光电子技术基础复习题

1、某单色光频率为3×1014Hz ，该单色光在水中（n=1.33）的速度和波长。 答：v=c/n=3*108/1.33=2.26*108m/s λ=v/f=2.26*108/3*1014 =0.75*10-6m

2、某星球的辐射出射度的峰值波长为400nm ，试估算该星球表明的温度。 答：由维恩位移律λmT=b 得 T=b/λm =2.898*10-3/400*10-9=7.245*103

k

3、简述光子简并和能级简并 答：光子简并：光子的运动状态简称为光子态。光子态是按光子所具有的不同能量（或动量数值），光子行进的方向以及偏振方向相互区分的。处于同一光子态的光子彼此之间是不可区分的，又因为光子是玻色子，在光子集合中，光子数按其运动状态的分布不受泡利不相容原理的限制。可以有多个光子处于同一种光子态上，这种现象称为简并。处于同一光子态的平均光子数目称为光场的简并度δ。δ=1/（e h υ

/kT -1） 4、什么是亚稳态能级。 答：若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射跃迁，则该态的平均寿命会很长τs >>10-3s,称为亚稳态能级，相应的态为亚稳态。 5、设二能级系统，发生受激辐射时，对入射光场的要求是什么？ 6、产生激光的重要机理是 答：受激辐射

9、从能级理论出发，解释Nd:YAG 激光器工作原理（p44-45） 10、解释增益饱和效应 答：当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量，而当入射光强增加到一定程度时，增益系数将随光强的增大而减小，这种增益系数随光强的增大而减小的现象称为增益饱和效应。 11、两种介质A 、B 的折射率分别为nA=1，nB=1.2，当光从B 传播到A 时，计算：1）发生全反射的零界角 2）布鲁斯特角 答：1.θc =arcsin （n 2/n 1）（n 1>n 2） =arcsin （1/1.2）=56.44° 2. tan θ=n 2/n 1 θ=arctan （n 2/n 1）

=arctan （1/1.2）=39.8° 12、人体辐射出射度的峰值波长为（ ） 答：由维恩位移律λmT=b 得 λm =b/ T =2.898*10-3/（37+273）=9.35*10-6m 13、红宝石激光器利用（氙灯）作为泵浦源。 14、光纤长距离通信中传播信息光的波长为(1550nm)，在接收端光电二极管所使用的材料是(InGaAs) 15、某阶跃光纤：n1=1.490, n2=1.480,则光纤的临界传播角为多少？ 答: α=arcsin （n 2/n 1）=arcsin （1.48/1.49）=83.4° 16、某平板介质波导：2a=10μm, n1=1.480, n2=1.470,则该波导的截止波长为多少？ 答：平板v=π/2（光纤v=2.405） V=（2πa/λc ）2

221n

n -

λc =2πa 2

2

21n n -/ V=（10*π2247

.148.1-）/（π/2）=3.44μm 17、已知某平板介质波导：2a=80μm, n1=1.490, n2=1.470,入射光波长为λ=1μm ，在该波导中存在的模式数为 答：M=V 2/2=(π/2)2/2=1 18、解释材料色散产生的原因 答：材料色散：是由于折射率随波长变化的，而光源都具有一定的波谱宽度，因而产生传播时延差，引起脉冲展宽。 补充： 模式色散：在阶跃光纤中，入射角不同的光波在光纤内走过的路径长短不同，在临界角上传输的光路最长，沿光纤轴线传输的光路最短，由此引起时延差而产生模式色散。

波导色散：是由光纤的几何

结构决定的色散，它是由某一波导模式的传播常数β随光信号角频率w 变化而引起，也称为结构色散。 19、简述谐振腔的作用 答：使光只能沿着轴线方向往返运动（方向性） 筛选光频率，只能使满足干涉相干条件频率的光能在腔内往返运动（单色性） 增加光强度，实现光放大（高亮度） 20、半导体激光器实现光放大的物质条件是什么

答：PN 结附近或导带电子和价带空穴相对反转分布 21、激光产生的条件具体有那些 答：必要；粒子数反转分布和减少振荡模式数 充分；起振和稳定振荡

计算：1）入射光波长为1550nm ，Pin=0.05W ，Pout=0.002W ，估算光纤中信号能传输的最远距离。 2）光源为激光，λc=1550nm,光源脉宽Δλ=0.5nm ，假设信号传输1km ，计算由于材料色散造成的脉冲信号展宽σ。 3）只考虑材料色散，估算信号

在光纤中传播1km 的bit rate 的最大值。

答：1. α=10lg(p i /p o )/L L=10*lg （0.05/0.002）/0.36=38.8m

2. σ=Δλdn/cd λ=0.5*10-9/3*108=1.7*10-18s/m

3.B<=1/（4Δτ） Δτ=L|D m |Δλ 24、已知输入信号频率最大值为

1kHz ，输入信号峰值为3V ，脉冲编码调制采用4位编码 则：1）采样频率最小值为？ 2）采用有舍有入的方式，量化单元为？由此产生误差的最大值为？ 答： 25、KDP 晶体的纵向电光效应中，Δφ=？V π=？ 答：Δφ=（2π/λ）n 03γ63v V π=λ/（2 n 03γ63）=πC/（wn 03γ63） 26、电光强度调制中如何解决信号失真问题？推导解决失真后的透射率表达式。

答：a.在调制晶体上加一个恒定的直流电压V=Vn/2，该直流电压使两束光产生相位延迟π/2； b ．在光路中增加一片λ/4波片 27、调制:将欲传递的信息加载到激光

辐射上的过程。 28、脉冲编码调制是把模拟信号先变

成电脉冲序列，进而变成代表信号信息的二进制编码，再对光载波进行强度调制。 要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程:抽样、量化和编码。 抽样：将连续的信号分割成不连续的脉冲波，且脉冲序列的幅度与信号波的幅度相对应。要求取样频率比传递信号频率的最大值大两倍

以上。

量化：把抽样后的脉冲幅度

调制波分级取整处理，用有限个数的代表值取代抽样值的大小。

编码：用量化的数字信号变

成相应的二进制代码的过程，用一组等幅度、等宽度的脉冲作为码元。 29、解释电光效应

答：某些晶体在外加电场作用下，折射率发生变化，当光波通过此介质时，其传播特性就会受到影响。 30、解释半波电压

答：光波在光晶体中传播时，当光波的两个垂直分量的光程差为半个波长时所需要加的电压，称为半波电压。

32、渡越时间对调制信号频率有什么影响？

Δфo 是当ωm τd <<1时的峰值相位延迟；γ称为高频相位延迟缩减因子，表征因渡越时间引起的峰值相位延迟的减小程度。只有当ωm τd <<1。即τd << T m / 2π时，

γ=1，即无缩减作用。说明光波在晶体内的渡越时间必须远小于调制信号的周期，才能使调制效果不受影响。

33、某电光晶体n=1.5，L=1cm ，ωm τd =π/2,则调制信号最高频率为？ 答：f m =w m / 2π=1/4τd =c/4nL=3*108/（4*1.5*0.01）=5*109Hz

34、解释声光效应（p136-137） 答：当光在建立起超声场的介质中传播时，由于弹光效应，光介质中的超声波衍射或散射的现象。

补充：介质光学性质的变

化，不仅可以通过外加电场的作用而实现，外力的作用也能够造成折射率的改变，这种由于外力作用而引起介质光学性质变化的现象称为弹光效应。

36、声光调制器件由声光介质，电——声换能器，吸声装臵以及电源组成。

采用布喇格衍射。

35、声光效应中发生Bragg 衍射的条件是什么？Bragg 衍射的特点是？ 答：条件：1）超声波频率足够高L=λs /λ

2）光线倾斜入射，当入射角θB 满足2λs sin θB =λ产生布喇格衍射

特点：1）衍射光只有0级，+1

或-1级，布喇格衍射效应制成的声光器件效率比较高。

2）两级衍射光夹角为2

θB

3）衍射效率

η=I 0/I i =sin 2[（π

L/2

λ）

s

P M H L 2)/(]=sin 2

[πL/

2λs I M 2]

37、调Q 的目的是压缩脉冲宽度，提高峰值功率。 38、解释激光器的Q 值？Q 值和激光器的损耗之间有什么关系？

答：Q 值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标—品质因数。

品质因子Q 与谐振腔的单

程总损耗的关系 Q=2πW/P=2π/λα总

39、叙述调Q 的过程？

答：过程1.在泵浦过程的大部分时间里（t-t 0）谐振腔处于低Q 值状态，故阈值很高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至t 0时刻，粒子数反转达到最大值Δni

过程2. t 0时刻Q 值突然升

高（损耗下降），振荡阈值随之降低，

于是激光振荡开始建立。由于此Δni>>Δnt （阈值粒子反转数），因此受激辐射增强非常迅速，激光介质存储的能量在极短时间内转变为受激辐射场的能量，结果产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。

41、叙述声光调Q 的原理。

答：利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，调节腔内光子的反射损耗。

40、叙述电光调Q 的原理。 答：电光调Q 是指在激光谐振腔内加臵一块偏振片和一块KDP 晶体。光经过偏振片后成为线偏振光，如果在KDP 晶体上外加λ/4电压，由于泡克尔斯效应，使 往返通过晶体的线偏振光的振动方向改变π/2。如果KD*P 晶体上未加电压，往返通过晶体的线偏振光的振动方向不变。所以当晶体上有电压时，光束不能在谐 振腔中通过，谐振腔处于低Q 状态。由于外界激励作用，上能级粒子数便迅速增加。当晶体上的电压突然除去时，光束可自由通过谐振腔，此时谐振腔处于高Q 值状 态，从而产生激光巨脉冲。电光调Q 的速率快，可以在10-8秒时间内完成一次开关作用，使激光的峰值功率达到千兆瓦量级。如果原来谐振腔内的激光已经是线 偏振光，在装臵电光调Q 措施时不必放臵偏振片。

42、什么是单模光纤？成为单模光纤的条件是什么？

答：只允许基模通过的光纤为单模光纤。

条件：V=（2πa/λc ）2

221n

n -<2.405

光纤直径很小、λ>λc

43、试比较单模光纤和多模光纤的区别（阶跃光纤）

答：单模光纤的数值孔径比较大，单

模光纤只允许基模通过而多模光纤则允许若干个模式通过。单模芯径为8~10μm ，多模光纤的芯径为50~100μm.

44、光纤中存在哪几种损耗

答：吸收损耗：当光波通过任何透明物质时，都要使组成这种物质的分子中不同振动状态之间和电子的能级之间发生跃迁。这种能级跃迁时， 物质吸收入射光波的能量引起的光的损耗。

散射损耗：由于光纤制作工艺上

的不完善，例如有微气泡、杂质和折射率不均匀以及有内应力等，光能在这些地方会发生散射，使光纤损耗增大。

弯曲损耗：光纤弯曲是引起光纤

损耗的另一个重要的原因。光纤是柔软的，可以弯曲。弯曲的光纤虽然可以导光，但是会使光的传播路径改变，使得光能渗透过包层向外泄漏而损失掉。

45、解释瑞利散射

答：物质散射中最重要的是本征散射，也成为瑞利散射。本征散射是由玻璃熔制过程中造成的密度不均匀而产生的折射率不均匀引起的散射。瑞利散射与波长的四次方成反比。瑞利散射引起的损耗：

αRs =（A/λ4）（1+B Δ）

46、光纤通信中常用的波段的波长是多少？为什么使用该波长？ 答：光在Sio 2中传输

850nm （损耗比较小）、1300nm （色散最小）、1550nm （损耗最小）

48、光纤的基本结构是什么？每部分的作用是什么？

答：基本结构：护套、涂敷层、包层和纤芯

纤芯和包层：形成对光信号的传导和约束，实现光的传输

涂敷层：用于增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性

护套：用于增强光纤的机械强度，保护光纤

49、光与物质的相互作用有哪几种答：自发辐射、受激辐射、受激吸收51、激光器的基本结构及每部分作用答：基本结构：激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔；

激光工作物质：提供形成激光的能级结构体系，是激光产生的内因

泵浦源：提供形成激光的能量激励，是激光产生的外因

光学谐振腔：为激光器提供

反馈放大机

构，使受激发

射的强度、方

向性和单色

性进一步提

高

52、半导体激光器与发光二极管在结构和发光机制上的区别是什么？

答：相同点：都有PN结组成、都属于电源激发

不同点：发光二极管掺杂浓度

低、激光器掺杂浓度高，

在半导体激光器中存

在双简并能级，

激光器一定

要实现粒子

数反转，激

光器强度高

方向性好53、为什么二能级系统不能产生激光答：当外界激励能量作用于二能级体系物质时，首先建立起自发辐射，在体系中有了初始光辐射。之后，一方面物质吸收光，使N1减小和N2增加。另一方面由于物质中同时存在着辐

射过程，使N2减小和N1增加。两种过程同时存在，最终到达N1=N2状态，光吸收和受激发射相等，二能级系统不再吸收光，达到所谓的自受激透射状态，这种状态下N2不再继续增加；即便采用强光照射，共振吸收和受激发射以相同的概率发生，也不能实现粒子数反转。这意味着二能级系统即使有入射光等激励也不能实现粒子

反转分布，因而不能充当激光工作物质。

54、分析四能级与三能级激光器相

比所具有的优点

三能级模型与四能级模型相比，在实现集居数分布反转上，要比四能级困难。

55、光电子技术的含义及其特点

光电子技术是研究从红外波、可见光、紫外光、

X射线至γ射线波段范围内的光波电子技术，是研

究运用光子和电子的特性，通过一定的媒介实现信

息与能量转换、传递、处理及应用的科学。它是以

光电子学为理论基础，以光电子元器件为主体、综

合利用光学、电学、机械学、计算机和材料技术，

以实现具有一定功能、实用的仪器、设备系统。

光电子技术的特点;频谱宽、信息容量大、传输速度快、抗电磁干扰能力强

用三能级模型说明如何实现粒子分

布反转状态？为什么说三能级系统

实现能态集居数分布反转要比四能

级系统困难？E1是基态，E2是具有较长寿命的能级，称为亚稳

态，E3是由大量能级组成的能带。在热平衡状态

下，处在基态E1上的集居数N1比处在亚稳态E2上的集

居数N2大得多，即N1≥N2，（实际

上N2约为0）。当

氙灯激励红宝石棒时，大量基态离子

受激吸收跃迁

到达能带E3内，因而E1上的粒子数

N1减少，但Cr3+离

子在E3上的寿命很短，它们很快通

过非辐射驰豫过

程（用S表示）跃迁到寿命较长的亚

稳态E2上，其上

就积累了大量的粒子，即N2不断增

多，并在此寿命

时间内暂时使N2偏离热平衡的波耳

兹曼分布，此过

程称为氙灯的抽运（泵浦）过程。只

有当氙灯的光

强强到一定程度时，有可能暂时N2

＞N1 ，即达到

集居数反转状态，这样，E2上粒子

跃迁回到E1时，

便产生受激辐射，从而产生激光。

四能级产生激光的能级是激发态E3

和E2能级，在泵浦的作用使大量基

态E1的Nd3+离子受激吸收跃迁到达

能带E4内，但Nd3+离子在E4上寿

命极短，很快通过非辐射驰豫过程

（用曲线箭头S43表示）跃迁到寿命

较长的亚稳态E3上。而能级E2的寿

命又很短，进入该能态的粒子又很快

非辐射跃迁（又S21表示）到基态，

所以N2约为0，这样N3≥N2，在能

态E3和能态E2间实现了集居数分布

反转。三能级模型与四能级模型相

比，在实现集居数分布反转上，要比

四能级困难。

4）何为增益饱和效应？

当某一频率为的光束通过激活介

质时，光通量

获得放大，即光强越强，意味着单位

时间内从亚稳态

向下跃迁的粒子数就越多，从而导致

反转程度减弱，

从而使增益系数变小

自发辐射与受激辐射的根本差别？

自发辐射跃迁与受激辐射跃迁过程

是两个不同的物理过程，它们所产生

的辐射性质也不同，对于自发辐射来

说，它是原子在不受外界辐射场的影

响下产生的，而单个原子的自发辐射

的相位是随机的，因此大量的自发辐

射是不相干的。而与自发辐射不同的

是，受激辐射是在外界辐射场的作用

下产生的，受激辐射光子与激励光子

具有相同的频率、相位、波矢和偏振

状态，也就是说受激辐射光子与入射

光子属于同一态的光子，因此受激辐

射是相干的。

三能级系统所需的阈值能量要比四

能级系统所需的

大得多？四能级系统的激光下能级

在基态之上，n2=0 ，只须将个粒

子激发到能级E3上就能使增益克服

腔的损耗而产生激光；而在三能级系

统中，激光的下能级是基态，因此至

少须将个粒子激发到能级

E2上才能使增益克服腔的损耗而产

生激光,而, 所以三能级系统

的阈值能量或阈值功率要比四能级

系统大得多。

光学谐振腔有稳定腔和非稳腔之分，

非稳腔是不是

指工作状态不稳定的腔？为什么？

所谓腔的稳定性，只是指傍轴光线能

否在腔内往返无限次而不致于横向

逸出，也就是腔内傍轴光束损耗的高

低的问题。稳定腔是指腔的几何损耗

低，因而对增益不太高的工作物质来

说，用这种几何损耗低就比较容易起

振。但对损耗高的非稳腔来说，如果

工作物质的增益比较高，同样可以起

振，并且达到稳定工作。

利用偏振器如何使两束线偏振光分

散的角度增大？

1）把具有双折射的晶体或棱镜组合

使用，从而增大两束偏振光分开的角

度，以便获得两束线偏振光。2）利

用两束线偏振光折射的差别，使其中

的一束由偏振器反射掉，另一束发生

折射，从而获得一束线偏振光。

光电导效应、光伏效应定义？

光电导效应当半导体材料被光照时，

由于对光子的吸收随载流子

的浓度增大而增大，因而导致电导率

增大。

光伏效应（光生伏特效应）光照零偏

pn结产生开路电压的效应