光电学复习思考题
光电期末复习题答案
光电期末复习题答案一、选择题1. 光电效应中，光电子的最大初动能与入射光的频率成正比，与入射光的强度无关。
（对）2. 激光的单色性、相干性和方向性都非常好，因此激光在精密测量和通信领域有着广泛的应用。
（对）3. 光的偏振现象表明光是一种横波。
（对）4. 光的干涉和衍射现象都可以产生明暗相间的条纹，但干涉条纹是稳定的，衍射条纹则不稳定。
（错）5. 光纤通信利用的是光的全反射原理。
（对）二、填空题1. 光电效应中，光电子的最大初动能与入射光的频率成正比，与入射光的强度无关。
2. 激光的单色性、相干性和方向性都非常好，因此激光在精密测量和通信领域有着广泛的应用。
3. 光的偏振现象表明光是一种横波。
4. 光的干涉和衍射现象都可以产生明暗相间的条纹，但干涉条纹是稳定的，衍射条纹则不稳定。
5. 光纤通信利用的是光的全反射原理。
三、简答题1. 简述光电效应的基本原理。
答：光电效应是指光照射到金属表面时，金属会释放出电子的现象。
当光的频率高于金属的逸出功对应的频率时，光子的能量足以使电子克服金属的束缚力而逸出，形成光电子流。
光电子的最大初动能与入射光的频率成正比，与入射光的强度无关。
2. 激光有哪些主要应用？答：激光的主要应用包括：精密测量、光纤通信、医疗治疗、工业加工、科研实验等。
激光的高亮度、高单色性和高相干性使其在这些领域中具有独特的优势。
3. 什么是光的偏振现象？答：光的偏振现象是指光波在传播过程中，电场矢量在某一特定方向上的振动。
只有当光波的电场矢量在某一平面内振动时，才能通过偏振片。
偏振现象表明光是一种横波，因为只有横波才能产生偏振现象。
4. 光的干涉和衍射现象有何区别？答：光的干涉现象是指两束或多束相干光波相遇时，由于光波的相位差而产生的光强增强或减弱的现象。
干涉条纹是稳定的，可以产生明暗相间的条纹。
而光的衍射现象是指光波在遇到障碍物或通过狭缝时，由于光波的弯曲而产生的光强分布变化。
衍射条纹则不稳定，随着观察位置的不同而变化。
光电检测思考题及部分答案
思考题及部分答案:1.什么是光电检测系统？其基本组成部分有哪些？答：指对待测光学量或由非光学待测物理量转换的光学量，通过光电变换和电路处理的方法进行检测的系统。
组成部分：光源；被检测对象及光信号的形成；光信号的匹配处理；光电转换；电信号的放大与处理；微机；控制系统；显示。
2.简要说明光电检测技术的重要应用范围？答：辐射度量和光度量的检测；光电元器件及光电成像系统特性的检测；光学材料、元件及系统特性的检测；非光学量的光电检测。
3.光电探测器的原理有几种效应？分别是什么？内容是什么？答：四种。
光电子发射效应：在光辐射作用下，电子逸出材料表面，产生光电子发射。
光电导效应：光照射某些半导体材料，某些电子吸收光子变成导电自由态，在外电场的作用下，半导体的电导增大。
光生伏特效应：光照射在PN结及其附近，在结区中因电场作用，产生附加电动势。
光磁电效应：半导体置于磁场中，用激光垂直照射，由于磁场产生洛伦兹力，形成电位差。
4. 光电探测器的种类及相应的光电器件？答：光电子发射器件：光电管、光电倍增管；光电导器件：光敏电阻；光生伏特器件：雪崩光电管、光电池、光电二极管、光电三极管。
5. 光电探测器的性能参数有哪些？详细叙述之。
答：量子效率：响应度：光谱响应：响应时间和频率响应：噪生等效功率：探测度：线性度：。
6. 光电探测器的噪声主要来源于什么？答：热噪声；暗电流噪声；散粒噪声；低频噪声。
7.作为性能优良的光电探测器应具有哪三项基本条件？答：光吸收系数好；电子亲和力小；光电子在体内传输过程中受到的能量损失应该小，使其逸出深度大。
8.常见的光阴极材料有哪些？答：银氧铯；锑钾；锑铯。
9.真空二极管与充气二极管的工作原理与结构以及它的优缺点比较。
答：充气的暗电流与照射比真空大很多；充气的频率响应比真空的较差；充气的噪声响应比真空的较大。
10.光电倍增管的工作原理及结构（组成部分），他有什么特点？答：工作原理：光照射在光电阴极上，从光阴极激发出的光电子，在电场U1的加速下，打在第一个倍增级D1上，由于光电子能量很大，它打在倍增极上时就又激发出数个二次光电子，在电场U2的作用下，二次光电子又打在第二个倍增极上，又引起电子发射，如此下去，电子流迅速倍增，最后被阳极收集。
《半导体光电学》课后习题
《半导体光电学》课后习题第一章半导体中光子-电子的相互作用思考与习题1、在半导体中有哪几种与光有关的跃迁，利用这些光跃迁可制造出哪些类型的半导体光电子学期间。
2、为什么半导体锗、硅不能用作为半导体激光器的有源介质，面却是常用的光探测器材料？3、用量子力学理论证明直接带隙跃迁与间接带隙跃迁半导体相比其跃迁几率大。
4、什么叫跃迁的K选择定则？它对电子在能带间的跃迁速率产生什么影响？5、影响光跃迁速率的因素有哪些？6、推导伯纳德-杜拉福格条件，并说明其物理意义。
7、比较求电子态密度与光子态密度的方法与步骤的异同点。
8、在半导体中重掺杂对能带结构、电子态密度、带隙、跃迁几率等带来什么影响？9、什么叫俄歇复合？俄歇复合速率与哪些因素有关？为什么在GaInAsP/InP等长波长激光器中，俄歇复合是影响其阀值电流密度、温度稳定性与可靠性的重要原因？10、比较严格k选择定则与其受到松弛情况下增益-电流特性的区别。
11、带尾的存在对半导体有源介质增益特性产生哪些影响？12、证明式（1.7-20）。
13、说明图1.7-5和图1.7-6所依据的假设有何不同？并说明它们各自的局限性。
第二章异质结思考与习题1、什么是半导体异质结？异质结在半导体光电子器件中有哪些作用？2、若异质结由n型（E∅1，χ1，ϕ1）和P型半导体（E∅2，χ2，ϕ2）结构，并有E∅1<E∅2，χ1>χ2，ϕ1<ϕ2，试画出np 能带图。
3、同型异质结的空间电荷区是怎么形成的？它与异质结的空间电荷形成机理有何区别？4、推导出pn 异质结结电容C j 与所加正向偏压的关系，C j 的大小时半导体光电子器件的应用产生什么影响？5、用弗伽定律计算Ga 1−x Al x As 半导体当x=0.4时的晶格常数，并求出GaAs 的晶格失配率。
6、探讨在Si 衬底上生GaAs 异质结的可能性。
7、用Ga 1−x Al x As 半导体作为激射波长为0.78μm 可且光激光器的有源材料，计算其中AlAs 的含量。
《光电技术》章节要点思考题
《光电技术》章节要点思考题第01章光辐射探测的基础理论思考题1－1 分别指明光学谱区和可见光区的范围。
1－2 辐射度量与光度量分别适应于电磁波谱的哪个范围？两者之间的换算关系如何？1－3 分别画出本征半导体、P型半导体和N型半导体的能带图，并解释施主能级和受主能级的形成。
1－4 本征半导体和杂质半导体对光的吸收最⼤的区别是什么？1－5 简述光电导效应、光伏效应和光电发射效应。
1－6 解释PN结加反向偏压时结电容变⼩。
1－7 什么叫量⼦效率？它与哪些因素有关？1－8 为什么称光电探测器为平⽅律器件？1－9 光电探测器的噪声主要有哪⼏类？为什么限制探测系统的带宽，可以减⼩噪声？1－10 为什么测量探测器的光谱灵敏度时，测量系统⼀般需要单⾊仪？1－11 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？第02章常⽤光辐射源思考题2－1 什么叫⿊体？绝对⿊体⾃然界并不存在，研究⿊体的意义是什么？2－2 指出⿊体、灰体和选择性辐射体的光谱发射率的差别。
2－3 什么是⾊温？2－4 分别指出⽤⿊体和⽩炽灯作标准光源的⼯作光谱范围。
2－5 在半导体激光器⼯作⼯程中，是如何实现粒⼦数反转的？第03章光电导探测器思考题3－1 本征光电导探测器和杂质光电导探测器在光谱响应有什么区别？为什么杂质光电导探测器常较低的温度⼯作？3－2 光敏电阻输出电路的负载电阻阻值过⼩，可能会出现什么问题？3－3 画图表⽰本征光电导探测器和杂质光电导探测器能够覆盖的光谱响应⼤致范围。
3－4 光敏电阻的响应时间由什么决定？第04章光伏探测器思考题4－1 光伏探测器⼯作在PN结的伏安特性曲线的哪些区域？4－2 什么叫光伏探测器的“短路电流”和“开路电压”？怎样测量？4－3 光伏探测器的噪声主要有哪些？4－4 光伏探测器的响应时间由哪些因素决定？4－5 光电池和光电⼆极管有哪些主要区别？4－6 简述APD 的⼯作原理。
光电效应实验思考题
光电效应1. 什么是光电效应答：（1）光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转转成电能。
这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（2）定义：定义1：物质由于吸收光子而产生电的现象。
定义2：物质在光的作用下发射电子或电导率改变，或者两种材料的界面上产生电势的现象。
（3）分类：A. 外光电效应：外光电效应是指物质受光照后而激发的电子逸出物质的表面，在外电场作用下形成真空中的光电子流。
这种效应多发生于金属和金属氧化物。
B. 内光电效应：内光电效应是指受光照而激发的电子在物质内部参与导电，电子并不逸出光敏物质表面。
这种效应多发生于半导体内。
内光电效应又可分为光电导效应、光生伏特效应、丹倍效应和光磁电效应等。
2.光电效应为什么可以测普朗克常数h ？答：爱因斯坦提出了“光量子”的概念，认为对于频率为 υ的光波，每个光子的能量为υh E =式中， 为普朗克常数，它的公认值是 =6.626 。
按照爱因斯坦的理论，光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全部能量传递给电子，电子所获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的约束，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能。
爱因斯坦提出了著名的光电方程：W mv 21h 2+=υ （1） 式中，υ为入射光的频率，为电子的质量， 为光电子逸出金属表面的初速度， 为被光线照射的金属材料的逸出功， 为从金属逸出的光电子的最大初动能。
由（1）式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流，甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极，直至阳极电位低于某一数值时，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零。
这个相对于阴极为负值的阳极电位被称为光电效应的截止电压。
显然，有 （2）代入（1）式，即有W eU h 0+=υ （3）由上式可知，若光电子能量 W <υh ，则不能产生光电子。
产生光电效应的最低频率是 h W =0υ，通常称为光电效应的截止频率。
光电效应测定普朗克常量思考题和实验误差答案[整理]
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光电效应测定普朗克常量思考题和实验误差答案光电效应测定普朗克常量【预习思考题】1．一般来说，光电管的阳极和阴极的材料不同，它们的逸出功也不同，而且阴极的逸出功总是小于阳极的逸出功，因此它们之间的接触电势差在K-A空间形成的是一个反向阻挡电场，试定量说明接触电势差对光电管伏安曲线的影响？答：接触电势差使光电管伏安曲线向右平移。
2．什么是遏止电势差Uc？影响遏止电势差确定的主要因素有哪些？在实验中如何较精确地确定遏止电势差？答：在阴极光电效应中，当光电管两端加上反向电压时,阴极光电流迅速减小,但直到反电压达到某个Uc时阴极光电流才为零, Uc称为阴极光电流遏止电势差。
影响阴极光电流遏止电势差确定的主要因素有二：1.当光照射到阴极时，必然有部分光漫反射至阳极，至使阳极产生光电效应并发射光电子，这些光电子很易到达阳极而形成阳极光电流；2.当光电管无任何光照时，在外加电压作用下仍会有微弱电流流过，我们称之为光电管的暗电流。
在实验中较精确地确定阴极光电流遏止电势差的方法是：拐点法3．如何由光电效应测出普朗克常量h？答：由实验得到遏止电势差Uc和照射光的频率的直线关系，由直线斜率可求出h【分析讨论题】1．根据遏止电势差Uc与入射光频率的关系曲线，请大致确定阴极材料逸出功与阳极材料逸出功之间的差值？答：2．在用光电效应测定普朗克常量的实验中有哪些误差来源？在实验中是如何减小误差的？你有何建议？答：在用光电效应测定普朗克常量的实验中的误差来源主要来自单色光不够严格以及阴极光电流的遏止电势差的确定，而影响阴极光电流遏止电势差确定的主要因素有光电管的阳极光电流和光电流的暗电流。
在实验中主要通过分析阳极光电流和暗电流的特点(阳极光电流在反向区域几乎呈饱和状态,而暗电流很小,且电流随电压线性变化，它们均对阴极光电流在Uc显著拐弯的性质无影响)，在实验中通过对实际光电流测定,找到曲线拐点的方法来精确地求得Uc的。
单色光的获得尽可能用精度较高的单色仪获得,而不用滤色(片)的方法获得；此外应尽量减小反射到阳极的散射光，适当提高光电管的真空度以及二电极之间的距离，以减小暗电流的大小。
光电复习资料及答案
1右图为光敏电阻的驱动电路，在两不同光照条件下，光敏电阻的阻值分别为RG1和RG2，则为使在这两不同光照条件下，输出电压Vo的变化量最大，该如何选择负载电阻的阻值RL？解：2叙述光电池的工作原理以及开路电压、短路电流与光照度的关系。
为什么光电池的输出与所接的负载有关系？解：（1）工作原理:光电池是一个简单得PN结。
当光线照射PN结时，PN结将吸收入射光子。
如果光子能量超过半导体材料的禁带宽度，则由半导体能带理论可知，在PN结附近会产生电子和空穴。
在内电场的作用下，空穴移向P区，电子移向N区，使N区聚集大量的电子而带上负电，在P区聚集大量的空穴而带上正电。
于是在P区和N区之间产生了电势，成为光生电动势。
如果用导线或电阻把N区和P区连接起来，回路中就会有光电流I流过，电流方向是由P区流向N区。
（6分）（2）光电池的电动势即开路电压与照度成非线性关系，在照度光电池的短路电流与照度成线性关系（4分）（3）当负载电阻较大时，光电流流过负载电阻时，必然使外加电场增大，由于外电场的方向是与内电场方向相反，故要削弱内电场的强度，从而使光生的电子和空穴不能移过PN结，使对外输出的光电流减少。
（5分）3有一正弦调制光照射于光敏二极管，其电路如图所示，R=RL＝100K，光敏二极管的灵敏度S＝0.2μA/LUX。
欲使其输出电压U0＝4V，求所需的照度变化。
若RL由100K变至40K，问输出电压U0变至几伏?解：交流时C相当于短路,R//RL=50kΩ,光电流Ig=U0/50kΩ=0.08mA,照度变化Φ=Ig/s=0.08×0.2=400LUX,因为光敏二极管的电流与负载无关,Ig=0.08mA,此时,R//RL=28.6kΩ,V0=Ig×28.6 kΩ=2.288V.4试用脉冲测量物理量的原理设计一个在线自动测长装置，即对传送带上运动物体进行自动测长。
要求：（1）叙述测长原理。
（2）画出结构原理框图。
光电效应实验思考题
1.什么是光电效应？光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。
这类光变致电的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。
光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特效应。
前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。
后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。
只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会逸出光电子，发生光电效应。
当在金属外面加一个闭合电路，加上正向电源，这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的光电流。
在入射光一定时，增大光电管两极的正向电压，提高光电子的动能，光电流会随之增大。
但光电流不会无限增大，要受到光电子数量的约束，有一个最大值，这个值叫饱和电流。
所以，当入射光强度增大时，根据光子假设，入射光的强度（即单位时间内通过单位垂直面积的光能）决定于单位时间里通过单位垂直面积的光子数，单位时间里通过金属表面的光子数也就增多，于是，光子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多，电流也随之增大。
2.普朗克常量h的重要性普朗克常数是一个物理常数，用以描述量子大小。
在原子物理学与量子力学中占有重要的角色，马克斯·普朗克在1900年研究物体热辐射的规律时发现，只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，计算的结果才能和试验结果是相符。
这样的一份能量叫能量子，每一份能量子等普朗克常数乘以辐射电磁波的频率。
就普朗克常数h的意义，物理学家金斯曾说过这样一段话：“虽然h的数值很小，但是我们应当承认它是关系到保证宇宙的存在的．如果说h严格地等于零，那么宇宙间的物质能量将在十亿万之一秒的时间内全部变为辐射．”普朗克常数引入后，以普朗克常数为根本特征的量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法，物理学理论发生了巨大变革，使人类认识由低速宏观领域扩展到高速微观领域．h的提出引出了一系列解释性假说，促进了量子论的建立与推广，为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础，并且这些科研成果在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用．可以说，h的出现具有划时代的重大意义．3.光电效应的历史：光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用。
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光电子学复习思考题（物理学2016硕）
第一章：
1. 什么是光电子学?
2. 光电效应
3. 谈谈你所了解的光电子学与光电子技术涉及的范围
4. 为什么说光波是电磁波?
5. 你对世界上最伟大的十个公式中麦克斯韦方程组排在第一的理解
6. 谈谈你对麦克斯韦方程组的物理意义认识
第二章：
1. 谈谈你对激光器的发明带来了世界巨大进步的认识
2. 受激辐射
3. 激光理论的基础
4. 请解释粒子数反转和负温度的概念以及在激光起重器的作用
5. 受激辐射与自发辐射的区别
6. 激光单色性好原因？
7. 什么是粒子数反转?
8. 介质实现能级间粒子数反转条件
9. 为什么四能级比三能级更易实现粒子数反转?
10. 产生激光的必要、充分条件分别是什么?
11. 已知氢原子第一激发态能量为E2= -3.40eV，基态能量E1= -13.60eV，
请说明为什么可见室温下处于热平衡状态氢原子几乎处于基态?
12. 半导体器件的发光机理?
13. 谈谈新型激光器——量子级联激光器（QCLs）的工作原理
14. 实现光放大的必要条件是什么，负温度状态的概念是什么？
15. 请简述激光产生的物理过程
16. 简述经典理论和量子理论对光的相干性是如何描述的，两者的结论是否一
致？
17. 激光的四个特性中，空间相干性与相什么联系，时间相干性与什
么特性相联系？
第三章：
1. 平板波导内光的传播特性为什么要用波动理论讨论？
2. 平板波导有哪几种的模式？请简述几种模式的特点。
3. 平板波导内传播特性谈谈你理解的集成光学的概念
4. 矩形波导，为什么要研究矩形波导？
5. 渐变型光纤
6. 材料 n 随自由载流子浓度 ↑ 而 ↓ 原因？
7. 为什么弱导光纤是实用光纤？
8. 子午线
9. 导模
10. 时延差
11. 脉冲展宽
12. 辐射模
13. 简述导波模成立条件
14. 为什么多模光纤，射线方法与实际近似？
15. 为什么光纤的曲率半径R 小到一定程度（弯曲严重），原直部产生全反射
子午光线，到弯部从弯曲部分逸出，甚至发生子午光线只在外表面反射现象？
16. 讨论导波成立的条件与导波截止条件，给出相应的依据
17. 光纤的色散包括哪几部分？单模光纤和多模光纤分别以哪几种色散为
主？
18. 费玛原理
19. 导膜截止
20. 用射线分析方法讨论阶跃光纤中导波成立条件1020n k n k <<β所代表的意
义。
21. 阶跃型光纤主要弱点是什么？产生的原因是什么？用什么办法克服？
22. 为什么要采用复杂的电磁波模式理论研究光纤？
23. 形成波导，在半导体材料中要形成怎样的折射率分布？改变半导体折射率
分布有哪几种方法？
24. 光纤的色散主要由什么原因引起？共有哪几种色散？不同的光纤各以哪
种色散为主？不同的色散主要由什么决定？
25. 一光信号入射到光纤的功率为200μW，在经过1km的传播后，输出光功
率为100μW. 在继续传播一段距离后，输出光功率只有25μW，求这段距离的长度。
26. 一光信号在光纤中行进了500m以后，它的功率损失了85 %，问以“dB/km”为单位，
这根光纤的损耗有多大？
27. 设光纤纤芯的半径为25μm，折射率为n1=1.46，n2=1.45，光纤的工作波
长为0.85μm，求归一化频率及传播的模式数。
如果工作波长为1.3μm，传播的模式有多少？
28. 一光电阴极在波长为520nm的光照射下，光电子的最大动能为0.67eV，
求出光电阴极的逸出功。
29. 光纤的色散
30. 渐变型光纤
31. 远离截止状态
32. 为什么要研究折射率渐变型分布的光纤？
33. 光纤端面倾斜、斜光线的传播、渐变型光纤的射线分析等讨论涉及的中心
问题是什么？该量的物理意义？有几种表示方式？
34. 光纤的色散包括哪几部分？单模和多模光纤分别以哪几种色散为主？
35. 什么是传波导？什么是波导的传播模式？模式的阶数与什么有关？
第四章：
1. 为什么要研究非线性光学？
2. 非线性光学波动方程与线性光学波动方程的差异？
3. 将每一极化单元等效为一个振子，非线性振子与线性振子的区别？
4. 在处理非线性介质中的电磁波传播方程中引用了一个什么量表示非线性
现象？
5. 目前倍频转换效率的提高是由于什么技术的应用？
6. 怎样实现位相匹配？
7. 相干长度描述器件的什么性能？
8. 两种ν光射到非线性晶体，可产生什么效应？。