光电子学复习题及答案

三、论述题
1. 试比较直接跃迁与间接跃迁的异同点（作图说明） ； 答：图：略。同：满足能量、动量守恒定律； 异： （1）光子波士 K：直接跃迁 K 相同，间接跃迁 K 不同； （2）直接跃迁只产生光子，间接跃迁除了产生光子还产生声子； 2. 受激辐射与自发辐射的区别； 答：两者都是从高能级跃迁到低能级并发出光子的过程。区别在于光辐射的相干性，自 发辐射光子频率、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、振动方向上都与激发光子高度一致，即具有高度简并性。 3. 比较不同类型的光电效应的产生原理及主要特点； ① 外光电效应：受到光辐射的作用后，产生电子发射的现象。其特点是要求光电子能 够从材料逸出，入射光子的能量必须大于光电子发射的逸出功。 ② 内光电效应（光电导效应与光伏效应） ：光电导效应—当光入射到半导体光电材料 时，会在材料的内部激发出新的载流子。光伏效应—用光照射半导体的 PN 结就可能 出现这种效应。由于光照而在 PN 结两端出现的电动势为光生电动势。 4. 简述：谐振腔在激光器中的作用 使激光有很好方向性；使激光有极好单色性（频率选择器） ； 5. 用射线分析方法讨论阶跃光纤中导波成立条件 k 0 n2 k 0 n1 所代表的意义。P91 6. 分别画出平板波导中导模、包层模、衬底模的几何光学模型；P85 7. 什么是光波导? 平面介质光波导中几类模式各有何特点？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？P79
2. 一光信号在光纤中行进了 500 m 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？ 已知损耗表示式：(习题 4-7 题)
a
10 Pi lg (dB) z PO
3．请给出光纤数值孔径定义的证明：
2 n0 sin 0 n12 nn ， 21，n2 分别为纤芯和包层
光电子学复习题 （本答案以《光电子学教程》 张继熊著 为参考， 老师说试卷就是这样，答题都是几选几）--306 物理工作室
一、名词解释
1. 受激辐射——处于激发态的发光原子在外来辐射场的作用下，向低能态或基态跃迁时，辐 射光子的现象。受激辐射发出的光子和外来光子的频率、位相、传播方向以及偏振状态全 相同。受激辐射是产生激光的必要条件。 2. 自发辐射——原子在真空场作用下发生的跃迁。空间中即使没有人为施加的辐射场，也会 自发地存在零点场，即辐射场模 n=0 的真空场，在这种辐射场的作用下，原子就会自发地 从上能级跃迁到下能级，同时向辐射场发射一个能量为 h的光子。是不受外界辐射场影响 的自发过程，各个原子在自发跃迁过程中是彼此无关的，不同原子产生的自发辐射光在频 率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性。 3. 增益系数——如有一段长度为 L 的增益介质，一束强度为 I0 的光自端面（z=0）入射。设 光在介质中任意位置 Z 处的光强为 I(z)，在 z+dz 处光强为 I(z+dz)=I(z)+dI(z)，则介质对光 的增益系数定义为， 增益系数定义为光通过单位长度增益介质后光强增加的相对值， 用 G(v) 表示，它是频率的函数； 4. 谱线宽度— 一般将强度下降到最大值一半时所对应的波长范围称为谱线宽度，用Δλ表 示。 5. 光电子技术——由光子技术和电子技术结合而成的新技术，涉及光显示、光存储、激光等 领域，是未来信息产业的核心技术。 6. TM 波——简称横磁场波 TM（Transverse Magnetic），入射波的电场矢量 E 与入射面平行， 波的磁场垂直于入射面。也被称为平行极化波或垂直极化波。 7. 光电子学——由光学和电子学结合形成的技术学科 8. 光电导效应——又称光电效应、光敏效应，光照变化引起半导体材料电导变化的现象。即 光电导效应是光照射到某些物体上后，引起其电性能变化的一类光致电改变现象的总称。 9. 子午线——在光纤中传播时，始终在同一个包含光纤轴线的平面内的光线称子午线。 10. 泵浦——泵，泵浦，抽运； 11. 辐射模—— 包层模和衬底模通称为辐射模。 12. 光纤——工作在光频的一种介质波导，其形状通常呈圆柱形，它将光波约束在其内部，
得折射率，n0 为光纤周围媒质的折射率。 P102

L
0
n
0
n n
1 2
c
4.
试求不同角度入射的子午光线在光纤中的最大时延差；P102
5. 给出激光产生的阈值条件， 根据激光器的损耗计算粒 子Байду номын сангаас密度差值的阈值；P52
6. 试证明对于 TE 波的光线在非均匀介质中发生弯曲 的拐点处的相位为 / 2；P81
7. 如图示，从是否受到外来光的照射两种情况，计算 三能级系统 E2 和 E1 能级粒子数密度的差值。P36
四、计算题
1. 估计厚度为 d=4m，工作波长 0=0.8m 的对称平板波导 TE0 模式单模传输时，对折射 率差的要求是多少？ P129 已知导模介质方程：
(n n ) k0 d m （ 4 2 8）
2 1 ' 13
1 2 2 2
k0 2 /
2 2 n3 n1 2 n2 arctan( ) （ 4 2 7b） 2 n3 n12 n2 ' 13
并引导光沿着与轴平行的方向前进。 13. 导模——光在介质中传播时在上下表面都发生全反射的模式。 14. 噪声——对信号起干扰作用的成分统称为噪声。
二、问答题
1．形成激光必要条件？ 在激光器工作物质内某些能级间实现粒子数反转分布；激光器须满足阈值条件； 2．为什么四能级系统比三能级系统更易实现粒子数反转（作图说明）？ 对实际工作物质分析发现，四能级系统的存在，有利于 E3 与 E2 能级之间实现粒子的 反转，而 S21 越大，越能更快地将 E2 能级上的粒子转移到基态；同时又有利于 E4 能 级上的粒子转移到 E3 能级，且在 E3 能级停留的时间较长。综合：四能级系统更有利 于实现粒子数的反转。P71,73 3．为什么二能级系统不能产生激光？ 没有亚稳态能级，不能实现粒子数反转； 4．“没有绝对的单一波长的光波存在”这句话如何从能级跃迁的角度给以说明？ 经典物理观点：跃迁发出的电磁波不是单色波，是分布在中心 附近的一小 范围 的单色波组合，谱图上表现为一定宽度。 量子力学观点：测不准关系，某时刻，粒子处能级不确定，能级不单一，跃迁结果相 当发出多种不同 光子，形成谱线宽度。自发辐射过程这种增宽效益不可避免，是 谱线宽度能达到最低值，不存在线宽为 0 情况，不可能发出绝对单色光。 没有绝对单一 光波存在。 5. 激光理论基础是什么？ 受激辐射理论 6. 你怎样理解：随着高功率激光器件发展，非稳腔受到更多重视？ 答；由于稳定腔具有逸出光线少，易于形成振荡等缺点，非稳腔虽损耗大，但具有稳定 腔不具备的特点： （1）具有较大的模体积； （2）具有较好的选模能力； （3）能实现光 束的侧向耦合输出； 以上特点有利于较大能量的输出，因此高增益、大功率激光器 常采用非稳腔来产生激光。 7. 为什么说光波是电磁波?