光电子作业

第一章

1．说明受激辐射的科学含义：处于高能级E 2的原子，在频率为

E E 12-=υh 的外来光子的激励下，受激跃迁到低能级E 1，并发射一个能量为

υh 、且与外来激励光子处在同一光子态的光子；这两个光子又可以去诱发其他发光原子，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，该过程被称之为受激辐射。

2．试述自发辐射与受激辐射有什么不同。

自发辐射：在没有任何外界作用下，电子自发地跃迁到低能级E 1，并且发射

一个频率为υ、能量为E E h 12-=υ的光子的过程。

自发辐射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上都有一定的任意性。自发辐射光是非相干的荧光，自发辐射光场的能量分布在一个很宽的频率范围，平均分配于腔内所有光波模中。

受激辐射是在外界辐射场激励下的发光过程，受激辐射所发射的光子在在频率、相位、偏振方向及传播方向上与激励的光子高度一致。受激辐射光子与激励光子属于同一光子态，即受激辐射光场是相干的。

3．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

于物质中同时存在辐射过程，使得N2减小和N1增加。最终达到平衡N1=N2，光

吸收和受激发射相等，即使采用强光照射，共振吸收和受激发射以相同的概率发

生，也不能实现粒子数的反转，因而不能充当激光工作物质。

4．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。

答: 激光器的基本组成：激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔。

如上图所示，其中E1为基态，E2为亚稳态，E3为激发态。外界激发作用使

粒子从E1能级跃迁到E3能级，由于E3的寿命很短(ns 量级)，因而不允许粒子

停留，跃迁到E3的粒子很快通过非辐射弛豫过程跃迁到E2能级。E2能级为亚

稳态，寿命较长（ms 量级），因而允许粒子停留。随着E1的粒子不断抽运到E3，

又快速的转到E2，粒子在E2能级上大量的积聚。当把一半以上的粒子抽运到E2，

就实现了粒子数的反转分布，此时若有E E h 12-=

υ的入射光，则将产生光的受

激辐射，发射υh 的光，从而实现光放大。 5．分析四能级与三能级激光器相比所具有的优点。

答： 三能级系统要在亚稳能级与基态能级之间实现反转，要把总粒子数的一

半以上从E1搬运到E2，因而对激励源的泵浦能力要求很高，即其激光阈值很高。 四能级系统：由于E4到E3、E2到E1的无辐射跃迁概率都很大，而E3到E2、

E3到E1的自发跃迁概率都很小。当外界激发使E1上的粒子不断被抽运到E4，

又很快转到亚稳态E3，而E2留不住粒子，从而E2、E3很容易形成粒子数反转，

产生E E h 23-=

υ受激辐射。四能级机构使粒子数反转很容易实现，激光阈值

很低。 6．分析激光产生条件。

答：.1 激光产生的必要条件：粒子数反转分布、减少振荡模式

.2 激光产生的充分条件：满足起振（阈值）

、稳定振荡（增益饱和效应）

7.简述激光器产生激光的基本原理。

答：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，是激光形成的外因；光学谐振腔为激光器提供反馈放大机构，是受激发射的强度、方向性和单色性进一步提高。

第二章

1. 光纤的基本结构是什么？单独的光纤可否作为光波导？包层的作用是什么？光纤传输光的基本原理是什么？

答：⑴光纤的基本结构包含：纤芯、包层、涂敷层、护套。

⑵单独的光纤不能作为光波导。

⑶由于光纤利用的全反射原理来传输光线，只有从光密媒质射向光疏媒质时，才能发生全反射现象，所以包层折射率比纤芯的折射率小。

⑷光纤利用的全反射原理来传输光线。

2.目前的光纤通信为什么采用0.85m μ、1.30m μ、1.55m μ三个波长？光纤通信为什么向长波长、单模光纤方向发展？

答：⑴ 杂质吸收主要是由光纤所含有的正过渡金属离子的电子跃迁和氢氧根负离子的分子振动跃迁引起的吸收。光纤材料的杂质可以通过精良的光纤制备工艺来消除，但氢氧根杂质很难根除，其分子振动跃迁在一些波段形成吸收峰，而在另一些波段（0.85m μ、 1.30m μ 、1.55m μ）吸收很少，形成良好的通信窗口。

⑵在0.8—0.9m μ波段内损耗约2km dB ，属于低损耗区，为目前光通信用的短波长窗口；在1.3m μ有0.5km dB 的损耗；在1.55m μ处有0.2km dB 的损耗，是最低损耗，为光通信中希望获得的长波长窗口。

在单模光纤中，主要是材料色散和波导色散，由于没有模式色散，所以它的带宽很宽，使传输的信号容量增大。

第三章

1.什么是电光晶体的半波电压？半波电压由晶体的哪些参数决定？ 答：⑴．当光的两个垂直分量E 'x 、E y '的光程差为半个波长（相应

的相位差π）时所需要加的电压，称为半波电压。

V V 2λπ==γγωπλ63

3633002n n c = V V

ππ?=?

⑵．晶体的半波电压与通光波长有关，表征电光晶体性能的一个重要参数。在宽频带高频情况下，半波电压越小，需要的调制功率就越小。

2.如果一个纵向电光调制器没有起偏器，入射的自然光能否得到光强度调制？为什么？

答：能够得到光强度调制。起偏器只是充当了分解光的作用，选出偏振方向与起偏器方向相同的线性偏振光，对光单一化处理。

3.简述磁光偏转与天然双折射之间的区别。

答：磁致旋光的旋转方向仅与磁场方向有关，而与光线的传播方向的正逆无关，这是磁致旋光效应与天然旋光效应的不同之处。

当光束往返通过天然旋光介质时，其旋转角因大小相等、方向相反而相互抵消；当光束往返通过磁光介质时，只要磁场方向不变，其旋转角都朝一个方向增加，磁致旋光效应是一个不可逆的光学过程，可用来制成光学隔离器或者单通光闸器件，使光束在两反射镜之间多次穿越磁光介质以增强磁光效应。

4.什么现象称物质的旋光现象？磁光和电光效应的内容是什么？

⑴．当线偏振光通过某一介质时，将分解成两个频率相同、初相位相同的圆偏振光。其中一个圆偏振光的电矢量是逆时针方向旋转的，称为左旋偏振关；另一个圆偏振光是顺时针方向旋转的，称为右旋偏振光。两个圆偏振光在垂直于传播方向的平面内做匀速圆周运动。因两偏振光在介质中可能具有不同的传播速度，电矢量在向左及向右方向上旋转的速度不同；当两个圆偏振光通过介质后重新合成一线偏振光时，其偏振方向将发生改变。

⑵．电光效应：晶体介质的介电常数与晶体中的电荷分布有关，当晶体上施加电场后，将引起束缚电荷的重新分布，并可能导致离子晶格的微小变化，其结果将引起介电常量的变化，最终导致晶体折射率的变化。

磁光效应：某些晶体本来不具有磁光性质，当在磁场作用下却可表现出磁光性质，该人为的磁光现象称为磁光效应。

5.什么叫声光调制？分几种类型？其判据是什么？

⑴．由于声波的作用而引起介质光学性质变化的现象称为声光效应。

⑵．分为：喇曼-奈斯衍射、布喇格衍射

⑶． Raman-Nath 衍射：①声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光相互作用长度L 较短；②各级衍射光对称地分布在零级衍射光两侧，且同级次衍射光的

强度相等，光功率分布在零级条纹上最大。

Bragg 衍射：①声波频率较高，光束与声波面之间以一定的角度斜入射，声光作用长度L 较大； ②只出现0级和±1级（视入射光的角度而定）衍射光。

声波束的宽度:

λλ4L 020n s ≈为界，L L 0

<为喇曼奈斯衍射，反之为布喇格衍射。 6.加电场后折射率椭球的变化： KDP 电光晶体由单晶体变成双晶体，折射率椭球的主轴绕着Z 轴旋转了45ο

，该转角与外加电场的大小无关，折射率变化与电场成正比。 KDP 电光晶体：属于四方晶系，42m 点群，为负单轴晶体。总是沿着相对于光轴的某些特殊方向切割而成。因此，电场方向与光束在晶体中的传播方向一致称为纵向电光效应，另电场方向与光束在晶体中的传播方向垂直称为横向电光效应。

第四章

1.列出光探测器的基本参数并说明其含义。

⑴.灵敏度：响应度，表示探测器光电转换特性、光电转换的光谱特性以及频率特性量度。P V s u =R 电压灵敏度：P I s i =R 电流灵敏度：，V s I s P 为均方根。

⑵.光谱灵敏度：以灵敏度随波长变化的规律曲线来表示。最大灵敏度为1.

⑶.频率响应和响应时间，描述光探测器的灵敏度在入射光波长不变时随入射光调制频率变化的特性。 πτττπ21

21R R R )2(R 0f 02

=+=f f R f R c

c f f f 率：为探测器的截止响应频时的频率下降到路决定。，由材料、结构和外电为光探测器的响应时间，为频率为零时的灵敏度时的灵敏度，表示频率为

光探测器的响应时间表示：光辐射到探测器上所引起的响应快慢。

⑷．量子效应：每一个入射光子所释放的平均电子数. υηh P e I c = 数单位时间入射光子平均:υh P 平均数单位时间产生的光电子:I e c

⑸．噪声等效功率NEP ：（信噪比为1，当输出信号电压V s 等于探测器输出噪声

电压V n 时的入射光频率。） V V n s P NEP =

NEP 越小，探测器的探测能力越强。 ⑹．归一化探测度 ：)(P A A NEP 1D V V n

s f ?==* [ D=NEP 1 ] 第五章

1.叙述CCD 测一维尺寸的原理，画出CCD 测一维尺寸的原理图。

整个系统由照明系统、被测玻璃管系统、成像物镜、线阵CCD 光电传感器检测系统和计算机测量控制系统等构成。稳压稳流电源为照明系统提供稳定的照明光源，被照明的玻璃管经成像物镜在线阵CCD 图像传感的光敏阵列上。因投射率和光在不同介质中的折射率不同，使得通过玻璃管的像在上下边缘处形成两条暗带；中间部分的透射光较强形成亮带；两条暗带的最外边的边界距离为玻璃管外径所成的像，中间亮带的宽度反映了玻璃管内径像的大小，而暗带宽则是玻璃管的管壁所成的像。线阵CCD 图像传感器在驱动脉冲的作用下完成光电转换。

https://www.360docs.net/doc/9010373616.html,D 工作原理。

CCD 工作的基本过程:信号电荷的产生、存储、转移、检测（分别简述）

CCD物理特性：A.转移效率 B.暗电流 C.信号存储能力 D.工作频率

优点：（1）具有很高的灵敏度（2）波长响应区域宽[可以从紫外延伸到红外]（3）具有很高的线性度（4）具有非常宽的动态响应范围（5）几何尺寸稳定、体积小、功耗低、寿命长、可靠性高、耐过度曝光和分辨力高

第六章

1.什么是液晶？液晶如何分类？液晶显示有何特点？

⑴．液晶是介于完全规则状态（如固态晶体）与不规则状态（如各向同性液体）之间的中间态物质。

⑵．液晶可分为：热致液晶和溶致液晶

⑶．一方面：具有固体的光学特性另一方面：具有液体的流动性

⑷.热致晶体可分为：近晶型、向列型、胆甾型。

近晶型：分子层排列，长轴互相平行；对外界电、磁、温度等变化不敏感。

向列型：分子排列无规则，但轴向着同一方向；对外界电、磁、温度、应力敏感。胆甾型：分子呈螺旋形排列（可看成近晶型与向列型的叠加），长轴在层内是相互平行的；一定强度的电场、磁场可使胆甾型转化为向列型。胆甾型易受外力的影响，特别对温度敏感，温度引起螺距改变，而它的反射光波长与螺距有关，因此，胆甾型液晶随冷热而改变颜色。

第七章

1.叙述光盘存储的工作原理及其优点。

⑴

将需要录制的声音、图像、音乐、电视或电影、文字等原始信息编织成“0”和“1”的数码，并将其加到半导体激光器输出的激光上，使变成调制好的光脉冲码信号。通过方式一：烧炕（将带有调制信号很强的激光聚焦在光盘表面上，将光盘表面烧出一连串长短不同的坑，制成带有大量信息的母盘。）、方式二：利用光敏的像变、光折射、光致偏振等物理光学效应来完成录制工作（将调制好的激光照射到光敏材料上，留下光的强弱、有无、长短、和偏振角度旋转等信息，可采用一束没有调制信号的强光将信息抹除。）

⑵．优点：A.高存储密度 B.数据线传输速率高 C.长存储寿命 D.信息位价格低

2.叙述只读存储光盘的工作原理。

将事先记录在主磁带上的视频或音频信息通过信号发生器、前置放大器去驱动电光、声光调制器，使经过调制器的激光束以不同的功密度聚焦在涂有光刻胶的玻璃衬盘上；光刻胶曝光后，通过若干步骤和工序制成母盘和副盘，再经过“2P”复制过程制成视频或音频光盘。