光电子技术(安毓英)习题答案

课后题答案

1．1设半径为R c 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 φ由公式e e d E dA φ=，e

e d I d φ=Ω

都和e φ有关，根据条件，都可求出。解题过程如下: 法一

e

e d E dA

φ=

故：20

c

R e e E dA πφ=

?

又:2

0e

e I E l =

代入上式可得：

2

20

e e c I R l φπ=

法二:

e

e d I d φ=

Ω

220

c R l e e I

d πφ=Ω?

2

20

e c e I R l πφ=

1.2如下图所示，设小面源的面积为s A ?，辐射亮度为L e ，面源法线与ｌ0的夹角为

s θ;被照面的面积为c A ?,到面源s A ?的距离为ｌ0。若c θ为辐射在被照面c A ?的入射角,

试计算小面源在c A ?上产生的辐射照度。

思路分析:若求辐射照度e E ，则应考虑公式2

0e

e I E l =。又题目可知缺少Ｉe ，则该考虑如何求I e 。通过课本上的知识可以想到公式cos e

e dI L dS θ

=,通过积分则可出Ｉe 。解题

过程如下：

解：

2

0e

e I E l =

由cos e

e dI L dS θ

=

可得

cos s

A e e I L dS θ?=?

= cos e s L A θ?,故:

22

00cos e e s

e I L A E l l θ?=

= 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 ｅ均相同。试计算该扩展源在面积为A d 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E e ，由公式e

e d E dA

φ=

可知，要解此题需求出e d φ,而朗伯体的辐射通量为cos e e e d L dS d L dS φθπ=Ω=?,此题可解。解题过程如下：

解：

e

e d E dA

φ=

cos e e e d L dS d L dS φθπ=Ω=?

e e e L dS

E L dA

ππ=

= 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。

此题不适合做例题，可在相关章节做个小思考题。

１.５刚粉刷完的房间从房外远处看，它的窗口总是显的特别黑暗，这是为什么? 答:刚粉刷完的房间可以看成一个光学谐振腔,由于刚粉刷完的墙壁比较光滑，容易产生几何偏折损耗，故看起来总是特别黑。

这个题目也是不适合作为例题,可以和1．4题一样以思考题的形式出现。

1．6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 λ随

温度T 的升高而减小。试由普朗克热辐射公式推导出

m λT ＝常数

这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为3

2.89810m K -?? 思路分析：由公式2

1

51

()1

e C

T

C M T e λλλ=-可知,若要求得m λ，可对()e M T λ进行求偏导。

证明过程如下：

证明:

2

1

5

1

()1

e C T

C M T e

λλλ=

-

222

2261152

()51(1)C T

e C C T T C e M T C C T

e e λλλλλλλλ--?=-+?-- 令

()

e M T λλ

??=０，解得: 32.89810m T m K λ-=??。得证

１.7黑体辐射曲线下的面积等于在相应温度下黑体的辐射出射度M 。试普朗克热辐射公式导出M 与温度的四次方成正比，即

M ＝常数4

T ?

这一关系称为斯忒藩——波尔兹曼定律,其中常数为8

2

4

5.6710/()W m K -?? 思路分析：对公式2

1

5

1

()1

e C T

C M T e

λλλ=

-进行积分即可证明。

此题和上题极为相似，如果两个都为例题就显很啰嗦,所以我觉得这个题最好放在上个例题的下面,让同学们自己根据例题去练习。

1．8宇宙大爆炸遗留在宇宙空间的均匀背景辐射相当于3K 黑体辐射,此辐射的单体辐射出射度在什么波长下有极大值?

思路分析：通过１．6题不难看出,对于黑体辐射,当辐射出射度取最大值时，波长和温度Ｔ有关系,且乘积为常数，此题便可利用这个关系直接求解。解题过程如下:

解:由１.6可知

32.89810m T m K λ-=??

T ＝3K

30.96610m m λ-=?

这个题目和１．6题关联性很大,我觉得把这两个合并成一题也行。您看怎么合并比较合适呢？

1.９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? 答:日光型和灯光型是按色温来区别的。为了表示一个热辐射光源所发出光的光色性质,常用到色温度这个量，单位为Ｋ。色温度是指在规定两波长具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。

这个问题比较简单，本意就只想考查下什么是色温，也就能做个思考题然后引出色温这个概念。

1.11如果激光器和微波激射器分别在λ=1０ｕm,λ=500nm 和υ=３000MHz 输入一瓦的连续功率，问一秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数分别为多少？

思路分析：本例题本身从思路上讲还是比较简单的，只要知道能量守恒和c

υλ

=即可解。

解题过程如下：

解：

由能量守恒可得:

1nh W υ= 1

n h υ

=

当λ=1０ｕｍ时，

813

16

131********

c

υλ-?===?? 19

13413111 5.03106.62610310

n h υ-=

==???? 当λ=500ｎm 时，

8

1429

231061050010

c

υλ-?===?? 1823414211 2.51106.62610610

n h υ-=

==???? 当υ=300０Ｍ时

2334911 5.02106.62610310

n h υ-=

==???? 1.1２设一对激光能级为E ２和Ｅ1(g 2=ｇ１）,相应的频率为υ，各能级上的粒子数为n 2

和n 1。求:

(1)当3000,300MHz T K υ==时,2

1

n n =?

（２)当1,300m T K λμ==时,2

1

n n =？

(3）当2

1

1,

0.1n m n λμ==时,温度T=？

思路分析：这个题目主要考查的是公式212211

B E E k T

n g e

n g --

=,根据题目所给的条件,不难求出

结果。解题过程如下:

(１） 214

4.8102211

0.99B B E E h k T

k T

n g e

e

e

n g υ---

-

-?====

（2）由ct λ=可求出c

υλ=，代入212211

B E E k T

n g e

n g --

=得

21212211

1.4510B B B E E h hc k T

k T

k n g e e

e

n g υλ

---

-

-====?

(3) 212211

B E E k T

n g e

n g --

==0.1

ln 0.1B h k T

υ=-

36.2510ln 0.1

B h T K k υ

=-

=?

1．13试证明，由于自发辐射,原子在E 2能级的平均寿命211/s A τ=

证明思路：这个题主要考查的是对A 21的理解。A 21定义为单位时间内ｎ2个高能态原子中自发跃迁的原子数与n 2比值，即

21212

1

(

)sp dn A dt n = 证明过程如下： 证明:

21

(

)sp dn dt

为单位时间内自发跃迁的原子数,s τ为平均寿命,可理解为跃迁的时间,故212()sp s

dn

n dt

τ=? 由21212

1

(

)sp dn A dt n =，代入上式，即可证得211/s A τ= １．14这个题答案为课本P ２1、Ｐ２2两页公式，若作为例题来出不好，直接套公式的题拿来当例题让人看着比较没水平。

1.１5今有一球面腔，R 1=1.5m ，Ｒ2=-1ｍ,L=0.8m 。试证明该腔为稳定腔。 证明思路:直接从稳定腔的条件入手,111L g R =-，22

1L

g R =-,解出1g 、2g 看是否满足1201g g <<的稳定条件。证明过程如下:

证明：

11

1L

g R =-

=0.46７ 22

1L

g R =-

=1.8 12g g =0．8４

符合1201g g <<，得证

１．1６某高斯光束0 1.2mm ω=,L=０．8m 求与束腰相距0.3m ，１0ｍ和100０m 远处的光斑ω的大小及波前曲率半径R 。

思路分析：由公式()z ωω=可知,若求ω需找出f,解出f,代入公式22

1000.40.30.830.3

f R z z =+=+=即可求出结果。解题过程如下:

解：

0.42

L

f m =

=

(0.3) 1.210 1.5mm ωω-==?=

(10) 1.21030mm ωω-==?=

(1000) 1.2103000mm ωω-==?= 22

1000.40.30.830.3f R z z =+=+=

22

2000.41010.01610f R z z =+=+=

22

3000.4100010001000

f R z z =+=+=

1.２０试确定下列各组光波表示式所代表的偏振态: （1）00sin(),()x y E E t kz E E cos t kz ωω=-=- （2)00cos(),(/4)x y E E t kz E E cos t kz ωωπ=-=-+ (３）00sin(),()x y E E t kz E E cos t kz ωω=-=--

思路分析：判断偏振光的状态,应看相位差?。解题过程如下： 解:

（1） 000sin()(/2),()x y E E t kz E cos t kz E E cos t kz ωωπω=-=--=-

(/2)()/2t kz t kz ?ωπωπ=----=-

为圆偏振光

(２) 00cos(),(/4)x y E E t kz E E cos t kz ωωπ=-=-+

(/4)()/4t kz t kz ?ωπωπ=-+--=

为右旋椭圆偏振光

(３） 00sin()(/2)x E E t kz E cos t kz ωωπ=-=--

00()()y E E cos t kz E cos t kz ωωπ=--=-+

3(/2)()2

t kz t kz π

?ωπωπ=----+=-

为圆偏振光

1.2１已知冕牌玻璃对０．39８8ｕm 波长光的折射率为n=1.5２54６,

11.2610dn

d λ

-=-?，求光波在该玻璃中的相速度和群速度。 思路分析：相速度c v n =、群速度(1)g dn

v v n d λλ

=+,代入求解。解题过程如下:

解:

8

8310 1.97101.52546

c v n ?===?

86

583100.398810(1)(1)[1( 1.2610)] 1.9101.52546 1.52546

g dn c dn v v n d n n d λλλλ-??=+=+=+-?=?

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。 答:对某些特定的波长,大气吸收呈现出极为强烈的吸收。根据大气的选择吸收特性，一般把近红外区分成8个区段,将透过率较高的波段称为“大气窗口”。位于大气窗口内的光辐射对大气分子的吸收几乎免疫,所以衰减因素主要是大气分子的散射、大气气溶胶的衰减和大气湍流效应。

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？

答:大气始终处于一种湍流效应，即大气的折射率随时间和空间做无规则的变化。这种湍流状态将使激光辐射在传播过程中随即的改变其光波参量,使光束质量受到严重影响，出现所谓光束界面内的强度闪烁、光束的弯曲和漂移、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，这些统称为大气湍流效应。光束闪烁将使激光信号受到随即的寄生调制而呈现出额外的大气湍流噪声,使接收信噪比减小。这将使激光雷达的探测率降低，漏减率增加;使模拟调制的大气激光通信噪声增大;使数字激光通信的误码率增加。光束方向抖动则将使激光偏离接收孔径，降低信号强度；而光束空间相干性退化则将使激光外差探测的效率降低。

2.３ 、2.6这两个题目与晶体的材料相关，我不会做,新书中也没讲解到。

2.4 一块45z -切割的ＧaAs 晶体,长度为L,电场沿z 方向，证明纵向运用时的相位延迟为3410

2n r EL π

?λ?=

。

证明思路:这个题目和课本上第60页中'x n 、'y n 的推导比较类似，不同的就是晶体是

45z -切割的，对于证明题,用倒推法便可证出。（因为用证推法和晶体方面的知识有关，

我也不会，所以这个题目最多也就做个思考题,用做例题的话有些勉强。)证明过程如下： 证明:

3

''0041221()2y y z n L L n n E ππ

?γλλ=

=

+

3

''0041221()2

x x z n L L n n E ππ?γλλ==-

3''410

2y x n r EL π

???λ?=-=

。

2．５ 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'x E 、'y E 的光程差为半个波长(相应的相位差为π)时，所需要加的电压，称为“半波电压”，通常以V π或2

V λ表示。

3

063

2V n πλ

γ=

半波电压是表征电光晶体的一个重要的参数，这个电压越小越好,特别是在宽频带高频率的情况下，半波电压越小,需要的调制功率越小。晶体的半波电压是波长的函数。 由上式可知，半波电压还跟n 0和63γ有关。

2.7 若取616/s v m s =，ｎ=2．3５，010,0.6328s f MHz m λμ==，试估算发生拉曼——纳斯衍射所允许的最大晶体长度max L =?

思路分析:考虑到声束的宽度,则当光波传播方向上声束的宽度L 满足条件

2

00

4s n L L λλ<≈ 才会产生拉曼——纳斯衍射。求出s λ代入公式即可。解题过程如下:

解：

s

s s

v f λ=

2004s n L L λλ<≈=2

(

)

4s s

v n f λ，代入数据得， max 0.003523L m =

2.8 利用应变S 与声强I ｓ的关系式2

2

2s

s I S v ρ=

，证明一级衍射光强I １与入射光强Ｉ0之比为2621201()2s

s I L P n I I v πλρ=(取近似值2

21

1()4J v v =)。 思路分析:找到相关的公式，然后互相代入(这个题目就是不同公式的相互转换，没多大意思)。证明过程如下：

证明:

22

00cos ()()2i v I I J v =∝

2211sin ()()2

i v

I I J v =∝

由:2

211()4J v v ≈

211

4

i I I v ≈,0i I I ≈

2210112()44I v nL I π

λ

==? 由3

12

n n PS ?=-

得

223

210121()()42

I L n PS I πλ=- 将2

2

2s

s I S v ρ=

代入得 26

21201()2s

s I L P n I I v πλρ= ２.9 考虑熔岩石英中的声光布喇格衍射，若取00.6238m λμ=,ｎ＝1.４6，

35.9710/s v m s =?，100s f MHz =,计算布喇格角B θ。

思路分析：根据公式sin 2B s

n λ

θλ=求解，过程如下: 解:

s

s s

v f λ=

代入公式得:

sin 22B s s s

f n nv λλ

θλ=

= 代入数据得:

sin 0.00363B θ=

由于B θ很小，故可近似为： 0.00363B θ=

２.1０ 一束线偏振光经过长L=25ｃｍ,直径D=1c ｍ的实心玻璃,玻璃外绕Ｎ=250砸导线，通有电流I=5A 。取韦德常数为5

0.2510(')/()V cm T -=??,试计算光的旋转角θ。

思路分析：由L θ=?，知需求?,又有VH ?=，通过已知求出H 则本题可解。解题过程如下:

解:

Hdl NI =?

2NI

H R

π=

代入

L θ=?，VH ?=,

得:

2.4882NI NI

V

L V R D

θππ=== 2.１１ 概括光纤弱导条件的意义。

答:光纤的弱导特性是光纤与微波圆波导之间的重要差别之一。其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，而且为制造提供了很大的方便。

３.1 一纵向运用的ＫＤP 电光调制器，长为2c ｍ,折射率n=2.5,工作频率为1000ｋH ｚ。试求此时光在晶体中的渡越时间

思路分析：本题目实际上是求光在晶体中的运动时间。要求时间需要知道路程和速度，从题目中的已知不难求得。具体过程如下： 解:

011n c n υ=

8

8011310 1.2102.5

n c n υ?===?

101

0.02

1.6710d υ-=

=?m

3.２ 在电光调制器中,为了得到线性调制,在调制器中加入一个/4λ波片,波片的轴向如何设置最好?若旋转/4λ波片，它所提供的直流偏置有何变化？

答：为得到线性调制，需在调制器的光路上插入一个/4λ波片，其快慢轴与晶体的主轴x 成４5°角,从而使'x E 和'y E 两个分量之间产生/2π的固定相位差。若旋转波片,出射光的光强会变小，故应加大其直流偏压。

3.３ 为了降低电光调制器的半波电压,用４块ｚ切割的ＫＤ*P 晶体连接(光路串联,电路并联)成纵向串联式结构，为了使4块晶体的光电效应逐块叠加,各晶体的x 轴和ｙ轴应如何取向?并计算其半波电压。

思路分析：由题意可知，此调制器是横向电光调制，故应用横向调制相关知识来解答。具体过程如下：

答:应使４块晶体成纵向排列,且相邻晶体的光轴应互成９0°排列，即一块晶体的'y 和z 轴分别与另一块晶体的ｚ和'y 轴平行,这样排列后第一块和第三块晶体的光轴平行,第二块和第四块晶体的光轴平行。

经过第一块晶体后,亮光束的相位差

3

1'006321()2x z e z n n n E L π

???γλ?=-=

-+ 经过第二块后,其相位差

3

2'006321()2

z x e z n n n E L π

???γλ?=-=

-+ 于是，通过两块晶体之后的相位差为

3120632L

n V

d

π

???γλ

?=?+?=

由于第一块和第三块晶体的光轴平行,第二块和第四块晶体的光轴平行，故总的相位差为

3

120634'22()L n V

d

π

????γλ

?=?=?+?=

3

063(

)4d V n L πλλ=

3.4 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:不能。因为自然光可以看成无数方向上的偏振光的叠加,故经过调制器后各个方向上的偏振光叠加后仍是自然光。

分析：这个题目只适合作为一般的思考题，做例题并不合适。

3.7 用PbMoO ４晶体做成一个声光扫描器,取n =2.48，M 2＝３7.75?1０-15s 3

/k ｇ,换能器宽度Ｈ=０.5mm 。声波沿光轴方向传播，声频ｆｓ=150MH ｚ,声速v ｓ=３.９9?105

ｃｍ/s ，光束宽度d ＝０．85ｃｍ，光波长λ=０．５μm 。

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P ｓ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 。

答:⑴ 由公式0

2

04λλs n L L ≈<证明不是拉曼-纳斯衍射。 ⑵ 22222cos L M I B s θλ=,??

? ??==L H M HLI P B s s 2222cos θλ ⑶ 若布喇格带宽?ｆ=125M Ｈz,衍射效率降低多少？s s

B f nv ?=?2λθ，

???

?????? ?

?=H P v P n f f s B s s θλπρ?ηcos 2232270 ⑷ 用公式)(λωφφ

θ

R N =???=和R

f v N s

s ?=

??=

ωφθ计算。

4.1 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hγ,ｈ是普朗克常数,γ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h γ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。值得注意的是，以后将要介绍一种所谓热释电效应是响应于材料的温度变化率,比其他光热效应的响应速度要快得多,并已获得日益广泛的应用。

4.2 总结选用光电探测器的一般原则。

答：用于测光的光源光谱特性必须与光电探测器的光谱响应特性匹配；考虑时间响应特性；考虑光电探测器的线性特性等。

4．3 为设计题，没有具体方案。

4.4 已知一Ｓi 光电池,在2

1000/W m 光照下,开路电压0.55u V ∞=，光电流

12i mA ?=。试求：

（１）在(200～7０0）2

/W m 光照下,保证线性电压输出的负载电阻和电压变化值； （２)如果取反偏压V=０．３Ｖ，求负载电阻和电压变化值; （3）如果希望输出电压变化量为０．5Ｖ，怎么办?

思路分析：从题目上可以看出是交变光电信号下的探测,为了保证输出特性的线性度

01.2('')

oc

b u R S P P =

+,通过已知条件即可求解。具体过程如下：

解：

01.2('')

oc

L b u R R S P P ==

+

SP i ?=

i S P

?=

P d M =?

00'''',P d M P d M =?=?

代入公式得:

001.2 1.2('')('')oc

oc L b u u R R i i d M d M M M d M

M

?

?

==

=

?+?+?

解得:

47.83L R =

002('')

2('')2MM HM b L

S P P U U S P P R G -==

=-

将01.2('')

oc

b u R S P P =

+代入

00001.2('')

('')

1.2('')('')

oc MM oc u P P U S P P u S P P P P -=-=++

代入数据求解得：

00('')

1.20.14('')

MM oc

P P U u V P P -==+

(２)若取反偏压V=0.3Ｖ,则相当于开路电压oc u 减去0.3V,故将上面过程中oc u 换成0.25V 代入公式求解即可。

（3)此时题目相当于已知MM U ＝0.5V ，求oc u 的过程。 由

00('')

1.2('')

MM oc

P P U u P P -=+

得：

00('')0.51150

1.921.2('') 1.2250

MM oc U P P u V P P +?=

==-?

故应加一个１．3７Ｖ的正偏压。

4.５ 如果Si 光电二极管灵敏度为１０ /A W μμ，结电容为10ｐF,光照功率5 W μ时，拐点电压为10V,偏压40Ｖ,光照信号功率()52cos()P t W μ=+，试求；

(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。

思路分析:对于Ｓi 光电二极管来讲，交变光电探测情况下有两种情况，由已知可以看出此处应用第一种情况分析。利用公式0('')2''

2('')

p S P P gu G V u ++=

-求解,具体过程如下:

解：（1）

6

65101051010

i g u --??===?

0''''''

gu SP u

u gu SP +=+(ｕ为光照功率5 W μ时所对应的电压） 0''''''''ugu uSP ugu u SP +=+

0''''uSP u SP =

5''7

u u = ''14u V =

将各参数代入公式得:

60('')2''

5102('')

p S P P gu G V u -++=

=?-

61010L p G G g -=+=?

510L R =Ω

(2）：

2

2200('')('')111[][]2222()

H L HM L L P L P S P P S P P P G u G G G G g G g --===+++

2

0[('')]10.00011258H L

S P P P G -==

(3)

51

1.59102c L j

f R C π=

=?

4.6 证明1

s i h NEP e SNR

νη=

。

思路分析:本题是对量子效率等概念的综合运用。

证明：

i

h R e

νη= n

i th

i R P =

th P NEP =

s

n i i SNR

=

分别代入即得:

1

s i h NEP e SNR

νη=

原题得证。

５.1 以表面沟道CCD 为例,简述ＣC Ｄ电荷存储、转移、输出的基本原理。CC Ｄ的输出信号有什么特点?

答:构成ＣCD 的基本单元是MOS(金属－氧化物-半导体)电容器。正如其它电容器一样，MO Ｓ电容器能够存储电荷。如果ＭＯS 结构中的半导体是P 型硅，当在金属电极(称为栅）上加一个正的阶梯电压时(衬底接地),Si-SiO 2界面处的电势（称为表面势或界面势)发生相应变化，附近的P 型硅中多数载流子——空穴被排斥，形成所谓耗尽层,如果栅电压ＶG 超过

MOS 晶体管的开启电压，则在S ｉ-SiO ２界面处形成深度耗尽状态,由于电子在那里的势能较低，我们可以形象化地说:半导体表面形成了电子的势阱，可以用来存储电子。当表面存在势阱时，如果有信号电子（电荷）来到势阱及其邻近，它们便可以聚集在表面。随着电子来到势阱中,表面势将降低，耗尽层将减薄，我们把这个过程描述为电子逐渐填充势阱。势阱中能够容纳多少个电子，取决于势阱的“深浅”,即表面势的大小，而表面势又随栅电压变化，栅电压越大，势阱越深。如果没有外来的信号电荷。耗尽层及其邻近区域在一定温度下产生的电子将逐渐填满势阱，这种热产生的少数载流子电流叫作暗电流,以有别于光照下产生的载流子。因此,电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。

以典型的三相CCD 为例说明CCD 电荷转移的基本原理。三相CCD 是由每三个栅为一组的间隔紧密的ＭO Ｓ结构组成的阵列。每相隔两个栅的栅电极连接到同一驱动信号上，亦称时钟脉冲。三相时钟脉冲的波形如下图所示。在t 1时刻,φ1高电位，φ2、φ３低电位。此时φ1电极下的表面势最大,势阱最深。假设此时已有信号电荷（电子)注入,则电荷就被存储在φ

１

电极下的势阱中。ｔ2时刻,φ1、φ2为高电位，φ3为低电位，则φ１、φ２下的两个势阱的

空阱深度相同,但因φ1下面存储有电荷，则φ1势阱的实际深度比φ2电极下面的势阱浅，φ1下面的电荷将向φ2下转移，直到两个势阱中具有同样多的电荷。ｔ3时刻,φ2仍为高电位,φ３仍为低电位，而φ１由高到低转变。此时φ1下的势阱逐渐变浅，使φ1下的剩余电荷继续向φ2下的势阱中转移。t ４时刻，φ２为高电位,φ1、φ3为低电位，φ２下面的势阱最深，信号电荷都被转移到φ2下面的势阱中,这与t 1时刻的情况相似，但电荷包向右移动了一个电极的位置。当经过一个时钟周期T 后,电荷包将向右转移三个电极位置，即一个栅周期(也称一位）。因此，时钟的周期变化,就可使CCD 中的电荷包在电极下被转移到输出端，其工作过程从效果上看类似于数字电路中的移位寄存器。

φ3

φ1

φ2t 1t 2t 3t 4

φ3

φ1φ2t 1t 2t 3t 4

电荷输出结构有多种形式,如“电流输出”结构、“浮置扩散输出”结构及“浮置栅输出”结构。其中“浮置扩散输出”结构应用最广泛,。输出结构包括输出栅OG 、浮置扩散区FD 、复位栅R 、复位漏RD 以及输出场效应管T 等。所谓“浮置扩散”是指在P 型硅衬底表

光电子技术课后答案安毓敏第二版

习 题 1 1. 设在半径为R c 的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l 0处有一个辐射强度为I e 的点源S ，如图所示。试计算该点源发射到盘圆的辐射功 率。 ΩΦd d e e I =， 202πd l R c =Ω 202e πd d l R I I c e e ==ΩΦ 2. 如图所示，设小面源的面积为A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0的夹角为 s ；被照面的面积为A c ，到面源A s 的距离为l 0。若 c 为辐射在被照面A c 的入射角，试计算小面源在A c 用定义r r e e A dI L θ?cos =和A E e e d d Φ=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=T m λ。 这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为2.89810-3 m 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。 l 0 S R c 第1题图 L e ?A s ?A c l 0 θs θc 第2题图

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。 5. 何为电光晶体的半波电压？半波电压由晶体的那些参数决定？ 当光波的两个垂直分量E x ，E y 的光程差为半个波长（相应的相位差为）时所需要加的电压，称为半波电压。 7. 若取v s =616m/s ，n =2.35， f s =10MHz ， 0=0.6328m ，试估算发生拉曼-纳斯衍射 所允许的最大晶体长度L max =? 由公式0 2202044λλλs s s f nv n L L =≈<计算，得到 612 2022max 10 6328.0410********.24-?????==λs s f nv L 。 10. 一束线偏振光经过长L =25cm ，直径D =1cm 的实心玻璃，玻璃外绕N =250匝导线，通有电流I =5A 。取韦尔德常数为V =0.2510-5（）/cm T ，试计算光的旋转角。 由公式L αθ=、VH =α和L NI H = 计算，得到VNI =θ。 11. 概括光纤弱导条件的意义。 从理论上讲，光纤的弱导特性是光纤与微波圆波导之间的重要差别之一。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。所以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，而且为制造提供了很大的方便。 15. 光波水下传输有那些特殊问题？ 主要是设法克服这种后向散射的影响。措施如下： ⑴适当地选择滤光片和检偏器，以分辨无规则偏振的后向散射和有规则偏振的目标反射。 ⑵尽可能的分开发射光源和接收器。 ⑶采用如图2-28所示的距离选通技术。当光源发射的光脉冲朝向目标传播时，接收器

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?A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0 的夹角为?s ；被照面的面积为?A c ，到面源?A s 的距离为l 0。若?c 为辐射在被照面?A c 的入射角，试计算小面源在?A c 上产生的辐射照度。 解：亮度定义: r r e e A dI L θ?cos = 强度定义:Ω Φ =d d I e e 可得辐射通量：Ω?=Φd A L d s s e e θcos 在给定方向上立体角为： 2 cos l A d c c θ?= Ω 则在小面源在?A c 上辐射照度为：2 cos cos l A L dA d E c s s e e e θθ?=Φ= 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L e 均相同，试计算该扩展源在面积为A d 的探测器表面上产生的辐照度。 答：由θcos dA d d L e ΩΦ = 得θcos dA d L d e Ω=Φ，且() 2 2cos r l A d d +=Ωθ 则辐照度：()e e e L d r l rdr l L E πθπ =+=? ?∞ 20 0222 2 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5.67?10-8W/m 2K 4 解答：教材P9，对公式2 1 5 1 ()1 e C T C M T e λλλ= -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n x =n y =n 0、n z ＝n e 。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： 第1.2题图

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第一章 1. 设在半径为R c 的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l 0处有一个辐射强度为I e 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 ΩΦd d e e I = ， 且 ()??? ? ??+- =-===Ω?22000212cos 12sin c R R l l d d r dS d c πθπ?θθ 所以??? ? ??+-=Ω=Φ220012c e e e R l l I d I π 2. 如图所示，设小面源的面积为A s ，辐射亮度为L e ，面源法线 与l 0的夹角为s ；被照面的面积为A c ，到面源A s 的距离为l 0。若c 为辐射在被照面A c 的入射角，试计算小面源在A c 上产生的辐射照度。 解：亮度定义: r r e e A dI L θ?cos = 强度定义:Ω Φ =d d I e e 可得辐射通量：Ω?=Φd A L d s s e e θcos 在给定方向上立体角为：2 cos l A d c c θ?= Ω 则在小面源在?A c 上辐射照度为：20 cos cos l A L dA d E c s s e e e θθ?=Φ= 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L e 均相同，试计算该扩展源在面积为A d 的探测器表面上产生的辐照度。 答：由θcos dA d d L e ΩΦ = 得θcos dA d L d e Ω=Φ，且() 2 2cos r l A d d +=Ωθ 则辐照度：()e e e L d r l rdr l L E πθπ =+=? ?∞ 20 0222 2 4. 霓虹灯发的光是热辐射吗？ l 0 S R c L e A s A c l 0 s c 第1.2题图

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第一章 2. 如图所示，设小面源的面积为?A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0 的夹角为θs ；被照面的面积为?A c ，到面源?A s 的距离为l 0。若θc 为辐射在被照面?A c 的入射角，试计算小面源在?A c 上产生的辐射照度。 解：亮度定义: r r e e A dI L θ?cos = 强度定义:Ω Φ =d d I e e 可得辐射通量：Ω?=Φd A L d s s e e θcos 在给定方向上立体角为： 2 cos l A d c c θ?= Ω 则在小面源在?A c 上辐射照度为：2 cos cos l A L dA d E c s s e e e θθ?=Φ= 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L e 均相同，试计算该扩展源在面积为A d 的探测器表面上产生的辐照度。 答：由θcos dA d d L e ΩΦ = 得θcos dA d L d e Ω=Φ，且() 2 2cos r l A d d +=Ωθ 则辐照度：()e e e L d r l rdr l L E πθπ =+=? ?∞ 20 0222 2 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/m 2K 4 解答：教材P9，对公式2 1 5 1 ()1 e C T C M T e λλλ=-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n x =n y =n 0、n z ＝n e 。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： L e ?A s ?A c l 0 θs θc 第1.2题图

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第一章 1. 设在半径为R c 的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l 0处有一个辐射强度为I e 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 ()??? ? ??+- =-===Ω?22000212cos 12sin c R R l l d d r dS d c πθπ?θθ 所以??? ? ??+-=Ω=Φ220012c e e e R l l I d I π 2. 如图所示，设小面源的面积为?A s ，辐射亮度为L e ，面源法线 与l 0的夹角为θs ；被照面的面积为?A c ，到面源?A s 的距离为l 0。若θc 为辐射在被照面?A c 的入射角，试计算小面源在?A c 上产生的辐射照度。 解：亮度定义: 强度定义:Ω Φ =d d I e e 可得辐射通量：Ω?=Φd A L d s s e e θcos 在给定方向上立体角为：2 0cos l A d c c θ?= Ω 则在小面源在?A c 上辐射照度为：20 cos cos l A L dA d E c s s e e e θθ?=Φ= 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L e 均相同，试计算该扩展源在面积为A d 的探测器表面上产生的辐照度。 答：由θcos dA d d L e ΩΦ = 得θcos dA d L d e Ω=Φ，且() 2 2cos r l A d d +=Ωθ 则辐照度：()e e e L d r l rdr l L E πθπ =+=? ?∞ 20 0222 2 4. 霓虹灯发的光是热辐射吗？ ΩΦd d e e I = r r e e A dI L θ?cos = 第1.1题图 第1.2题图

张永林 第二版《光电子技术》课后习题答案.doc

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+d λ范围内发射的辐射通量 d Φe ，除以该波长λ的光子能量h ν，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63 2.8nm ）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。 322 51122()()()6830.2652100.362()()22(1cos )()0.362 1.15102(1cos )2(1cos 0.001) 1.4610/cos cos cos 0 ()0.3v m e v v v v v v v v v v v K V lm d I d S Rh R R I cd dI I I L cd m dS S r d M dS λλλλλππθλπθπθθπλ-Φ=Φ=???=Φ?Φ= =Ω?Ω ??Ω===-?Φ===?--??====??Φ==52262 4.610/0.0005lm m π=??'2' ''22 2' '2'2 '100.0005(6)0.850.850.85cos 0.85155/cos 2v v v v v v v v l m r m P d r M E L dS l r L d dM l L cd m d dS d πθπθπ =>>=Φ===??Φ====ΩΩ

光电子技术基础考试题及答案

光电子技术基础考试题及答案 一、选择题 1.光通量的单位是（ B ）. A.坎德拉 B.流明 C.熙提 D.勒克斯 2. 辐射通量φe的单位是（ B ） A 焦耳 (J) B 瓦特 (W) C每球面度 (W/Sr) D坎德拉(cd) 3.发光强度的单位是（ A ）. A.坎德拉 B.流明 C.熙提 D.勒克斯 4.光照度的单位是（ D ）. A.坎德拉 B.流明 C.熙提 D.勒克斯 5.激光器的构成一般由（ A ）组成 A.激励能源、谐振腔和工作物质 B.固体激光器、液体激光器和气体激光器 C.半导体材料、金属半导体材料和PN结材料 D. 电子、载流子和光子 6. 硅光二极管在适当偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且动态范围较大。适当偏置是（D） A 恒流 B 自偏置 C 零伏偏置 D 反向偏置 7.2009年10月6日授予华人高锟诺贝尔物理学奖，提到光纤以SiO2为材料的主要是由于（ A ） A.传输损耗低 B.可实现任何光传输 C.不出现瑞利散射 D.空间相干性好

8.下列哪个不属于激光调制器的是（ D ） A.电光调制器 B.声光调制器 C.磁光调制器 D.压光调制器 9.电光晶体的非线性电光效应主要与（ C ）有关 A.内加电场 B.激光波长 C.晶体性质 D.晶体折射率变化量 10.激光调制按其调制的性质有（ C ） A.连续调制 B.脉冲调制 C.相位调制 D.光伏调制 11.不属于光电探测器的是（ D ） A.光电导探测器 B.光伏探测器 C.光磁电探测器 D.热电探测元件 https://www.wendangku.net/doc/5d8392329.html,D 摄像器件的信息是靠（ B ）存储 A.载流子 B.电荷 C.电子 D.声子 13.LCD显示器，可以分为（ ABCD ） A. TN型 B. STN型 C. TFT型 D. DSTN型 14.掺杂型探测器是由（ D ）之间的电子-空穴对符合产生的，激励过程是使半导体中的载 流子从平衡状态激发到非平衡状态的激发态。 A.禁带 B.分子 C.粒子 D.能带 15.激光具有的优点为相干性好、亮度高及（ B ） A色性好 B单色性好 C 吸收性强 D吸收性弱 16.红外辐射的波长为（ D ）. A 100-280nm B 380-440 nm C 640-770 nm D 770-1000 nm 17.可见光的波长范围为（ C ）.

张永林第二版《光电子技术》课后习题答案. ()

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：~ 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~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。 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**^2= 一支氦-氖激光器（波长为）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，求该屏上的光亮度。 从黑体辐射曲线图可以看书，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长随温度T的升高而减小。试用普朗克热辐射公式导出 式这一关系式称为维恩位移定律中，常数为?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。教材P8 什么是光辐射的调制？有哪些调制的方法？它们有什么特点和应用？ 光辐射的调制是用数字或模拟信号改变光波波形的幅度、频率或相位的过程。 光辐射的调制方法有内调制和外调制。 内调制：直接调制技术具有简单、经济、容易实现等优点。但存在波长(频率)的抖动。 LD、LED 外调制：调制系统比较复杂、消光比高、插损较大、驱动电压较高、难以与光源集成、偏振敏感、损耗大、而且造价也高。但谱线宽度窄。机械调制、电光调制、声光调制、磁光调制 说明利用泡克尔斯效应的横向电光调制的原理。画出横向电光调制的装置图，说明其中各个器件的作用。若在KDP晶体上加调制电压U=Um ，U在线性区内，请写出输出光通量的表达式。 Pockels效应：折射率的改变与外加电场成正比的电光效应。也称线性电光效应。 光传播方向与电场施加的方向垂直，这种电光效应称为横向电光效应。 说明利用声光布拉格衍射调制光通量的原理。超声功率Ps的大小决定于什么？在石英晶体上应加怎样的电信号才能实现光通量的调制？该信号的频率和振幅分别起着什么作用？ 当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变作时间上和空间上的周期性的变化，并且导致介质的折射率也发生相应的变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。 声光介质在超声波的作用下，就变成了一个等效的相位光栅，当光通过有超声波作用的介质时，相位就要受到调制，其结果如同它通过一个衍射光栅，光栅间距等于声波波长，光束通过这个光栅时就要产生衍射，这就是声光效应。布拉格衍射是在超声波频率较高，声光作用区较长，光线与超声波波面有一定角度斜入射时发生的。

光电子技术作业解答

赖老师的课到期中考试为止一共有9次作业，依次分别由冯成坤、饶文涛、黄善津、刘明凯、郑致远、黄瑜、陈奕峰、周维鸥和陆锦洪同学整理，谨此致谢！ 作业一： 1、桌上有一本书，书与灯至桌面垂直线的垂足相距半米。若灯泡可上下移动，灯在桌上面多高时，书上照度最大（假设 灯的发光强度各向通性，为I0） 解：设书的面积为dA ，则根据照度的定义公式： dA d I dA d E 0Ω==φ （1） 其中Ωd 为上图所示的立体角。 因而有： 2/32222) h (L h dA h L cos dA d +?=+?= Ωθ （2） 将（2）式代入（1）式得到： 2 /3220)h (L h I E += （3） 为求最大照度，对（3）式求导并令其等于零， 计算得： 因而，当高度为m 221 时书上的照度最大。 2、设He-Ne 激光器中放电管直径为1mm ，发出波长为6328埃的激光束，全发散角为=10-3rad ，辐射通量为3mW ，视见函数取 V(6328)=，求： （1）光通量，发光强度，沿轴线方向的亮度 （2）离激光器10米远处观察屏上照明区中心的照度 （3）若人眼只宜看一熙提的亮度，保护眼镜的透射系数应为多少 解：（1）光通量：lm 49.010324.0638V K 3m v =???=Φ??=Φ-θ 发光强度：cd 1024.64 d d I 52v v ?≈Φ=ΩΦ=θπ 亮度：2112 35m /cd 1059.7)10(4 1024.6dAcos dI L ?≈??==-πθ轴 （2）由题意知，10米远处的照明区域直径为： 从而照度为：lx 9.6238)10(4149.0D 4E 2 22 v =??=Φ=-ππ （3）透射率：8114 1026.110 95.710L 1T -?≈?==轴（熙提）

光电子技术题目与答案8页

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 2) 自发跃迁是指处于高能级的粒子自发地跃迁到低能级上。 受激跃迁是指由于外界辐射场作用而产生的粒子能级间的跃迁。 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 均匀展宽有自然展宽、碰撞展宽、热振动展宽，非均匀展宽有多普勒展宽、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、钛宝石激光器（写 出两种），常见的气体激光器有He-Ne激光器、Ar激光器、CO2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；其静止质量为零。 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) 简述光子的基本特性。 答：1、光子能量E与光波频率v对应：E=hv 2、光子具有运动质量m，m=E/c2=hv/c2 3、光子的动量与单色平面波矢对应：P=?k 4、光子具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向 5、光子具有自旋性，并且自旋量子数为整数

8) 简述激光产生的条件、激光器的组成及各组成部分的作用。 答：必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数 充分条件：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 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：将粒子从低能级抽运到高能级的装置 谐振腔：1、使激光具有极好的方向性 2、增强光放大作用 3、使激光具有极好的单色性 1)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，布喇格衍射两种类型。 2) 磁光效应是指外加磁场作用所引起的材料光学各项异性，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）光的传播方向反转时，法拉第旋转的左右方向互换。 3) 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型变，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。 4) 光纤色散的主要危害是使脉冲信号展宽，限制了光纤的宽带或传输容量，多模光纤的色散主要有模色散、材料色散、波导色散

光电子技术安毓英版答案

习 题1 1. 设在半径为R c 的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l 0处有一个辐射强度为I e 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：ΩΦd d e e I =， 20 2 πd l R c =Ω 20 2 e πd d l R I I c e e ==ΩΦ 2. 如图所示，设小面源的面积为?A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0的夹角为θs ；被照面的面积为?A c ，到面源?A s 的距离为l 0。若θc 为辐射在被照面?A c 的入射角，试计算小面源在?A c 上产生的辐射照度。 解：用定义r r e e A dI L θ?cos = 和A E e e d d Φ=求解。 3.假设有一个按郎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e L 均相同。试计算该扩展源在面积为d A 的探测器表面上产生的辐照度。 解：辐射亮度定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量，因为余弦辐射体的辐射亮度为 eo e eo dI L L dS = = 得到余弦辐射体的面元dS 向半空间的辐射通量为 0e e e d L dS L dS ππΦ== 又因为在辐射接收面上的辐射照度e E 定义为照射在面元上的辐射通量e d Φ与该面元的面积dA 之比，即e e d E dA Φ= 所以该扩展源在面积为d A 的探测器表面上产生的辐照度为e e d L dS E A π= 单位是2 /W m 4. 霓虹灯发的光是热辐射吗？ 解： 不是热辐射。 5刚粉刷完的房间从房外远处看，它的窗口总显得特别黑暗，这是为什么？ 解：因为刚粉刷完的房间需要吸收光线，故从房外远处看它的窗口总显得特别黑暗 第1题图 第2题图

光电子技术安毓英习题答案(完整版)

光电子技术题库及答案 (完整版) 第一章 2. 如图所示，设小面源的面积为?A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0 的夹角为θs ；被照面的面积为?A c ，到面源?A s 的距离为l 0。若θc 为辐射在被照面?A c 的入射角，试计算小面源在?A c 上产生的辐射照度。 解：亮度定义: r r e e A dI L θ?cos = 强度定义:Ω Φ =d d I e e 可得辐射通量：Ω?=Φd A L d s s e e θcos 在给定方向上立体角为： 2 cos l A d c c θ?= Ω 则在小面源在?A c 上辐射照度为：2 cos cos l A L dA d E c s s e e e θθ?=Φ= 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L e 均相同，试计算该扩展源在面积为A d 的探测器表面上产生的辐照度。 答：由θcos dA d d L e ΩΦ = 得θcos dA d L d e Ω=Φ，且() 2 2cos r l A d d +=Ωθ 则辐照度：()e e e L d r l rdr l L E πθπ =+=? ?∞ 20 0222 2 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/m 2K 4 解答：教材P9，对公式2 1 5 1 ()1 e C T C M T e λλλ=-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n x =n y =n 0、n z ＝n e 。它所属的三方晶 L e ?A s ?A c l 0 θs θc 第1.2题图

光电子技术新增题目及答案

8. 使用棱镜耦合将光耦合进入单模光纤中，若棱镜系统的数值孔径NA 是0.3，光源波长是532.8nm ，如果想要单模光纤与棱镜系统的数值孔径匹配，则其纤芯最大可以是多少？试从结果讨论其可行性。 答：单模光纤需要满足：*.. 2.41a N A c ω<=> 2.41.. a N A λ< =>a<4.28um 一般单模光纤的纤芯在10um 左右，如果纤芯太小，会增加传输损耗，不能进行长距离的传输，所以在设计光纤通信系统时需要注意纤芯以及耦合方式的设计。 15．在弱传导近似下，利用公式（5.97）计算EH 11模和HE 31模的截止条件，并利 用标量模理论解释其物理原因。 对于EH 11模，其截止公式为：1()0J U =，查表得到：U 11=3.832 对于HE 31模，其截止公式为：1()0 J U =（弱传导近似结果）其截至条件为U 11=3.832；这里注意一下由于3(0)0J =所以不能取U=0的根 利用标量模近似分析，EH 11模和HE 31模同属于LP 21模 17．如果在4 1拍长的两个自聚焦透镜对之间的准直光路中插入法拉第旋光器和两个偏振器，就可以做成光纤隔离器，如下图所示，简要说明其原理。 见P211 左侧入射的光束经过聚焦纤维透镜之后成为大致平行的光束，经过0o θ=偏振镜后，偏振方向被调制到与光轴平行，继续经过法拉第旋光器后偏振方向旋转45度，正好通过45o θ=偏振片与另一侧（右侧）聚焦纤维透镜耦合。反射光会再次经过旋光器，偏振继续旋转45度，成为垂直于光轴的方向，不能通过0o θ=的偏振器，从而隔离反射光。 18．（a ）单模光纤在z x -平面内弯曲时产生应力双折射，对于石英光纤有 2)(133.0R a n n n y x -=?-?=δ，这里a 为光纤芯半径，R 为光纤弯曲半径，若用一个光纤圈构成14 波片，0.63m λμ=，m a μ5.62=时，R 应为多大？对于这种弯折

光电(第二版)习题答案1-9章

第一章绪论 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、各种传感器等。 光存储器件分为光盘(包括CD、VCD、DVD、LD等)、光驱、光盘塔等。 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。 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，出现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得到了迅速发展；也出现了保偏光纤、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增长对信息的采集、传输、处理、存储与显示都提出了严峻的挑战，国家经济与社会的发展，国防实力的增强等都更加依赖于信息的广度、深度和速度。 ⒋举出几个你所知道的光电子技术应用实例。 如：光纤通信，光盘存储，光电显示器、光纤传感器、光计算机等等。 ⒌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）。

光电子技术安毓英版答案汇编

习题1 1?设在半径为R c的圆盘中心法线上，距盘圆中心为I。处有一个辐射强度为I e的点源S,如图所示。试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。 2.如图所示，设小面源的面积为「A s,辐射亮度为L e,面源法线与I。的夹角为被照面的面积为.-：Ac，至価源.■:A s的距 离为I。。若4为辐射在被照面「A c的入射角，试计算小面源在UAc上产生的辐射照度。 3?假设有一个按郎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） 该扩展源在面积为A d的探测器表面上产生的辐照度。 解：辐射亮度定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量，因为余弦辐射体的辐射亮度为 L = dI e^ = L e dS eo 得到余弦辐射体的面元dS向半空间的辐射通量为 d：：「Le。二dS ms d①又因为在辐射接收面上的辐射照度E e定义为照射在面元上的辐射通量d「e与该面元的面积dA之比，即E e e dA L ndS 2 所以该扩展源在面积为A d的探测器表面上产生的辐照度为E e e单位是W/m2 A d 解: l e n R2 =le d「 ，其各处的辐亮度L e均相同。试计算d：」 e e 解：用定义L e

4.霓虹灯发的光是热辐射吗?

学习-----好资料 解： 不是热辐射。 5刚粉刷完的房间从房外远处看，它的窗口总显得特别黑暗，这是为什么？ 解：因为刚粉刷完的房间需要吸收光线，故从房外远处看它的窗口总显得特别黑暗 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 f 随温度T 的升高而减小。试由普朗克 热辐射公式导出 ■m T 二常数。 这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为 2.898 10-3m 水。 解：普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于 0，即可求的。 7?黑体辐射曲线下的面积等于在相应温度下黑体的辐射出射度 M 。试由普朗克热辐射公式导出 M 与温度T 的四次方成正 比，即 M 二常数*T 4 ■5 [exp(C 21 / T)-1]及地球面积 ’ 4 R 2 得出地球表面接收到此辐射的功率。 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？ 解：按色 温区分。 10. :? v dv 为频率在vLI(v ，dv)间黑体辐射的能量密度，'.d-为波长在’L d ■间黑体辐射能量密度。已知 3 3 ;? v =8二 hv / c [exp( hv/kBT)-1]，试求 匚。 解：黑体处于温度 T 时，在波长■处的单色辐射出射度有普朗克公式给出： 2-hc 2 M eb - 5 ，[exp(hc/，k )-1] 则上式可改写为 C 1 M e b = 5 ■ [exp(C 2/ T) -1] 将此式积分得 2 M eb 二M eb d ■二5 c d - cT 4此即为斯忒藩一玻尔兹曼定律。 eb 0 3[exp(hc/，k B )-1] = 5.670 10$J / m 2*k 4为斯忒藩一玻尔兹曼常数。 &宇宙大爆炸遗留在宇宙空间的均匀背景热辐射相当于 (1) 此辐射的单色辐射出射度在什么波长下有意义? (2) 地球表面接收到此辐射的功率是多大？ 3K 黑体辐射。 解：答(1)由维恩位移定律'm T =2897.9(?im* k )得 2897.9 3 =965.97 J m (2)由M e =d e 和普朗克公式 M e.b dS 这一关系式被称为斯忒藩一玻尔兹曼定律，其中常数为 5.67*10-8W( m 2 K 4)O 式中h 为普朗克常数, c 为真空中光速，k B 为玻尔兹曼常数。令 C i =2二he G 二晋 ^-.2, 4 2 k

《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、CO 激光器或Ar+激光器（写 2 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100/4π W/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100/4π W/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100/16π W/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）ωνη==h E ；（2）2 2c h c E m ν== ，光子具有运动质量，但静止质量为零；（3） k P ?η?=；（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E 2和E 1（g 2=g 1），相应的频率为ν（波长为λ），各 能级上的粒子数为n 2和n 1。求 （1）当ν=3000MHz，T =300K 时，n 2/n 1=？ （2）当λ=1μm，T =300K 时，n 2/n 1=？ （2）当λ=1μm， n 2/n 1=时，温度T =？ 解：(1) 999 .03001038.110300010626.6exp exp exp 23634121212=??? ? ???????-=??? ? ??-=???? ??--=--T k h T k E E g g n n B B ν (2)

《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 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

《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、CO 2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100/4π W/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 100/4π W/m 2。 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100/16π W/m 2。 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）ων ==h E ；（2）22c h c E m ν== ，光

光电子技术习题答案

设半径为R c 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 φ由公式e e d E dA φ=，e e d I d φ=Ω 都和e φ有关，根据条件，都可求出。解题过程如下： 法一 e e d E dA φ= 故：20 c R e e E dA πφ= ? 又：20 e e I E l = 代入上式可得： 220 e e c I R l φπ= 法二： e e d I d φ= Ω 220 c R l e e I d πφ=Ω? 2 20 e c e I R l πφ= 如下图所示，设小面源的面积为s A ?，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0的夹角为s θ；被照面的面积为c A ?，到面源s A ?的距离为l 0。若c θ为辐射在被照面c A ?的入射角，试计算小面源在c A ?上产生的辐射照度。 思路分析：若求辐射照度e E ，则应考虑公式2 0e e I E l =。又题目可知缺少I e ，则该考虑如何求I e 。通过课本上的知识可以想到公式cos e e dI L dS θ =，通过积分则可出I e 。解 题过程如下： 解：

2 0e e I E l = 由cos e e dI L dS θ = 可得 cos s A e e I L dS θ?=? = cos e s L A θ?，故： 22 00cos e e s e I L A E l l θ?= = 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 e 均相同。试计算该扩展源在面积为A d 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E e ，由公式e e d E dA φ= 可知，要解此题需求出e d φ，而朗伯体的辐射通量为cos e e e d L dS d L dS φθπ=Ω=?，此题可解。解题过程如下： 解： e e d E dA φ= cos e e e d L dS d L dS φθπ=Ω=? e e e L dS E L dA ππ= = 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。 此题不适合做例题，可在相关章节做个小思考题。 刚粉刷完的房间从房外远处看，它的窗口总是显的特别黑暗，这是为什么？ 答：刚粉刷完的房间可以看成一个光学谐振腔，由于刚粉刷完的墙壁比较光滑，容易产生几何偏折损耗，故看起来总是特别黑。 这个题目也是不适合作为例题，可以和题一样以思考题的形式出现。 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 λ随温度