光电子考试简答题答案 (2)

作业1

三、简答题：

1、简述激光产生的条件、激光器的组成及各组成部分的作用。

[答]：必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数。

充分条件：起振——阈值条件：激光在谐振腔内的增益要大于损耗。 稳定振荡条件——增益饱和效应（形成稳定激光） 。

组成：工作物质、泵浦源、谐振腔。

作用：工作物质：在这种介质中可以实现粒子数反转。 泵浦源（激励源） ：将粒子从低能级抽运到高能级态的装置。 谐振腔：(1) 使激光具有极好的方向性( 沿轴线) (2) 增强光放大作用( 延长了工作物质 ) (3) 使激光具有极好的单色性( 选频 )

2、简述光子的基本特性。

[答]：光是一种以光速运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有能量、动 量和质量。

它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等）之间的关系满足：

（1）E=hv= ω

（2）m=

2

2

c hv c E =，光子具有运动质量，但静止质量为零； （3）k P =； （4）、光子具有两种可能的独立偏振态，对应于光波场的两个独立偏振方向；

（5）、光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，是玻色子。

作业2

判断题中的第5小题：

在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个λ/4波片，波片的轴向如何设置最好？若旋转λ/4波片，它所提供的直流偏置有何变化？ 答：在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个?/4波片， 波片的轴向取向为快慢轴与晶体的主轴x 成45°角时最好，从而使 E x′ 和 E y′ 两个分量之间产生π/2 的固定相位差。若旋转λ/4波片，它所提供的直流偏置

，得到直流偏值随偏振改变而改变。

三 简答题

1、何为大气窗口，试分析光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素。 答：对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为大气窗口。 光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素主要有:大气分子的吸收,大气分子散射 ,大气气溶胶的衰减。

2. 何为大气湍流效应，大气湍流对光束的传播产生哪些影响？

答：是一种无规则的漩涡流动，流体质点的运动轨迹十分复杂，既有横向运动，又有纵向 运动， 空间每一点的运动速度围绕某一平均值随机起伏。 这种湍流状态将使激光辐射在传播 过程中随机地改变其光波参量， 使光束质量受到严重影响， 出现所谓光束截面内的强度闪烁、 光束的弯曲和漂移（亦称方向抖动）、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，统称为大气湍流效应。

大气湍流 运动使大气折射率引起的这种起伏的性质， 使光波参量 （振幅和相位）产生随机起伏，造成光束的闪烁、弯曲、分裂、扩展、空间相干性降 低、偏振状态起伏等。

3、何为电光晶体的半波电压？半波电压由晶体的那些参数决定？

答：当光波的两个垂直分量E x '，E y '的光程差为半个波长（相应的相位差为π）时所需要加的

电压，称为半波电压。半波电压

6332r n V o λπ=

主要由光波长λ、O 光折射率o n 和电光系数63r 共

同决定。

4、声光相互作用可以分为拉曼-纳斯衍射和布喇格衍射两种类型。简述它们产生的条件和特征。

[答]：产生拉曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光波平行于声波面 入射，声光互作用长度 L 较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅”。 由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射 光，这就是拉曼-纳斯衍射的特点。

产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声光作用长度 L 较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有“体光栅”的性质。衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现 0 级和+1 级（或?1 级）衍射光，这是布喇格衍射的特点。

5、简述光束调制的基本原理。

[答]：（1）以激光为载体，将信息加载到激光的过程，称为调制或光束调制。

（2）光束具有振幅、频率、相位、强度和偏振等参量，可以应用某些物理

的方法，使其参量之一按照调制信号的规律变化，实现光束的调制，所以光束的 调制可以分为调幅、调相、调频和强度调制等。

（3）实现激光光束调制的方法根据调制器与激光器的关系，可以分为内调 制和外调制两种。

（4）具体的激光光束的调制方法，常见的有光电调制、声光调制、磁光调 制、直接调制等。

6、简述光纤通信中激光器直接调制的定义、用途和特点。

答：直接调制：即直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电流的大小，改变激光器输出光波的强弱，又称为内调制。传统的PDH 和2.5Gbit/s 速率以下的SDH 系统使用的LED 或LD 光源基本上采用的都是这种调制方式。直接调制方式的特点是，输出功率正比于调制电流，简单、损耗小、成本低。一般情况下，在常规G.652光纤上使用时，传输距离≤100km ，传输速率≤2.5Gbit/s 。

作业3

1、 简述以下概念：外光电效应、内光电效应。

答：外光电效应：是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。

内光电效应：是光电效应的一种，主要由于光量子作用，引发物质电化学性质变

化。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。

2、请比较光电二极管与光电池的异同？（此题答案有待补充，求高手指教！）

答：相同点：二者都是由PN结组成的半导体器件，都能把光信号转换成电信号。

不同点：光电二极管是在反向电压作用下工作的，而光电池是工作在光照零偏条件下的。

3、说明光电倍增管的原理。

答：当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。

4、说明光敏电阻的敏感机理。

答：光敏电阻阻值对光照特别敏感，是一种典型的利用光电导效应制成的光电探测器件。当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，导致材料电导率增大，此时材料电阻值将减小；即电阻值随入射光的强弱而变化，入射光强时电阻减小，入射光弱时电阻增大。

5、简述什么是光电导的弛豫现象以及响应时间。

答：光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的，同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这种现象即为光电导的弛豫现象；

光电导的响应时间又分上升时间和下降时间，是描述弛豫现象过程长短的物理量。上升时间表示光电导体受光照时光生载流子浓度从零增长到稳态值63%时所需的时间，下降时间表示从停光前稳态值衰减到37%时所需的时间。

6、简述光电池的工作原理。

答：光电池是一种直接把光能转换成电能的器件，它根据光生伏特效应原理，当P-N结受光照时激发出光生电子—空穴对而扩散进PN结，之后被内电场分离开而形成开路电压，此即光照零偏PN结产生开路电压的效应（即光伏效应）。

补充题

1. 辐射度量与光度量的根本区别是什么?

答：辐射度量适用于整个电磁波段，光度量适用于可见光波段。

2. 为什么光电探测器使用时大多要加偏置电路？画图说明光伏探测器的反向偏置电路。

答：加偏置电路，使光电探测器有合适的电流、电压工作点（提高灵敏度、频率响应，减小噪声）

光伏探测器的反向偏置电路：

3．什么是探测器的光谱灵敏度？为什么测量光谱灵敏度的系统一般需要单色仪？

答：探测器在波长为λ的单色光照射下，输出的电压U(λ)或光电流I()λ与入射的单色辐射通量Ф(λ)（或单色辐照度E(λ)）之比为光谱灵敏度；为了得到单色辐射通量。

4．探测器的噪声等效功率与哪些因素有关？一个探测器的灵敏度很高，它的噪声等效功率就一定很小，从而它的探测能力就越强，这种说法对吗？

答：探测器的噪声等效功率与探测器的灵敏度和探测器本身的噪声有关；这种说法不对。

5．光学调制主要有哪两个作用？分别举例说明。

答：光学调制主要有加载信息，或者改进系统的品质等作用。（3分）例如，光纤通信――加载信息；红外跟踪系统的调制盘――改进系统的品质（抑制背景噪声）

6. 分别指明可见光谱区和中红外光谱区的范围。

答：可见光0.38—0.78μm（或者0.40—0.76μm）

中红外波段1.5—6μm（或者3—5μm）

7. 分别画出本征半导体和N 型半导体的能带图，并简要解释施主能级的形成。

答：本征半导体和N型半导体的能带图：

施主能级的形成：

如果在四价的锗(Ge)或硅(Si)组成的晶体中掺入五价原子磷(P) 或砷(As)，就可以构成 N 型半导体。以硅掺磷为例，五价的磷用四个价电子与周围的硅原子组成共价键，尚多余一个电子。这个电子受到的束缚力比共价键上的电子要小得多，很容易被磷原子释放，跃迁成为自由电子，该磷原子就成为正离子，这个易释放电子的原子称为施主原子，或施主（Donor）。由于施主原子的存在，它会产生附加的束缚电子的能量状态。这种能量状态称为施主能级，它位于禁带之中靠近导带底的附近。

8. 用光敏电阻测量时，不宜用强光照射，为什么？

答：用光敏电阻测量时，不宜用强光照射：

测量时，一般要求光电转换线性关系好，而强光照射时光敏电阻的光电线性关系变差。用光敏电阻测量强光，可考虑使用中性衰减片插入光路。

9．解释杂质光电导探测器：a 常用于中远红外探测；b 通常必须在低温条件下工作？

答：同种半导体材料的杂质电离能ΔEd或ΔEa比本征半导体的电离能Eg

小得多，所以它的长波限比本征探测器的长波限长得多。在非本征探测器中，杂质原子的浓度远比基质原子的浓度低得多。在常温下杂质原子束缚的电子或空穴已被热激发成自由态作为暗电导率的贡献量。这时长波光照在它上面已无束缚电子或束缚空穴供光激发用，即光电导Δσ为零或很微弱。为使杂质光电导探测器正常工作，必须降低它的使用温度，使热激发载流子浓度减小，才能增加光激发载流子浓度，以提高相对电导率Δσ／σd。

10．为什么光电二极管加正向电压时表现不出明显的光电效应？

答：由于光伏探测器结区的内建电场的作用，光照时产生的光生电子-空穴对分离，在 PN 结的两则出现光生电动势。PN 结加正向偏压时，光照时仍然可有光电效应，但内建电场被削弱，甚至为零，光生电子-空穴对分离变弱，从而光电效应表现不明显。

11、热探测器与光子探测器的工作原理、光谱响应分别有什么不同？

答：工作原理：

热探测器的机理是光热效应：探测器将吸收的光能转换为热能，温度上升；

温升的结果使探测器某些（与温度有关的）物理性质发生变化。光子探测器的机理是光电效应：探测器吸收光子，将非传导电子直接转换为传导电子。

光谱响应：光谱响应具有平坦性。光子探测器的光谱响应具有选择性。

（热探测器基于材料吸收了光辐射能量后温度升高，从而改变了它的电学性能，它区别于光子探测器的最大特点是对光辐射的波长无选择性。）