光产生的条件是什么?必要：粒子数反转分布、减少震荡模式-开始光学谐振腔的作用，充分：起振条件-初始增益大于损耗，稳定震荡条件-饱和增益等于损耗光学谐振腔的构成及作用是什么？工作物质，两块反射镜：相互平行，与工作介质轴线垂直，平面或球面。作用：增加工作介质的有效长度，使受激辐射过程成为主导；维持光振荡，输出稳定激光束；对光束方向性加以选择，获得高度方向性的激光；选择激光频率。简述激光形成的全过程。由泵源激励具有亚稳态能级的激活粒子（存储在介质中，

两者统称为激光工作物质）实现粒子反转（内在依据，起决定性作用），同时由光学谐振腔（外部条件，影响激光束的特性）通过减少震荡模式压缩激光震荡的线宽从而产生激光激光器的主要发展趋势是什么？高功率高光束质量兼容发展，激光束的固态化趋势，发展新波长和波长可调谐技术，光纤放大器的产生常见的光波传播介质是什么？真空、大气、水、光纤什么叫“大气窗口”？水蒸气、空气（二氧化碳、氧气等）对不同波长的光有不同的吸收，因而不同波长的光在大气中有不同的透射率。说明光纤的主要成分、基本结构和基本类型。光纤的主要成分是二氧化硅(SiO2)，由纤芯、包层、涂覆层组成。纤芯为掺杂的二氧化硅（如二氧化锗），以提高纤芯折射率。直径一般5~50μm 。包层为纯二氧化硅，外径125 μm 。涂覆层为环氧树脂，硅橡胶等高分子材料，外径250 μm ，用于增强柔韧性和机械强度。类型：突变型多模光纤，渐变型多模光纤；单模光纤。什么是光纤的损耗？光波在光纤中传输，随着距离增加强度逐渐减弱，这种衰减作用称为光纤的损耗。光纤损耗遵循什么规律？指数衰减规律，光纤损耗系数影响光纤损耗的因素有哪些？吸收损耗：本征吸收损耗、杂质吸收损耗、原子缺陷吸收损耗。散射损耗：瑞利散射损耗、结构不完善散射损耗、非线性效应散射损耗。其它损耗：弯曲损耗、连接损耗、耦合损耗。什么是光纤的色散？由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种模式成分，在传播过程中，因群速度不同互相散开，引起信号波形失真，脉冲展宽的物理现象光纤色散有哪几种类型？模式色散：多模光纤中，每种模式沿光纤轴向传播速度各不相同，到达接收端的时间也不一样，产生所谓模式色散。材料色散：光纤材料的折射率随传输的光波频率而变化，引起模内不同频率信号的传输速度不同而导致的色散。波导色散：光纤的几何结构所引起的色散。波导效应引起模内频率高的光信号进入包层，使信号一部分在纤芯，一部分在包层传播，引起模内不同频率信号的传输速度不同而导致的色散。偏振模色散：不同偏振态不同传输速度。光纤色散如何影响通信质量？光纤色散的存在将直接导致光信号在传输过程中的畸变，从而影响通信的可靠性。简述光纤色散产生的原因。上一题光缆由哪几部分组成？缆芯：光纤芯线；加强元件：钢丝或增强纤维；外护层：聚乙烯塑料，对光缆的芯线起保护作用。根据缆芯结构主要可分哪几种类型？层绞式、单位式、骨架式、带状光缆。光隔离器的作用是什么？光隔离器是保证光信号只能正向传输的光器件，以避免光路中由于各种原因产生的反射光，再次进入光源，而影响光源工作的稳定性。光电探测器的作用是什么？在探测过程中，光探测器的作用是发现信

号，测量信号，并为随后的应用提取某些必要的信息。光探测过程可以理解为一种光频解调。光探测器是现代光学仪器的重要组成部分。过去依靠人眼直接观察的光学仪器代之为利用光探测器把光辐射信号转换成电信号进行显示或控制。此外，光探测器可在现代智能仪器中充当视觉传感器的角色。什么是光电效应？光电效应有哪几种类型？光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，这类光致电变的现象统称为光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应。试述光电发射效应的基本实验现象。饱和光电流：饱和光电流强度与入射光强度成正比。截止频率：对某一种金属来说，只有当入射光的频率大于某一频率ν0时，电子才能从金属表面逸出，电路中才有光电流，这个频率ν0叫做截止频率——红限.线性特性：光电子从金属表面刚逸出时的最大初动能，与光的频率有线性关系，与入射光的强度无关。瞬时性：无论入射光的强度如何，只要其频率大于截止频率，则当光照射到金属表面时，几乎立即就有光电流逸出（延迟时间约为10-9s）试述光电发射效应的光量子理论解释光电发射效应中，每个电子的逸出都是由于吸收了一个光子能量的结果，而且一个光子的全部能量都由辐射转变成光电子的能量。因此，光线愈强，也就是作用于阴极表面的光子数愈多，这样就会有较多的电子从阴极表面逸出。同时，入射光线的频率愈高，也就是说每个光子的能量愈大，阴极材料中的电子在取得这个能量并克服势垒作用逸出界面之后，其具有的动能也较大。光电发射瞬时性的原因是由于它不牵涉到电子在原子内迁移到亚稳态能级的物理过程。图像传感器有哪些的类型？机械扫描器，飞点扫描器，电子束摄像管（视像管，硅靶摄像管），电荷耦合器（CCD）什么叫扫描成像方法？扫描成像是把二维图象信息用一定的取样孔径，按一定的扫描方式获取和记录的，然后以同样扫描方式重现图象。什么情况下需要扫描成像？把两维的图象信号转换为一维的时间信号。如电视、扫描电子显微镜、图象数字化，等。缺乏具有空间分辨率的二维图象接受器。如红外辐射、微波、声波等没有二维接受器，故遥感相机、声光显微镜、微波全息、声全息均采用单一接受器进行扫描接受。提高接收灵敏度或显示亮度。如荧光显微镜、激光拉曼显微镜、外差干涉显微镜、激光大屏幕显示，等。说明CCD的含义、功能和三大应用。CCD是英文Charge Coupled Device的缩写，中文译为“电荷耦合器件”。功能：CCD集光电转换、电荷存储、电荷转移和自扫描等功能于一体应用：信号处理、数字存储和图像传感。图示并说明CCD摄相器的电荷存储原理（图四）金属电极上加有正偏压，电场穿过SiO2薄层，排斥P型硅中的多数载流子（空穴），从而在电极下形

成电荷耗尽区，而在SiO2-Si界面上得到一个存储少量载流子（电子）的势阱。所加电压越大，势阱越深。当硅晶体受到图象光照产生出电子-空穴对后，少数载流子在电场的作用下就被吸入较深的势阱（电荷包）中。光照越强，电荷量越多，从而把光像转变成由积累电荷所描绘的电子图象。（图五）列举面阵CCD相机七种主要应用领域。宇航遥感、制导跟踪、微光夜视、自动控制、机器人视觉、计算机储存、工业监控、安全保卫、天文观测、医疗卫生、家庭摄像什么是红外线？物体热辐射的波长落在红外光谱波段，便产生红外线。其波段范围是什么？短波红外(SWlR)1～3μm波段，中波红外(MWIR)3～5μm波段，长波红外(LWIR)8～14μm波段红外探测器分为哪两类？热探测器，光子探测器(也称光电探测器)各自的原理和特点是什么？红外热探测器原理：红外辐射→温度变化→电信号输出输出的电信号∝温度；红外热探测器特点：对红外辐射吸收没有波长选择性。温度变化是因为吸收热辐射能量引起的，与吸收红外辐射的波长没有关系。红外光子探测器原理：红外辐射→红外光子→传导电子→电信号输出信号∝吸收的光子数。红外光子探测器特点：对红外辐射吸收具有波长选择性。红外光子的能量必须达到足以激发束缚态电子，光子的能量对应确定的波长。红外系统由哪几部分构成？红外传感器、复杂的信号处理分系统、控制分系统、伺服分系统、显示分系统阐述烽火传信的通信特征。烽火的有无是一种二进制编码，光是信息载体，空气是传输介质，人眼是光检测器，烽火台是信号源和中继器与电通信相比，光纤通信有哪些优点？容许频带宽，传输容量大；损耗小，中继距离长且误码率小；重量轻、体积小；抗电磁干扰性能好；泄漏小，保密性能好；节约金属材料，有利于资源合理使用作图示意光通信系统的基本结构，简述各部分的作用。（图二）光发送机（核心）的作用是将电信号变成光信号，并发射光，与光纤耦合；光接收机是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。解调器；光纤传输线路：将光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机普通石英光纤在近红外波段的低损耗“窗口”波长有哪三个？它对光发射机和光接受机的核心器件提出了什么限制？0.85 μm、1.31 μm和1.55 μm光源激光器的发射波长和光检测器光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。光纤通信系统对光源的主要要求有哪些？光纤通信常用的光源是什么？光源的谱线窄；高可靠性和长寿命；光源的调制特性与温度特性好；光源的体积小，重量轻，并在经济上符合推广应用的要求。光纤通信系统中常用的光源：半导体

激光二极管(LD)半导体发光二极管(LED)简述光纤接入网的基本概念和光纤接入网的主要形式所谓光纤接入网是指采用光纤作为主要的媒质以取代传统的双绞线的接入网。形式：光纤到户 (Fiber to the Home, FTTH)；光纤到大楼 (Fiber to the Building, FTTB)；光纤到路边 (Fiber to the Curb, FTTC)；光纤到办公室(Fiber to the Office, FTTO)；光纤到小区 (Fiber to the Zone, FTTZ)；光纤到节点 (Fiber to the Node, FTTN)等。简述光网路单元（ONU）的功能。由于光纤上传输的是光信号，因而在交换局（市话端局）需将电信号转换为光信号，即进行电光变换后再在光纤上进行传输。在用户端则要进行光电变换恢复成电信号后再送至用户设备，这个功能是由光网路单元(ONU)完成的。什么是全光网？全光网（AON）的概念是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，信号不需要经过光/电、电/光变换，即数据从源节点到目的节点的传输和交换过程都在光域内进行。全光网络是光通信网络技术发展的最高阶段。光的转换，受其中电子器件的特性制约，在适应高速、大容量的需求上，存在着诸如带宽限制、时钟偏移、严重串话、高功耗等缺点。光网络为什么要向全光网发展？现有通信网中，网络的各个节点要完成光/电、电/光的转换，受其中电子器件的特性制约，在适应高速、大容量的需求上，存在着诸如带宽限制、时钟偏移、严重串话、高功耗等缺点。全光网主要优点是什么？（1）消除了信号在光网传输过程中的光电/电光转换，克服了电子瓶颈的限制；（2）全光网络具有传输透性；（4）全光网络具有强大的兼容性，不仅可以与现有的通信网络兼容，而且还可以支持未来的宽带综合业务数字网以及网络的升级。什么是光复用技术？主要包括哪几种方式？光复用技术是在同一根光纤上利用光波同时且互不干扰地传播多路信号的技术。光复用技术包括光时分复用(OTDM)、波分复用(WDM)、光码分复用（OCDM）和频分复用(FDM)。简述光时分复用（OTDM）的基本原理。将各支路上的光信号在时间上错开排列，再通过光耦合器耦合在一起成为高速的光复用信号经单根光纤传输，接收端再通过相反的过程恢复为低速光支路信号，从而避免了对信号进行高速电处理的困难，提高了通信速率与容量。作图示意光波分复用，并简述其基本原理和主要特点。（图三）基本原理是发射端将不同波长的光信号复用起来，并耦合到光缆线路上的同根光纤中进行传输，在接收端在将不同波长的光信号解复用，并作进一步的处理，恢复出原信号后进入不同的终端。因此此项技术称为光波分割复用技术，简称光波分复用技术。显示器如何分类？按颜色；按发光类型；按结构形状；按屏幕大小；按显示内容；按显示原理显示器

主要性能有哪些？发光亮度；对比度；灰度；分辨力；显示颜色。单色CRT结构由哪几部分组成？圆锥形玻壳；玻壳正面用于显示的荧光屏；封入玻壳中发射电子束用的电子枪系统；位于玻壳之外控制电子束偏转扫描的磁轭。目前竞争激烈的平板显示器有哪些品种？液晶平板显示器（LCD）等离子体平板显示器（PDP）电致发光显示器（LED,OLED)场致发射平板显示器（FED）液晶主要电光效应有哪些？动态散射效应；扭曲向列效应；电控双折射效应（ECB）；相变型效应(PC)说明扭曲向列液晶显示器的基本结构和工作原理。（当光通过上偏振片后，变成线性偏振光，偏振方向与偏振片振动方向一致，与上下玻璃基板上面液晶分子排列顺序一致。通过液晶层的光被逐渐扭曲，当光达到下偏振片时，其光轴振动方向被扭曲了90度，且与下偏振片的振动方向保持一致。这样，光线通过下偏振片形成亮场。加上电压以后，液晶在电场作用下取向，扭曲消失。这时，通过上偏振片的线性偏振光，在液晶层不再旋转，无法通过下偏振片而形成暗场。光盘有哪几种类型？只读存储光盘（ROM)：一次写入光盘（WORM)可擦重写光盘(REWRITE)：直接重写光盘(OVERWRITE)说明光盘的基本结构盘片记录层上有稳定间距（1.6微米）的螺旋线（信息轨道），存储信息时，激光束聚焦在记录层的螺旋线上，使其局部升温，形成凹坑，一连串的凹坑形成信息微痕。螺旋线上没有经过激光刻蚀的平面和经过刻蚀的凹坑对应于计算机二进制编码的０和１，从而实现信息的记录。光盘的主要特点有哪些？存储容量大；稳定性与数据保存性好；保存时间长；光盘信息的读取采用非接触式激光扫描，多次读取不会象磁盘、磁带那样磨损盘面，且数据信息为物理性存储，不受电磁场、光照、气温、湿度等的影响、此外，由于盘面上有保护层，密封性好，不受尘土、手印等的损害。性能价格比高。存取精度、速度受限简述光盘的信息记录和读出原理。读取信息时，光盘驱动器中很细的激光束沿盘面的螺旋线轨道扫描，轨道的平面和凹坑部分反射到探测装臵上，经光电转换成为计算机可识别的二进制信号，完成信息的读取和检索。待记录的视频或音频信息通过信号发生器、前臵放大器驱动声光（或电光）调制器，使经过调制的激光束以不同的功率密度聚焦在涂有光刻胶的玻璃衬盘上，光刻胶曝光后，通过若干工序制成主盘（母盘Master)和副盘(印模Stamper)，再经过“2P”复制过程制成CD、VD盘。增加光存储密度的技术方向是什么？光盘技术演变过程四个阶段的代表产品是什么？方向：减小光源波长，增加物镜数值孔径，三维存储代表产品：CD,DVD,HD-DVD,BLU-RAYDISC面存储密度和三维存储密度的理论极限是什么？面：若波长为1 m，存储密度约为

108bit/cm2三维：若波长为1μm，存储密度可达到1012bit/cm3什么是全息照相？与普通摄影有何区别？全息照相既记录光波振幅信息，又记记录光波相位信息。而普通摄（照相，电影，电视）只记录光的强度全息照相有何特点？(1) 用特定的单色光照射时，能在特定的方向和范围内再现物光束。(2) 全息照片的每一部分都记录了整个物体各部分的全部信息。(3) 全息照片无正负之分，黑白相反时观察效果相同。全息照片易于复制。(4) 一张全息照片可分别记录几个物光波，可储存信息量比普通照片多。(5) 一张全息照片可对同一物体用同一参考光束进行两次曝光。显示其中的微小差别。全息存储具有哪些优点？全息存储是既能减少存取时间，又能增加存储容量的海量存储技术。全息存储还有可靠性高和记录与再现(或称为写入与读出)快的优点。全息图上有一点划痕并不影响信息的读出。全息存储可对系统中信息位、字或页的快速问址。说明阿贝-波特实验的过程和主要结论。相干照明下显微镜成像过程可分作两步：首先，物平面上发出的光波在物镜后焦面上得到第一次衍射像；然后，该衍射像发出次波干涉而构成物体像，称为第二次衍射像。(1). 实验证明了阿贝成像理论的正确性，像的结构直接依赖于频谱结构，只要改变频谱的构成，便可改变像的构成。(2). 实验证明了傅立叶分析的正确性：谱面上的横向分布，是物的纵向结构的信息。谱面上的纵向分布，是物的横向结构的信息。零频分量是一个直流分量，代表像的本底；挡住零频分量，可使像发生衬度反转。仅允许低频分量通过时，像的边缘锐度降低；仅允许高频分量通过时，像的边缘效应增强。采用选择性滤波器，可望完全改变像的性质。空间滤波器有那些种类？各自的功能如何？1．振幅型滤波器：只改变频谱的振幅分布，不改变位相分布。（1）低通滤波器：滤去频谱中的高频部分，只允许低频通过。（2）高通滤波器：滤除频谱中的低频部分，以增强像的边缘，或实现衬度反转。（3）带通滤波器：用于选择某些频谱分量通过，阻挡另一些分量。（4）方向滤波器：实际上也是一种带通滤波器，只是带有方向性。2．位相型滤波器：位相型滤波器只改变傅里叶频谱的位相分布，不改变它的振幅分布，其主要功能是用于观察位相物体。说明相衬相位镜能够观察相位透明物的原理。在滤波面上放臵一个滤波器，使物的零级谱的位相增加π/2（或3π/2），则可使像的强度分布与物的位相分布成线性关系，分析如下：物的频谱T（fx，fy）= F { t0（x1，y1）}= F { 1+ jφ（x1，y1）}= δ（fx，fy） + jΦ（fx，fy）频谱面放臵位相滤波器，其后光场分布为T ’（fx，fy）=δ（fx，fy）〃 exp（ + j π/2）+ jΦ（fx，fy）= j [ +δ（fx，fy）+ Φ（fx，fy）]像的强度分布

为I i = | F -–1[ T ’（fx ，fy ）] | 2 ≈ 1 + 2φ（x 3，y 3）因此，像强度随物的位相分布线性地分布，实现了位相到振幅（强度）的变换，+ 号代表正位相反衬和负位相反衬。θ调制的原理和实现方法。对图像的不同区域分别用取向不同（θ角不同）的光栅进行调制，用白光照射，并在谱面上加以适当的滤波器，可在输出面上得到所需的彩色图像。光学系统采用4f 系统。说明黑白胶片保存彩色图像的原理。（在彩色胶片和黑白底片之间加入滤色片和朗奇光栅进行曝光。滤色片分别采用红、绿、蓝三色，每次曝光取一种颜色滤色片，光栅取某一方向，三次曝光在同一张黑白底片上。经显影定影后便得到一张黑白编码片。在白光处理系统（白光照明的4f 系统）中，将编码片臵于输入面上，频谱面得到彩色谱带，谱的取向与编码片上光栅的取向正交，分别与红、绿、蓝三色相应。在不同的谱带上开孔，允许相应的颜色通过，结果在输出面上合成了原来的彩色图像。为了使色彩更纯，可以在滤波孔上加相应的滤色片。

图一

图二

图三

光放大器

输出

图四

图五