光电子技术,习题解答
1. 什么是光电子技术？当前光电子技术备受重视的原因是什么？
答：光电子技术是研究从红外波、可见光、X射线直至γ射线波段范围内的光波。电子技术，是研究运用光子和电子的特性，通过一定媒介实现信息与能量转换、传递、处理及应用的科学。因为光电子技术的飞速发展，使得光电子技术逐渐成为高新科学技术领域内的先导和核心，在科学技术，国防建设，工农业生产、交通、邮电、天文、地质、医疗、卫生等国民经济的各个领域内都获得了愈来愈重要的应用，特别是正逐渐进入人们的家庭，因此光电子技术备受重视。
2. 什么叫光的空间相干性？时间相干性？光的相干性能好差程度分别用什么衡量？它们的意义是什么？
答：空间相干性是指在同一时刻垂直于光传播方向上的两个不同空间点上的光波场之间的相干性，空间相干性是用相干面积Ac来衡量，Ac愈大，则光的空间相干性愈好。
时间相干性是指同一空间点上，两个不同时刻的光波场之间的相干性，用相干时间
t c=L c／c来衡量，t c愈大，光的时间相干性愈好。
3. 世界上第一台激光器是由谁发明的？它是什么激光器？它主要输出波长为多少？
答：1960年5月16日、美国梅曼博士、红宝石激光器、6943?。
4. 自发辐射与受激辐射的根本差别是什么？为什么说激励光子和受激光子属同一光子态？答：差别在有没有受到外界电磁辐射的作用；因为有相同的频率、相位、波矢和偏振状态。
5. 为什么说三能级系统实现能态集居数分布反转要比四能级系统困难？
答：因为三能级系统的上能级为E2，下能级为E1，在E2上停留的时间很短，而四能级系统在E3上呆的时间较长，容易实现粒子数反转。
6. 激光器的基本组成有哪几部分？它们的基本作用是什么？
答：组成部分：工作物质、泵浦系统、谐振腔
工作物质提供能级系统、泵浦源为泵浦抽运让粒子从下能级到上能级条件、谐振腔起正反馈作用
7. 工作物质能实现能态集居数分布反转的条件是什么？为什么？对产生激光来说，是必要条件还是充分条件，为什么？
答：工作物质要具有丰富的泵浦吸收带，寿命较长的亚稳态，要求泵浦光足够强；必要条件，因为它还以kkk谐振腔内以提供正反馈。
8. 光学谐振腔有稳定腔和非稳腔之分，非稳腔是不是指工作状态不稳定的腔？为什么？答：不是，满足0
9. 给定一个光学谐振腔的几何尺寸R1、R2和L，如何判别它属哪一类型腔？
答：由谐振腔系数g, g1=1-L／R1，g2=1-L／R2判别。
0
10. 光学谐振腔有哪两种重要作用？如何说明这两种作用？
答：①正反馈作用：通过谐振腔的结构类型
②控制振荡光束的作用：谐振腔模式：纵模和横模，对入射光频率具有选择性。
11. 什么是能级的基态和激发态？何为辐射跃迁和无辐射跃迁？
答：基态是指体系中能量最低的态，处于基态的原子运动最稳定；其它态称为激发态。
辐射跃迁是指在外界电磁辐射下原子有高能级向低能级跃迁的过程；无辐射跃迁是指原子自发地从高能级向低能级跃迁的过程，亦称为自发辐射跃迁。
12. 自发辐射系数，受激辐射系数和受激吸收的定义式，它们间有何关系?
答：自发辐射系数：A 21=
受激辐射系数：
受激吸收系数：
关系：
13. 谱线宽度的定义？何为均匀和非均匀加宽？具体有哪几种？
答：原子的自发辐射发出的光并不是单一频率的单色光，具有一定的宽度，称为谱线宽度；自然加宽对每个原子来说都是一样，称为均匀加宽，非均匀加宽指由不同分子向谱线的不同频率发射引起的；均匀加宽有自然加宽和压力加宽；非均匀加宽有多普勒加宽。
14. 假设一对激光能级为E 2和E 1，相应的频率为ν，能级的粒子数密度为N 2、N 1 求：①当ν=300MHz ，T=300K ，N 2／N 1=？
②当λ=1μm ，T=300K ，N 2／N 1=？
③当λ=1μm ，N 2／N 1=2，求T 。
15. 今有一平凹腔，腔长L=80cm ，凹R=150cm ，验证它为稳定腔。
解： 平凹腔， R 1=∞，g 1=1-L/R 1=1 R 2=150cm ，则g 2=1-L/R 2=1-80/150=7/15<1 0 16. Nd-YAG 激光器的1.0um 荧光谱线宽度是1.95×109Hz ，若激光腔长为1.5m ，问激光器能有几个激光振荡，设折射率u=1 解： 17. 产生激光振荡的频率，其振荡模式（纵）取决于什么条件？ 答： 18. 19. 某高斯光束腰斑大小W 0=1.14mm ，λ=10.6um ，求与束腰相距30cm ，10m ，1000m 处光斑大小W 及波前曲率半径R 0。 解：f=λπω2=6 23106.101014.114.3--???）（=0.385m ωz =ω0[1+（f z ）2]1/2=1.1432 2 310445.1385.01030110---?=?+??）（ 同理：可得z=10m ，1000m 是，ωz 分别为0.0296m ，2.96m R z =z+z f 2 ，R z 分别为0.794m ，10.01m ，1000.001m 20. 激光有何基本特性？ 答：单色、相干、方向性和高亮度。 21. 试列出几种激光器的下述性能：激活粒子、工作中心波长、工作能级系统、 红宝石激光器 +3r C 0.6943um 三能级 闪光灯泵浦系统 低温下连续 N d Y AG N d 3+ 1.06um 四能级 高效脉冲 灯 室温下连续 He-Ne Ne 0.6328um 四能级 放电 连续运转 Co 2 Co 2 10.6um 、9.6um 四能级 放电 连续运转 A r + A r + 4880 ?、5145 ? 四能级 放电 脉冲 N 2 N 2 3371 ? 四能级 放电 脉冲 染料分子 染料分子 四能级 脉冲泵浦 脉冲连续 22. 在H e -N e 、Co 2激光器中，充以He 、Ne 气的作用是什么？ 答：在He-Ne 激光器中充以He 气主要起提高Ne 原子泵浦速率的辅助作用，在Co 2激光器中充以He 气作用：①可加速Co 2分子在（010）能级的热弛豫速率，有利于激光下能级上的粒子数抽空；②可利用He 气导热系数大的特点，实现有效传热。 充入N 2的作用是提高Co 2分子的泵浦速率，为Co 2激光器高效运转提供可靠的保证。 23. 以红宝石激光器与N d -YAG 激光器为例，具体阐述四能级系统达到粒子反转阈值条件比三能级系统低。 答：要达到粒子数反转，三能级要求 n 2t =2 n n 1+? 、四能级 n 3t =Δn t 红宝石激光器是三能级系统；Nd-YAG 激光器是四能级系统。 对于红宝石激光器： N 2=8.4x1018/cm 3 N 2/N 0=53% 对于 Nd-YAG ： N 3=1.8x1018/cm 3 N 3/N 0=0.13% 24. 简述红宝石激光器（6943 ?）和Nd-YAG （1.06um ）激光形成过程 答：红宝石：闪光灯泵浦时有很多成分（4100~5500 ?），Cr 3+吸收4100~5500 ?的光跑到4F 1，4F 2的能级再经无辐射跃迁到E 2，又因E 2处于亚稳态（τ=3×10-3s ），则粒子在E 2积累，积累到满足以实现粒子反转产生激光R 1（6943 ?）与R 2（6929 ?）的荧光效率比为7：5，所以R 1竞争荧光强输出、产生激光输出后又从E 3得到补充，W 1+N 2=N 0（1.58×1019/cm 3） N 2=8.4×1018cm -3>2 0N 25. 详细论述He-Ne 激光器激发原理，并给出有关方程 答：当He-Ne 管内的气体放电时，He 原子与高速电子碰撞，被激发到23s 1和21s 0上，进而，这些激发态He 原子通过共振能量转移过程，将处在基态的Ne 原子激发到3S 和2S 能级上。当被激发到3S 和2S 能级上的Ne 原子数足够多时，会在3S 、2S 能级与3P 、2P 能级间产生粒子数反转通过受激辐射过程则可能产生He-Ne 激光。 相关方程如下： ①通过第一类非弹性碰撞，把He 原子从基态激发到激发态 He （11s 0）+e →He *（21s 0，23s 1）+e 1 ②He 原子通过能量共振转移，将能量交给Ne 原子，将基态的Ne 激发到3s 、2s 态。 He *（21s 0）+Ne （1s 0）→Ne *（3s 2）+He （1s 0）-0.048eV He *（23s 1）+Ne （1s 0）→Ne *（2s 2）+He （1s 0）+0.039eV 26. 今有两凹面镜组成谐振腔R 1=R 2=L=100mm ，激光波长λ=10-3mm ，求距光腰z=1000mm 的光斑半径和曲率半径，并求光束延长发散角（u=1） 解：∵R 1=R 2=L 故为对称共焦腔，则其光束腰斑大小 ω0=（ π λ2L ）1/2=3.99×10-4m f=m 7.110101099.314.3332420=???=---）（λμπω 则 ωz =ω0[1+（f z ）2]1/2=3.99×10-4[1+（1/1.7）2]1/2=4.629×10-4m R z =z+f 2/z=1+1.72/1=3.89m θ=rad 1098.710 99.314.310446 0---?=??=μπωλ 27. 叙述Co2激光器的激发过程 答：①e+Co2(000)→e1+Co2*(001) ②N2(v=0)+e→N2*（v=1）+e1N2*（v=1）+Co2（000）→Co2*（001）+N2（v=0）通过上述两种过程有效地实现了Co2分子在（001）能级上的粒子数积累，一旦实现（001）与（100）、（020）之间的粒子数反转，即可能通过受激辐射产生10.6um和9.6um两种波长的激光。 28. 染料激光器有何特点？ 答：①输出激光波长可调谐 ②激光脉冲宽度可以很窄，由染料激光器产生的超短脉冲宽度可压缩至飞秒量级 ③输出功率大 ④工作物质具有均匀性好等优良的光学性质。 29. 染料激光器主要的激发过程？ 答：在泵浦光的照射下，大部分染料分子从基态s0激发到激发态s1、s2…上，其中s1态有稍长一些的寿命，因此，其它激发态的分子可很快地跃迁到s1态上，并很快跃迁到s1的最低能级，这些分子跃迁到s0态上较高的振动能级时，就发出荧光，同时很快地弛豫到最低的振动能级上，如果分子在s1和s0之间产生了粒子数反转，就可能产生激光。 30. 半导体激光器的特点？ 答：①覆盖波长宽（0.33~34um） ②直接调制 ③寿命长 ④效率高 ⑤小型化 31. 半导体激光器粒子反转分布条件及发射光频的表达式 答：条件： 表达式：（E F）n-（E F）p>hν=E g（ν=E g/h） 32. 光在晶体中的传播规律与光在各向同性介质中的传播规律有什么差别？什么叫双折射现象？有什么特点？ 答：光在晶体中传播呈各向异性；双折射现象是指一束光入射到方解石晶体上，其出射光通常分成两束，这两束光在晶体中的传播方向不同。 特点：其中一束光遵从通常的折射定律，叫寻常光（O光），另一束光不遵从通常的折射定律叫非寻常光（e光），寻常光与非寻常光都是线偏振光，两者偏振方向互相垂直。 33. 什么是电光效应？有什么特点？ 答：由外加电场引起晶体光学性质发生变化的效应称电光效应。 特点：是由感应双折射引起的，x’，y’方向的二偏振光的相位差与外加电压成正比。 34. 与无线电调制相比较，光调制有什么特点？简述KDP晶体纵向运用电光强度调制器的工作原理，并进行相关的推导。 答：特点：具有保密性好，抗干扰性强等优点 工作原理及推导：入射激光经起偏器后，成为振动方向平行于x轴的先偏振光，它在晶体感应主轴x’和y’方向上分量的幅度和相位均相等。 将位于晶体表面（z=0）的光场表示为：E x’（0）=A0e iwt E y’（0）=A0e iwt 则I i=EE*=2A02，当光通过长度为L的电光晶体后，x’和y’两分量之间就产生了相位差Δφ,若将输出场表示为E x’（L）=A0e iwt E y’（L）=A0e i（wt-Δφ），则由检偏器出射的光是该二分量在y轴上的投影之和，即： 用三角函数表示为I t= 35. 什么是非线性光学？与线性光学相比较它有什么特点？讨论非线性光学的应用。 答：光与物质相互作用的过程中物质的极化与光电场呈非线性关系的现象统属于非线性光学范畴。特点： 广泛应用于倍频、混频及参量放大技术。 36. 激光技术中的Q 值定义及表达式，调 Q 基本原理，常用方法有哪几种？它们基本原理如何？ 答：定义：Q=2πν0每秒钟损耗的激光能量 腔内贮存的激光能量 表达式： 原理：当激光上能级积累的反转粒子数不多时，人为地控制激光阈值，使其很高，抑制激光振荡的产生，在这种情况下，由于光泵的激励，激光上能级将不断地积累粒子数。当反转粒子数达到最大数量时，突然降低激光器的阈值，由于此时的反转粒子数大大超过激光器的阈值反转粒子数，在腔内将雪崩一样地，以极快的速度建立极强的激光振荡，在极短的时间内大量抽空激光上能级的粒子，同时输出一个极强的尖锐脉冲。 调Q 方法：①机械转镜调Q 技术 ②电光调Q 技术 ③声光调Q 技术 ④可饱和染料调Q 技术 工作原理：②电光调Q 技术：在调Q 晶体上施加λ／4电压，Y AG 上能级反转粒子不断积累，当达到最大时，撤掉λ／4电压，即可产生激光巨脉冲。 ③声光调Q 技术：声光介质中通过超声波，由于超声光栅的作用，使光束衍射，工作物质在光泵浦的激励下，激光上能级的粒子数不断积累，并实现粒子数反转，当反转粒子数达最大时，突然撤除超声场，衍射效应消失，光路通畅，Q 值猛增，迅速形成激光振荡，输出激光巨脉冲。 ④可饱和染料调Q 技术：利用有机染料的可饱和吸收特性。 37. 超短光脉冲有哪几种测量方法？ 答：1、双光子荧光法 2、二次谐波法 3、直接测量法 38. 锁模激光器与自由运转多模激光器激光输出的根本差别是什么？由被动锁模激光器的锁模激光形成过程，说明锁模激光脉冲与调Q 激光脉冲的差别，锁模激光有何输出特性？ 答：锁模激光器是采取某种措施使各自独立起振的模式在时间上同步，即使其相位有确定的关系，因此，总光场是各个模式的相干叠加，自由运转多模激光器的各个振荡模式的振幅和相位是彼此独立的，随机的，所以实际总光场是各个模式光场的非相干叠加，锁模激光脉冲与调Q 激光脉冲的差别是所使用的染料特性不同。 输出特性：1、锁模激光器输出是间隔T= C L 2的规则序列脉冲；2、该序列脉冲中的每个脉冲宽度为 τp =NC L N T 2 ，最小脉冲：τpmin = 3、 39. 试由碰撞锁模机理说明它为什么比通常的主、被动锁模激光器产生的脉冲更窄？ 答：碰撞锁模的主要机制是在可饱和吸收染料内形成的空间“光栅”，在形成光栅的过程中，由于染料吸收较大，两脉冲能量的前沿因吸收而被压缩。光栅建立起来后，脉冲后沿通过染料时，会因收到后向散射而被压缩，这样两个压缩因素，使得脉宽压缩过程加快，从而获得比主、被动锁模窄的脉冲。 40. 由三波耦合基本方程出发，导出小信号倍频转换效率公式。 基本方程： 41. 倍频转换效率表达式及如何来提高倍频有效率、 答：η=ω ωP P 2（同上题） 提高η的方法有：1、选非线性光学系数d 大的晶体；2、在腔外倍频中，采用聚焦，采用腔 内倍频，则更有力；3、相位匹配因子 F= =1时，转换率最大。 42. 光学元件反射器、光栅、F-P 标准具、偏振器、波片、滤光器的主要作用是什么？ 答：反射器：提供反馈和耦合输出； 光栅： 分光即将复色光分成单色光； F-P 标准具： 选频和分光； 偏振器： 产生检验偏振光； 波片： 引入相位延迟，改变偏振光的输出特性； 滤光器： 只让某一波段范围的光通过，其余波长的光不能通过。 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 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 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.360docs.net/doc/8a18315052.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 ）. 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 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 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） 西南科技大学2009——2010学年第1学期《光电子技术》期末考试试卷（A卷） 西南科技大学2009——2010学年第1学期 《光电子技术》期末考试试卷（A卷） 31、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。光子能量是νh，h是普朗克常数, ν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。5分 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νh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。5分32、答： 转移效率：电荷包在进行每一次转移中的效率；2分 不均匀度：包括光敏元件的不均匀与CCD的不均匀；2分暗电流：CCD在无光注入和无电注入情况下输出的电流信号；1分灵敏度：是指在一定光谱范围内，单位暴光量的输出信号电压（电流）；1分光谱响应：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；1分噪声：可以归纳为散粒噪声、转移噪声和热噪声；1分 参考答案及评分细则 西南科技大学2009——2010学年第1学期 《光电子技术》期末考试试卷（A卷） 分辨率：是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力；1分动态范围和线性度：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。1分33、答： 等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除去固、液、气态外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的电场和磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。4分等离子体显示搬是利用气体放电产生发光现象的平板显示的统称。1分等离子体显示技术（Plasma Display）的基本原理：显示屏上排列有上千个密封的小低压气体室（一般都是氙气和氖气的混合物），电流激发气体，使其发出肉眼看不见的紫外光，这种紫外光碰击后面玻璃上的红、绿、蓝三色荧光体，它们再发出我们在显示器上所看到的可见光。5分 光电子技术作业解答Revised on November 25, 2020 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） 作业二 1、说明蓝色火焰与黄色火焰的色温谁高，为什么 答：色温是用黑体的温度来标度普通热辐射源的温度。 如果热辐射体的光色与温度为T 的黑体的光色完全一样，则称该热辐射体的色温为T 。 由维恩位移定律T m /αλ=（其中K m ?=μα2898），可知，峰值波长m λ与温度成反比，峰值波长随温度升高而蓝移。因为蓝色火焰发出的光波长比黄色火焰的小，所以蓝色火焰的色温高。 2、何谓标准照明体与标准光源 初级和次级标准光源 答：标准照明体指特定的光谱功率分布。CIE 针对不同的用途定义了不同的标准照明体，其中常用的三种标准照明体为： ：温度为2856K 的黑体所发出的光谱 标准照明体B ：相关色温约为4874K 的直射阳光的光谱 标准照明体C ：相关色温为6774K 的平均日光的光谱 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 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。 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 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 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γ描述，在强辐射作用下 A. γ=0.5 B. γ=1 C. γ=1.5 D. γ=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 为最大值时的波长是 13．光视效能K λ 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[ ] A 计算 B 显示 C 检测 D 输出 16. 辐射通亮φe的单位是[ ] A 焦耳 (J) B 瓦特 (W) C每球面度 (W/Sr) D坎德拉(cd) 二.填空题 1. 光在大气中传播，将会使光速的能量衰减，其主要因素来源于大气衰减、大气湍流效应。 2. 按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，声光相互作用可以分为拉曼拉斯衍射和布喇格衍射两种类型。 3. CCD的工作过程就是产生、存储、传输、检测的过程。 4.实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：抽样、量化、编码。 6.光束调制按其调制的性质可分为调幅、调频、调相、强度调制。 8. CCD的基本功能为电荷存储、电荷转移。 三.术语解释 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 -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 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随温度光电子技术安毓英习题答案
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