光电子学与光子学讲义-作业答案(第1、2章)13版.doc
光电子技术基础与应用习题答案
第三章 习题(1)
1. 填空
① 最早的电光源是
，最早的激光器是 年由 国的 制作的 。
② 光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示 虚部表示 与频率的关系。
与频率的关系，
③ 激光器的基本结构包括 、 是 、 ，必要条件包括
、 。激光产生的充分条件
、
。
④ 今有一个球面激光腔r1=1.5m，r2=-1m，L=80cm，它属于 2. 试简单说明以下光电子学术语的科学含义：
8. 从麦克斯韦通式(2-28)出发，推导波动方程(2-44)。
1. 填空题：
第二章 习题答案(1)
第二章 习题答案(2)
第二章 习题答案(3)
6. 输出波长为＝632.8nm的He-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和 ThF2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％？
第三章复习思考题(8)
4. 简述题 （5）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。
4. 简述题
第三章复习思考题(9)
4. 简述题 （7）分析激光产生的条件。
第三章复习思考题(10)
4. 简述题 （7）分析激光产生的条件。
第三章复习思考题(11)
4. 简述题
第三章复习思考题(12)
讲授内容
第三、四、五讲
1 第一章 绪 论（一讲） 2 第二章 光学基础知识与光场传播规律（二讲）
3 第三章 激光原理与技术（三、四、五讲）
4 第四章 光波导技术基础（六、七讲） 5 第五章 光调制技术—光信息系统的信号加载与控制（八、九、十讲）
6 第六章 光电探测技术（十一、十二讲）
光电子课后习题答案
光电⼦课后习题答案第⼀章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。
光传输器件分为光学元件(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。
光探测器件分为光电导型探测器、光伏型探测器、热伏型探测器等。
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。
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。
⒌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⒈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、振动⽅向相同、相位差恒定；最典型的⼲涉装臵有杨⽒双缝⼲涉、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22010201022cos 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1.22fDλ。
(完整word版)《光电子技术》章节练习题及答案
《光电子技术》章节练习题及答案第一章一、填空题1、色温是指 在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。
其并非热辐射光源本身的温度。
2、自发跃迁是指 处于高能级的一个原子自发地向低能级跃迁，并发出一个光子的过程 。
受激跃迁是指 处于高能级态的一个原子在一定的辐射场作用下跃迁至低能级态，并辐射出一个与入射光子全同的光子的过程。
3、受激辐射下光谱线展宽的类型分为均匀展宽和非均匀展宽，其中均匀展宽主要 自然展宽、碰撞展宽、热振动展宽 ，非均匀展宽主要有 多普勒展宽与残余应力展宽。
4、常见的固体激光器有 红宝石激光器、钕激光器或钛宝石激光器 （写出两种），常见的气体激光器有 He-Ne 激光器、CO 2激光器或Ar +激光器 （写出两种）。
5、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；其静止质量为 0 。
6、激光与普通光源相比具有如下明显的特点： 方向性好、单色性好、相干性好，强度大 。
7、设一个功率100W 的灯泡向各个方向辐射的能量是均匀的，则其辐射强度为100/4π W/sr 。
8、设一个功率100W 的灯泡向各个方向辐射的能量是均匀的，则其在1m 远处形成的辐射照度为 100/4π W/m 2。
9、设一个功率100W 的灯泡向各个方向辐射的能量是均匀的，则其在2m 远处形成的辐射照度为100/16π W/m 2。
二、解答题1、简述光子的基本特性（10分）[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）ων ==h E ；（2）22ch c E m ν==，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。
光电子作业答案
光电子作业答案第一章1-2辐射量与光度量的根本区别是什么？答：辐射量是物理学中对电磁辐射测量的方法来描述光辐射的一套参量是客观物理量光度量则是以人的视觉为基础，对光辐射进行测量的科学，所以光度量主要体现了人眼的视觉特性。
1-8激光有哪些特点？激光器有哪三部分组成，每部分的主要作用？答：（1）激光特点：高亮度，高方向性，高单色性和高度的时间空间相干性（2）激光器的组成：工作物质，光学谐振腔，泵浦源。
（3）作用：工作物质是提供形成激光的能级结构体系，是激光产生的内因；光学谐振腔是提供反馈放大结构使受激辐射的方向性单色性提高；泵浦源是提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因1-9是叙述半导体发光二极管和半导体激光器在结构上和发光机理上的差异？答：两者都是由半导体PN结构成的，对PN结正向注入电流，电子与空穴复合发光。
区别：LED没有谐振腔，它的发光基子自发辐射，发出的荧光是非相干光，LD的发光基于受激辐射，发出的是相干光----激光，LED的体积小，结构简单，耗电少，寿命长，造价低，应用广泛。
1-11为什么二能级系统不能产生激光？答：因为B12=B21=B => 吸收速率和受激辐射速率相等所以W12=W21=W令E1，E2能级上单位体积内的原子数分别是n1,n2 所以dn2/dt=w(n1-n2)-n1A21 令dn2/dt=0(稳定时) 所以n2/n1=w/(A2+w) 由式看到无论泵浦源怎样A21+w总是大于w即n2总小于n1只有当w十分大时n2/n1才近似等于1，所以不能发生粒子数反转及而能级系统不能产生激光。
三能级要实现粒子数反转必须把基态上一半以上的粒子抽运到亚稳态，这个需要很大外力作用很难实现。
1-12分析四能级和三能级激光器相比所具有的优点。
答：三能级中粒子数反转在E2和E1之间，由E2能级作为亚稳态，基态能级上聚集大量粒子，要实现n1<n2.外界抽运后相当难。
四能级粒子数反转是在E2和E1之间，下能级是E2，并不像E1上会聚大量粒子相反地，E2能级上的粒子数很少，很容易实现粒子数反转节省了能量。
光电子学课后习题chapter2&3
（3-1-5） lc = c ∆ν
故：光源频率宽度越窄，相干时间越长，相干长度 也越长。
Ac ≈
λ 2 R2
∆As
（3-1-12）
相干面积：面积为AS的光源辐射出波长为λ的光波， 通过与光源相距为R且垂直于光的传播方向上的平 面两点，如果这两点位于Ac内，这两点的光场相 关，可产生干涉效应。
λ 2 R2 c i Vc = Ac lc = ∆As ∆ν
（3-1-13）
相干体积：在单位面积光源辐射出的单位频率宽度的 光波，在其传播方向上可产生干涉效应的范围。
3.谐振腔里两个反射镜的曲率半径份别为40cm,80cm, 求实现稳定腔工作时，腔长的取值范围。 解: R1=40cm>0,R2=80cm>0
2.一光束入射到长为10CM，增益系数为0.5CM-1的工作 物质中，求出射光强对入射光强的比值。 解： 利用增益系数的公式
1 I ( x) G = ln x I0
( 2 − 2 − 3)
Gx
⇒ I ( x) = I 0 e
I ( x = 10) Gx 0.5×10 5 =e =e = e ≈ 148 I0
⎛ L ⎞⎛ L⎞ ∵ 0 < g1 g 2 = ⎜1 − ⎟⎜ 1 − ⎟ < 1 ⎝ R1 ⎠⎝ R2 ⎠
( R1 − L)( R2 − L) <1 R1 R2 ∵ R1 R2 > 0 ∴ ( R1 − L)( R2 − L) < R1 R2
⇒ L2 -（R1 +R2） 0 L < L ⋅ [ L-(R1 +R2 )] < 0 ∵L > 0 ∴ L < R1 +R2
− LG
(整理)光电子习题答案
课后题答案1.1设半径为R c 的圆盘中心发现上，距圆盘中心为l 0处有一辐射强度为I e 的点源S ，如下图所示。
试计算该点光源发射到圆盘的辐射功率。
思路分析：要求e φ由公式e e d E dA φ=，ee d I d φ=Ω都和e φ有关，根据条件，都可求出。
解题过程如下： 法一ee d E dAφ=故：20cR e e E dA πφ=⎰又：20ee I E l =代入上式可得：220e e c I R l φπ=法二：ee d I d φ=Ω220c R l e e Id πφ=Ω⎰220e c e I R l πφ=1.2如下图所示，设小面源的面积为s A ∆，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0的夹角为s θ；被照面的面积为c A ∆，到面源s A ∆的距离为l 0。
若c θ为辐射在被照面c A ∆的入射角，试计算小面源在c A ∆上产生的辐射照度。
思路分析：若求辐射照度e E ，则应考虑公式20ee I E l =。
又题目可知缺少I e ，则该考虑如何求I e 。
通过课本上的知识可以想到公式cos ee dI L dS θ=，通过积分则可出I e 。
解题过程如下：解：20ee I E l =由cos ee dI L dS θ=可得cos sA e e I L dS θ∆=⎰= cos e s L A θ∆，故：2200cos e e se I L A E l l θ∆== 1.3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），其各处的辐射亮度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射照度。
思路分析：题目中明确给出扩展源是按朗伯余弦定律发射辐射的，且要求辐射照度E e ，由公式ee d E dAφ=可知，要解此题需求出e d φ，而朗伯体的辐射通量为cos e e e d L dS d L dS φθπ=Ω=⎰，此题可解。
解题过程如下：解：ee d E dAφ=cos e e e d L dS d L dS φθπ=Ω=⎰e e e L dSE L dAππ== 1.4霓虹灯发的光是热辐射吗？答：霓虹灯发光是以原子辐射产生的光辐射，属于气体放电，放电原理后面章节会涉及到。
光电子学教程_课后作业答案
好好学习，天天上上
03电子科学与技术
2. 说明相干长度相干时间与光源的关系：相干面积，相干体积的 物理意义。 答：根据
lc c c , c 1 1 c c , lc
故：光源频率宽度 越窄，相干时间越长，相干长度也越长。 根据P49(3-1-12),相干面积的物理意义：从单位面积光源辐射出的 光波，在其传播方向上发生相干现象的任一截面面积范围为辐 射波长λ与该截面至光源距离R的乘积的平方。
好好学习，天天上上
9. 经典物理观点：跃迁所发出的电磁波不是单色波，而是分 布在中心频率附近的一个小的频率范围的单色波的组合， 在谱图上正好表现为一定宽度。 量子力学观点：由测不准关系，在某一时刻，粒子所处的 能级也是不确定的，即能级不是单一的，跃迁的结果也就 相当发出了多种不同频率的光子，形成了谱线宽度。自发 辐射过程中这种增宽效益是不可避免的，也是谱线宽度所 能达到的最低值，因而决不存在线宽为0的情况，即不可 能发出绝对的单色光。 由此可见，没有绝对单一波长的光波存在。
1好好学习天天上上03电子科学与技术光电子学课程作业光电子学课程作业参考用标准答案参考用标准答案202162203电子科学与技术章节目录第五章第五章光辐射的探测光辐射的探测第四章第四章光辐射在介质中波导中的传播光辐射在介质中波导中的传播第三章第三章激光振荡与工作特性激光振荡与工作特性第二章第二章介质中的光增益介质中的光增益第一章第一章光与物质相互作用基础光与物质相互作用基础第六章第六章发光器件发光器件第七章第七章光电转换器件光电转换器件第八章第八章第八章第八章光波调制光波调制03电子科学与技术电子科学与技术companylogo好好学习天天
1 I ( x) G ln x I0
1 1 ln 2 ln 8 5 x
光电子习题及答案
光电子习题及答案光电子习题及答案光电子学是研究光与电子相互作用的学科，它广泛应用于光电器件、光通信、光储存等领域。
在学习光电子学的过程中，习题是检验自己理解和掌握程度的重要方式。
下面，我们来讨论一些光电子学的习题及其答案。
1. 什么是光电效应？它与光子和电子之间的相互作用有什么关系？光电效应是指当光照射到金属或半导体表面时，会引起电子的发射现象。
光电效应的基本过程是光子与金属或半导体中的电子相互作用，使得电子获得足够的能量从而逃逸出材料表面。
光电效应的关键在于光子的能量必须大于或等于材料中电子的逸出功，才能引起电子的发射。
2. 什么是光电子倍增管？它的工作原理是什么？光电子倍增管是一种利用光电效应和二次发射效应来放大光信号的器件。
它由光阴极、倍增极、收集极和阳极组成。
当光照射到光阴极上时，光子与光阴极表面的电子发生光电效应，产生光电子。
这些光电子经过倍增极的二次发射作用，使得光电子的数量增加。
最后，这些光电子被收集极吸收，产生电流信号，经过放大后输出到阳极。
3. 什么是光电二极管？它与普通二极管有什么不同？光电二极管是一种利用光电效应来转换光信号为电信号的器件。
它由光阴极、势阻极和阳极组成。
当光照射到光阴极上时，光子与光阴极表面的电子发生光电效应，产生光电子。
这些光电子经过势阻极的势垒层，产生电流信号，经过放大后输出到阳极。
与普通二极管相比，光电二极管对光信号更加敏感，能够将微弱的光信号转换为电信号。
4. 什么是光通信？它的优势和应用领域有哪些？光通信是利用光信号传输信息的通信方式。
它通过光纤或自由空间传输光信号，具有大带宽、低损耗、抗干扰等优势。
光通信广泛应用于电话、互联网、电视等领域。
在长距离通信中，光通信可以实现高速、大容量的数据传输，满足现代社会对通信带宽的需求。
此外，光通信还被用于军事通信、卫星通信等领域。
5. 什么是光储存？它的原理和应用有哪些？光储存是利用光信号存储和读取信息的技术。
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第一章1.10 Refractive index(a) Consider light of free-space wavelength 1300 nm traveling in pure silica medium. Calculate the phase velocity and group velocity of light in this medium. Is the group velocity ever greater than the phase velocity?(b) What is the Brewster angle(the polarization angle qp) and the critical angle(qc) for total internal reflection when the light wave traveling in this silica medium is incident on a silica/air interface. What happens at the polarization angle?(c) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when the light beam traveling in the silica medium is incident on a silica/air interface?(d) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when a light beam traveling in air is incident on an air/silica interface? How do these compare with part (c) and what is your conclusion?1.18 Reflection at glass-glass and air-glass interfaceA ray of light that is traveling in a glass medium of refractive index n1=1.460 becomes incident on a less dense glassmedium of refractive index n2=1.430. Suppose that the free space wavelength of the light ray is 850 nm.(a) What should the minimum incidence angle for TIR be?(b) What is the phase change in the reflected wave when the angle of incidence qi =85 ° and when qi =90° ?(c) What is the penetration depth of the evanescent wave into medium 2 when qi =85 ° and when qi =90° ?(d) What is the reflection coefficient and reflection at normal incidence (qi =0 ° )when thelight beam traveling in the glass medium (n=1.460) is incident on a glass-air interface?(e) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when a light beam traveling in air is incident on an air/-glass interface (n=1.460)? How do these compare with part (d) and what is your conclusion?1.20 TIR and polarization at water-air interface(1) Given that the refractive index of water is about 1.33, what is the polarization angle for light traveling in air and reflected from the surface of the water?(2) consider a diver in sea pointing a flashlight towards the surface of the water. What is the critical angle for the light beam to be reflected from the water surface?1.22 phase changes on TIRConsider a lightwave of wavelength 870nm traveling in a semiconductor medium (GaAs) of refractive index 3.6. It is incident on a different semiconductor medium (AIGaAs) of°. Will this result in total internal refractive index 3.4, and the angle of incidence is 80reflection? Calculate the phase change in the parallel and perpendicular components of the reflected electric field?1.25 Goos-Haenchen phase shiftAray of light that is traveling in a glass medium(1) of refractive index n1 =1.460 becomes incident on a less dense glass medium(2) of refractive index n2=1.430. Suppose that the free space wavelength of the light ray is 850nm.the angle of incidence(9=85 . Estimate the lateral Goos-Haenchen shift in the reflected wave for the perpendicular field component. Recalculate the Goos-Haenchen shift in the secondmedium has n2=1 (air). What is your conclusion?Assume that the virtual reflection occurs from a virtual plane in medium B at a distance d that is roughly the same as the penetration depth.Note that d actually depends on the polarization ,the direction of the field,but we will ignore this dependence.第二章作业习题：2.7Dielectric slab waveguide Consider a dielectric slab waveguide that has a thin GaAs layer of thickness 0.25 /w between two AIGaAs layers. The refractive index of GaAs is3.6 and that of the AIGaAs layers is 3.40. What is the cut-off wavelength beyond which only a single mode can propagate in the waveguide, assuming that the refractive index does not vary greatly with thewavelength? If a radiation of wavelength 860 nm (corresponding to bandgap radiation) is propagating in the GaAs layer, what is the penetration of the evanescent wave into the AIGaAs layer? What is the mode field width (MFW) of this radiation? Point out the effect of change of radiation wavelength (为on the MFW.2.9 Dielectric slab waveguide Consider a planar dielectric waveguide with a core thickness 10/m,ni=1.4446, n2=1.4440. Calculate the V -number, the mode angle 劣for m=0 (use a graphical solution, if necessary), penetration depth, and mode field distance (MFW=2 c(^2 9, for light wavelengths of 1.0 /xn and 5 /jn. What is your conclusion? Compare your MFW calculationwith 2»o =2a (V +1 )/V .The model angle 3is given as &=88.85?for ^=1 /m and ^=88.72 ?for ^=1.5 仰for the fundamental mode m=0.2.10 A multimode fibe r Consider a multimode fiber with a core diameter of 60 /m, core refractive index of 1.47, and a cladding refractive index of 1.45 both at 870 nm. Consider operating this fiber at ^=870nm.(e) Calculate the numerical aperture.(f) Find out the normalized core-cladding index difference.(g) Calculate the V-number for the fiber and estimate the number of guided modes.(h) Calculate the wavelength beyond which the fiber becomes single-mode.(i) Calculate the modal dispersion △ T and hence the bit rate x distance product.2.12 Single mode fiber Consider a fiber with a S1O2-13.5% GeOz core of diameter of 6 Wi and refractive index of 1.47 and a cladding refractive index of 1.46 both refractive indices at 1300 nm where the fiber is to be operated using a laser source with a half maximum width (FWHM) of 2 nm.. (j) Calculate the V -number for the fiver.(k) what is the maximum allowed diameter of the core that maintains oprations in single-mode?(l) Calculate the wavelength below which the fiber becomes multimode.(m) C alculate the numerical aperture.(n) Calculate the maximum acceptance angle.(o) Obtain the material dispersion and wavelength dispersion and hence estimate the bit rate x distance product ( B x L) of the fiber.。