光电子课后习题答案docx.docx
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光电子课后习题答案docx
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。
5.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
1•填空题
（1）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。
（2）两束光相干的条件是频率相同、振动方向相同、相位差恒定；最典型的干涉装置有杨氏双缝干涉、迈克耳孙干涉仪；两束光相长干涉的条件是5二加（加二0,±1,±2,……）,5为光程差。
（3）两列同频平面简谐波振幅分别为心、£02,位相差为则其干涉光强为
E（）I2++2耳）迟）2cos",两列波干涉相长的条件为匚0=2勿心=0,±1,±2,……）
（4）波长2的光经过孔径D的小孔在焦距f处的衍射爱里斑半径为1.22罟/。
2.在玻璃忆=2.25,”,=1）上涂一种透明的介质膜以消除红外线仇二0.75〃加）的反射。
⑴求该介质膜应有的介电常量及厚度。
⑵如紫外线（A=0.42/zm）垂直照射至涂有该介质膜的玻璃上，反射功率占入射
功率百分之多少？
⑴玻璃的折射率n=^=].5,正入射时，当〃=何云时，膜系起到全增透
作用，所以n=ylnGnG=Vl.Oxl.5=1.225,正入射下相应的薄膜厚度最薄为
入0.75
h=—==0.153//加
An4x1.225
iJE包+（込IFsir?
2讪⑵正入射时，反射率为p^=合——o,
（n0+讣cos2——+（丄^+n\sm〜——A）nA）
（勺一％）2COS?
n—JZ―F=3.57%
（心+nGycos2+nysin-^―
入〃A）
6•输出波长2=632.8肋的He・Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和MgF2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%?
第三章激光原理与技术
1.填空
（1）最早的电光源是炭弧光灯，最早的激光器是1960年由美国人梅曼制作的红宝石激光器。
（2）光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示色散与频率的关系，虚部表示物质吸收与频率的关系。
⑶激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。
激光产生的充分条件是阈值条件和增益饱和效应，必要条件包括粒子数反转分布和减少振荡模式数。
⑷今有一个球面谐振腔，rl=1.5m,r2=-lm,L=80cm,它属于稳定腔。
2.试简单说明以下光电子学术语的科学含义：
（1）受激辐射（画出二能级图）
处于激发态E2上的原子，在频率满足hv2i=E2-Ey的入射光作用下，从E2能级跃迁到E1能级，在跃迁过程中，原子辐射出能量为肋2八与入射光处于同
一状态的光子，这两个光子又可以去诱发其他发光粒子，产生更多状态相同的光子，这一发射过程称为受激发射过程。
（2）谱线的多普勒加宽
多普勒展宽是由于气体物质中热运动速度不同的发光粒子发出的光的表观中心频率不同造成的谱线加宽。
⑶谱线的自然加宽
自然加宽是由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上寿命有限所形成的谱线加宽。
（4）光放大
引入激活介质的增益系数G（q）
式中，d/（〃）是传播距离dx时的光强的增量。
这说明：
介质的增益系数在数值上等于光束强度在传播单位长度距离时，光强增加的百分数。
由于dl（v）>0,因而G®）>0,所以G（d）可以表示光在激活介质当中的放大特性。
3•计算与推导
（1）X=0.5Rm时，什么温度下自发辐射率与受激辐射几率相等？
T=300K时,什么波长下自发辐射与受激辐射几率相等？
自发辐射率为A219受激辐射率为W2IOVV21=场1中（“21）o
由爱因斯坦关系式可知：
虫=8哄川,
c
由普朗克公式可知:
（a）由题意A2i=W2i,故exp（丛）-1=1,kT
T_2_力疋dn2_6.63x10如x（3x10*）?
x0.6931_?
〔眾炉尺
一一-~1.38xlO_23x（Q.5xlO^）3_-°
（b）当T=300K时,
才=仙n2_6.63x103x（3x10*）3x0.6931_2997XIW
~kT~_■%
1.38xlO'23x3OO
2=1.442x10“M
（2）He-Ne激光器的反射镜间距为0.2m,求最靠近632.8nm跃迁谱线中心的
纵模阶数、纵模频率间隔。
如果增益曲线宽度为1.5x109Hz,则可能引起的纵模总
数是多少？
解：
气体的折射率小,由7得誌船心2皿
纵模频率间隔叶治鵲
UvT
+1=
「1.5x10厂
7.5x101
实际振荡纵模总数匚q
+1=3
（3）红宝石激光器的工作物质特性：
2-叫=5沁门品、300K处，
□i>-^^=2x10hWz,久=3x106,u=4.326x1（V4Hz,n=1.78,求其在中心频率处g（%）
的增益系数G（“）o
（%
、
-M
K
1Si
1
丿
（龙/2）△/
\^2丿
（^/2）Ayz8龙g]
解：
因为Gm=
所以:
A21=-，g{=gr2=—t2nv
1c2
G，n_（“2_N\）4”2△/-5104沪2•io11•1.782•（4.361014）2
9IO20
=9.46IO-12/cm
4.简述题
（1）简述激光的特点。
激光的特点主要表现在以下四个方面：
①激光的方向性很好；②激光的单色性很好；③激光的相干性很好；④激光具有极高的亮度和单色亮度。
⑷为什么二能级系统不能产生激光？
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，在体系中有了初始光辐射之后，一方面物质吸收光，使“减少、M增加；另一方面由于物质中存在辐射过程，使N?
减小、M增加，两种过程同时存在，最终达到必=M状态，光吸收和受激发射相等，二能级系统不再吸收光，达到所谓的自发辐射状态，这种状态下他不再继续增加；即便采用强光照射，共振吸收和受激发射以相同的概率发生，也不能实现粒子数反转。
⑸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。
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。
要产生激光，工作物质只有高能态（激发态》和低能态（基态》是不够的，还至少需要有一个亚稳态能级，它可以使得粒子在该能级上具有较长得停留时间或较小的自发辐射概率，从而实现其与低能级之间得粒子数反转分布。
这样，激光工作物质应至少具备三个能级。
设E1是基态，E2是亚稳态，E3是激发态。
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迟豫过程跃迁到E2能级。
当把一半以上的粒子抽运到E2,就实现了粒子数反转分布，此时若有光子能量为hu=E2-El的入射光，则将产生光的受激辐射，发射hu的光，从而实现光放大。
泵浦源提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因。
主要有以下几种泵浦方式：
①光激励方式②气体辉光放电或高频放电方式③直接电子注入方式④化学反应方式。
光学谐振腔为激光器提供反馈放大机构，使受激发射的强度、方向性、单色性进一步提高。
不论哪种光学谐振腔，它们都有一个共同特性，那就是都是开腔，即侧面没有边界的腔，这使偏轴模不断耗散，以保证激光定向输出。
谐振腔还具有选频作用，即自发辐射荧光线宽内只有满足谐振条件的纵模能形成振荡输出。
（7）分析激光产生的条件。
激光产生的两个必要条件：
粒子数反转分布和减少振荡模式数；两个充分条件：
阈值条件和增益饱和。
粒子数反转使得受激辐射超过受激吸收，才能得到光放大。
要想得到方向性很好、单色性很好的激光，还必须减少振荡模式数。
这是因为：
第一：
受激发射可以沿各个方向产生，难以形成极强的光束；第二，受激辐射光有很多频率，对应很多模式，每一模式的光都将携带能量，难以形成单色亮度很强的激光。
所以，必须采用谐振腔，使光束来回通过激活介质时，沿轴向得到放大，而和轴线有较大夹角的光束，则由侧面逸出激活介质，不能形成激光振荡；光束在腔内多次的来回反射，极少频率的光满足干涉相长条件,频率得到筛选，这样可以形成光强最强、模式数目最少的激光振荡。
光在腔内传播时，存在着各种损耗，所以只有光的增益能超过这些损失时,光波才能被放大，从而在腔内振荡起来，称这个条件为振荡阈值条件。
为了得到稳定的激光输出，当光强达到一定程度时，净增益（增益扣除损
耗》必须为零，所以增益饱和是激光产生的充分条件。
⑻简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线型函数的类型。
一般来讲，谱线展宽分均匀展宽与非均匀展宽两大类。
（a）均匀展宽的特点是：
引起均匀展宽的机制对于每一粒子而言都是相同的。
任一粒子对谱线展宽的贡献都是一样的，每个发光粒子都以洛伦兹线型发射。
均匀展宽又包括自然展宽、碰撞展宽和热振动展宽等。
自然展宽是由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上寿命
有限所形成的。
它是粒子本身固有性质决定的，自然存在的。
碰撞展宽是由于气体中大量粒子无规则运动而产生的碰撞导致波列缩短引
起的谱线展宽。
热振动展宽是由晶格原子的热振动使发光粒子处于随时间周期变化的晶格
场中，引起的谱线展宽，在固体激光物质中其量级远大于前两者。
（b）非均匀展宽的特点：
不同粒子的发光只对谱线内与其中心频率相对应的部
分有贡献，可以区分为线型函数的某一频率范围是由哪些粒子发光所引起的。
这种展宽主要包括多普勒展宽与残余应力展宽。
多普勒展宽是由于气体物质中热运动速度不同的发光粒子所产生的辐射
的多普勒频移不同引起的。
残余应力展宽是固体激光物质内部残余应力引起的，其中一种是晶格缺陷所致，非均匀分布的缺陷引起不同位置粒子％不同；另一种是由物质本身原子无规则排列构成的。
（10）激光器按激光工作介质来划分可分为几类？
各举出一个典型激光器，并给出其典型波长、转换效率、典型特点。
按激光工作物质的类型有如下划分:
1•气体激光器
根据气体激光工作物质的能级跃迁类型，又可将之分为原子、离子、分子、准分子型气体激光器。
原子气体激光器最常见的是He-Ne激光器，它发出的有0.6328“加的红光和3.39//m、1.15/zm两种红外光，He-Ne激光器输出功率较小《几mW到1OOmW）,能量转化效率较低（0.01%）,氮气单色性好，谱线宽度很窄，频率稳定度高，方向性好，发散角小，相干长度可达几十公里。
2•液体激光器
这种激光器又可分为无机液体激光器和有机液体激光器。
其中最重要的一类是染料激光器，其主要优点是：
波长连续可调、增益高、输出功率可与固体和气体激光器相比、效率较高、激光均匀性耗、制备容易、可以循环操作、利于冷却、典型的是若丹明6G染料激光器。
它在脉冲工作时的波长是590nm,平均功率是100W,效率为0・5%。
3•固体激光器
典型的例子有Nd:
YAG（掺铁的亿铝石榴石激光器〉。
该类激光器可以脉冲工作，也可以连续工作，产生的跃迁中以1.06//m的激光为最强。
这类激光器的最大有点是受激辐射跃迁概率大、泵浦阈值低、容易实现连续发射，近几年向二极管激光器泵浦的全固态小型化方向发展，转换效率可达10%。
4•半导体激光器
同质结半导体激光器的激光工作物质为由同种半导体材料构成的有源区，即p・n结结构，结区较厚，达几微米，阈值电流大。
异质结半导体激光器由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs和AlGaAs所组成。
与同质结半导体激光器相比，异质结半导体激光器具有有源层厚度薄，阈值电流密度低、内部损耗低、可通过改变混晶比调节输出波长等一系列优点。
量子阱半导体激光器功耗更低、输出功率更高、发射光谱更纯、响应速度更快、波长覆盖范围更宽、更容易阵列化。
AIGaAs/GaAs量子阱激光器的波长是980nm,平均功率为0.2W,转化效率为20-30%oAIGaAs/GaAs量子阱阵列激光器的波长为808nm,平均功率为100W。
（11）分析同质结半导体激光器与发光二极管的区别与联系。
同质结半导体与发光二极管的联系：
正向偏压下，大量电子和空穴分别通过耗尽层注入到p侧和n侧，于是导带中存在电子而价带中不存在电子，形成粒子数反转分布；
同质结半导体与发光二极管的区别：
发光二极管的结构公差不严格，而半导体激光器需要精确控制制造工艺，以保证两个端面形成极为光滑平整、互相平行、而且有镀膜的光学谐振腔。
发光二极管是无阈值器件，是非相干光源，单色性.方向性差、亮度低；激光二极管是相干光源，注入电流超过阈值时发射单色性、方向性好的激光，亮度高。
（12）简述尖峰振荡效应过程。
不加任何特殊装置的固体脉冲激光器，在一次输出中，激光脉冲的宽度大约时ms数量级。
这个脉冲并不是平滑的，而是包含宽度更窄的短脉冲系列，其中每一个短脉冲宽度只在如数量级，并且激励越强，短脉冲的时间间隔越小。
这种现象称作迟豫振荡效应或尖峰振荡效应。
（13）激光调Q技术于锁模技术的脉宽分别在哪个量级？
调Q技术可以产生脉宽10-7C10-9s量级、峰值功率MW量级的巨脉冲，锁
模技术可以产生1011-10,5s量级的超短脉冲。
（14）常见的调Q方法有哪几种？
分别简述之。
1•转镜调Q技术
将一个反射镜安装在旋转轴上，使其在每一转动周期中，只有当两个反射镜面平行时损耗最小，通过控制光腔的反射损耗达到调Q目的。
2•染料调Q技术
利用染料对光的吸收系数随光强度变化的特性来调Q的方法称为染料调Q技术，这种调Q开关的延迟时间是由材料本身的特性决定的，不直接受人控制，属于被动调Q技术。
3•电光调Q技术
在电光晶体的某个方向上加电压，可以使通过它的偏振光改变振动方向，且外加电压的数值与振动方向的改变之间有一定的关系，再辅以其他光学元件,就可以构成一个快速光开关，达到调Q目的。
4•声光调Q技术
声光器件在腔内按布拉格条件放置。
当超声波通过时，光束偏离了谐振腔的轴向，此时腔损耗严重，Q值很低，不能形成激光振荡；当激光工作物质亚稳态上的粒子积累到一定程度时，瞬间撤销超声波，光无偏折地通过晶体，Q值突然增大，从而产生一个强的激光脉冲输出。
（15）分别简述几种常见的激光锁模实现方法。
激光器一般有多个不同的振荡模式，他们本身是不关联、非相干的，振幅与相位彼此独立；如果能使得各个独立模式在时间上同步、振荡相位一致，则总光场是各个模式光场得相干叠加，输出为一超短脉冲。
这种通过把激光中所有的模耦合在一起并把各个模的彼此相位关系锁定得方法称为锁模，相应得技术称为锁模技术。
实现锁模的方法有很多，大致分为一下几类：
1•主动锁模
是一种内调制锁模，通过在腔内插入一个电光或声光调制器实现模式锁定,要求调制频率精确地等于激光器的纵模间隔，从而使所有参与振荡的模式相位同步。
2•被动锁模
类似染料被动开关，把弛豫时间小于脉冲周期的可饱和吸收体插入腔内，利用其可饱和吸收特性实现锁模。
3•自锁模
利用增益介质的非线性效应，即自振幅调制和自相位调制，辅以色散补偿达到锁模。
第五章光调制技术——光信息系统的信号加载与控制
1.对光进行外调制有哪些典型方式？
光外调制是在激光谐振腔外的光路上放置调制器，将待传输的信号加载到调制器上，于是，当激光通过调制器时，激光的某一参量（强度、位相、频率等》将发生变化，从而实现调制。
外调制方式有电光调制、声光调制、磁光调制。
2.简述磁光偏转与天然双折射之间的区别。
天然旋光效应与磁光效应的本质区别在于：
光束返回通过天然旋光介质时，旋转角度与正向入射时相反，因而往返通过介质的总效果是偏转角为零；而由于磁致旋光方向与磁场方向有关，而与光的传播方向无关，因而光往返通过法拉第旋光物质时，偏转角度增加一倍。
3.什么叫声光调制？
分哪几种类型？
其判据是什么？
超声波通过声光介质时，引起介质折射率的周期性变化，产生类似于光栅的光学结构，从而对入射的光波产生调制，这种调制称为声光调制。
按照超声波频率的高低和光波相对声场的入射角度及两者相互作用的长度，将声光衍射分为拉曼一奈斯衍射和布拉格衍射两类。
拉曼一奈斯衍射与布拉格衍射的判断依据用声光相互作用特征长度厶来表示，厶0=罕。
拉曼一奈斯衍射：
L<-Ao；布拉格衍射：
L>2/^0
/I2
4.要想用KDP晶体做成z向加电场，45x，向偏振光沿y，向传播的横向电光强度调制器，推导折射率椭球表达式及输出光强表达式，画出调制器原理图，说明调制原理，并画出其调制特性曲线。
见书
V=二一=-4^=12676.5V
“0〃％2%丫63
6.有一声光偏转器，以重火石玻璃为声光介质，声波中心频率为100MHz,带宽是40MHz,入射光束直径是1胁，查得声速V=3.1xl（）3m/5,求偏转器的偏转时间厂和分辨点数N。
r=^=Jxl01=32xl（）_6v
V3.1X103
^=7U\Q=3.2x10^x40x106=128
第六章光电探测技术
1•列出光探测器的基本参数并说明其含义。
1量子效率，指一个入射光子所释放的平均电子数。
它与入射光子能量（即入射光波长》有关。
其表达式为〃=二=匹,式中P是入射到探测器上的光功
%H
率，厶是入射光产生的平均光电流大小，%"是单位时间内入射光子平均数，U是单位时间产生的光电子平均数，£是电子电荷。
2响应度R,为探测器输出信号电压匕与输入光功率P之比
R吟单位为%。
3灵敏度S,为探测器输出信号电流与输入光功率P之比
S丄R和S均用来描述探测器输出电信号与输入光功率的关P
系，均是波长久的函数。
入射光波长一定，则响应度与灵敏度确定。
4光谱响应，就是表征R（或S〉随波长几变化的特性参数。
光谱响应中还有一个重要参量，称为响应峰值波长，它指相对光谱响应曲线中对应于最高响应率的辐射波长。
5噪声等效功率，定义为相应于单位的信噪比的入射光功率，用来表征探测
器探测能力，定义式为NEP=$NEP趣小,探测能力越强。
X
⑦频率响应尺（/）,是描述光探测器响应度在入射光波长不变时，随入射光调制频率/变化的特性参数。
它是光探测器对加在光载波上的电调制信号的响应能力的反映，是表征光探测器频率特性的重要参数。
2.光探测器的物理效应主要有哪几类？
每类有哪些典型效应？
光电探测器的物理效应可以分为三大类：
光电效应、光热效应和波相互作用效应。
光电效应是入射光的光子与物质中的电子相互作用并产生载流子的效应。
根据效应发生的部位和性质，习惯上将其分为外光电效应和内光电效应。
外光电效应是指发生在物质表面上的光电转换现象；内光电效应指发生在物质内部的光电转换现象。
光热效应是物体吸收光，引起温度升高的一种效应。
光热效应中典型的有温差电效应和热释电效应。
温差电效应指当两种不同的导体或半导体材料两端并联熔接时，在接点处可产生电动势，这种电动势的大小和方向与该接点处两种不同材料的性质和接点处温差有关，即与光辐射功率有关。
热释电效应指热点晶体的自发极化矢量随温度变化，从而使入射光可引起电容器电容改变的现象。
波相互作用效应是指激光与某些敏感材料相互作用过程中产生的一些参量效应，包括非线性光学效应和超导量子效应等。
4•总结选用光探测器的一般原则。
光电探测的特点是对波长选择性好，响应速度快（微秒至纳秒》。
热探测基本属于无选择性的探测，另一方面热效应具有积累的特性，与探测器件的热容量及散热的快慢都有关。
5•比较直接探测和外差探测技术的应用特点。
直接探测法能检测光强及光强的变化，具有简单、方便、室温运转等优点，但它不能反映光载波频率及相位的变化，因而探测灵敏度低，信噪比差。
外差探测法可以消除背景噪声和暗电流的影响，大大提高探测灵敏度，达到近乎理想量子极限，它不仅可以探测光强调制信号，还可用于频率或相位调制波的探测，但外差探测系统复杂，对信号光与本振光要求均很高，技术难度大,成本高。
6•说明内光电效应和外光电效应的差别。
根据效应发生的部位和性质，习惯上将其分为外光电效应和内光电效应。
外光电效应是指发生在物质表面上的光电转换现象，主要包括光阴极直接向外部放出电子的现象，典型的例子是物质表面的光电发射；内光电效应指发生在物质内部的光电转换现象，特别是半导体内部载流子产生效应，主要包括光电导效应与光伏效应。
概括起来就是：
（1）内光电效应发生在物质内部，外光电效应发生在物质表面；
（2）内光电效应主要体现为载流子的产生效应，外光电效应主要体现为表面电子发射现象；（3）内光电效应中的红限与半导体禁带宽度成反比,而外光电效应中的红限与表面逸出功成反比。
6•说明光电倍增管的基本组成及其作用。
光电倍增管由光电阴极C、一系列倍增电极D、收集阳极A三大部分密封在真空外壳中组成。
光电阴极：
光电阴极是光电倍增管的关键部分，它将入射光转换为电流，决定着探测器的波长响应特性及极限灵敏度。
倍增电极，即能发射二次电子的电极，其电位与阴极相比逐渐升高，一般极间电位差为100V。
收集阳极用来汇总经一系列光电倍增管作用而在最后一级倍增阴极产生出的数目巨大的二次电子。
7.PIN光电二极管，受波长为卩5“加的6x10"个光子的照射，其间输出端产生2xl0,2个光子。
计算量子效率和响应度（电流灵敏度》。
由量子效率定义得：
7=^121=0.33
6xl0,2
由电流灵敏度定义式得：
S=11P=N=7]皂=7]一e~—把相关数据代入得:
N2hvhvheIA
[6[0一"9
S=0.333寸段=1.25A/W
6.631034（3108/1.55106）
第七章：
光电显示技术
1.什么是三基色原理？
彩色重现是什么含义？
三基色原理指自然界中客观存在的任一种颜色均可以表示为三个确定的相互独立的基色的线性组合。
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