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

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 ）

2221n n - λc =2πa 2221n 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

22、推导波导方程（课件）

23、

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/cdλ=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=？Vπ=？

答：Δφ=（2π/λ）n03γ63v

Vπ=λ/（2 n03γ63）=πC/（wn03γ63）

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。

31、推导纵向电光强度调制透射率T的表达式（p122-124）

32、渡越时间对调制信号频率有什么影响？（p129-130）

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，吸声装置以及电源组成。 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2θB

3）衍射效率

η=I 0/I i =sin 2[（πL/2λ）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置一块偏振片和一块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，在装置电光调Q 措施时不必放置偏振片。

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 ）2221n 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）

47、解释光纤的光学带宽和电学带宽?

答：

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

50、激光产生的阈值条件是什么？（p28-29）

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（p32-33）