光电子技术基础与应用习题答案

张永林第二版《光电子技术》课后习题答案.doc

.

精品 1.1可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少？

波长：380~780nm 400~760nm

频率：385T~790THz 400T~750THz

能量：1.6~3.2eV

1.2辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？

为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。根本区别在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。因为光度参数只适用于0.38~0.78um的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。而量子流是在整个电磁辐射，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量.光源在给定波长λ处，将λ～λ+dλ范围内发射的辐射通量 dΦe，除以该波长λ的光子能量hν，就得到光源在λ处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。

1.3一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m的高处，用照度计测得正下方地面的照度为30lx，求出该灯的光通量。

Φ=L*4πR^2=30*4*3.14*1.5^2=848.23lx

1.4一支氦-氖激光器（波长为632.8nm）发出激光的功率为2mW。该激光束的平面发散角为1mrad,激光器的放电毛细管为1mm。

求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。

若激光束投射在10m远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为0.85，求该屏上的光亮度。

32251122()()()6830.2652100.362()()22(1cos)()0.3621.15102(1cos)2(1cos0.001)1.4610/coscoscos0()0.3vmevvvvvvvvvvvKVlmdIdSRhRRIcddIIILcdmdSSrdMdS522624.610/0.0005lmm'2'''222''2'2'100.0005(6)0.850.850.85cos0.85155/cos2vvvvvvvvlmrmPdrMELdSlrLddMlLcdmddSd.

光电子技术安毓英习题答案(完整版)

第一章

2. 如图所示，设小面源的面积为As，辐射亮度为Le，面源法线与l0的夹角为s；被照面的面积为Ac，到面源As的距离为l0。若c为辐射在被照面Ac的入射角，试计算小面源在Ac上产生的辐射照度。

解：亮度定义:rreeAdILcos

强度定义:ddIee

可得辐射通量：dALdsseecos

在给定方向上立体角为：20coslAdcc

则在小面源在Ac上辐射照度为：20coscoslALdAdEcsseee

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），其各处的辐亮度Le均相同，试计算该扩展源在面积为Ad的探测器表面上产生的辐照度。

答：由cosdAddLe得cosdAdLde，且22cosrlAdd

则辐照度：eeeLdrlrdrlLE2002222

7.黑体辐射曲线下的面积等于等于在相应温度下黑体的辐射出射度M。试有普朗克的辐射公式导出M与温度T的四次方成正比，即 M=常数4T。这一关系式称斯特藩-波耳兹曼定律，其中常数为5.6710-8W/m2K4

解答：教材P9，对公式2151()1eCTCMTe进行积分即可证明。

第二章

3．对于3m晶体LiNbO3，试求外场分别加在x,y和z轴方向的感应主折射率及相应的相位延迟（这里只求外场加在x方向上）

解：铌酸锂晶体是负单轴晶体，即nx=ny=n0、nz＝ne 。它所属的三方晶系3m点群电光系数有四个，即γ22、γ13、γ33、γ51。电光系数矩阵为： Le

As

Ac

l0

s

c

第1.2题图 0000000002251513313221322ij由此可得铌酸锂晶体在外加电场后的折射率椭球方程为：

12)(2)1()1()1(2251233121322202152220xyExzEyzEzEnyEEnxEEnxxzzezyzy （1）

光电子技术(安毓英)习题答案

课后题答案

1.1设半径为Rc的圆盘中心发现上，距圆盘中心为l0处有一辐射强度为Ie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由公式eedEdA，eedId都和e有关，根据条件，都可求出。解题过程如下：

法一

eedEdA

故：20cReeEdA

又：20eeIEl

代入上式可得：

220eecIRl

法二：

eedId

2200cRleeId

220eceIRl

1.2如下图所示，设小面源的面积为sA，辐射亮度为Le，面源法线与l0的夹角为s；被照面的面积为cA，到面源sA的距离为l0。若c为辐射在被照面cA的入射角，试计算小面源在cA上产生的辐射照度。

思路分析：若求辐射照度eE，则应考虑公式20eeIEl。又题目可知缺少Ie，则该考虑如何求Ie。通过课本上的知识可以想到公式coseedILdS，通过积分则可出Ie。解题过程如下：

解： 20eeIEl

由coseedILdS可得

0cossAeeILdS

= cosesLA，故：

2200coseeseILAEll

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Le均相同。试计算该扩展源在面积为Ad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Ee，由公式eedEdA可知，要解此题需求出ed，而朗伯体的辐射通量为coseeedLdSdLdS，此题可解。解题过程如下：

解：

eedEdA

coseeedLdSdLdS

eeeLdSELdA

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。而热辐射是指由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象。因此霓虹灯放电不属于热辐射。

光电子技术答案

《光电子技术》标准答案

一、名词解释

1. 声光效应：由于声波作用而引起光学性质变化的现象。

2. 色温：如果辐射源发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射出的光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。

3. 外差探测：利用一个频率与被测相干辐射的频率相近的参考激光辐射在探测元件（通常由光电导材料、光生伏打材料或光电发射材料制成）中与被测辐射混频而产生差频。

4. 光（电）导效应：光照变化引起半导体材料电导变化的现象

5. NEP：单位信噪比时的信号光功率

二、填空题

1. lmVKsm328.010224.06833

2. )m(24.10ggEEhc

3. 受激辐射，自发辐射

4. 不响应

5. 利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作

6. 瑞利散射，米氏散射

7. 1

8. 磁光效应

9. 普通二极管，恒流源（光电流源）

三、不定项选择题

1. ABCD 2. ABC 3.ABC 4.C 5.BC

四、简答题

1. 光纤（光导纤维）是一种能够传输光频电磁波的介质波导，利用光全反射原理将光波约束在其界面内，并引导光波沿着光纤轴线方向传播。它由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和护套三部分组成。

光纤的色散会使脉冲信号展宽，即限制了光纤的带宽或传输容量。

2. 电光数字式扫描器由电光晶体和双折射晶体组合而成, 它能使线偏振光分成互相平行、振动方垂直的两束光，其间隔 b为分裂度，为分裂角（也称离散角）。若把n个这样的数字偏转器组合起来，就能做到n级数字式扫描。

3. 布拉格衍射产生条件、特点及方程

方程：sssBfnvn22sin

条件：声波频率较高，声光作用长度较大，光束与声波波面间以一定的角度入射，介质具有“体光栅”的性质。

特征：衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级（或-1级）衍射光。

张永林第二版《光电子技术》课后习题答案解析.doc

WORD格式可编辑

专业技术知识共享 1.1可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少？

波长：380~780nm 400~760nm

频率：385T~790THz 400T~750THz

能量：1.6~3.2eV

1.2辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？

为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。根本区别在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。因为光度参数只适用于0.38~0.78um的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。而量子流是在整个电磁辐射，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量.光源在给定波长λ处，将λ～λ+dλ范围内发射的辐射通量 dΦe，除以该波长λ的光子能量hν，就得到光源在λ处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。

1.3一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m的高处，用照度计测得正下方地面的照度为30lx，求出该灯的光通量。

Φ=L*4πR^2=30*4*3.14*1.5^2=848.23lx

1.4一支氦-氖激光器（波长为632.8nm）发出激光的功率为2mW。该激光束的平面发散角为1mrad,激光器的放电毛细管为1mm。

求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。

若激光束投射在10m远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为0.85，求该屏上的光亮度。

光电子技术（第二版）答案详解

光电子技术（第二版）答案详解第一章1. 1. 设在半径为设在半径为R

c

的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l0处有一个辐射强度为Ie的点源

S

，如图所示。试计算该点源发射到盘圆的辐射

功率。

解：因为，

且











220002

12cos12sin

cR

RllddrdSdc



所以

220012ceeeRllIdI

2. 2. 如图所示，设小面源的面积为如图所示，设小面源的面积为As，辐射亮度为Le，面源法线与l0的夹角为s；被照面的面积为Ac，到面源As的距离为l0。若

c为辐射在被照面Ac的入射角，试计算小面源在Ac上产生的辐射照度。

解：亮度定义解：亮度定义::

强度定义强度定义::ddIee可得辐射通量：dALdsseecos

在给定方向上立体角为：20coslAdcc

则在小面源在Ac上辐射照度为：20coscoslALdAdEcsseee

3.3.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），其各处的辐亮度Le均相同，试计算该扩展源在面

积为Ad的探测器表面上产生的辐照度。答：由cosdAddLe得cosdAdLde，且22cosrlAdd

则辐照度：eeeLdrlrdrlLE2002222ddeeI

rreeAdILcosl0S

Rc

第1.1题图

LeAsAcl0s

c

第1.2题图

4. 4. 霓虹灯发的光是热辐射吗？霓虹灯发的光是热辐射吗？

不是热辐射。不是热辐射。霓虹灯发的光是电致发光，霓虹灯发的光是电致发光，在两端放置有电极的在两端放置有电极的

真空充入氖或氩等惰性气体，当两极间的电压增加到一定数值时，当两极间的电压增加到一定数值时，气气体中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击，使原子中的电子受

光电子技术(安毓英)习题答案 2

课后题答案

1.1设半径为艮的圆盘中心发现上，距圆盘中心为l 0处有一辐射强度为I e的点源S,如

F图所示。试计算该点光源发射到圆盘的辐射功率。pl

思路分析：要求 e由公式Ee 丄，le dA

-都和e有关，根据条件，都可求出。解

题过程如下:

d e

dA

Rf EedA

试计算小面源在 Ac上产生的辐射照度。

题过程如下:

解:

Ee 又: Ee le

io2

代入上式可得:

lo

法二:

le

led

le R2

lo

1.2如下图所示，设小面源的面积为辐射亮度为Le，面源法线与l 0的夹角为

s ；被照面的面积为 A，到面源 As的距离为 |0。若 c为辐射在被照面 Ac的入射角, Ee

故:

思路分析：若求辐射照度 Ee，则应考虑公式Ee 卡。又题目可知缺少"，则该考

虑如何求I e。通过课本上的知识可以想到公式 Le dle ，通过积分则可出I e。解 dScos 亠. dj

由Le e可得 dScos

A I e s Le cos dS e 0 e

=Le cos A，故:

E 土 Le COS As

e —\0—

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.均相同。试计算该扩展源在面积为 A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

d

Ee，由公式Ee 亠可知，要解此题需求出d e，而朗伯体的辐射通量为 dA

d e LedS cos d Le dS,此题可解。解题过程如下：

解：

E d e

e dA

d e LedS cos d Le dS

Ee LedS Le e dA e

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。而热辐射是指由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象。因此霓虹灯放电不属于热辐射。

光电子技术课后答案第三版

光电子习题解答

1 习题1

1. 设在半径为Rc的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l0处有一个辐射强度为Ie的点源S，如图所示。试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。

ddeeI， 202πdlRc 202eπddlRIIcee

2. 如图所示，设小面源的面积为As，辐射亮度为Le，面源法线与l0的夹角为s；被照面的面积为Ac，到面源As的距离为l0。若c为辐射在被照面Ac的入射角，试计算小面源在Ac上产生的辐射照度。

用定义rreeAdILcos和AEeedd求解。

4. 霓虹灯发的光是热辐射吗？

不是热辐射。

6. 从黑体辐射曲线图可以看出，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长m随温度T的升高而减小。试由普朗克热辐射公式导出

常数Tm。

这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为2.89810-3mK。

普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0，即可求的。

9. 常用的彩色胶卷一般分为日光型和灯光型。你知道这是按什么区分的吗？

按色温区分。

习题2

1. 何为大气窗口，试分析光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素。

对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为大气窗口。 l0 S

Rc

第1题图

Le

As Ac

l0 s

c

第2题图光电子习题解答

2 2. 何为大气湍流效应，大气湍流对光束的传播产生哪些影响？

是一种无规则的漩涡流动，流体质点的运动轨迹十分复杂，既有横向运动，又有纵向运动，空间每一点的运动速度围绕某一平均值随机起伏。这种湍流状态将使激光辐射在传播过程中随机地改变其光波参量，使光束质量受到严重影响，出现所谓光束截面内的强度闪烁、光束的弯曲和漂移（亦称方向抖动）、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，统称为大气湍流效应。

第二版《光电子技术》课后习题答案

1・1可见光的波长.频率和光子的能量范围分别是多少？

波长：380~780nm 400-760nm

频率：385T~790THz 400T-750THz

能量：l・6~3・2cV

1.2辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度戢？

为了泄量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的左量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。根本区別在于：前者是物理（或客观）的讣量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量：后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。因为光度参数只适用于 O.38~O.78um的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。而量子流是在整个电磁辐射，所以量子流速率的il•算公式中不能出现光度量.光源在给定波长入处，将入〜X+dX范囤内发射的辐射通M

d

1.3 -只白炽灯，假设齐向发光均匀，悬挂在离地而l・5m的髙处，用照度计测得正下方地而的照度为301X,求出该灯的光通量。

0>=L*4 n RA2=30*4*3.14* 1.5A2=848.2引x

1・4 一支氨■就激光器（波长为632.8nm）发出激光的功率为2mW.该激光束的平而发散角为lmrad,激光器的放电毛细管为1mm。

求出该激光束的光通呈:、发光强度、光亮度、光出射度。

若激光束投射在10m远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为0.85,求该屏上的光亮度。

= 683x0.265x2x107 = 0.3 62/,77

"令・(>1) _ 0.362 7lS _ XO.OOO52

Z = 10/zz » r = O.OOO5ZZ7 (P6)

光电子技术基础习题答案

第一章

绪论

1.光电子器件按功能分成哪几类？每类大致包含哪些器件？

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。

光源器件分成电磁波光源和非电磁波光源。电磁波光源主要包含激光和非线性光学器件等。非电磁波光源包含照明设备光源、表明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。

光探测器件分成光电导型探测器、光伏型探测器、冷伏型探测器、各种传感器等。光存储器件分成光盘(包含cd、vcd、dvd、ld等)、光驱、光盘塔等。2．谈谈你对光电子技术的认知。

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。3．谈谈光电子技术各个发展时期的情况。

20世纪60年代，光电子技术领域最典型的成就就是各种激光器的相继问世。

20世纪70年代，光电子技术领域的标志性成果是低损耗光纤的实现，半导体激光器的成熟特别是量子阱激光器的问世以及ccd的问世。

20世纪80年代，发生了大功率量子阱阵列激光器；半导体光学双稳态功能器件的获得了快速发展；也发生信汇偏光纤、光纤传感器，光纤放大器和光纤激光器。

20世纪90年代，掺铒光纤放大器(edfa)问世，光电子技术在通信领域取得了极大成功，形成了光纤通信产业；。另外，光电子技术在光存储方面也取得了很大进展，光盘已成为计算机存储数据的重要手段。

21世纪，我们正步入信息化社会，信息与信息交换量的爆炸性快速增长对信息的收集、传输、处置、存储与表明都明确提出了紧迫的挑战，国家经济与社会的发展，国防实力的进一步增强等都更加依赖信息的广度、深度和速度。