光电子技术复习总结
光电子技术复习题总结（2012.6.1）
第一章：光的基础知识及发光源
1. 光的基本属性？光具有波动和粒子的双重性质，即具有波粒二象性。
2. 激光的特性？
（1）方向性好（2）单色性好（3）亮度高（4）相干性好
3. 玻尔假说：定态假设和跃迁假设？（1）定态假设；原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的能量只能采取某些分立的值E1、E2 、??、En ，而不能采取其它值。
（2）跃迁假设；只有当原子从较高能量En的定态跃迁到较低能量Em的定态时，才能发射一个能量为h 的光子。
4. 光与物质的共振相互作用的三种过程？受激吸收、自发辐射、受激辐射
5. 亚稳态？自发辐射的过程较慢时，粒子在E2 能级上的寿命就长，原子处在这种状态就比较稳定。寿命特别长的激发态称为亚稳态。其寿命可达10-3~1s ，而一般激发态寿命仅有10-8s 。
6. 受激辐射的光子性质？受激辐射的光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致。
7. 受激吸收和受激辐射这两个过程的关系？宏观表现？两能级间受激吸收和受激辐射这两个相反的过程总是同时存在，相互竞争，其宏观效果是二者之差。当吸收过程比受激辐射过程强时，宏观看来光强逐渐减弱；反之，当吸收过程比受激辐射过程弱时，宏观看来光强逐渐加强。
8. 受激辐射与自发辐射的区别？
最重要的区别在于光辐射的相干性，由自发辐射所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一定的任意性，而受激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激发的光子高度一致，即有高度的简并性。
9. 光谱线加宽现象？由于各种因素影响，自发辐射所释放的光谱并非单色，而是占据一定的频率宽度，分布在中心频率v0 附近一个有限的频率范围内，自发辐射的这种现象称为光谱线加宽。
10. 谱线加宽的原因？由于能级有一定的宽度，所以当原子在能级之间自发发射时，它的频率也有一个变化范围△ vn.
11. 谱线加宽的物理机制分为哪两大类？它们的区别？分为均匀加宽和非均匀加宽两大类。均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的。发光粒子的光谱因物理因素加宽后中心频率不变, 由它们迭加成的光源光谱形状与发光粒子相同。
非均匀加宽：引起谱线加宽的物理因素对介质中的每个发光原子不一定相同，每个发光原子所发的光只对谱线内某些确定的频率。发光粒子的光谱因物理因素使得中心频率发生变化, 由它们迭加成的光源光谱形状与发光粒子不同。
12. 谱线加宽对原子与准单色光辐射场相互作用的影响？由于发光粒子的谱线加宽，与它相互作用的单色光频率不一定精确等于粒子中心频率时才发生受激跃迁。而在v'=v0 附近范围内，都能产生受激跃迁。当v ‘ =v0 时跃迁几率最大，v ' 偏离v0 跃迁几率急剧下降。
13. 参与普通光源的发光的光与物质共振相互作用过程？常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2）的电子寿命很短（一般为10－8～10－9 秒），
在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为h υ=E2-E1。
14. 激光产生的必要条件和充分条件？
必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式充分条件：起振和稳定振荡（形成稳定激光）
15. 激光器的基本结构及其各部分的作用？激光工作物质: 这种介质可以实现粒子数反
转，以制造获得激光的必要条件。泵浦源：将粒子从低能级抽运到高能级态的装置，称为泵浦源。提供能量来激励工作物质，建立粒子数反转分布状态。
谐振腔：作用是限制输出模式，同时还对激光频率、功率、光束发散角及相干性都有影响。
16. 增益饱和现象？二能级系统为什么不能充当激光工作物质？
在二能级系统中，由于发生受激吸收和受激辐射的几率是相同的（B12=B21），最终只有达到两个能级的粒子数相等而使系统趋向稳定，不能实现粒子数反转，因而不能充当工作物质。
17. 三能级和四能级系统如何实现粒子数反转？为什么四能级系统比三能级系统的效率高？
三能及系统：E1 为基态，E2、E3 为激发态，中间能级E2为亚稳态。在泵浦作用下，基态E1 的粒子被抽运到激发态E3 上，E1上的粒子数N1随之减少。但由于E3 能级的寿命很短，粒子通过碰撞很快地以无辐射跃迁的方式转移到亚稳态E2上。由于
E2 态寿命长，其上就累积了大量的粒子，即N2大于N1，于是实现了亚稳态E2与基态E1 间的粒子数反转分布。
三能级激光器的效率不高，原因是抽运前几乎全部粒子都处于基态，只有激励源很强而且抽运很快，才可使N2 > N1 ，实现粒子数反转。
四能级系统：是使系统在两个激发态E2、E1之间实现粒子数反转。因为这时低能级E1 不是基态而是激发态，其上的粒子数本来就极少，所以只要亚稳态E2 上的粒子数稍有积累，就容易达到N2 大于N1，实现粒子数反转分布，在能级E2 、E1 之间产生激光。于是，E3 上的粒子数向E2 跃迁，E1 上的粒子数向E0 过渡，整个过程容易形成连续反转，因而四能级系统比三能级系统的效率高。
18. 激光的纵模和横模？
激光的纵模：光场沿轴向传播的振动模式称为纵模。
激光的横模：激光腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布称为激光的横模。19. 激光横模形成的主要因素？
主要因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用。
20. 双简并半导体的能带特点？双简并半导体：半导体中存在两个费米能级; 两个费米能级使得导带中有自由电子；价带中有空穴。
21. pn 结如何形成双简并能带结构？
当给P－N 结加以正向电压V 时，原来的自建场将被削弱，势垒降低，破坏了原来的平衡，引起多数载流子流入对方，使得两边的少数载流子比平衡时增加了，（这些增加的少数载流子称为“非平衡载流子”。这种现象叫做“载流子注入”。）此时结区的统一费米能级不复存在，形成结区的两个费米能级EF+和EF-，称为准费米能级。它们分别描述空穴和电子的分布。在结区的一个很薄的作用区，形成了双简并能带结构。
22. 同质结砷化镓激光器的特性？
与二极管相同，也具有单向导电性
23. 从提高双异质结型半导体激光器的性能要求出发, 对异质结两侧的材料的技术要求？
（1）要求两种材料的晶格常数尽可能相等, 若在结合的界面处有缺陷, 载流子将在界面处复合掉, 不能起到有效的注入、放大和发光的作用;
（2）为了获得较高的发光效率, 要求材料是直接跃迁型的;
（3）为了获得高势垒, 要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。
24. 双异质结型半导体激光器结构？
双异质结（DH）LD由三层不同类型的半导体材料构成，不同材料发不同的波长。结构中间一层窄带隙P 型半导体为有源层，两侧分别为宽带隙的P 型和N 型半导体是限制层，三层半导体置于基片上，前后两个晶体解理面为反射镜构成谐振腔。光从有源层沿垂直于PN结的方向射出。
第二章：光辐射在介质波导中的传播
1. 光波导的分类？
（1）平板波导（2）矩形波导（3）圆柱形波导
2. 以非对称型（从上到下n3>n1>n2 ）平板介质波导为例，平板介质中可能存在的模式？以及相应的入射角与全反射角的关系？
可能存在的模式：
包层模-- θ1<θc13<θc12
衬底模-- θc13<θ1<θc12
导模-- θc13<θc12<θ1
（存在两个临界角，在下界面的全反射临界角为c12，在上界面的全反射临界角为
c13。由于n2>n3，所以c12 >c13 。）
3. 从平板介质波导中的导波的特征方程，入射角与模序数的关系？
对给定的m 值，可求出形成导波的θ1 值。以该θ1 角入射的平面波形成一个导波模式。由特征方程还可以看出，在其他条件不变的情况下，若θ1 减小，则m 增大，因而表明高次模是由入射角θ1 较小的平面波构成的
4. 截止波长是如何定义的？
对一个给定的模式，m 是定值。如果工作波长λ0 变化，必须调整平面波的入射角θ1，才能满足特征方程，形成导波。当θ1=θc12 时，导波转化为辐射模，此时的波长就是该模式的截止波长。
5. 在非对称型平板介质波导所有模式中，截止波长最长的模式？以及单模传输的条件？
TE0模的截止波长最长。
单模传输的条件是：λc（TM0）<λ0<λc（TE0）
（薄膜波导中的TE0模即是基模。如果波导的结构或选择的工作波长只允许TE0模传输，其他模式均截止，则称为单模传输。）
6. 在对称型的平板介质波导中，存在哪两种特殊的现象？
（1）模序数相同的TE模和TM模具有相同的截止波长λc。
（2）对于对称波导，TM0的模的截止波长λc=∞，没有截止现象，这是对称波导的特有性质。
7. 光纤的基本结构？
由折射较高的纤芯和折射率较低的包层组成，通常为了保护光纤，包层外还往往覆
盖一层塑料加以保护即涂覆层。
8. 光纤涂覆层的作用？
隔离杂散光、提高光纤强度和保护光纤等。
9. 光纤是否为单模传输与什么有关？与光纤自身的结构参数和光纤中传输的光波长有关。
10. 渐变型光纤与阶跃型光纤的区别？区别在于其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的增加而递减直到等于包层的折射率。
第三章：光辐射的调制
1. 什么是光调制？光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波（激光辐射）上的过
程
2. 这些参数包括什么？这些参数包括光波的振幅、位相、频率、偏振、波长等。
3. 什么是内调制，什么是外调制？内调制：将要传输的信号直接加载于光源，改变光源的输出特性来实现调制。外调制：在光源外的光路上放置调制器，将要传输的信号加载于调制器上，当光通过调制器时，透过光的物理性质将发生改变，实现信号的调制。
4. 振幅调制的波形特点？
波形特点：调幅波的振幅（包络）变化规律与调制信号波形一致；调幅度ma 反映了调幅的强弱程度。
5. 什么是电光效应？电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体在外加电场的作用下，
其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变，这种现象称为电光效应。
6. KDP晶体在外加电场时，折射率椭球体的变化。
当沿晶体z 轴方向加电场后，KDP晶体由单晶体变成了双晶体，折射率椭球的主轴绕z 轴旋转了45°，此转角与外加电场的大小无关，其折射率变化与电场成正比。
7. 什么是纵向电光效应和横向电光效应？电场方向与通光方向一致, 称为纵向电光效应;
电场与通光方向相垂直, 称为横向电光效应。
8. 什么是半波电压？
当光波的两个垂直分量Ex' , Ey ' 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” 。
9. 电光强度调制器件的器件组成及工作原理？
器件组成：起偏器，电光晶体，检偏器
10. 电光开关原理？利用脉冲电信号控制光路接通断开
11. 什么是声光效应？由于声波的作用而引起介质光学性质变化的现象
12. 声光相互作用的两种类型及其区别？声光互作用可以分为拉曼—纳斯（Raman—Nath）衍射和布拉格（Bragg）衍射两种类型。
拉曼- 纳斯衍射：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射（即垂直于声场传播方向），声光互作用长度L 较短时，产生拉曼—纳斯衍射。
布拉格衍射：当声波频率较高，声光作用长度L 较大，而且光束与声波波面间以一定的角度斜入射时，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有“体光栅”的性质。
13. 声光体调制器的组成？声光体调制器是由声光介质、电—声换能器、吸声（或反射）装置及驱动电源等所组成。
14. 声光调制的工作过程？首先是由电—声换能器把电振荡转换成超声振动，再通过换能器和声光介质间的粘合层把振动传到介质中形成超声波，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。
15 磁光调制的工作过程？首先将调制信号通过线圈，让其感生出平行于光传播方向的磁场，通过调制信号控制磁场强度变化，再使入射光通过YIG 晶体，由磁光效应改变在介质中传输的光波的偏振态，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。
第四章：光辐射的探测技术
1. 什么是光电探测器？光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件。
2. 光电探测的物理效应可以分为哪三大类
（1）光电效应（2）光热效应（3）波扰动效应
3. 什么是光电效应？光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生电动势，这些因光照引起物体电学特性改变的现象，统称为光电效应。
4. 什么是光热效应？某些物质受到光照射时，由于温度变化而造成材料性质发生变化的现
象。
5. 什么是内光电效应以及包括的两类效应？内光电效应光子激发的载流子（电子或空穴）将保留在材料内部，主要包括光电导效应和光伏效应。
6. 什么是光电导效应？光电导效应是光照变化引起半导体材料电导变化的现象。
7. 什么是光伏效应?
光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。
8. 光生伏特效应过程？
当光照射pn结时，只要光子能量大于禁带宽度，无论p区、n 区或结区都会产生少数载流子。那些在结附近n 区中产生的少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，总有一定概率扩散到结界面处，它们一旦到达pn 结界面处，就会在结电场作用下被拉向p 区。同样，如果在结附近p 区中产生的少数载流子扩散到结界面处，也会被结电场迅速拉向n 区。结内产生的电子- 空穴对在结电场作用下分别被移向n 区和p 区。如果电路处于开路状态，光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区获得附加正电荷，n 区获得附加负电荷，使pn 结获得光生电动势。
9. 光子器件和热电器件的区别？
光子器件：响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器件无响应；响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒。
热电器件: 响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感; 响应慢，一般为几毫秒.
11. 为什么光电探测器存在噪声？光探测器会有哪些噪声？因为在光电转换过程中，半导体中的电子从价带跃迁到导带，或者电子逸出材料表面等过程，都是一系列独立事件，是一种随机的过程。每一瞬间出现多少载流子是不确定的，所以随机的起伏将不可避免地与信号同时出现。
光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、产生—复合噪声、光子噪声、热噪声和低频噪声。
光电子技术课后答案安毓敏第二版
习 题 1 1. 设在半径为R c 的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l 0处有一个辐射强度为I e 的点源S ，如图所示。试计算该点源发射到盘圆的辐射功 率。 ΩΦd d e e I =， 202πd l R c =Ω 202e πd d l R I I c e e ==ΩΦ 2. 如图所示，设小面源的面积为A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0的夹角为 s ；被照面的面积为A c ，到面源A s 的距离为l 0。若 c 为辐射在被照面A c 的入射角，试计算小面源在A c 用定义r r e e A dI L θ?cos =和A E e e d d Φ=求解。 4. 霓虹灯发的光是热辐射吗？ 不是热辐射。 6. 从黑体辐射曲线图可以看出，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长 m 随温 度T 的升高而减小。试由普朗克热辐射公式导出 常数=T m λ。 这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为2.89810-3 m K 。 普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0，即可求的。 9. 常用的彩色胶卷一般分为日光型和灯光型。你知道这是按什么区分的吗？ 按色温区分。 习 题 2 1. 何为大气窗口，试分析光谱位于大气窗口的光辐射的大气衰减因素。 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。 l 0 S R c 第1题图 L e ?A s ?A c l 0 θs θc 第2题图
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？ 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。 5. 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？ 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）时所需要加的电压，称为半波电压。 7. 若取v s =616m/s ，n =2.35， f s =10MHz ， 0=0.6328m ，试估算发生拉曼-纳斯衍射 所允许的最大晶体长度L max =? 由公式0 2202044λλλs s s f nv n L L =≈<计算，得到 612 2022max 10 6328.0410********.24-?????==λs s f nv L 。 10. 一束线偏振光经过长L =25cm ，直径D =1cm 的实心玻璃，玻璃外绕N =250匝导线，通有电流I =5A 。取韦尔德常数为V =0.2510-5（）/cm T ，试计算光的旋转角。 由公式L αθ=、VH =α和L NI H = 计算，得到VNI =θ。 11. 概括光纤弱导条件的意义。 从理论上讲，光纤的弱导特性是光纤与微波圆波导之间的重要差别之一。实际使用的光纤，特别是单模光纤，其掺杂浓度都很小，使纤芯和包层只有很小的折射率差。所以弱导的基本含义是指很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构，而且为制造提供了很大的方便。 15. 光波水下传输有那些特殊问题？ 主要是设法克服这种后向散射的影响。措施如下： ⑴适当地选择滤光片和检偏器，以分辨无规则偏振的后向散射和有规则偏振的目标反射。 ⑵尽可能的分开发射光源和接收器。 ⑶采用如图2-28所示的距离选通技术。当光源发射的光脉冲朝向目标传播时，接收器
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第一章 2. 如图所示，设小面源的面积为?A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0 的夹角为?s ；被照面的面积为?A c ，到面源?A s 的距离为l 0。若?c 为辐射在被照面?A c 的入射角，试计算小面源在?A c 上产生的辐射照度。 解：亮度定义: r r e e A dI L θ?cos = 强度定义:Ω Φ =d d I e e 可得辐射通量：Ω?=Φd A L d s s e e θcos 在给定方向上立体角为： 2 cos l A d c c θ?= Ω 则在小面源在?A c 上辐射照度为：2 cos cos l A L dA d E c s s e e e θθ?=Φ= 3.假如有一个按朗伯余弦定律发射辐射的大扩展源（如红外装置面对 的天空背景），其各处的辐亮度L e 均相同，试计算该扩展源在面积为A d 的探测器表面上产生的辐照度。 答：由θcos dA d d L e ΩΦ = 得θcos dA d L d e Ω=Φ，且() 2 2cos r l A d d +=Ωθ 则辐照度：()e e e L d r l rdr l L E πθπ =+=? ?∞ 20 0222 2 7.黑体辐射曲线下的面积等于等于在相应温度下黑体的辐射出射度M 。试有普朗克的辐射公式导出M 与温度T 的四次方成正比，即 M=常数4T ?。这一关系式称斯特藩-波耳兹曼定律，其中常数为5.67?10-8W/m 2K 4 解答：教材P9，对公式2 1 5 1 ()1 e C T C M T e λλλ= -进行积分即可证明。 第二章 3．对于3m 晶体LiNbO3，试求外场分别加在x,y 和z 轴方向的感应主折射率及相应的相位延迟（这里只求外场加在x 方向上） 解：铌酸锂晶体是负单轴晶体，即n x =n y =n 0、n z ＝n e 。它所属的三方晶系3m 点群电光系数有四个，即γ22、γ13、γ33、γ51。电光系数矩阵为： 第1.2题图
光电子技术基础考试题及答案
光电子技术基础考试题及答案 一、选择题 1.光通量的单位是（ B ）. A.坎德拉 B.流明 C.熙提 D.勒克斯 2. 辐射通量φe的单位是（ B ） A 焦耳 (J) B 瓦特 (W) C每球面度 (W/Sr) D坎德拉(cd) 3.发光强度的单位是（ A ）. A.坎德拉 B.流明 C.熙提 D.勒克斯 4.光照度的单位是（ D ）. A.坎德拉 B.流明 C.熙提 D.勒克斯 5.激光器的构成一般由（ A ）组成 A.激励能源、谐振腔和工作物质 B.固体激光器、液体激光器和气体激光器 C.半导体材料、金属半导体材料和PN结材料 D. 电子、载流子和光子 6. 硅光二极管在适当偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且动态范围较大。适当偏置是（D） A 恒流 B 自偏置 C 零伏偏置 D 反向偏置 7.2009年10月6日授予华人高锟诺贝尔物理学奖，提到光纤以SiO2为材料的主要是由于（ A ） A.传输损耗低 B.可实现任何光传输 C.不出现瑞利散射 D.空间相干性好
8.下列哪个不属于激光调制器的是（ D ） A.电光调制器 B.声光调制器 C.磁光调制器 D.压光调制器 9.电光晶体的非线性电光效应主要与（ C ）有关 A.内加电场 B.激光波长 C.晶体性质 D.晶体折射率变化量 10.激光调制按其调制的性质有（ C ） A.连续调制 B.脉冲调制 C.相位调制 D.光伏调制 11.不属于光电探测器的是（ D ） A.光电导探测器 B.光伏探测器 C.光磁电探测器 D.热电探测元件 https://www.360docs.net/doc/7e5316947.html,D 摄像器件的信息是靠（ B ）存储 A.载流子 B.电荷 C.电子 D.声子 13.LCD显示器，可以分为（ ABCD ） A. TN型 B. STN型 C. TFT型 D. DSTN型 14.掺杂型探测器是由（ D ）之间的电子-空穴对符合产生的，激励过程是使半导体中的载 流子从平衡状态激发到非平衡状态的激发态。 A.禁带 B.分子 C.粒子 D.能带 15.激光具有的优点为相干性好、亮度高及（ B ） A色性好 B单色性好 C 吸收性强 D吸收性弱 16.红外辐射的波长为（ D ）. A 100-280nm B 380-440 nm C 640-770 nm D 770-1000 nm 17.可见光的波长范围为（ C ）.
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第一章 2. 如图所示，设小面源的面积为?A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0 的夹角为θs ；被照面的面积为?A c ，到面源?A s 的距离为l 0。若θc 为辐射在被照面?A c 的入射角，试计算小面源在?A c 上产生的辐射照度。 解：亮度定义: r r e e A dI L θ?cos = 强度定义:Ω Φ =d d I e e 可得辐射通量：Ω?=Φd A L d s s e e θcos 在给定方向上立体角为： 2 cos l A d c c θ?= Ω 则在小面源在?A c 上辐射照度为：2 cos cos l A L dA d E c s s e e e θθ?=Φ= 3.假如有一个按朗伯余弦定律发射辐射的大扩展源（如红外装置面对 的天空背景），其各处的辐亮度L e 均相同，试计算该扩展源在面积为A d 的探测器表面上产生的辐照度。 答：由θcos dA d d L e ΩΦ = 得θcos dA d L d e Ω=Φ，且() 2 2cos r l A d d +=Ωθ 则辐照度：()e e e L d r l rdr l L E πθπ =+=? ?∞ 20 0222 2 7.黑体辐射曲线下的面积等于等于在相应温度下黑体的辐射出射度M 。试有普朗克的辐射公式导出M 与温度T 的四次方成正比，即 M=常数4T ?。这一关系式称斯特藩-波耳兹曼定律，其中常数为 5.6710-8W/m 2K 4 解答：教材P9，对公式2 1 5 1 ()1 e C T C M T e λλλ=-进行积分即可证明。 第二章 3．对于3m 晶体LiNbO3，试求外场分别加在x,y 和z 轴方向的感应主折射率及相应的相位延迟（这里只求外场加在x 方向上） 解：铌酸锂晶体是负单轴晶体，即n x =n y =n 0、n z ＝n e 。它所属的三方晶系3m 点群电光系数有四个，即γ22、γ13、γ33、γ51。电光系数矩阵为： L e ?A s ?A c l 0 θs θc 第1.2题图
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*103k 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 hυ/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 7、爱因斯坦关系是 8、以二能级为例推导粒子数反转的条件是什么？ 答：能级上的粒子数分布满足条件N2/g2>N1/g1 反转分布图 对物质的要求：在物质能级中存在亚稳态能级 对外界的考验：需要有泵浦源 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
张永林 第二版《光电子技术》课后习题答案.doc
1.1可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少？ 波长：380~780nm 400~760nm 频率：385T~790THz 400T~750THz 能量：1.6~3.2eV 1.2辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？ 为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。根本区别在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。因为光度参数只适用于0.38~0.78um 的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。而量子流是在整个电磁辐射，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量.光源在给定波长λ处，将λ～λ+d λ范围内发射的辐射通量 d Φe ，除以该波长λ的光子能量h ν，就得到光源在λ处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。 1.3一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m 的高处，用照度计测得正下方地面的照度为30lx ，求出该灯的光通量。 Φ=L*4πR^2=30*4*3.14*1.5^2=848.23lx 1.4一支氦-氖激光器（波长为63 2.8nm ）发出激光的功率为2mW 。该激光束的平面发散角为1mrad,激光器的放电毛细管为1mm 。 求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。 若激光束投射在10m 远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为0.85，求该屏上的光亮度。 322 51122()()()6830.2652100.362()()22(1cos )()0.362 1.15102(1cos )2(1cos 0.001) 1.4610/cos cos cos 0 ()0.3v m e v v v v v v v v v v v K V lm d I d S Rh R R I cd dI I I L cd m dS S r d M dS λλλλλππθλπθπθθπλ-Φ=Φ=???=Φ?Φ= =Ω?Ω ??Ω===-?Φ===?--??====??Φ==52262 4.610/0.0005lm m π=??'2' ''22 2' '2'2 '100.0005(6)0.850.850.85cos 0.85155/cos 2v v v v v v v v l m r m P d r M E L dS l r L d dM l L cd m d dS d πθπθπ =>>=Φ===??Φ====ΩΩ
张永林第二版《光电子技术》课后习题答案. ()
可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少？ 波长：380~780nm 400~760nm 频率：385T~790THz 400T~750THz 能量：~ 辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？ 为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。根本区别在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。因为光度参数只适用于~的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。而量子流是在整个电磁辐射，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量.光源在给定波长λ处，将λ～λ+dλ范围内发射的辐射通量 dΦe，除以该波长λ的光子能量hν，就得到光源在λ处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。 一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m的高处，用照度计测得正下方地面的照度为30lx，求出该灯的光通量。 Φ=L*4πR^2=30*4**^2= 一支氦-氖激光器（波长为）发出激光的功率为2mW。该激光束的平面发散角为1mrad,激光器的放电毛细管为1mm。 求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。 若激光束投射在10m远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为，求该屏上的光亮度。 从黑体辐射曲线图可以看书，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长随温度T的升高而减小。试用普朗克热辐射公式导出 式这一关系式称为维恩位移定律中，常数为?10-3m?K。 普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0，即可求的。教材P8 什么是光辐射的调制？有哪些调制的方法？它们有什么特点和应用？ 光辐射的调制是用数字或模拟信号改变光波波形的幅度、频率或相位的过程。 光辐射的调制方法有内调制和外调制。 内调制：直接调制技术具有简单、经济、容易实现等优点。但存在波长(频率)的抖动。 LD、LED 外调制：调制系统比较复杂、消光比高、插损较大、驱动电压较高、难以与光源集成、偏振敏感、损耗大、而且造价也高。但谱线宽度窄。机械调制、电光调制、声光调制、磁光调制 说明利用泡克尔斯效应的横向电光调制的原理。画出横向电光调制的装置图，说明其中各个器件的作用。若在KDP晶体上加调制电压U=Um ，U在线性区内，请写出输出光通量的表达式。 Pockels效应：折射率的改变与外加电场成正比的电光效应。也称线性电光效应。 光传播方向与电场施加的方向垂直，这种电光效应称为横向电光效应。 说明利用声光布拉格衍射调制光通量的原理。超声功率Ps的大小决定于什么？在石英晶体上应加怎样的电信号才能实现光通量的调制？该信号的频率和振幅分别起着什么作用？ 当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变作时间上和空间上的周期性的变化，并且导致介质的折射率也发生相应的变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。 声光介质在超声波的作用下，就变成了一个等效的相位光栅，当光通过有超声波作用的介质时，相位就要受到调制，其结果如同它通过一个衍射光栅，光栅间距等于声波波长，光束通过这个光栅时就要产生衍射，这就是声光效应。布拉格衍射是在超声波频率较高，声光作用区较长，光线与超声波波面有一定角度斜入射时发生的。
光电子技术作业解答
赖老师的课到期中考试为止一共有9次作业，依次分别由冯成坤、饶文涛、黄善津、刘明凯、郑致远、黄瑜、陈奕峰、周维鸥和陆锦洪同学整理，谨此致谢！ 作业一： 1、桌上有一本书，书与灯至桌面垂直线的垂足相距半米。若灯泡可上下移动，灯在桌上面多高时，书上照度最大（假设 灯的发光强度各向通性，为I0） 解：设书的面积为dA ，则根据照度的定义公式： dA d I dA d E 0Ω==φ （1） 其中Ωd 为上图所示的立体角。 因而有： 2/32222) h (L h dA h L cos dA d +?=+?= Ωθ （2） 将（2）式代入（1）式得到： 2 /3220)h (L h I E += （3） 为求最大照度，对（3）式求导并令其等于零， 计算得： 因而，当高度为m 221 时书上的照度最大。 2、设He-Ne 激光器中放电管直径为1mm ，发出波长为6328埃的激光束，全发散角为=10-3rad ，辐射通量为3mW ，视见函数取 V(6328)=，求： （1）光通量，发光强度，沿轴线方向的亮度 （2）离激光器10米远处观察屏上照明区中心的照度 （3）若人眼只宜看一熙提的亮度，保护眼镜的透射系数应为多少 解：（1）光通量：lm 49.010324.0638V K 3m v =???=Φ??=Φ-θ 发光强度：cd 1024.64 d d I 52v v ?≈Φ=ΩΦ=θπ 亮度：2112 35m /cd 1059.7)10(4 1024.6dAcos dI L ?≈??==-πθ轴 （2）由题意知，10米远处的照明区域直径为： 从而照度为：lx 9.6238)10(4149.0D 4E 2 22 v =??=Φ=-ππ （3）透射率：8114 1026.110 95.710L 1T -?≈?==轴（熙提）
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
光电子技术期末考试试卷及其知识点大汇总(可编辑修改word版)
一、选择题（20 分，2 分/题） 1、光电子技术在当今信息时代的应用主要有（abcd ） A.信息通信 B.宇宙探测 C.军事国防 D.灾害救援 2、激光器的构成一般由（a ）组成 A.激励能源、谐振腔和工作物质 B.固体激光器、液体激光器和气体激光器 C.半导体材料、金属半导体材料和PN 结材料 D. 电子、载流子和光子 3、光波在大气中传播时，引起的能量衰减与（abcd ）有关 A.分子及气溶胶的吸收和散射 B.空气折射率不均匀 C.光波与气体分子相互作用 D.空气中分子组成和含量 4、2009 年10 月6 日授予华人高锟诺贝尔物理学奖，提到光纤以SiO2为材料的主要是由于（ a ） A.传输损耗低 B.可实现任何光传输 C.不出现瑞利散射 D.空间相干性好 5、激光调制器主要有（abc ） A.电光调制器 B.声光调制器 C.磁光调制器 D.压光调制器 6、电光晶体的非线性电光效应主要与（ac ）有关 A.外加电场 B.激光波长 C.晶体性质 D.晶体折射率变
化量 7、激光调制按其调制的性质有（cd ） A.连续调制 B.脉冲调制 C.相位调制 D.光强调制 8、光电探测器有（abc ） A.光电导探测器 B.光伏探测器 C.光磁电探测器 D.热电探测元 件 9、CCD 摄像器件的信息是靠（ b ）存储 A.载流子 B.电荷 C.电子 D.声子 10、LCD 显示器，可以分为（abcd ） A. TN 型 B. STN 型 C. TFT 型 D. DSTN 型 二、判断题（20 分，2 分/题，对用“√”、错用“×”标记） 11、世界上第一台激光器是固体激光器。 ( T ) 12、在辐射度学中，辐射能量Q 是基本的能量单位，用J(焦耳)来度量。 ( T ) 13、在声光晶体中，超声场作用像一个光学的“相位光栅”，其光栅常数等于光 波 波 长
光电子技术安毓英版答案
习 题1 1. 设在半径为R c 的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l 0处有一个辐射强度为I e 的点源S ，如图所示。试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。 解：ΩΦd d e e I =， 20 2 πd l R c =Ω 20 2 e πd d l R I I c e e ==ΩΦ 2. 如图所示，设小面源的面积为?A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0的夹角为θs ；被照面的面积为?A c ，到面源?A s 的距离为l 0。若θc 为辐射在被照面?A c 的入射角，试计算小面源在?A c 上产生的辐射照度。 解：用定义r r e e A dI L θ?cos = 和A E e e d d Φ=求解。 3.假设有一个按郎伯余弦定律发射辐射的大扩展源（如红外装置面对的天空背景），其各处的辐亮度e L 均相同。试计算该扩展源在面积为d A 的探测器表面上产生的辐照度。 解：辐射亮度定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量，因为余弦辐射体的辐射亮度为 eo e eo dI L L dS = = 得到余弦辐射体的面元dS 向半空间的辐射通量为 0e e e d L dS L dS ππΦ== 又因为在辐射接收面上的辐射照度e E 定义为照射在面元上的辐射通量e d Φ与该面元的面积dA 之比，即e e d E dA Φ= 所以该扩展源在面积为d A 的探测器表面上产生的辐照度为e e d L dS E A π= 单位是2 /W m 4. 霓虹灯发的光是热辐射吗？ 解： 不是热辐射。 5刚粉刷完的房间从房外远处看，它的窗口总显得特别黑暗，这是为什么？ 解：因为刚粉刷完的房间需要吸收光线，故从房外远处看它的窗口总显得特别黑暗 第1题图 第2题图
光电子技术安毓英习题答案(完整版)
光电子技术题库及答案 (完整版) 第一章 2. 如图所示，设小面源的面积为?A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0 的夹角为θs ；被照面的面积为?A c ，到面源?A s 的距离为l 0。若θc 为辐射在被照面?A c 的入射角，试计算小面源在?A c 上产生的辐射照度。 解：亮度定义: r r e e A dI L θ?cos = 强度定义:Ω Φ =d d I e e 可得辐射通量：Ω?=Φd A L d s s e e θcos 在给定方向上立体角为： 2 cos l A d c c θ?= Ω 则在小面源在?A c 上辐射照度为：2 cos cos l A L dA d E c s s e e e θθ?=Φ= 3.假如有一个按朗伯余弦定律发射辐射的大扩展源（如红外装置面对 的天空背景），其各处的辐亮度L e 均相同，试计算该扩展源在面积为A d 的探测器表面上产生的辐照度。 答：由θcos dA d d L e ΩΦ = 得θcos dA d L d e Ω=Φ，且() 2 2cos r l A d d +=Ωθ 则辐照度：()e e e L d r l rdr l L E πθπ =+=? ?∞ 20 0222 2 7.黑体辐射曲线下的面积等于等于在相应温度下黑体的辐射出射度M 。试有普朗克的辐射公式导出M 与温度T 的四次方成正比，即 M=常数4T ?。这一关系式称斯特藩-波耳兹曼定律，其中常数为 5.6710-8W/m 2K 4 解答：教材P9，对公式2 1 5 1 ()1 e C T C M T e λλλ=-进行积分即可证明。 第二章 3．对于3m 晶体LiNbO3，试求外场分别加在x,y 和z 轴方向的感应主折射率及相应的相位延迟（这里只求外场加在x 方向上） 解：铌酸锂晶体是负单轴晶体，即n x =n y =n 0、n z ＝n e 。它所属的三方晶 L e ?A s ?A c l 0 θs θc 第1.2题图
光电子期末考试参考资料
1-1光电子器件按功能分为哪几类？每类大致包括哪些器件？ 光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件、光显示器件。 光源器件分为相干光源和非相干光源。相干光源主要包括激光器和非线性光学器件等。非相干光源包括照明光源、显示光源和信息处理用光源等。 光传输器件分光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等等)、光波导和光纤等。 光控制器件包括调制器、偏转器、光开关、光双稳器件、光路由器等。 光探测器件分光电导型探测器、光伏型探测器、热伏型探测器、各种传感器等。 光存储器件分为光盘(包括CD 、VCD 、DVD 、LD 等)、光驱、光盘塔等。 光显示器件包括CRT 、液晶显示器、等离子显示器、LED 显示。 1-2谈谈你对光电子技术的理解 光电子技术主要研究物质中的电子相互作用及能量相互转换的相关技术，以光源激光化，传输波导（光纤）化，手段电子化，现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特征，是一门新兴的综合性交叉学科。 1-5据你了解，继阴极射线管显示（CRT ）之后，哪几类光电显示器件代表的技术有可能发展成为未来显示技术的主体？ 等离子体显示（PDP ），液晶显示（LCD ），场致发射显示（EL ），LED 显示。 第二章光学基础知识与光场传播规律 2-1填空题 ⑴ 光的基本属性是光具有波粒二象性，光粒子性的典型现象有光的吸收、发射以及光电效应等；光波动性的典型体现有光的干涉、衍射、偏振等。 ⑵ 两束光相干的条件是频率相同、振幅方向相同、相位差恒定；最典型的干涉装置有杨氏双缝干涉、迈克耳孙干涉仪；两束光相长干涉的条件是 (0,1,2, )m m δλ==±±，δ 为光程差。 ⑶两列同频平面简谐波振幅分别为 01E 、02E ，位相差为 φ，则其 干涉光强为 22 010201022cos E E E E φ ++，两列波干涉相长的条件为 2(0,1,2, ) m m φπ==±± ⑷波长 λ 的光经过孔径D 的小孔在焦距f 处的衍射爱里斑半径为 1.22 f D λ 。 2-2在玻璃 ( 2.25,1)r r εμ==上涂一种透明的介质膜以消除红外线 (0.75)m λμ=的反射。 ⑴求该介质膜应有的介电常量及厚度。⑵如紫外线(0.42)m λ μ=垂直照射至 涂有该介质膜的玻璃上，反射功率占入射功率百分之多少？ ⑴ 1.5 正入射时，当n ，膜系起到全增透作用 1.225 n 00.75 0.15344 1.225 h m n λμ= = =? ⑵ 正入 射时， 反 射率 为 22 22 0000 2222 0000 22()cos ( )sin 22()cos ()sin G G G G n n nh nh n n n n n n nh nh n n n n ππλλρππλλ-+-= +++正 22 00 22 22000 2()cos 3.57% 22()cos ( )sin G G G nh n n n n nh nh n n n n πλππ- = =+++ 2-5一束波长为0.5 m μ的光波以045角从空气入射到电极化率为20.6 j ＋的介质表面上，求 ⑴此光波在介质中的方向（折射角） 。⑵光波在介质中的衰减系数。 ⑴ 2123n =+ =n 由 112 sin sin n n θθ=得 2sin θ2θ=⑵衰减系数 7 2(0.6)0.6 1.310n r k πλ =-?-= ?=? 2-6输出波长 λ ＝632.8 nm 的He-Ne 激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂 覆ZnS 和2 ThF 形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层才能使镜面反射系数大于99.5％？ 设玻璃的折射率G n ＝1.5 由题意： 2 2 20220() 0.995() P H H L G P H H L G n n n n n n n n n n λ ρ??-?? ? ?=≥? ?+???? 正，， 即 9975 .0) 5.1/5.2()5.1/5.2(1) 5.1/5.2()5.1/5.2(12 2≤+-p 即 745 .1910025 .0167.49975 .15.15.22=?≥ ?? ? ??p 15 .529.102≈?=p p 故至少涂覆6个双层。 745 .1910025 .0167.49975 .15.15.22=?≥?? ? ??p 15.529.102≈?=p p 故至少涂覆6个双层。 第三章激光原理与技术 3-1填空 ⑴ 最早的电光源是炭弧光灯，最早的激光器是 1960 年由美国的梅曼制作的红宝石激光器。 ⑵ 光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示色散与频率的关系，虚部表示物质吸收与频率的关系。 ⑶ 激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。激光产生的充分条件是阈值条件和增益饱和效应，必要条件包括粒子数反转分布和减少振荡模式数。 ⑷ 今有一个球面谐振腔，r1=1.5m ，r2=-1m ，L=80cm ，它属于稳定腔。 3-2试简单说明以下光电子学术语的科学含义： ⑴ 受激辐射 处于激发态E2上的原子，在频率为υ21的外界光信号作用下，从E2能级跃迁到E1能级上，在跃迁过程中，原子辐射出能量为21 h υ、与外界光信号处于同一状态的 光子，这两个光子又可以去诱发其他发光粒子，产生更多状态相同的光子，这样， 在一个入射光子作用下，就可以产生大量运动状态相同的光子，这一发射过程称为受激发射过程。 ⑵ 谱线的多普勒加宽 多普勒展宽是由于气体物质中作热运动的发光粒子所产生的辐射的多普勒频移引起的。 ⑶ 谱线的自然加宽 自然加宽是由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上寿命有限所形成的谱线加宽。 ⑷ 光放大 光束在激活介质中传播时，设入射端面处光强为0() I υ，距离x 处光强为 ()I υ，且，则2121121212121212 ()()()0()()d dI g N N B h dt I g ρυυυρυυ==->可见光强在激活介质中不断放大。为此，引入激活介质的增益系数G(v) G(v)=dI(v)/I(v)dx 式中，dI(v)是传播距离dx 时的光强的增量。这说明：介质的增益系数在数值上等于光束强度在传播单位长度的距离时，光强增加的百分数。由于dI(v)>0，因而G(v)>0，所以G(v)可以表示光在激活介质当中的放大特性。 3-3计算与推导 （1）λ＝0.5μm 时，什么温度下自发辐射率与受激辐射率相等？T=300K 时，什么波长下自发辐射率相等？ 自发辐射率为A21，受激辐射率为W21。21 2121()w B ρυ=。由 爱因斯坦关系式可知： 33 21213218A h n B c πυ=， 由普朗克公式可知：33 21213 21 81 ()exp()1 h n h c kT πυρυυ= - ， （a ）由题意A21＝W21，故 3 21 exp( )11h kT υ-=， 333483332132363 ln 2ln 2 6.6310(310)0.6931 7.19101.3810(0.510)h hc T K k k υλ---????= ===???? （b ）当T=300K 时， 33483312 23 ln 2 6.6310(310)0.6931 2.997101.3810300 hc kT λ--????= ==??? 41.44210M λ=? （2）He-Ne 激光器的反射镜间距为0.2m ，求最靠近632.8nm 跃迁谱线中心的纵模阶数、纵模频率间隔。如果增益曲线宽度为9 1.510?Hz,则可能引 起的纵模总数是多少？ 解 ： 气 体 的 折 射 率1 n ≈，由 2q c q nL υ= 得 5 9 2210.2 6.3210632.810nL q λ -??= = =?? 纵模频率间隔 8 83107.5102210.2 q c Hz nL υ?= ==??? 实际振荡纵模总数 9 1.5101137.510T q q υυ???? ?=+=+=???? ??????? （3）红宝石激光器的工作物质有特性：732 1510/N N cm -=?、300K 处， 1101 210() Hz g υυ≈ =?，3310s s τ-=?，144.32610Hz υ=?， n=1.78，求其在中心频率处的增益系数G(v)。 解： 因为 12212121212128)2/(1 )2/(g g A N g g N K N g g N G m λ????? ??-=????? ??-= ν λτn c g g A = ==，，212211 所以 ： ()cm v n c N N G m /1046.9)1036.4(78.1102410910541122 1421122072222212-?=??????='?-=πτνπ3-4简述题 ⑴ 简述激光的特点。 激光的特点主要表现在以下四个方面：①激光具有激光极好的方向性② 激光的单色性非常好③激光的相干性好④激光具有极高的亮度和单色亮度。信息光电子技术中所用的光源，着重单色性、高速脉冲性、方向性、可调谐性和高能量密度等。激光正是满足这些条件的最好的光源。 ⑸ 以一个三能级原子系统为例，说明激光器的基本组成和产生激光的基本原理。 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。要产生激光，工作物质只有高能态（激发态）和低能态（基态）是不够的，还至少需要有这样一个能级，它可以使得粒子在该能级上具有较长得停留时间或较小得自发辐射概率，从而实现其与低能级之间得粒子数反转分布，这样得能级称为亚稳态能级。这样，激光工作物质应至少具备三个能级。 泵浦源提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因。由于在一般情况下介质都处于粒子数正常分布状态，即处于非激活状态，故欲建立粒子数反转分布状态，就必须用外界能量来激励工作物质。把将粒子从低能态抽运到高能态的装置称为泵浦源或激励源. 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、单色性进一步提高。不论哪种光学谐振腔，它们都有一个共同特性，那就是都是开腔，即侧面没有边界的腔，这使偏轴模不断耗散，以保证激光定向输出。而且，谐振腔具有选频作用，只有满足相干条件（即来回一趟相位差改变量是2π的整数倍）的频率的光才有可能产生振荡，从而从自发发射的光谱中选出纵模。 ⑺ 分析激光产生的条件。 激光产生的两个必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数，要形成稳定的激光输出还要满足起振和稳定振荡两个充分条件。 粒子数反转分布指能级上的粒子数分布满足条件（N2/g2）>(N1/g1)，相应地有dp(v21)>0，表示光束在粒子数反转分布状态下的工作物质中的工作物质中传播时， 光密度将不断增加。称这种状态的物质为激活介质。 要想得到方向性很好、单色性很好的激光，仅有激活介质时不够的，这是因为：第一：在反转分布能级间的受激发射可以沿各个方向产生，且传播一定的距离后就射出工作物质，难以形成极强的光束；第二，激发处的光可以有很多频率，对应很多模式，每一模式的光都将携带能量，难以形成单色亮度很强的激光。欲使光束进一步加强，就必须使光束来回往复地通过激活介质，使之不断地沿某一方向得到放大，并减少振荡模式数目。由于光束在腔内多次的来回反射，极少频率的光满足干涉相长条件，光强得到加强，频率得到筛选，特别是在谐振腔轴线方向，可以形成光强最强、模式数目最少的激光振荡，而和轴线有较大夹角的光束，则由侧面逸出激活介质，不能形成激光振荡。 理论和时间结果表明：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成都时，增益系数将随光强的增大而减小，即G(v)应写为G(v,I)。这种G(v,I)随着I 的增大而减小的现象，称为增益饱和效应。它是激光器建立稳态振荡过程的稳定振荡条件。 ⑻ 简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线型函数的类型。 一般来讲，谱线展宽分均匀展宽与非均匀展宽两大类。 1. 均匀展宽的特点是：引起均匀展宽的机制对于每一粒子而言都是相同的。任一粒子对谱线展宽的贡献都是一样的，每个发光粒子都以洛伦兹线型发射。均匀展宽又包括自然展宽、碰撞展宽和热振动展宽等。 （a ）自然展宽是由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上寿命有限所形成的。由于它是粒子本身固有性质决定的，自然存在的，因而称为自然展宽。2 2 2 01 ()14()() 2s N s g τυπυυ= -+可见() N g υ表达式具有洛伦兹型。 （b ）碰撞展宽是由于气体中大量粒子无规则运动而产生的碰撞引起的谱线展宽。 （c ）热振动展宽是由晶格热振动引起的谱线展宽，在固体激光物质中其量级远大于前两者，晶格原子的热振动使发光粒子处于随时间周期变化的晶格场中，引起能级振动，导致谱线展宽，这种展宽与温度关系最大。 2. 非均匀展宽的特点使粒子体系中粒子的发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献，可以区分为线型函数的某一频率范围是由哪些粒子发光所引起的。这种展宽主要包括多普勒展宽与残余应力展宽。Ⅰ （a ）多普勒展宽是由于气体物质中作热运动的发光粒子所产生的辐射的多普勒频移引起的。多普勒展宽的线型函数 2 2 020 1 ()220()()2mc KT D c m g e KT υυυυυπ--= （b ）残余应力展宽是固体激光物质内部残余应力引起的，其中一种是晶格缺陷所 致，非均匀分布的缺陷引起不同位置粒子V0不同；另一种是由物质本身原子无规则排列构成的。这类展宽的解析形式难以求证，常用实验测定。 （10）激光器按激光工作介质来划分可分为几类？ 按激光工作物质的类型有如下划分： ⒈气体激光器 液体激光器 ⒊固体激光器 ⒋半导体激光器 ⑾ 分析同质结半导体激光器与发光二极管的区别与联系。 同质结半导体与发光二极管的联系：正向偏压下，大量电子和空穴分别通过耗尽层注入到p 侧和n 侧，于是导带中存在电子而价带中不存在电子，形成粒子数反转分布； 同质结半导体与发光二极管的区别：发光二极管的结构公差不严格，而半导体激光器需要精确控制制造工艺，以保证两个端面形成极为光滑平整且互相平行的光学谐振腔。当低于激光阈值时，注入式激光器就像一个发光二极管，无规律地发光；当注入芯片的电流增大到某一量值时，就会发生粒子数反转，这时受激原子数目多于低能态原子；从某些激发态原子自发地发出的光子与p-n 结的激发态电子相碰撞，出发更多的光子发射出来，形成受激发射。 ⑿ 简述尖峰振荡效应过程。 不加任何特殊装置的固体脉冲激光器，在一次输出中，激光脉冲的宽度大约时ms 数量级。这个脉冲并不是平滑的，而是包含宽度更窄的短脉冲系列，其中每一个短脉冲宽度只在uS 数量级，并且激励越强，短脉冲的时间间隔越小。这种现象称作迟豫振荡效应或尖峰振荡效应。 ⒀ 激光调Q 技术于锁模技术的脉宽分别在哪个量级？ 调Q 技术可以产生脉宽纳秒量级、峰值功率MW 量级的巨脉冲，锁模技术可以产生皮秒至飞秒量级的超短脉冲。 ⒁ 常见的调Q 方法有哪几种？ ⒈转镜调Q 技术 ⒉染料调Q 技术 ⒊电光调Q 技术 ⒋声光调Q 技术 ⒂ 分别简述几种常见的激光锁模实现方法。 激光器一般有多个不同的振荡模式，他们本身是不关联、非相干的，起振幅与相位彼此独立；如果能使得各个独立模式在时间上同步、振荡相位一致，则总光场是各个模式光场得相干叠加，输出为一超短脉冲，且残余相干得模越多，不均于分布越尖锐，则脉宽越窄、峰值功率越高。这种通过把激光中所有的模耦合在一起并把各个模的彼此相位关系锁定得方法称为锁模，相应得技术称为锁模技术。 实现锁模的方法有很多，大致分为一下几类： ⒈主动锁模 是一种内调制锁模，通过在腔内插入一个电光或声光调制起实现模式锁定，要求调制频率精确地等于激光器的纵模间隔，从而使所有参与振荡的模式相位同步的锁模技术。 ⒉被动锁模 类似染料被动开关，把很薄的可饱和吸收染料盒插入自由运转的环形腔结构激光器谐振腔环路中点，使相反方向的两个脉冲精确同步地到达吸收体 ，发生碰撞，产生相干叠加效应，从而获得有效锁模的碰撞锁模方式。 ⒊自锁模 这是一种通过增益调制来实现锁模的方法。用一台锁模激光器的序列脉冲输出泵浦另一台激光器，在两个激光器光腔长度相等的情况下，激光器的增益收到调制，在最大增益时形成一个脉冲更窄的序列脉冲输出，这就是自锁模技术，或称同步锁模技术。 第四章光波导技术基础 4-1某光纤传输的波段为0.8:0.9um 。若每一路电话带宽为4KHz ，每套彩电节目带宽10MHz ，则该光纤理论上可传送多少路电话或多少套彩电节目？ 光纤传输的频率f=c /λ,故它传输波段为 333*10^14 : 3.75*10^14 Vf=0.417*10^14 能传播的电话数目N1=(0.417*10^14) / (1.04*10^3)=1.04*10^10 能传播的彩电数目N1=(0.417*10^14) / (10*10^6)=4.17*10^6 4-6光纤的基本结构是什么？单独的纤芯可否作为光波导？包层的作用是什么？光纤传输光的基本原理是什么？什么是传输模、辐射模和消逝模？ 光纤由传导光的纤芯（折射率n1）和外层的包层（折射率n2）两同心圆形的双层结构组成，且 n1>n2 。外面再包以一次涂覆护套和二次涂覆护套。 单独的纤芯不能作为光波导，光波导由纤芯和包层共同组成。 包层对纤芯起保护作用，包括增加光纤的机械强度，避免纤芯接触到污染物，以及减少纤芯表面上由于过大的不连续性（即界面两边的折射率差别过大）而引起的散射损耗率。 光波在光纤中传播有3种模式，导模（传输模），漏模（泄漏模）和辐射模。 导模是光功率限制在纤芯内传播的光波场，又称芯模。其存在条件是n2k0<β