完整word版《光电子技术》章节练习题及答案.docx
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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、CO2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100/4πW/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100/4πW/m2。
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100/16πW/m2。
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）
；
（2）
，光子具有运动质量，但静止质量为零；（3）
；（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。
2、简述激光产生的条件、激光器的组成及各组成部分的作用。
（10分）
[答]：
必要条件：
粒子数反转分布和减少振荡模式数。
充分条件：
起振——阈值条件：
激光在谐振腔内的增益要大于损耗。
稳定振荡条件——增益饱和效应（形成稳定激光）。
组成：
工作物质、泵浦源、谐振腔。
作用：
工作物质：
在这种介质中可以实现粒子数反转。
泵浦源（激励源）：
将粒子从低能级抽运到高能级态的装置。
谐振腔：
（1）使激光具有极好的方向性（沿轴线）；
（2）增强光放大作用（延长了工作物质）；（3）使激光具有极好的单色性（选频）。
三、计算题
1、设一对激光能级为E2和E1（g2=g1），相应的频率为ν（波长为λ），各能级上的粒子数为n2和n1。
求
（1）当ν=3000MHz，T=300K时，n2/n1=？
（2）当λ=1μm，T=300K时，n2/n1=？
（2）当λ=1μm，n2/n1=0.1时，温度T=？
解：
（1）
（2）
（3）
2、四能级激光器中，激光上能级寿命为τ3=10-3s，总粒子数密度n0=3×108m-3,当抽运几率达到W14=500/s时，求小信号反转粒子数密度为多少？
解:
激光上能级向下能级自发跃迁几率
由四能级系统小信号反转粒子数计算公式有
第二章
一、填空题
1、光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素主要有：
大气分子的吸收，大气分子散射，大气气溶胶的衰减。
2、光在洁净的大气中传播时主要发生瑞利散射，散射光的强度与波长的关系是：
散射光强与波长的四次方成反比。
3、光在大雾中传播时主要发生米-德拜散射散射，散射光的强度与波长的关系是：
散射光强与波长无关。
4、电光晶体的半波电压是指：
当波x’和y’两个方向振动分量存在半个波长的光程差（π的相位差）时所需加的电压。
5、KDP晶体沿z轴加电场时，由单轴晶体变成了双轴晶体，折射率椭球的主轴绕z轴旋转了45，此转角与外加电场的大小无关，其折射率变化与电场的大小成正比。
6、若在超声功率Ps一定的情况下，要使Bragg衍射光强尽量大，则应选择声光材料品质因素M2尽可能大的材料，并要把换能器做成长而窄（即L大H小）的形式。
7、表征光纤的集光本领的物理量是光纤的数值孔径，在弱导条件下表示为：
。
8、声波在声光晶体中传播会引起晶体中的质点按声波规律在平衡位置振动，按照声波频率的高低以及声波和光波作用的长度不同，声光相互作用可以分为拉曼-纳斯衍射和布喇格衍射两种类型。
9、
磁光效应是指外加磁场作用引起材料光学各向异性的现象，法拉第磁光效应的规律
（1）对于给定的介质,光振动面的旋转角与样品的长度和外加的磁感应强度成正比
（2）的传播方向反转时，法拉第旋转的左右方向互换。
10、电致折射率变化是指晶体介质的介电系数与晶体中的电荷分布有关，当晶体被施加电场后，将引起束缚电荷的重新分布，并导致离子晶格的微小形变，从而引起介电系数的变化，并最终导致晶体折射率变化的现象。
11、光纤色散的主要危害是使脉冲信号展宽，限制了光纤的带宽或传输容量；多模光纤的色散主要有模色散、材料色散、波导色散。
`12、光波在大气中传播时，由于大气气体分子及气溶胶的吸收和散射会引起光束的能量衰减；由于空气折射率不均匀，会引起光波的振幅和相位起伏。
二、是非题
1、KDP晶体沿Z（主）轴加电场时，由单轴晶变成了双轴晶体。
（ √）
2、KDP晶体沿Z（主）轴加电场时，晶体各个方向上的折射率变化量是相同的。
（ ×）
3、1．超声波强度越大，则声光衍射效率越高。
光纤数值孔径就是指光纤的直径。
（ ×）
4、光纤的集光能力仅由光纤的折射率分布决定。
（ √）
5、光纤数值孔径代表光纤的集光本领。
（ √）
三、简答题
1、概括光纤弱导条件的意义。
[答]：
从理论上讲，光纤弱导特性是光纤与微波圆波导间的重要差别之一。
实际使用的光纤，特别是单模光纤，其掺杂浓度都很小，使纤芯和包层只有很小的折射率差。
弱导的基本含义是指很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构，其为制造提供了很大的方便。
2、声光相互作用可以分为拉曼-纳斯衍射和布喇格衍射两种类型。
简述它们产生的条件和特征。
[答]：
产生拉曼-纳斯衍射的条件：
当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度L较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅”。
由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光，这就是拉曼-纳斯衍射的特点。
产生布喇格衍射条件：
声波频率较高，声光作用长度L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有“体光栅”的性质。
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，这是布喇格衍射的特点。
3、利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强度调制，纵向电光调制和横向电光调制各有什么优缺点？
[答]：
纵向电光调制器具有结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响等优点。
其缺点是半波电压太高，在调制频率较高时，功率损耗比较大。
横向效应运用时，存在自然双折射产生的固有相位延迟，它们和外加电场无关。
在没有外加电场时，入射光的两个偏振分量通过晶后其偏振面已转过了一个角度，这对光调制器等应用不利，应设法消除。
横向效应运用时，总的相位延迟不仅与所加电压成正比，而且与晶体的长宽比（L/d）有关。
而纵向应用时相位差只和V=EzL有关。
因此，增大L或减小d就可大大降低半波电压，但必须采用两块晶体，结构复杂，而且其尺寸加工要求高，对环境温度敏感。
4、何为电光晶体的半波电压？
半波电压由晶体的哪些参数决定？
[答]：
当光波的两个垂直分量Ex，Ey的光程差为半个波长（相应的相位差为）时所需要加的电压，称为半波电压。
纵向应用时，
由光波长、线性电光系数、晶体主折射率等参数决定。
横向应用，在略去自然双折射影响的情形下，
由光波波长、线性电光系数、晶体主折射率等参数以及晶体长度和宽度决定。
四、综合题
试写出外电场E与KDP晶体z轴方向平行时的折射率椭球方程，并证明其变成双轴晶体，写出此时的三个主折射率nzˊnyˊ和nzˊ。
解答：
根据已知Ex=Ey=0，折射率椭球方程变为：
x2/no2+y2/no2+z2/ne2+2r63Ezxy=1
由于出现了xy交叉项，说明在外电场Ez作用下，晶体主轴发生了转动。
作坐标变换，令坐标轴绕z轴转450，新坐标系为x'，y'，z'，它与旧坐标系的关系为：
x=x'cos450-y'sin450=√2/2（x'-y'）
y=x'sin450+y'cos450=√2/2（x'+y'）
z=z'
可得新坐标系下的折射率椭球方程：
x'2（1/no2+r63Ez）+y'2（1/no2-r63Ez）+z'2/ne2=1
变换成晶体主轴坐标系：
x'2/n'x2+y'2/n'y2+z'2/n'z2=1
其中：
1//n'x2=1//no2+r63Ez
1/n'y2=1/no2-r63Ez
1//n'z2=1//ne2
可见外电场Ez的作用不仅使KDP的主轴绕z轴旋转了450，而且使n'x≠n'y≠n'z，即变成了双轴晶体。
第三章
一、填空题
1、电光调制器的电学性能的基本要求是：
调制效率要高、足够的调制带宽。
2、光束调制按其调制的性质可分为调幅、调频、调相及强度调制。
3、要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：
抽样、量化和编码。
4、直接调制是指：
把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源,从而直接获得调制光信号。
5、一纵向运用的KDP电光调制器，长为2cm，折射率为2.5，
，工作频率为1000kHz,则此时光在晶体中的渡越时间为
。
6、光束扫描根据其应用的目的来可以分为模拟式扫描和数字式扫描两种；它们分别主要应用于各种显示、光存储。
7、在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个/4波片，波片的轴向取向为快慢轴与晶体的主轴x成45角（与X’轴平行）时最好。
8、电光扫描是利用电光效应使晶体的沿某些方向的折射率的线性变化率发生变化，从而改变光的传播方向来实现光束扫描的。
9、声光扫描器是通过改变声波频率使布拉格衍射角发生变化，从而改变光的传播方向来实现光束扫描的。
二、是非题
1、在电光调制器中，为了在不加偏压时得到线性调制，应将/4波片快慢轴与晶体的主轴X成45角。
（ √）
2、在电光调制器中，为了在不加偏压时得到线性调制，应将/4波片快轴与晶体的主轴X轴平行。
（ ×）
3、LD直接调制器用于数字通信时，应加上备低于阈值电流的偏置电流，以提高调制速度。
（ √）
4、LD直接调制器用于模拟通信时，偏置电流必须大于阈值电流，才能得到线性调制。
（ √）
5、纵向电光调制不存在自然双折射的影响，但半波电压相对于横向电光调制更高。
（ √）
6、横向电光调制半波电压较低，但存在自然双折射影响，不稳定。
（ √）
二、简答题
1、简述光束调制的基本原理。
[答]：
（1）、以激光为载体，将信息加载到激光的过程，称为调制或光束调制。
（2）、光束具有振幅、频率、相位、强度和偏振等参量，可以应用某些物理的方法，使其参量之一按照调制信号的规律变化，实现光束的调制，所以光束的调制可以分为调幅、调相、调频和强度调制等。
（3）、实现激光光束调制的方法根据调制器与激光器的关系，可以分为内调制和外调制两种。
（4）、具体的激光光束的调制方法，常见的有光电调制、声光调制、磁光调制、直接调制等。
2、何为直接调制？
简述用LD和LED进行直接调制的特点及应用。
（10分）
[答]：
（1）、直接调制是指：
把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源,从而直接获得调制光信号；
（2）、LD的输出特性中存在阈值It，而LED不存在；（3）、LD缺点：
半导体激光器处于连续调制工作状态时，无论有无调制信号，由于有直流偏置，所以功耗较大，甚至引起温升，会影响或破坏器件的正常工作。
优点：
调制速度快，常用于数字光纤通信系统中。
（4）优点：
线性好、偏置电流小（功耗小）；缺点：
调制速率低（小于100Mb/s）。
常用于模拟光纤通信。
三、计算题
1、图示A为纵向运用的电光晶体KDP，B为厚度
的方解石晶体（对于
，
，
，光轴方向与通光面的法线方向成
夹角），A、B晶体平行放置。
试计算当电压
时，一束垂直KDP晶体入射的线偏振光（电场振动方向沿晶体主轴方向）在A、B晶体中的传播方向，以及光通过B晶体的相位延迟，并绘出B晶体中的光路图。
（中国科学院大学2013研究生入学考试题）
2、用PbMoO4晶体做成一个声光扫描器，取n=2.48，M2=37.7510-15s3/kg，换能器宽度H=0.5mm。
声波沿光轴方向传播，声频fs=150MHz，声速vs=3.99105cm/s，光束宽度d=0.85cm，光波长=0.5m。
⑴证明此扫描器只能产生正常布喇格衍射；
⑵为获得100%的衍射效率，声功Ps率应为多大？
⑶若布喇格带宽f=125MHz，衍射效率降低多少？
⑷求可分辨点数N。
解：
⑴只有当声光作用距离
时，才会产生多级衍射，代入数得
，而换能器宽度为0.5mm据证明不是拉曼-纳斯衍射。
⑵
，
⑶若布喇格带宽f=125MHz，衍射效率降低多少？
，
⑷用公式
和
计算。
第四章
一、选择题
1、光敏电阻的（C）越大，说明该光敏电阻灵敏度越高、性能越好。
A亮电阻B暗电阻C光电流D亮电流
2、以下基于光电导效应制成的光电器件是：
（A）
A光敏电阻B光电管C雪崩光敏二极管D光电池
3、光敏二极管工作时，其上（B）。
A加正向电压B加反向电压
C自偏置电压D加正向、反向电压都可以
二、填空题
1、PN结光伏探测器的两种工作模式是：
光伏工作模式和光导工作模式，典型的器件分别有：
光电池和光电二极管。
2、光电池的短路电流与光入射光强成线性关系（正比），开路电压与光电流（入射光功率）的对数成正比。
3、光电二极管是一种以光导模式工作的光伏探测器,工作时应加反向偏压。
4、光电探测器的积分灵敏度定义为：
光电特性的斜率。
5、光电发射效应是指：
在光照下，物体向表面以外空间发射电子（即光电子）的现象。
6、光电导效应是指：
光照变化引起半导体材料电导变化的现象。
7、光敏电阻的亮电流是指：
光敏电阻在受光照射时流过的电流。
光电流是指：
亮电流与暗电流之差。
8、光热效应是指探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。
9、本征型光敏电阻一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测；非本征型光敏电阻通常在低温条件下工作，常用于中、远红外辐射探测。
10、单片硅光电池的开路电压约为0.45～0.6V，短路电流密度约为150～300A/m2。
11、光子效应是指指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。
其主要特点有：
对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。
12、光电二极管是指以光导模式工作的结型光伏探测器，常见的光电二极管有Si光电二极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管、肖特基势垒光电二极管光伏二极管（选答出其中的两种即可）。
等类型（写出两种）。
13、光热探测器由热敏元件、热链回路、大热容量的散热器三部分构成，常见的光热探测器有热敏电阻、热释电探测器（写出两种）。
三、是非题
1、光敏电阻的光电流是指亮电流与暗电流之差。
（ √）
2、光敏电阻的光电流就是指有光照时的电流，即亮电流。
（ ×）
3、光敏电阻的亮电流是指光敏电阻在受光照射时流过的电流。
（ √）
4、光敏电阻的亮电流等于光电流和暗电流之和。
（ √）
5、光电二极管用于探测光信号时，一般工作在反向偏置电压下。
（ √）
6、光电二极管用于探测光信号时，可以工作在正向偏置电压下。
（ ×）
7、光电三极管是基于光电导效应制成的光电探测器件。
（ ×）
四、简答题
1、比较光子探测器和光热探测器在作用机理、性能及应用特点等方面的差异。
[答]：
光子效应是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。
探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。
光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。
因为光子能量是
，
是普朗克常数，
是光波频率。
所以，光子效应就对光波频率表现出选择性，在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。
光热效应和光子效应完全不同。
探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。
所以，光热效应与单光子能量
的大小没有直接关系。
原则上，光热效应对光波频率没有选择性。
只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。
因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。
2、简述光电探测器的主要特性参数。
[答]：
光电探测器的主要性能参数有：
（1）灵敏度R：
Ri—电流灵敏度（积分电流灵敏度），Ru—电压灵敏度（积分电压灵敏度）。
--光电流，u--光电压，P--入射光功率。
（2）光谱灵敏度R：
（3）频率灵敏度R：
（4）量子效率η：
（5）通量阈Pth和噪声等效功率NEP
通量阈——探测器所能探测的最小光信号功率
噪声等效功率NEP——单位信噪比时的信号光功率
（6）归一化探测度D*：
（7）噪声：
依据噪声产生的物理原因,光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、热噪声和低频噪声三类。
3、简述光子效应和光热效应。
[答]：
光子效应是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应；探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。
光热效应和光子效应完全不同，探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把其转化为晶格的热动能，引起探测元件温度上升，由此引起探测元件的电学性质或其它物理性质发生变化。
光子效应常见的有：
光电发射效应、光电导效应、光伏效应、光电磁效应等。
光热效应常见的有：
温差电效应、热释电效应等。
五、计算题
1、已知某硅光电池在1000W/m2的标准光照下，开路电压
，光电流
，为保证在（200~700）W/m2光照下的线性电压输出，负载电阻取多大最合适？
输出电压的变化值是多大？
解：
入射光为700W/m2时的开路电压为
入射光为700W/m2时的短路电流为
则保证线性电压输出的最佳负载为
入射光为200W/m2时的短路电流为
则，
2、在室温300K时，已知2CR21型硅光电池（光敏面积为5×5mm）在辐照度为100mW/cm2时的开路电压为Uoc=550mV，短路电流Isc=6mA。
试求：
（1）室温下，辐照度降到50mW/cm2时的开路电压与短路电流。
（2）用如图所示的偏置电路，其中Rf=24KΩ，若测得此时的输出电压Uo=1V，求此时光敏面上的照度。
解：
（1）辐照度降到50mW/cm2时，短路电流为
开路电压为
（2）
此时的光敏面上的照度
3、如果硅光电二极管灵敏度为10μA/μW，结电容为10pF，结电导g=0.004μs，光照功率为5μW时，拐点电压为10V，偏压40V，试求光照信号功率
（μW）情况下，
（1）线性最大输出功率条件下的负载电阻；
（2）线性最大输出功率；（3）响应截止频率。
解：
（1）光电池线性最大输出功率条件下的负载电导为
（2）
（3）
第五章
一、填空题
1、CCD的基本功能为电荷存储和电荷转移，CCD按结构可分为线阵CCD和面阵CCD。
2、固体摄像器件主要有三大类，它们是电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体图像传感器、电荷注入器件。
3、CCD的基本工作过程包括信号电荷的产生、存储、传输和检测。
二、问答题
1、何谓帧时、帧速、扫描效率？
三者之间有什么关系？
[答]：
完成一帧扫描所需的时间称为帧时Tf，单位时间完成的帧数称为帧速
，
。
光机扫描机构对景物扫描时，实际扫描的空间角度范围通常比观察视场角要大，观察视场完成一次扫描的时间Tfov与机构实际扫描一周所需的时间Tf之比称为扫描效率
，
。
2、简述带像增强器的CCD的特点。
[答]：
带像增强器的CCD器件是将光图像聚焦在像增强器的光电阴极上，再经像增强器增强后耦合到电荷耦合器件（CCD）上实现微光摄像（简称ICCD）。
最好的ICCD是将像增强器荧光屏上产生的可见光图像通过光纤光锥直接耦合到普通CCD芯片上。
像增强器内光子－电子的多次转换过程使图像质量受到损失，光锥中光纤光栅干涉波纹、折断和耦合损失都将使ICCD输出噪声增加，对比度下降及动态范围减小，影响成像质量。
灵敏度最高的ICCD摄像系统可工作在10-6lx靶面照度下。
3、简述电荷耦合摄像器件的主要特性参数。
[答]：
转移效率：
电荷包在进行每一次转移中的效率；不均匀度：
包括光敏元件的不均匀与CCD的不均匀；暗电流：
CCD在无光注入和无电注入情况下输出的电流信号；灵敏度：
是指在一定光谱范围内，单位暴光量的输出信号电压（电流）；光谱响应：
是指能量相对光谱响应，最大响应值归一化为100%，所对应的波；长峰值波长：
低于10%的响应点对应的波长称为截止波长；噪声：
可以归纳为散粒噪声、转移噪声和热噪声；分辨率：
是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力；动态范围和线性度：
动态范围=光敏元件满阱信号/等效噪声信号，线性度是指在动态范围内，输出信号与暴光量的关系是否成直线关系。
三、计算题
1、用凝视型红外成像系统观察30km远，10m×10m的目标，若红外焦平面器件的像元大小为50μm×50μm，假设目标像占4个像元，则红外光学系统的焦距应为多少？
若红外焦平面器件是128元×128元，则该红外成像系统的视场角是多大？
解：
得f=0.6m
2、一目标经红外成像系统成像后供人眼观察，在某一特征频率时，目标对比度为0.5，大气的MTF为0.9，探测器的MTF为0.5，电路的MTF为0.95，CRT的MTF为0.5，则光学系统的MTF至少要多大？
解：
CRT显示像的对比度应大于人眼的极限调制度0.026
所以总的调制传递函数
则光学系统的MTF至少
第六章
一、填空题
1、CRT由电子枪、偏转系统、荧光屏（含荫罩）、玻璃外壳等部分组成。
2、LCD的陡度决定了器件的多路驱动能力和灰度性能，陡度越大，则多路驱动能力越强、灰度必能越差。
3、PDP中气体放电处于正常辉光放电区，电极间的主要发光区是：
负辉区和正柱区（等离子区）。
4、液晶分为两大类:
溶致液晶和热致液晶，作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。
5、液晶是液态晶体的简称，热
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