复习资料光电子技术

▲光与原子相互作用

1)相同能量和动量属同一本征模式且不可区分2)同一模式光子数目无限制3)电磁场可看作一系列本征模式线性叠加4)边界条件限制的电磁波只允许驻波 光波模式数：238/n d V c νπνν=光波相干长度：/c c L c c τν==? 每个模式能量：/[exp(/)1]E h h kT νν=-模式数密度：238/n c νπν=

黑体辐射公式：3381exp(/)1

h c h kT νπνρν=?-（辐射场能密度）

1)自发辐射：无需外来光，随机发光，发出光子不相干，能量分布多个模式。

几率：212122

11sp s dn A dt n τ??== ?

??光子数：22021exp()n n A t =- 2)受激吸收：几率：1212121

1

st dn W B dt n νρ??== ?

??νρ辐射场能量密度 3)受激辐射：与外来光子一样的特征，是相干光2121212

1

st dn W B dt n νρ??==

?

?? 三者相互关系式：

22211exp()f E E n f kT --1221B B =3

21213

8h A B c πν=

▲激光形成、特性

反转粒子数：外界向物质提供能量增益大于损耗：自激振荡的阈值条件 增益：0exp()I I Gz =损耗：单程损耗0exp(2)I I δ=-衍射损耗2/L a δλ= 输出损耗：12

0.5ln rr δ=-或0.5T δ=-（透射率小于0.05） 特性：单色、相干、方向、高强度参数：波长、模式、发散角、功率 ▲光学谐振腔

g 参数：1/g L R =-稳定腔条件：1201g g <<

光线传输：r θ?? ???传播L ：101L ?? ???反射镜：102/1R ??

?-??凹R 为正 介质交界：12100/n n ??

???

球面透镜：1

01/1F ?? ?-??

谐振腔内往返一周：221212122212(

)2(2)/421g Lg A B T g g g g L g g g C D -??

== ?-+---??

n 周：sin sin(1)sin 1(

)sin sin sin(1)sin n A n n B n T C n D n n ???????

--=

--arccos

2

A D

?+= ▲谐振腔衍射

渡越时分布情况不再受衍射影响，只有整体按同样比例衰减。 方形共焦：渡越方程：exp()''

(,)(',')exp()''mn mn mn i ikL xx yy u x y u x y ik dx dy L L σλ-+=

??

方程解：2

2

2

000(,))mn m n s

s s

x y

u x y H H ω+=

-

0s ωH m (x)：2[/2]

(1)!(2)()!(2)!k m k m m k m H x k m k ξ-=-=

-∑

exp{['(1)]}2

mn i kL m n π

σ=--++

0()1H x =1()2H x x =22()42H x x =-3

3()812H x x x =-

特性：1)基模半径：振幅降至最大值的1/e 2)模参数m 、n 是沿x 、y 轴的节线数 3)镜面为等相位面4)同一横模菲涅耳数N 越大，损耗率越小 5)菲涅

耳数N 相同时，模的阶次越高，损耗率越大

基膜体积：0

200

121/2[()/2]s s V L πωω=?+1s ω、2s ω为镜面光斑半径 谐振频率：[/(2')][(1)/2]mnq c L q m n ν=+++存在频率简并现象

行波场：22

000(,,))exp[(,,)]()()

mn m n s s x y E x y z H H i x y z z z ωφωω+=

-

光波半径：()z ωω=

0ω f 共焦参数

圆形共焦：200

exp()'cos(')

(,)(',')exp()'''a mn mn mn i ikL rr u r u r ik r dr d L L π

φφσφφφλ--=

??

解：2

2202

002(,)exp(/)cos()m m mn n s s s

r u r L r m φωφω=-0

()!()()()!!()!

k n

m n k m n L m k k n k ξξ=+-=+-∑

212()z z R z -=-1212[()]/(2z L R L =-2112▲高斯光束 表达式：22002(,,)exp()exp{[()]}()()2c

r r z x y z i k z arctg w z w z R f

ψ=

--+- ()w z w =2()/R R z z f z ==+20/f w πλ=02/()w θλπ=

q 定义：2)/[()]i w z λπ-计算：()q z z if =+

传输规律：'()/()q Aq B Cq D =++ ABCD 为光学变换矩阵各项

传播L ：'q q L =+通过透镜：'/()q Fq F q =-

)222'/[()]f f F l F f =?-+ 00'w w F =?222'[()]/[()]l F l l F f l F f =?-+-+

光束自再现2)使用小焦距透镜(F>f)可实现聚焦3)一般利用倒装望远镜准直，短焦距聚焦，长焦距准直 ▲谱线加宽

由于各种因素的影响，自发辐射是分布在中心频率附近一个很小的范围内 线性函数：()()/()g I I d νννν=反映发光粒子或光源光谱线形状 均匀加宽：每一个发光粒子发的光对谱线内的任一频率都有贡献 自然加宽：2220()(/2)/[(/2)()]N m N N g g ννννν=???+-

2/()m N g πν=?21/(2)N νπτ?=N ν?自然线宽2τ上能级寿命 碰撞加宽（气）：()L g ν类似自然加宽L p να?=综合：H N L ννν?=?+? 非均匀加宽：每一个发光粒子只对谱线内的某些确定的频率才有贡献 多普勒：2

02

4ln 2()()exp()

D m D

g g νννν

-=?-?m g D ν?取kg!)

▲速率方程

跃迁几率：21210210(,)/(,)l l W A g N n vN νννσνν== 三能级方程：（实箭头：主要方向）

311333231/()dn dt nW n S A =-+123

n n n n =++ 210/(,)/l l l Rl dN dt n vN N σνντ=?-

221022121332/(,)()l dn dt n vN n S A n S σνν=-?-++ 2211/n n f n f ?=-Rl τ：第l 模式光子寿命 四能级系统：类似三能级写法 ▲小信号增益

三能级：简化：21120W W ==3213S W （即30n →） 简化方程：3113332/dn dt nW n S =-2

332221/dn dt n S n A =-12n n n =+ 由32//0dn dt dn dt ==解出：1211321/()n n A W A =?+21

n n n =- 反转粒子数：013211321()/()n n W A W A ?=?-+反转条件：1321W A > 四能级：简化：21120W W ==3203S W 、1021S W （即10n →、30n →） 简化方程：0110003/dn dt n S nW =-2

332221/dn dt n S n A =- 3003332/dn dt nW n S =-02n n n =+方程转化为：003221

nW n A = 反转粒子数：03030321/()n n n W W A ?==?+反转条件：030W > 小信号增益系数：入射光强较小，光强不影响反转粒子数 增益系数：0()1ln ()dI z I

G I z dz l I =

=0

I ：初光强I ：末光强l ：传播距离 增益系数与反转粒子数：210210/(,)(,)/dN dt n vN nA g N n νσνννν=?=?

I Nh v ν=3221021000

(,)(,)

()88dI dN nc A g nv A g G Idz Nvdt v νννννπνπν??=

===v 介质光速 均匀加宽：02220()(/2)/[(/2)()]H m H H G G ννννν=???+-20

02122

04m H

A v n G πνν?=

? 非均匀加宽：2002

4ln 2()()exp()D m D G G νννν-=?-

?0

m G

荧光线宽：()G ν下降到一半时F ν?，激光介质自发辐射产生的光谱线宽 峰值增益系数：He-Ne 0.0003/m G d = CO 20.014/m G d = d/mm m G /mm -1 ▲大信号增益

大信号增益系数：入射光强较大，光强影响反转粒子数 均匀加宽：反转粒子数：22

0022

0(/2)()(,)(/2)(1/)()H H S n I n I I ννννννννν?+-?=??

??++-

增益系数：20220(/2)(,)(/2)(1/)()H H m H S G I G I I ννννννν?=?

??++-2302

4H

S v h I πνν?=

饱和光强S I ：He-Ne 20.1~0.3(/)S I W mm = CO 2272/S I d = d/mm

反转粒子数饱和：当入射光强I ν达到可与S

I 0n n ?

结论：1)S I I ν≈、0νν=2)ν偏离中心频率越远, 饱和效应越弱3)大信号增益系数小于小信号增益系数 强光1ν作用下弱光2ν的增益系数：（强光模式对刚起振的弱光模式的影响）

22

10211222

110(/2)()(,,)(,0)(/2)(1/)()H H H H S G I G I I ννννννννννν?+-

=

??++-饱和线宽H ν?

非均匀加宽：反转粒子数的烧孔效应：入射光为ν时，反转粒子数在ν、02νν-减少孔宽H δνν

孔深：0()(,)i n n I ννν?-? 增益系数：02

04ln 2()(,))

D D G I ννννν--?0m G

性质：(,)D G I νν在0ν

D ν=?

烧孔效应：211(,,)D G I ννν孔宽H δνν孔深：1

011()(,)D D G G I ννν- 其中：01()D G ν1

1)D ν稳定工作时等于阈值增益系数

▲发射截面与吸收界面

能流密度：单位时间流过垂直于波传播方向单位面积的能量。I Nh v ν= 能流：单位时间流过垂直于波传播方向某块面积的能量。P Nh vS ν= 输出功率：1/2P Nh vST ν=?（T<0.05） T 为镜面透射率

发射截面：定义：021

/

m S G n =?均匀加宽：2222102/(4)H S n λπτν=?

非均匀加宽：222102/(4D S n λπτν=?1221S S = ▲模式竞争

激光形成条件：阈值增益系数/t G l δ=阈值反转粒子数：21/t t n G S ?= 激光纵模：起振频率/(2)q qc nL ν= q ：纵模序数 L ：腔长

性质：1)不同纵模对应不同的驻波场分布2)纵模序数对应驻波场波节个数3)纵模间隔与序数无关，在频率上等距排列4)纵模间隔与腔长成反比 振荡线宽T ν?

0/t G 均匀加宽：T H νν?非均匀加宽：T D νν? 起振模式数：[2/]1T q nL c ν?=?+（[]模式竞争：满足振荡条件的激光纵模由于使用相同的反转粒子数产生竞争 均匀加宽：1)增益饱和引起的模式竞争：所有模式间竞争的结果是靠近中心频率的模式取胜2)空间烧孔引起的多模振荡a)轴向空间烧孔效应b)由于空间烧孔，不同纵模可使用腔内不同部位的上能级粒子，引起多模振荡c)空间烧孔的形成条件：驻波腔、烧孔间距在波长量级、粒子空间转移速度较慢 非均匀加宽：1)烧孔不重叠的模式之间无竞争，造成多纵模输出2)关于中心频率对称的两模式间有竞争，随机取胜

跳模现象：均匀加宽激光器点燃时，激光的频率在中心频率附近周期性变化 解释：温度升高→腔长变大→向低频漂移→0/2q ν-?被0/2q ν+?代替 规律：1)0/2q ν-?和0/2q ν+?之间变化2)腔长伸长/2λ，产生一次跳变 ▲激光的输出

腔内稳定光强：均匀加宽：0(1)S I I να=-非均匀加宽：20(1)S I I να=- 输出功率：001/2P STI νν=?S

T ：输出镜透过率 均匀加宽（0νν=）：最佳透射率：m T a ：除输出损耗的其它往返损耗率

最大输出功率：21/2m S P SI =?

兰姆凹陷：非均匀加宽气体激光器的单模输出功率和单模频率的关系曲线中，在0νν=处，曲线有一凹陷。称作兰姆凹陷

0νν≠时，有两个烧孔：0204ln 2()(,))D D G I l

νννδ

νν--

=?

22

04ln 2(){[

exp()]1}m S D G l

I I ννδ

ν+-=-

-?P AI T +=

0νν=时，烧孔重合：0

00(,)D G I l

νδν021/2[(

)1]m S G l

P AI T δ

=?-

原因：0ν处两烧孔重合造成输出功率的下降。

规律：1)气压越高，L ν?增加，向均匀加宽转化，凹陷越浅2)激发越强，烧孔面积越大,凹陷越深 弛豫震荡：1)t1-t2：泵浦激励n ?增加的速率>受激辐射n ?减小的速率2)t2-t3：受激辐射使N 急剧上升3)t3-t4：受激辐射使t n n ?t5又开始第二个脉冲的建立过程

特点：形成多个尖峰脉冲，激励越强，尖峰形成越快，尖峰时间间隔越小 ▲线宽极限

光子在腔内的平均寿命：000(exp(2))exp(2)exp(/)m I I I m I tc L δδδ'=-=-=- 取/()R L c τδ'=0exp(/)R I I t τ=-0exp(/)R N N t τ=-0(/)exp(/)R R dN N t ττ=--

0000

11())exp()R R R N t t

t dN t dt N N τττ∞

=

-=-=?? 无源腔本征纵模线宽：/(2)c v L νδπ?=

有源腔纵模线宽极限：/(2)s s v L νδπ?=s GL δδ=-：有源腔单程净损耗率 原理：输出激光中有自发辐射的贡献

分配给每个激光模式的自发辐射几率：221()/()/()A A g n SL v L nS νννδ==? 光子数速率方程：

321220()8l l l l l R R

dN nv A N N N

g GvN dt νπνττ?=-=- 有源腔单程净损耗率：2/()s l A n L N v νδ=光子数：00/()l N P S h

v νδν= 线宽：2

00

2/s c h P ννπνν?=? 线宽数量级：N ν?自然线宽10MHz L ν?碰撞线宽100MHz D ν?多普勒线宽1000MHz T ν?振荡线宽1000MHz c ν?无源腔本征纵模线宽1MHz s ν?有源腔线宽极限0.001Hz q ν?本征纵模频率间隔100MHz ▲频率牵引

定义：由于增益介质的色散，使纵模频率比无源腔纵模频率向中心频率靠拢 解释：/(2)/(2())q

q qc nL qc n n L νν==+? ▲激光调制

目的：通过调制进行信息的传递定义：把信息加到载波的过程即调制 调制信号：需要调制的信息载波：为传递信息附加的载体。频率高且固定 振幅调制：调制系数m ：振幅的最大增量与振幅平均值之比。若m<1，传输中不畸变。调幅波含三个不同频率：f 0、f 0+f 调、f 0、f 0-f 调

相位（频率）调制：()cos(cos )c c m E t A t m t ?ω?ω=++频谱是c ω及两边对称分布的无穷多对边频所。各边频之间的频率间隔为m ω，幅度由贝塞尔函数决定

强度调制：改变激光的光强使之按照调制信号的规律变化调制系数小于1 脉冲调制：脉冲调幅、脉冲调宽、脉冲调频、脉冲调位 电光调制：（强度、位相调制）

外加电场折射率：222222414163///2221o o e x y z x n y n z n yzE xzE xyE γγγ+++++= 0x y E E ==折射率椭球的主轴绕z 轴旋转了45O （与电场无关），称为感应主轴折射率变化与电场成正比363/2x o o z n n n E γ'=-363/2y o o z n n n E γ'=- KDP 晶体电光位相延迟：电场方向和通光方向均为z 方向x '与y '方向相位差

3

632/o n V ?πγλ?=半波电压：3/263/(2)o V n λλγ=半波电压越小越好

纵向运用：加场方向和通光方向都沿z 方向透过率2/2sin (/(2))T V V λπ= 优：结构简单、工作稳定、不存在自然双折射缺：半波电压太高

横向运用：加场方向沿z 方向，通光方向沿x ’或y ’方向优：半波电压比纵向运用低得多相差：3632/[()/(2)]o e o n n l n LV d φπλγ?=?--缺：第一项是晶体本身的自然双折射引起的相位延迟，对调制器的工作没有作用，但温度变化时会增加附加的相位差，要采用组合调制器的结构补偿温漂 电光相位调制器（相位调制）：363/o m m n E L ?πγλ=

电光偏转：双KDP 楔形棱镜偏转器，外加电场沿z 轴方向，光线沿y’方向传播且沿x’方向偏振，偏转角363/o z Ln E d θγ=

声光调制：当光在建立起超声场的介质中传播时，由于光弹效应，光被介质中的超声波衍射或散射。（折射率变化）30cos()/2o s s n n n PS t k x ω=

-- S 应变 拉曼-纳斯衍射：条件：1)超声波频率比较低2)光线平行于声波面入射和声波传播方向垂直入射3)声光互作用长度L 较短

布拉格衍射：条件：1)超声波频率比较高2)光线平行于声波面入射和声波传播方向有一定角度3)声光互作用长度L 较大现象：光通过介质时，相当于通过多个光栅，只产生0级或1移到1级衍射极值上。布拉格衍射效率：2sin s η= 磁光调制：旋转的角度与沿光束方向的磁场强度H ▲激光调Q

品质因数：2/2/()Q P L c πνεπνδ==ε储存总能量，P 单位时间损耗能量 调Q 过程：能量存储过程：谐振腔处于低Q 值（高δ）状态 激光产生与输出过程：损耗突然下降，Q 值升高，产生一个峰值功率很高的窄脉冲

条件：1)工作物质在强泵浦下工作，因此抗损伤阈值要高2)并且上能级寿命较长，使得储能很高3)泵浦速度应尽量快，以减小自发辐射的损耗4)泵浦的持续时间约等于或小于上能级寿命5)谐振腔的Q 值改变要快，通常取泵浦持续时间≤上能级寿命。6)Q 开关太慢，会使脉冲变宽，甚至产生多脉冲现象。

三能级系统：t=0时打开Q 开关阈值反转粒子数：t<0:t n '? t>0:t n ?反转粒子数：t=0:0n n ?=? t=t P :t n n ?=? t>>0:f n n ?=?光子数密度：t P 时峰值 光子数密度：00(ln )2t t t n n n n n n n ?????=

?--???00(ln 1)2t M t t

n n n

n n ????=?--?? 峰值功率：0M M P h vST ν?=提高前后损耗比、提高泵浦功率可提高M P 脉冲能量：0()f E h n n V ν=?-?

能量利用率η：01/f n n η=-??0/ln(1)/t n n ηη??=--

脉冲宽度：/2M ??>的时间特点：1)增大0/t n n ??脉冲前沿比后沿减小的更显著2)脉宽与调Q 时的腔寿命成正比3)最小脉宽为光往返一周所用时间 四能级系统：(

ln 1)i i M t t t n n n n n ???=??--??ln(1)2M M h V T c

P L

ν?-=- ln(1)()2i f T E h V n n νδ--=?-??

ln(1)

()2i f T E h V n n νδ

--=?-??

电光调Q ：开关时间短，调Q 时刻可以精确控制，输出脉宽窄，峰值功率高 调Q 功能：1)选横模的功能：在临界激光（预激光）状态产生基横模“种子”，

接着Q 开关完全打开，使种子放大2)选单纵模的功能 方法：带偏振器光路、单块双45O 晶体、脉冲透射式PTM

材料选择：调Q 材料：1)消光比高，晶体折射率均匀性好2)透过率高3)半波电压低，驱动功率低。4)抗破坏阈值高。5)晶体防潮（KDP ）电级结构：1)KDP ：纵向应用，环状电极2)LN ：横向应用，平板电极激光工作物质：1)储能密度高，上能级寿命长2)抗损伤阈值高光泵浦灯：1)效率高，与激光工作物质光谱匹配好2)寿命长，可靠性高Q 开光：1)速度快2)效率高3)功耗小

声光调Q ：高频振荡信号加到换能器上，光束通过声光介质，产生布拉格衍射，谐振腔高损耗低Q ，撤去高频信号，谐振腔低损耗高Q 特性：驱动声功率：22/(2)S P H M L λ=

被动调Q ：利用某些可饱和吸收体本身特性，自动的改变Q 值 ▲选模、稳频、锁模

选模：基横模：发散角小空间相干性好单纵模：单色性好时间相干性好 横模选择：不同横模有不同的衍射损耗，加大高阶模和基模的衍射损耗差 小孔光阑：减小谐振腔的菲涅耳数，增加衍射损耗不易获得大功率输出 非稳腔：适用于高增益激光器选横模微调谐振腔：高阶模的损耗加大 纵模选择：扩大相邻纵模的增益差或人为引入损耗差 短腔法：增大纵模间隔插入 F-P 标准具选模行波环形腔

稳频：稳定谐振腔光学长度方法：兰姆凹陷、反兰姆凹陷、F-P 标准具

锁模：将多纵模激光器中各纵模初相位关系固定，形成等时间间隔脉冲序列 输出功率：220sin (/2)/sin (/2)P P Na a =a t α

=Ω+α相邻两纵模的相位差 N 纵模个数0P 一个纵模的输出功Ω相邻两纵模圆频率间隔 峰值功率：20P N P =重复周期：2/L c '脉宽：1/T ν?

主动式锁模：在腔内插入一个调制器，周期性改变振荡模式的某个参量 ▲倍频技术

二次谐波功率与基波的功率比：22/tanh [/2)/(/2)]P P kl kl ωω=??

转换效率20％以下：22sin(/2)]P A ω??

322

2eff K d ηω=平面波阻抗η1214()/k n n πλ?=- 相位匹配：负单轴晶体：I 2ω II 类2o e e ωωω+→ 正单轴晶体：I 类2e e o ωωω+→ II 类2e o o ωωω+→ 影响倍频效率因素：激光源：功率密度、光束发散角、谱线宽度谐波发生器：非线性系数、晶体长度、角度和温度的偏移、晶体的吸收和不均匀性 ▲参量激光技术

光参量振荡器：频率转换器

相位匹配：1

12233n n n ωωω+=123ωωω+=222/()i i i i i n A B C D λλ=+--

应用：激光测距、预警探测和反导精密跟瞄、光电对抗及对潜通讯、激光光谱学、大气污染遥测、光化学及同位素分离

光电子技术复习总结

光电子技术复习题总结（ 第一章：光的基础知识及发光源 1.光的基本属性？ 光具有波动和粒子的双重性质，即具有波粒二象性。 2.激光的特性？ （1）方向性好（2）单色性好（3）亮度高(4)相干性好 3.玻尔假说：定态假设和跃迁假设？ （1）定态假设；原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的能量只能采取某些分立的值E1、 E2 、……、En ，而不能采取其它值。 （2）跃迁假设；只有当原子从较高能量En的定态跃迁到较低能量Em的定态时，才能发射一个能量为h 4.光与物质的共振相互作用的三种过程？ 受激吸收、自发辐射、受激辐射 5.亚稳态？ 自发辐射的过程较慢时，粒子在E2能级上的寿命就长，原子处在这种状态就比较稳定。寿命特别长的激发态称为亚稳态。其寿命可达10-3~1s，而一般激发态寿命仅有10-8s。 6.受激辐射的光子性质？ 受激辐射的光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致。 7.受激吸收和受激辐射这两个过程的关系？宏观表现？ 两能级间受激吸收和受激辐射这两个相反的过程总是同时存在，相互竞争，其宏观效果是二者之差。当吸收过程比受激辐射过程强时，宏观看来光强逐渐减弱；反之，当吸收过程比受激辐射过程弱时，宏观看来光强逐渐加强。 8.受激辐射与自发辐射的区别？ 最重要的区别在于光辐射的相干性，由自发辐射所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一定的任意性，而受激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激发的光子高度一致，即有高度的简并性。 9.光谱线加宽现象？ 由于各种因素影响，自发辐射所释放的光谱并非单色，而是占据一定的频率宽度，分布在中心频率v0附近一个有限的频率范围内，自发辐射的这种现象称为光谱线加宽。 10.谱线加宽的原因？ 由于能级有一定的宽度，所以当原子在能级之间自发发射时，它的频率也有一个变化范围△vn. 11.谱线加宽的物理机制分为哪两大类？它们的区别？ 分为均匀加宽和非均匀加宽两大类。 均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的。发光粒子的光谱因物理因素加宽后中心频率不变,由它们迭加成的光源光谱形状与发光粒子相同。 非均匀加宽：引起谱线加宽的物理因素对介质中的每个发光原子不一定相同，每个发光原子所发的光只对谱线内某些确定的频率。发光粒子的光谱因物理因素使得中心频率发生变化,由它们迭加成的光源光谱形状与发光粒子不同。12.谱线加宽对原子与准单色光辐射场相互作用的影响？

光电子技术复习题,考试用的

一．单项选择题 1. 光电转换定律中的光电流与 A 温度成正比 B光功率成正比 C暗电流成正比 D光子的能量成 正比 2. 发生拉曼—纳斯衍射必须满足的条件是 A 超声波频率低，光波平行声波面入射，声光作用长度短 B 超声波频率高，光波平行声波面入射，声光作用长度短 C 超声波频率低，光波平行声波面入射，声光作用长度长 D 超声波频率低，光束与声波面间以一定角度入射，声光作用长度短 3.光束调制中，下面属于外调制的是 A 声光调制 B 电光波导调制 C 半导体光源调制 D 电光强度 调制 4.红外辐射的波长为[ ] A 100-280nm B 380-440 nm C 640-770 nm D 770- 1000 nm 5.激光具有的优点为相干性好、亮度高及[ ] A 多色性好 B单色性好 C 吸收性强 D吸收性弱 6．能发生光电导效应的半导体是 A. 本征型和激子型 B. 本征型和晶格型 C. 本征型和杂质型 D. 本征型和自由载流子型 7．光敏电阻的光电特性由光电转换因子描述，在强辐射作用下 A. =0.5 B. =1 C. =1.5 D. =2 8.电荷耦合器件分 [ ] A 线阵CCD和面阵CCD B 线阵CCD和点阵CCD C 面阵CCD和体阵CC D D 体阵CCD和点阵CCD 9. 光通亮φ的单位是[ ] A 焦耳 (J) B 瓦特 (W) C流明 (lm) D坎德拉(cd) 10.硅光二极管主要适用于[ ] A紫外光及红外光谱区 B可见光及紫外光谱区 C可见光区 D 可见光及红外光谱区 13．光视效能K为最大值时的波长是 A．555nm B.666nm C．777nm D.888nm 14.可见光的波长范围为[ ] A 200—300nm B 300—380nm C 380—780nm D 780—1500nm 15.电荷耦合器件的工作过程主要是信号的产生、存储、传输和[ ]

光电子技术安毓英习题答案

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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

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/ee14083057.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 ）.

光电子技术期末考试试卷及其知识点大汇总(可编辑修改word版)

一、选择题（20 分，2 分/题） 1、光电子技术在当今信息时代的应用主要有（abcd ） A.信息通信 B.宇宙探测 C.军事国防 D.灾害救援 2、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 3、光波在大气中传播时，引起的能量衰减与（abcd ）有关 A.分子及气溶胶的吸收和散射 B.空气折射率不均匀 C.光波与气体分子相互作用 D.空气中分子组成和含量 4、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 5、激光调制器主要有（abc ） A.电光调制器 B.声光调制器 C.磁光调制器 D.压光调制器 6、电光晶体的非线性电光效应主要与（ac ）有关 A.外加电场 B.激光波长 C.晶体性质 D.晶体折射率变

化量 7、激光调制按其调制的性质有（cd ） A.连续调制 B.脉冲调制 C.相位调制 D.光强调制 8、光电探测器有（abc ） 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 9、CCD 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 10、LCD 显示器，可以分为（abcd ） A. TN 型 B. STN 型 C. TFT 型 D. DSTN 型 二、判断题（20 分，2 分/题，对用“√”、错用“×”标记） 11、世界上第一台激光器是固体激光器。 ( T ) 12、在辐射度学中，辐射能量Q 是基本的能量单位，用J(焦耳)来度量。 ( T ) 13、在声光晶体中，超声场作用像一个光学的“相位光栅”，其光栅常数等于光 波 波 长

光电子技术基础复习题

1、某单色光频率为3×1014Hz，该单色光在水中（n=1.33）的速度和波长。答：v=c/n=3*108/1.33=2.26*108m/s λ=v/f=2.26*108/3*1014 =0.75*10-6m 2、某星球的辐射出射度的峰值波长为400nm，试估算该星球表明的温度。 答：由维恩位移律λmT=b 得T=b/λm=2.898*10-3/400*10-9=7.245*103k 3、简述光子简并和能级简并 答：光子简并：光子的运动状态简称为光子态。光子态是按光子所具有的不同能量（或动量数值），光子行进的方向以及偏振方向相互区分的。处于同一光子态的光子彼此之间是不可区分的，又因为光子是玻色子，在光子集合中，光子数按其运动状态的分布不受泡利不相容原理的限制。可以有多个光子处于同一种光子态上，这种现象称为简并。处于同一光子态的平均光子数目称为光场的简并度δ。δ=1/（e hυ/kT-1） 4、什么是亚稳态能级。 答：若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射跃迁，则该态的平均寿命会很长τs>>10-3s,称为亚稳态能级，相应的态为亚稳态。 5、设二能级系统，发生受激辐射时，对入射光场的要求是什么？ 6、产生激光的重要机理是 答：受激辐射 7、爱因斯坦关系是 8、以二能级为例推导粒子数反转的条件是什么？ 答：能级上的粒子数分布满足条件N2/g2>N1/g1 反转分布图 对物质的要求：在物质能级中存在亚稳态能级 对外界的考验：需要有泵浦源 9、从能级理论出发，解释Nd:YAG激光器工作原理（p44-45） 10、解释增益饱和效应 答：当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量，而当入射光强增加到一定程度时，增益系数将随光强的增大而减小，这种增益系数随光强的增大而减小的现象称为增益饱和效应。 11、两种介质A、B的折射率分别为nA=1，nB=1.2，当光从B传播到A时，计算：1）发生全反射的零界角

光电子技术复习题

第5章 光探测器：能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件 光电探测器：把光辐射量转换成电量（电流或电压）的光探测器 光电探测器性能参数 1.量子效率 2. 响应度 3. 光谱响应 4. 等效噪声功率 5. 归一化探测度 6. 频率响应 7. 噪声谱 量子效率 : 是指每一个入射光子所释放的平均电子数。 响应度 R:响应度为探测器输出信号电压 Vs（或电流Is ）与输入光功率P之比 光谱响应:表征R 随波长 (拉门大)变化的特性参数 频率响应 R ( f )：频率响应 R( f ) 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。 等效噪声功率 NEP：定义为相应于单位信噪比的入射光功率，用来表征探测器探测能力，NEP越小，探测能力越强。 归一化探测度 D* ：探测度D：单位入射功率相应的信噪比。 D*表示单位探测器面积、单位带宽的探测度， 1.光电效应：光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生电动势，这些 因光照引起物体电学特性改变的现象，统称为光电效应 内光电效应：光子激发的载流子(电子或空穴) 将保留在材料内部。 外光电效应: 将电子打离材料表面，外光电效应器件通常有多个阴极，以获得倍增效内光电效应主要包括光电导效应与光伏效应 光电导效应是光照变化引起半导体材料电导变化的现象。 光伏效应指光照使半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。 光电导效应下的光敏电阻 光敏电阻的频率特性差，不适于接收高频光信号 前历效应：前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。 分暗态前历与亮态前历。 光敏电阻特点：优点： 1.光谱响应相当宽 2.所测的光强范围宽，即可对强光响应，也可对弱光响应 3.无极性之分，使用方便 4.灵敏度高，工作电流大，可达数毫安 缺点：强光照射下线性较差，频率特性也较差，不适于接收高频光信号，受温度影响大2. 第一象限：普通二极管 第三象限：光导工作模式光电二极管工作区域

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

光电子技术基础复习题

1、某单色光频率为3×1014Hz ，该单色光在水中（n=1.33）的速度和波长。 答：v=c/n=3*108/1.33=2.26*108m/s λ=v/f=2.26*108/3*1014 =0.75*10-6m 2、某星球的辐射出射度的峰值波长为400nm ，试估算该星球表明的温度。 答：由维恩位移律λmT=b 得 T=b/λm =2.898*10-3/400*10-9=7.245*103 k 3、简述光子简并和能级简并 答：光子简并：光子的运动状态简称为光子态。光子态是按光子所具有的不同能量（或动量数值），光子行进的方向以及偏振方向相互区分的。处于同一光子态的光子彼此之间是不可区分的，又因为光子是玻色子，在光子集合中，光子数按其运动状态的分布不受泡利不相容原理的限制。可以有多个光子处于同一种光子态上，这种现象称为简并。处于同一光子态的平均光子数目称为光场的简并度δ。δ=1/（e h υ /kT -1） 4、什么是亚稳态能级。 答：若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射跃迁，则该态的平均寿命会很长τs >>10-3s,称为亚稳态能级，相应的态为亚稳态。 5、设二能级系统，发生受激辐射时，对入射光场的要求是什么？ 6、产生激光的重要机理是 答：受激辐射 9、从能级理论出发，解释Nd:YAG 激光器工作原理（p44-45） 10、解释增益饱和效应 答：当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量，而当入射光强增加到一定程度时，增益系数将随光强的增大而减小，这种增益系数随光强的增大而减小的现象称为增益饱和效应。 11、两种介质A 、B 的折射率分别为nA=1，nB=1.2，当光从B 传播到A 时，计算：1）发生全反射的零界角 2）布鲁斯特角 答：1.θc =arcsin （n 2/n 1）（n 1>n 2） =arcsin （1/1.2）=56.44° 2. tan θ=n 2/n 1 θ=arctan （n 2/n 1） =arctan （1/1.2）=39.8° 12、人体辐射出射度的峰值波长为（ ） 答：由维恩位移律λmT=b 得 λm =b/ T =2.898*10-3/（37+273）=9.35*10-6m 13、红宝石激光器利用（氙灯）作为泵浦源。 14、光纤长距离通信中传播信息光的波长为(1550nm)，在接收端光电二极管所使用的材料是(InGaAs) 15、某阶跃光纤：n1=1.490, n2=1.480,则光纤的临界传播角为多少？ 答: α=arcsin （n 2/n 1）=arcsin （1.48/1.49）=83.4° 16、某平板介质波导：2a=10μm, n1=1.480, n2=1.470,则该波导的截止波长为多少？ 答：平板v=π/2（光纤v=2.405） V=（2πa/λc ）2 221n n - λc =2πa 2 2 21n n -/ V=（10*π2247 .148.1-）/（π/2）=3.44μm 17、已知某平板介质波导：2a=80μm, n1=1.490, n2=1.470,入射光波长为λ=1μm ，在该波导中存在的模式数为 答：M=V 2/2=(π/2)2/2=1 18、解释材料色散产生的原因 答：材料色散：是由于折射率随波长变化的，而光源都具有一定的波谱宽度，因而产生传播时延差，引起脉冲展宽。 补充： 模式色散：在阶跃光纤中，入射角不同的光波在光纤内走过的路径长短不同，在临界角上传输的光路最长，沿光纤轴线传输的光路最短，由此引起时延差而产生模式色散。 波导色散：是由光纤的几何 结构决定的色散，它是由某一波导模式的传播常数β随光信号角频率w 变化而引起，也称为结构色散。 19、简述谐振腔的作用 答：使光只能沿着轴线方向往返运动（方向性） 筛选光频率，只能使满足干涉相干条件频率的光能在腔内往返运动（单色性） 增加光强度，实现光放大（高亮度） 20、半导体激光器实现光放大的物质条件是什么 答：PN 结附近或导带电子和价带空穴相对反转分布 21、激光产生的条件具体有那些 答：必要；粒子数反转分布和减少振荡模式数 充分；起振和稳定振荡 计算：1）入射光波长为1550nm ，Pin=0.05W ，Pout=0.002W ，估算光纤中信号能传输的最远距离。 2）光源为激光，λc=1550nm,光源脉宽Δλ=0.5nm ，假设信号传输1km ，计算由于材料色散造成的脉冲信号展宽σ。 3）只考虑材料色散，估算信号 在光纤中传播1km 的bit rate 的最大值。 答：1. α=10lg(p i /p o )/L L=10*lg （0.05/0.002）/0.36=38.8m 2. σ=Δλdn/cd λ=0.5*10-9/3*108=1.7*10-18s/m 3.B<=1/（4Δτ） Δτ=L|D m |Δλ 24、已知输入信号频率最大值为 1kHz ，输入信号峰值为3V ，脉冲编码调制采用4位编码 则：1）采样频率最小值为？ 2）采用有舍有入的方式，量化单元为？由此产生误差的最大值为？ 答： 25、KDP 晶体的纵向电光效应中，Δφ=？V π=？ 答：Δφ=（2π/λ）n 03γ63v V π=λ/（2 n 03γ63）=πC/（wn 03γ63） 26、电光强度调制中如何解决信号失真问题？推导解决失真后的透射率表达式。 答：a.在调制晶体上加一个恒定的直流电压V=Vn/2，该直流电压使两束光产生相位延迟π/2； b ．在光路中增加一片λ/4波片 27、调制:将欲传递的信息加载到激光 辐射上的过程。 28、脉冲编码调制是把模拟信号先变 成电脉冲序列，进而变成代表信号信息的二进制编码，再对光载波进行强度调制。 要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程:抽样、量化和编码。 抽样：将连续的信号分割成不连续的脉冲波，且脉冲序列的幅度与信号波的幅度相对应。要求取样频率比传递信号频率的最大值大两倍 以上。 量化：把抽样后的脉冲幅度 调制波分级取整处理，用有限个数的代表值取代抽样值的大小。 编码：用量化的数字信号变 成相应的二进制代码的过程，用一组等幅度、等宽度的脉冲作为码元。 29、解释电光效应 答：某些晶体在外加电场作用下，折射率发生变化，当光波通过此介质时，其传播特性就会受到影响。 30、解释半波电压 答：光波在光晶体中传播时，当光波的两个垂直分量的光程差为半个波长时所需要加的电压，称为半波电压。 32、渡越时间对调制信号频率有什么影响？ Δфo 是当ωm τd <<1时的峰值相位延迟；γ称为高频相位延迟缩减因子，表征因渡越时间引起的峰值相位延迟的减小程度。只有当ωm τd <<1。即τd << T m / 2π时， γ=1，即无缩减作用。说明光波在晶体内的渡越时间必须远小于调制信号的周期，才能使调制效果不受影响。 33、某电光晶体n=1.5，L=1cm ，ωm τd =π/2,则调制信号最高频率为？ 答：f m =w m / 2π=1/4τd =c/4nL=3*108/（4*1.5*0.01）=5*109Hz 34、解释声光效应（p136-137） 答：当光在建立起超声场的介质中传播时，由于弹光效应，光介质中的超声波衍射或散射的现象。 补充：介质光学性质的变 化，不仅可以通过外加电场的作用而实现，外力的作用也能够造成折射率的改变，这种由于外力作用而引起介质光学性质变化的现象称为弹光效应。 36、声光调制器件由声光介质，电——声换能器，吸声装臵以及电源组成。 采用布喇格衍射。 35、声光效应中发生Bragg 衍射的条件是什么？Bragg 衍射的特点是？ 答：条件：1）超声波频率足够高L=λs /λ 2）光线倾斜入射，当入射角θB 满足2λs sin θB =λ产生布喇格衍射 特点：1）衍射光只有0级，+1 或-1级，布喇格衍射效应制成的声光器件效率比较高。 2）两级衍射光夹角为2 θB 3）衍射效率 η=I 0/I i =sin 2[（π L/2 λ） s P M H L 2)/(]=sin 2 [πL/ 2λs I M 2] 37、调Q 的目的是压缩脉冲宽度，提高峰值功率。 38、解释激光器的Q 值？Q 值和激光器的损耗之间有什么关系？ 答：Q 值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标—品质因数。 品质因子Q 与谐振腔的单 程总损耗的关系 Q=2πW/P=2π/λα总 39、叙述调Q 的过程？ 答：过程1.在泵浦过程的大部分时间里（t-t 0）谐振腔处于低Q 值状态，故阈值很高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至t 0时刻，粒子数反转达到最大值Δni 过程2. t 0时刻Q 值突然升 高（损耗下降），振荡阈值随之降低， 于是激光振荡开始建立。由于此Δni>>Δnt （阈值粒子反转数），因此受激辐射增强非常迅速，激光介质存储的能量在极短时间内转变为受激辐射场的能量，结果产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。 41、叙述声光调Q 的原理。 答：利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，调节腔内光子的反射损耗。 40、叙述电光调Q 的原理。 答：电光调Q 是指在激光谐振腔内加臵一块偏振片和一块KDP 晶体。光经过偏振片后成为线偏振光，如果在KDP 晶体上外加λ/4电压，由于泡克尔斯效应，使 往返通过晶体的线偏振光的振动方向改变π/2。如果KD*P 晶体上未加电压，往返通过晶体的线偏振光的振动方向不变。所以当晶体上有电压时，光束不能在谐 振腔中通过，谐振腔处于低Q 状态。由于外界激励作用，上能级粒子数便迅速增加。当晶体上的电压突然除去时，光束可自由通过谐振腔，此时谐振腔处于高Q 值状 态，从而产生激光巨脉冲。电光调Q 的速率快，可以在10-8秒时间内完成一次开关作用，使激光的峰值功率达到千兆瓦量级。如果原来谐振腔内的激光已经是线 偏振光，在装臵电光调Q 措施时不必放臵偏振片。 42、什么是单模光纤？成为单模光纤的条件是什么？ 答：只允许基模通过的光纤为单模光纤。 条件：V=（2πa/λc ）2 221n n -<2.405 光纤直径很小、λ>λc 43、试比较单模光纤和多模光纤的区别（阶跃光纤） 答：单模光纤的数值孔径比较大，单 模光纤只允许基模通过而多模光纤则允许若干个模式通过。单模芯径为8~10μm ，多模光纤的芯径为50~100μm. 44、光纤中存在哪几种损耗 答：吸收损耗：当光波通过任何透明物质时，都要使组成这种物质的分子中不同振动状态之间和电子的能级之间发生跃迁。这种能级跃迁时， 物质吸收入射光波的能量引起的光的损耗。 散射损耗：由于光纤制作工艺上 的不完善，例如有微气泡、杂质和折射率不均匀以及有内应力等，光能在这些地方会发生散射，使光纤损耗增大。 弯曲损耗：光纤弯曲是引起光纤 损耗的另一个重要的原因。光纤是柔软的，可以弯曲。弯曲的光纤虽然可以导光，但是会使光的传播路径改变，使得光能渗透过包层向外泄漏而损失掉。 45、解释瑞利散射 答：物质散射中最重要的是本征散射，也成为瑞利散射。本征散射是由玻璃熔制过程中造成的密度不均匀而产生的折射率不均匀引起的散射。瑞利散射与波长的四次方成反比。瑞利散射引起的损耗： αRs =（A/λ4）（1+B Δ） 46、光纤通信中常用的波段的波长是多少？为什么使用该波长？ 答：光在Sio 2中传输 850nm （损耗比较小）、1300nm （色散最小）、1550nm （损耗最小） 48、光纤的基本结构是什么？每部分的作用是什么？ 答：基本结构：护套、涂敷层、包层和纤芯

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

光电子技术复习总结

光电子技术复习题总结（2012.6.1） 第一章：光的基础知识及发光源 1.光的基本属性？ 光具有波动和粒子的双重性质，即具有波粒二象性。 2.激光的特性？ （1）方向性好（2）单色性好（3）亮度高(4)相干性好 3.玻尔假说：定态假设和跃迁假设？ （1）定态假设；原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的能量只能采取某些分立的值E1、 E2 、……、En ，而不能采取其它值。 （2）跃迁假设；只有当原子从较高能量En的定态跃迁到较低能量Em的定态时，才能发射一个能量为h的光子。 4.光与物质的共振相互作用的三种过程？ 受激吸收、自发辐射、受激辐射 5.亚稳态？ 自发辐射的过程较慢时，粒子在E2能级上的寿命就长，原子处在这种状态就比较稳定。寿命特别长的激发态称为亚稳态。其寿命可达10-3~1s，而一般激发态寿命仅有10-8s。 6.受激辐射的光子性质？ 受激辐射的光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致。 7.受激吸收和受激辐射这两个过程的关系？宏观表现？ 两能级间受激吸收和受激辐射这两个相反的过程总是同时存在，相互竞争，其宏观效果是二者之差。当吸收过程比受激辐射过程强时，宏观看来光强逐渐减弱；反之，当吸收过程比受激辐射过程弱时，宏观看来光强逐渐加强。 8.受激辐射与自发辐射的区别？ 最重要的区别在于光辐射的相干性，由自发辐射所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一定的任意性，而受激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激发的光子高度一致，即有高度的简并性。 9.光谱线加宽现象？ 由于各种因素影响，自发辐射所释放的光谱并非单色，而是占据一定的频率宽度，分布在中心频率v0附近一个有限的频率范围内，自发辐射的这种现象称为光谱线加宽。 10.谱线加宽的原因？ 由于能级有一定的宽度，所以当原子在能级之间自发发射时，它的频率也有一个变化范围△vn. 11.谱线加宽的物理机制分为哪两大类？它们的区别？ 分为均匀加宽和非均匀加宽两大类。 均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的。发光粒子的光谱因物理因素加宽后中心频率不变,由它们迭加成的光源光谱形状与发光粒子相同。 非均匀加宽：引起谱线加宽的物理因素对介质中的每个发光原子不一定相同，每个发光原子所发的光只对谱线内某些确定的频率。发光粒子的光谱因物理因素使得中心频率发生变化,由它们迭加成的光源光谱形状与发光粒子不同。

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

光电子技术基础复习

选择题 1、光电子技术在当今信息时代的应用主要有（ abcd ） A.信息通信 B.宇宙探测 C.军事国防 D.灾害救援 2、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 3、光波在大气中传播时，引起的能量衰减与（ abcd ）有关 A.分子及气溶胶的吸收和散射 B.空气折射率不均匀 C.光波与气体分子相互作用 D.空气中分子组成和含量 4、2009年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 5、激光调制器主要有（ abc ） A.电光调制器 B.声光调制器 C.磁光调制器 D.压光调制器 6、电光晶体的非线性电光效应主要与（ ac ）有关 A.外加电场 B.激光波长 C.晶体性质 D.晶体折射率变化量 7、激光调制按其调制的性质有（ cd ） A.连续调制 B.脉冲调制 C.相位调制 D.光强调制 8、光电探测器有（ abc ） 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 9、CCD 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 10、LCD显示器，可以分为（ abcd ） A. TN型 B. STN型 C. TFT型 D. DSTN型 11、可见光的波长范围为（C ） A. 200—300nm B. 300—380nm C. 380—780nm D. 780—1500nm

光电子技术安毓英习题答案

光电子技术安毓英习题答案

习 题1 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。 .1.2. 如图所示，设小面源的面积为?A s ，辐射亮度为L e 积为?A c ，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。 第1题图 第2题图

1.4. 霓虹灯发的光是热辐射吗？ 不是热辐射。 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λm 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 2.898?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。 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？ 按色温区分。 习 题2

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。 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

《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