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光电子技术课后答案

光电子技术课后答案
光电子技术课后答案

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。

Ω

Φd 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。

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。

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。

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?

l 0

S

R c

第1题图

L e

?A s

?A c

l 0

θs

θc

第2题图

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。

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π)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 ,λ0=0.6328μm ,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

2

20

2

044λλλs s s

f nv n L L =

<计算,得到

6

12

2

2

2max 10

6328.0410

10061635.24-?????=

=

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 =0.25?10-5(')/cm ?T ,试计算光的旋转角θ。

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,接收器的快门关闭,这时朝向接收器的连续后向散射光便无法进入接收器。当水下目标反射的光脉冲信号返回到接收器时,接收器的快门突然打开并记录接收到的目标信息。这样就能有效的克服水下后向散射的影响。

习 题3

1. 一纵向运用的KDP 电光调制器,长为2cm ,折射率n =

2.5,工作频率为1000kHz 。试求此时光在晶

体中的渡越时间及引起的相位延迟。

渡越时间为:τd =nL /c 相位延迟因子:

t

i d

m i t

t m d

m d

e

i e

t d t E n

ac t ωτωττω??)1(

)()(0---?=''=

??

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

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π/2的固定相位差。 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/kg ,换能器宽度H =0.5mm 。声波沿光轴方向传播,声频f s =150MHz ,声速v s =3.99?105cm/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 。 ⑴ 由公式0

2

4λλs

n L L ≈

<证明不是拉曼-纳斯衍射。

⑵ 2

22

22cos L

M I B s

θλ=

,?

?

? ??==L H M

HLI

P B s

s

2

2

22cos θλ ⑶ 若布喇格带宽?f =125MHz ,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 223

22

70 ⑷ 用公式)(λωφφ

θR N =???=

和R

f v N s

s

?=

??=

ωφ

θ计算。

习 题4

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h γ,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 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。

习题5

5.1 以表面沟道CCD为例,简述CCD电荷存储、转移、输出的基本原理。CCD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,MOS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V

G 超过MOS晶体管的开启电压,则在Si-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MOS 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,φ

1

高电位,φ

2

、φ

3

低电位。此时φ

1

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。t

2

时刻,φ

1

、φ

2

为高电位,φ

3

为低

电位,则φ

1、φ

2

下的两个势阱的空阱深度相同,但因φ

1

下面存储有电荷,则φ

1

势阱的实际深度比φ

2

电极下面的势阱浅,φ

1下面的电荷将向φ

2

下转移,直到两个势阱中具有同样多的电荷。t

3

时刻,φ

2

仍为

高电位,φ

3仍为低电位,而φ

1

由高到低转变。此时φ

1

下的势阱逐渐变浅,使φ

1

下的剩余电荷继续向φ

2

下的势阱中转移。t

4时刻,φ

2

为高电位,φ

1

、φ

3

为低电位,φ

2

下面的势阱最深,信号电荷都被转移到φ

2

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。

φ

3

φ

1φ2t 1t 2t 3t 4

φ

3

φ

1

φ

2

t 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 型硅衬底表面用V 族杂质扩散形成小块的n +区域,当扩散区不被偏置,即处于浮置状态工作时,称作“浮置扩散区”。

电荷包的输出过程如下:V OG 为一定值的正电压,在OG 电极下形成耗尽层,使φ3与FD 之间建立导电沟道。在φ3为高电位期间,电荷包存储在φ3电极下面。随后复位栅R 加正复位脉冲φR ,使FD 区与RD 区沟通,因 V RD 为正十几伏的直流偏置电压,则 FD 区的电荷被RD 区抽走。复位正脉冲过去后FD 区与RD 区呈夹断状态,FD 区具有一定的浮置电位。之后,φ3转变为低电位,φ3下面的电荷包通过OG 下的沟道转移到FD 区。此时FD 区(即A 点)的电位变化量为:

C

Q V FD A =

?

式中,Q FD 是信号电荷包的大小,C 是与FD 区有关的总电容(包括输出管T 的输入电容、分布电容等)。

t 1φ

3

φ

R

t 2t 3t 5

t 4 φ

3

φ

R

t 1t 2t 3t 4t 5

CCD 输出信号的特点是:信号电压是在浮置电平基础上的负电压;每个电荷包的输出占有一定的时间长度T 。;在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。据此特点,对CCD 的输出信号进行处理时,较多地

采用了取样技术,以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。 5.2 何谓帧时、帧速?二者之间有什么关系?

答:完成一帧扫描所需的时间称为帧时T f (s),单位时间完成的帧数称为帧速?

F (帧/s ):F

T f 1

=

。 5.3 用凝视型红外成像系统观察30公里远,10米×10米的目标,若红外焦平面器件的像元大小是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128×128元,则该红外成像系统的视场角是多大?

答:

/

33

2

10

5010

3010f

??=

?-

mm f

300/

=

水平及垂直视场角:

5

3

19.13600

1102300

128

10

50≈?

????-

5.5 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,则在这一特征频率下,光学系统的MTF 至少要多大?

答: 026.05.095.05.09.05.0≥?????o

MTF

24.0≥o MTF

5.6 红外成像系统A 的NETD A 小于红外成像系统B 的NETD B ,能否认为红外成像系统A 对各种景物的温度分辨能力高于红外成像系统B ,试简述理由。

答:不能。NETD 反映的是系统对低频景物(均匀大目标)的温度分辨率,不能表征系统用于观测较高空间频率景物时的温度分辨性能。

5.7 试比较带像增强器的CCD 、薄型背向照明CCD 和电子轰击型CCD 器件的特点。

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。

薄型、背向照明CCD 器件克服了普通前向照明CCD 的缺陷。光从背面射入,远离多晶硅,由衬底向上进行光电转换,大量的硅被光刻掉,在最上方只保留集成外接电极引线部分很少的多晶硅埋层。由于避开了多晶硅吸收, CCD 的量子效率可提高到90%,与低噪声制造技术相结合后可得到30个电子噪声背景的

CCD ,相当于在没有任何增强手段下照度为10-4lx (靶面照度)的水平。尽管薄型背向照明CCD 器件的灵敏度高、噪声低,但当照度低于10-6lx (靶面照度)时,只能依赖图像增强环节来提高器件增益,克服CCD 噪声的制约。

电子轰击型CCD 器件是将背向照明CCD 当作电子轰击型CCD 的“阳极”,光电子从电子轰击型CCD 的“光阴极”发射直接“近贴聚焦”到CCD 基体上,光电子通过CCD 背面进入后,硅消耗入射光子能量产生电子空穴对,进而发生电子轰击半导体倍增,电子轰击过程产生的噪声比用微通道板倍增产生的噪声低得多,与它获得的3000倍以上增益相比是微不足到的。电子轰击型CCD 器件采用电子从“光阴极”直接射入CCD 基体的成像方法,简化了光子被多次转换的过程,信噪比大大提高,与ICCD 相比,电子轰击型CCD 具有体积小、重量轻、可靠性高、分辨率高及对比度好的优点。

习 题6

6.1 试说明自会聚彩色显像管的特点。

答:精密直列式电子枪;开槽荫罩和条状荧光屏;精密环形偏转线圈。 6.2 如图6.15所示,光在向列液晶中传播,且4

π

θ=,试分析当位相差为0,π/4, π/2, 3π/4, π, 5π/4,

3π/2, 7π/4和2π时,输出光的偏振状态。

答:线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、线偏振光

6.3 试比较TN -LCD 和STN -LCD 的特点。

答:TN -LCD 利用了扭曲向列相液晶的旋光特性,液晶分子的扭曲角为90o,它的电光特性曲线不够陡峻,由于交叉效应,在采用无源矩阵驱动时,限制了其多路驱动能力。STN -LCD 的扭曲角在180o—240o范围内,曲线陡度的提高允许器件工作在较多的扫描行数下,利用了超扭曲和双折射两个效应,是基于光学干涉的显示器件。STN-LCD 所用的液晶材料是在特定的TN 材料中添加少量手征性液晶以增加它的扭曲程度,盒厚较薄,一般5-7μm 。STN-LCD 的工艺流程基本上和TN-LCD 类似,但由于STN-LCD 是基于光干涉效应的显示器件,对盒厚的不均匀性要求<0.05μm(TN-LCD 只要求<0.5μm),否则就会出底色不均匀,预倾角要求达到3o~8o,电极精细,器件尺寸较大,因此其规模生产难度较TN-LCD 大许多。 6.4 试说明充气二极管伏安特性中击穿电压和放电维持电压的概念。

答:曲线AC 段属于非自持放电,在非自持放电时,参加导电的电子主要是由外界催离作用(如宇宙射线、放射线、光、热作用)造成的,当电压增加,电流也随之增加并趋于饱和,C 点之前称为暗放电区,放电

气体不发光。随着电压增加,到达C点后,放电变为自持放电,气体被击穿,电压迅速下降,变成稳定的自持放电(图中EF段),EF段被称为正常辉光放电区,放电在C点开始发光,不稳定的CD段是欠正常的

辉光放电区,C点电压V

f ,称为击穿电压或着火电压、起辉电压,EF段对应的电压V

S

称为放电维持电压。

100200300400

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

H

G

F

E

V f

Vs

与初始引发有关

着火电压

V

D

C

A

6.5 试说明注入电致发光和高场电致发光的基本原理。

答:注入电致发光是在半导体PN结加正偏压时产生少数载流子注入,与多数载流子复合发光。高场电致发光是将发光材料粉末与介质的混合体或单晶薄膜夹持于透明电极板之间,外施电压,由电场直接激励电子与空穴复合而发光。

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

光电子技术安毓英习题答案

光电子技术安毓英习题答案-标准化文件发布号:(9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

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

光电子材料与器件 课后习题答案

3.在未加偏置电压的条件下,由于截流子的扩散运动,p 区和n 区之间的pn 结附近会形成没有电子和空穴分布的耗尽区。在pn 结附近,由于没有电子和空穴,无法通过电子-空穴对的复合产生光辐射。加上正向偏置电压,驱动电流通过器件时,p 区空穴向n 区扩散,在pn 结附近形成电子和空穴同时存在的区域。电子和空穴在该区通过辐射复合,并辐射能量约为Eg 的光子,复合掉的电子和空穴由外电路产生的电流补充。 5要满足以下条件a 满足粒子数反转条件,即半导体材料的导带与价带的准费米能级之差不小于禁带宽度即B.满足阈值条件,半导体由于粒子数产生的增益需要能够补偿工作物质的吸收、散射造成的损耗,以及谐振腔两个反射面上的透射、衍射等原因产生的损耗。即 第二章课后习题 1、工作物质、谐振腔、泵浦源 2、粒子数反转分布 5a.激光介质选择b.泵浦方式选择c 、冷却方式选择d 、腔结构的选择e 、模式的选择f 、整体结构的选择 第三章课后习题 10.要求:对正向入射光的插入损耗值越小越好,对反向反射光的隔离度值越大越好。原理:这种光隔离器是由起偏器与检偏器以及旋转在它们之间的法拉第旋转器组成。起偏器将输入光起偏在一定方向,当偏振光通过法拉第旋转器后其偏振方向将被旋转45度。检偏器偏振方向正好与起偏器成45度,因而由法拉第旋转器出射的光很容易通过它。当反射光回到隔离器时,首先经过起偏器的光是偏振方向与之一至的部分,随后这些这些光的偏振方向又被法拉第旋转器旋转45度,而且与入射光偏振方向的旋转在同一方向上,因而经过法拉第旋转器后的光其偏振方向与起偏器成90度,这样,反射光就被起偏器所隔离,而不能返回到入射光一端。 15.优点:A 、采用光纤耦合方向,其耦合效率高;纤芯走私小,使其易于达到高功率密度,这使得激光器具有低的阈值和高的转换效率。B 、可采用单模工作方式,输出光束质量高、线宽窄。C 、可具有高的比表面,因而散热好,只需简单风冷即可连续工作。D 、具有较多的可调参数,从而可获得宽的调谐范围和多种波长的选择。E 、光纤柔性好,从而使光辉器使用方便、灵巧。 由作为光增益介质的掺杂光纤、光学谐振腔、抽运光源及将抽运光耦合输入的光纤耦合器等组成。 原理:当泵浦激光束通过光纤中的稀土离子时,稀土离子吸收泵浦光,使稀土原子的电子激励到较高激发态能级,从而实现粒子数反转。反转后的粒子以辐射跃迁形式从高能级转移到基态。 g v c E F F 211ln 21R R L g g i th

光电子技术安毓英习题答案

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/f514509733.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

仪器分析课后习题答案

第三章 紫外-可见吸收光谱法 1、已知丙酮的正己烷溶液的两个吸收峰 138nm 和279nm 分别属于л→л*跃迁和n →л * 跃迁,试计算л、n 、л*轨道间的能量差,并分别以电子伏特(ev ),焦耳(J )表示。 解:对于л→л*跃迁,λ1=138nm =1.38×10-7m 则ν=νC =C/λ1=3×108/1.38×10-7=2.17×1015s -1 则E=hv=6.62×10-34×2.17×1015=1.44×10-18J E=hv=4.136×10-15×2.17×1015=8.98ev 对于n →л* 跃迁,λ2=279nm =2.79×10-7 m 则ν=νC =C/λ1=3×108/2.79×10-7=1.08×1015s -1 则E=hv=6.62×10-34×1.08×1015=7.12×10-19J E=hv=4.136×10-15×1.08×1015=4.47ev 答:л→л*跃迁的能量差为1.44×10-18J ,合8.98ev ;n →л*跃迁的能量差为7.12×10-19J ,合4.47ev 。 3、作为苯环的取代基,-NH 3+不具有助色作用,-NH 2却具有助色作用;-DH 的助色作用明显小于-O -。试说明原因。 答:助色团中至少要有一对非键电子n ,这样才能与苯环上的л电子相互作用产生助色作用,由于-NH 2中还有一对非键n 电子,因此有助色作用,而形成-NH 3+基团时,非键n 电子消失了,则助色作用也就随之消失了。 由于氧负离子O -中的非键n 电子比羟基中的氧原子多了一对,因此其助色作用更为显著。 4、铬黑T 在PH<6时为红色(m ax λ=515nm ),在PH =7时为蓝色(m ax λ=615nm ), PH =9.5时与Mg 2+形成的螯合物为紫红色(m ax λ=542nm ),试从吸收光谱产生机理上给予解释。(参考书P23) 解: 由于铬黑T 在PH<6、PH =7、PH =9.5时其最大吸收波长均在可见光波长围,因此所得的化合物有颜色,呈吸收波长的互补色。由于当PH<6到PH =7到PH =9.5试,最大吸收波长有m ax λ=515nm 到m ax λ=615nm 到m ax λ=542nm ,吸收峰先红移后蓝移,因此铬黑T 在PH<6时为红色,PH =7时为蓝色,PH =9.5时为紫红色。 5、4-甲基戊烯酮有两种异构体: (左图) 和 实验发现一种异构体在235nm 处有一强吸收峰(K =1000L ? mol -1? cm -1),另一种异构

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

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