光电子技术答案

1、1）光电子技术的含义及其特点,光电子技术是研究从红外波、可见光、紫外光、 x射线至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，通过一定的媒介实现信 息与能量转换、传递、处理及应用的科学。它是以 光电子学为理论基础，以光电子元器件为主体、综 合利用光学、电学、机械学、计算机和材料技术， 以实现具有一定功能、实用的仪器、设备系统。,频谱宽、信息容量大、传输速度快、抗电磁干扰能力强,光电子技术的特点,2）空间相干性的定义；光的相干性能好差程度分别用什么衡量？,在不同空间点、不同时刻的光波场的某些特性（如光波场的相位）之间的关系。,光的相干性,空间相干性 在同一时刻、垂直于光传播方向上

2、的两个空间 点上的光波场之间的相干性；,2、光源到双缝的距离r（r越大，干涉条纹越模糊 why？ r大， 变小 ，a0变小，光的空间相干性 变差 ）,相干性的条件,越大，光源 越小，越趋近于点光源，干涉效果越好,1、光源的大小（光源尺寸 大，干涉效应差 why？不同地方受激发原子发出的光是不相干的 ）,3）波长的视见函数的定义；在整个电磁波谱范围内，视见函数不等于0的区域？视见函数等于1的波长？视见函数小于1的区域？如果已知某个波长辐射的视见函数v，则辐射功率为dp所对应的光通量 dpv与v、dp之间的关系？,定义 在引起相同的视觉响应条件下，若在附近所需要的光谱辐射功率为dp，而对555nm

3、所需要的光谱辐射功率为dp555,非可见区域的视见函数等于零，波长为555nm的光的 视见函数为1，可见区域除555nm光外都小于1。,1）用三能级模型说明如何实现粒子分布反转状态？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？,e1是基态，e2是具有较长寿命的能级，称为亚稳 态，e3是由大量能级组成的能带。在热平衡状态 下，处在基态e1上的集居数n1比处在亚稳态e2上的集 居数n2大得多，即n1n2，（实际上n2约为0）。当 氙灯激励红宝石棒时，大量基态离子受激吸收跃迁 到达能带e3内，因而e1上的粒子数n1减少，但cr3+离 子在e3上的寿命很短，它们很快通过非辐射驰豫过 程

4、（用s表示）跃迁到寿命较长的亚稳态e2上，其上 就积累了大量的粒子，即n2不断增多，并在此寿命 时间内暂时使n2偏离热平衡的波耳兹曼分布，此过 程称为氙灯的抽运（泵浦）过程。只有当氙灯的光 强强到一定程度时，有可能暂时n2 n1 ，即达到 集居数反转状态，这样， e2上粒子跃迁回到e1时， 便产生受激辐射，从而产生激光。,四能级产生激光的能级是激发态e3和e2能级，在泵浦的作用使大量基态e1的nd3+离子受激吸收跃迁到达能带e4内，但nd3+离子在e4上寿命极短，很快通过非辐射驰豫过程（用曲线箭头s43表示）跃迁到寿命较长的亚稳态e3上。而能级e2的寿命又很短，进入该能态的粒子又很快非辐射跃迁

5、（又s21表示）到基态，所以n2约为0，这样n3n2，在能态e3和能态e2间实现了集居数分布反转。三能级模型与四能级模型相比，在实现集居数分布反转上，要比四能级困难。,2）工作物质能实现能态集居数反转分布的条条件？上 述条件是必要条件还是充分条件？为什么？,还必须使激活介质（实现能态集居数分布反转的工作介质）置于由两个反射镜（可以是平面或球面）所组成的谐振腔内，腔镜的作用是提供反馈。,3）自发辐射与受激辐射的根本差别？,自发辐射跃迁与受激辐射跃迁过程是两个不同的物理过程，它们所产生的辐射性质也不同，对于自发辐射来说，它是原子在不受外界辐射场的影响下产生的，而单个原子的自发辐射的相位是随机的，因

6、此大量的自发辐射是不相干的。而与自发辐射不同的是，受激辐射是在外界辐射场的作用下产生的，受激辐射光子与激励光子具有相同的频率、相位、波矢和偏振状态，也就是说受激辐射光子与入射光子属于同一态的光子，因此受激辐射是相干的。,4）何为增益饱和效应？,当某一频率为 的光束通过激活介质时，光通量 获得放大，即光强越强，意味着单位时间内从亚稳态 向下跃迁的粒子数就越多，从而导致反转程度减弱， 从而使增益系数 变小,5）激光器的阈值条件？阈值泵浦功率和阈值泵浦能量,振荡器的阈值条件,阈值泵浦能eth,把激光器维持在阈值条件下所需的最小泵浦功率,阈值泵浦功率pth,把激光器维持在阈值条件下所需的最小泵浦能量,

7、6）三能级系统所需的阈值能量要比四能级系统所需的 大得多？,四能级系统的激光下能级在基态之上，n2=0 ，只须将 个粒子激发到能级e3上就能使增益克服腔的损耗而产生激光；而在三能级系统中，激光的下能级是基态，因此至少须将 个粒子激发到能级e2上才能使增益克服腔的损耗而产生激光,而 , 所以三能级系统的阈值能量或阈值功率要比四能级系统大得多。,7）光学谐振腔的作用？（两种）,选择激光模式，提高激光的相干性。,提供光的正反馈，实现光的受激辐射放大。,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？,所谓腔的稳定性，只是指傍轴光线能否在腔内往返无限次而不致于横向逸出，

8、也就是腔内傍轴光束损耗的高低的问题。稳定腔是指腔的几何损耗低，因而对增益不太高的工作物质来说，用这种几何损耗低就比较容易起振。但对损耗高的非稳腔来说，如果工作物质的增益比较高，同样可以起振，并且达到稳定工作。,9）激光的四大特性,1）激光调制与无线电波调制异同点；,概念相同：相位调制、频率调制、振幅调制、脉冲调制,结构不同：激光调制属于高频调制 无线电波调制属于低频调制,共同点：利用非线性效应调制，即无线电波调制是利用放大器的非线性效应进行调制，而激光的非线性效应的调制方式很多，有电光效应、声光效应、磁光效应等,2）喇曼-乃斯衍射、布拉格衍射的特点及产生条件？,产生喇曼-乃斯衍射的条件：当超声

9、波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度l较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅”。,喇曼-乃斯衍射的特点 ：由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光，强度递减（why？）,声波频率较高，声光作用长度l较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有“体光栅”的性质。,布喇格衍射的特点：衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级（或1级）衍射光。,产生布喇格衍射条件,3）声光调制器的组成及其功能；阐述其工作原理；,工作原理,驱动电源产生高频功率信号，由电极加到电声变 能器

10、两端，电声变能器将电功率信号转换成超声波， 通过耦合层耦合到声光介质中，介质在超声波的作用 下，折射率发生变化，形成相位光栅，从而对入射光 进行调制。,（3）声光介质：声光介质是声光互作用的场所。,（2）电声变能器：它是利用某些晶体的反压电效应，在外加电场作用下产生机械振动而形成超声波，它起着将调制电信号转换成声信号的作用。,（1）驱动电源：它用以产生调制电信号施加于电声换能器的两端电极上，驱动声光调制器(换能器)工作。,（4）吸声器：用以吸收通过介质的声波，保证器件工作状态正常。,4）数字式偏转器原理图；阐述其工作原理；,图是一种由电光晶体和双折射晶体组合而成的数字式偏转器，其中双折射晶体可

11、以将线偏光入射分解成两束平行出射振动方向正交的分离光束，其分离度为d。,当电光晶体未加电压时，线偏振光（如o光）通过它的时候，偏振状态保持不变，仍以o光状态射出晶体，其后通过双折射晶体方向保持不变；,当电光晶体加上半波电压 ，线偏振光通过它的时候，偏转面旋转90度变成e光，由于双折射晶体的双折射特性，e光线在晶体内将以与表面法线成角的方向传播，到达晶体输出面，偏移间距d，然后以平行原光路的方向出射。,5）调q技术的基本思想，电光调q的基本依据； 利用电光调q激光器的原理图，说明其工作原理；,当激光上能级积累的反转粒子数不多时，人为地控制阈值使其很高，由于阈值很高，激光输出变得困难，从而抑制激光

12、振荡产生，但是，光泵不断地激励，从而使激光上能级将不断积累粒子数，当反转粒子数达到最大值时，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，因此，在腔内以极快的速度建立极强的激光振荡，在很短的时间内大量抽空激光上能级粒子数，同时输出一个极强的尖锐脉冲 调q技术。,依据： 放在谐振腔内的电光晶体在外加电场的作用下，使入射偏振光的振动方向发生变化，人为的在腔内引入可控的等效反射损耗。,yag晶体在xe灯的激励下产生无规则偏振自然光，该自然光通过偏振器后，变成线偏振光（如x方向线偏振光），若调q晶体未加电压，该光沿轴线方向（光轴）通过晶体，其偏振状态不发生变化，经全反射镜反

13、射后，将再次无变化地通过调q晶体和偏振器，电光q开关处于“打开”状态。,电光调q激光器的工作原理,假设调q晶体施加 电压时，自然光经偏振器变成线偏振光，线偏振光经电光晶体、全反镜、电光晶体后，因电光效应，会在相应的感应主轴x、y方向上产生新的 相位差，从晶体再次出射时，总的相位差就为 ，合振动会变成线偏振光，但它的振动方向会与原起偏方向垂直，此偏振光不能通过偏振器，电光q处于“关闭”状态。,电光调q激光器的关键技术：,精确地保证调q晶体上加入 电压时，q开关处于 “关闭”状态；,精确地控制退掉调q晶体上所加电压的时间。,6）利用声光调q激光器原理图，说明其工作原理？,当声光介质中通过超声波时，

14、由于超声光栅的作用，使光束衍射偏开腔外，激光器损耗大，q值极低，不能形成激光振荡；在此情况下，工作物质在光泵浦激励下，激光上能级的粒子数不断积累，并实现粒子数反转，当反转粒子数达到最大时，突然撤去超声场，衍射效应突然消失，光路畅通，q值猛增，迅速形成激光振荡，并由输出镜输出。,6）声光调q激光器工作原理,7）声光调q和声光调制器的区别？,相同点：,声光调q和声光调制器都是利用晶体的声光效应原理，以声光相互作用原理为基础。声光介质在超声波的作用下，折射率发生周期性的变化，使介质变成正弦相位光栅，当光通过这样的介质时，发生衍射。,（ 2） 声光调制器是利用连续变化调制信号控制加在换能器上的超声功率

15、，使超声波受到振幅调制，使相位延迟周期性改变，使输出光强发生相应的周期性改变；声光q开关在换能器上加一阶跃式的调制信号实现调q。,（1） 声光调制器采用两种衍射方式，喇曼奈斯衍射和布拉格衍射；声光调q考虑效率问题，只采用布拉格衍射。喇曼奈斯衍射产生多级衍射光，各级光的衍射效率比较低，不易实现调q。（目前也有这种衍射的q开关）。,不同点：,8）横模选择技术的物理基础和选横模两个基本原则,不同的横模有不同的衍射损耗，控制衍射损耗选横模,选横模的物理基础,须尽量增大高阶横模和基横模损耗比,必须尽量减小激活介质的内部损耗 及镜面损耗 ，相应增大 在总损耗中的重；,选横模两个基本原则,9）选纵模的基本思

16、想？如何使其工作区域内只含有 一个纵模？纵模选择方法？,选纵模的基本思想,在增益曲线阈值以上的区域内，只包含一个纵模,1）设计谐振腔，增大纵模间隔q，使得在增益曲线 的阈值以上区域只有一个纵模可振荡；,2）增益曲线变窄，使其阈值以上区域只包含一个纵模,纵模选择方法,10）频率漂移、稳定度和再现度的定义,由于内部和外部条件的变化，谐振腔频率仍然会在增益曲线内移动，从而使输出频率发生变化。,频率漂移,激光器在连续工作期间，它的频率改变量 与振荡频率 之比,稳定度,再现度,同样设计、同样方法制成的激光器，在同样条件下使用时，相互之间的频率偏差，或者是在完全不同设计和不同条件下，用相同的能级跃迁所制成

17、的激光器，其振荡频率 与原子跃迁中心频率偏差 之比,11）被动式稳频、主动式稳频的实质？主动式稳频技术 主要思想？利用兰姆凹陷原理图说明其工作原理？,实质是尽量将激光器与变化的外界环境隔离开来，减小外界环境对激光器的扰动，保证激光器稳定工作。,被动式稳频,主动式稳频,实质是再外界环境变化的情况下，仍保持谐振腔的光程腔长稳定不变，包括兰姆凹陷稳频法，无源腔稳频法，饱和吸收法。,主动式稳频技术主要思想,选取一个稳定的参考频率，当外界条件变化影响到激光器，使其频率偏离这个特定的标准频率时，设法进行鉴别，同时产生出一个反映这个偏差的误差信号，该误差信号不但能指明偏离标准频率的大小，而且还能指明是偏大还

18、是偏小，然后将误差信号转变成执行信号，反馈给激光器的伺服机构，通过控制系统自动调节腔长，使激光工作频率稳定地在这特定的标准频率上运转。,当激光振荡频率v=v0时，调制电压使激光在v0附近变化，激光的输出频率将以两倍的频率周期性变化，如图o点处；经选频放大器后输出为0，此时附加电压输送到压电陶瓷上，因而激光器继续工作于v0；,当v大于v0时，即如图中b点，激光输出功率与调制信号同频同相，经选频放大器后输至相敏检波器，相敏检波器输出负的直流电压，经放大后作用于压电陶瓷的外表面，压电陶瓷将缩短，腔长变长（v变小），从而振荡频率v被拉回到v0。,当v小于v0时，即图中的a点，激光输出功率与调制信号同频

19、反相，从相敏检波器输出正的直流电压，它使压电陶瓷伸长，腔长变短，v变大，因而激光器振荡频率又被自动拉回到v0。,综上所述，基本方法是以增益曲线中心频率v0为参考标准频率，当激光器v偏离v0时，电子伺服系统通过压电陶瓷控制腔长，使激光振荡频率自动锁定在兰姆凹陷中心处。,1、光栅与f-p标准具分光性能的比较,1）色散本领,所以，f-p标准具的角色散要比光栅大得多。,两者的分辨率都很高，光栅的分辨本领是由光栅总刻痕数决定的，f-p标准具的分辨本领则依靠大的干涉级次。,2）分辨本领,光栅和f-p标准具的分辨本领a=mn,对于光栅，n是光栅总刻痕数；对于f-p标准具， n是表征透射谱线锐度的条纹精细度,

20、综上所述，光栅和f-p标准具是两种不同类型的分光元件，前者运用波段宽，但是所得光谱线宽，不能作精细分析。后者只能用于极窄的波段范围，所得谱线也窄，可在小范围内作谱线精细分析。,3）自由光谱范围,自由光谱范围可表示为：,由于光栅是在低级次运用，所以g很大，而f-p标准具是在高级次使用，g较小，只能在很窄的光谱区内使用。,解：光栅的缝间距离,光栅的角色散本领：,光栅的总刻痕数：,光栅的分辨本领：,光栅分辨的最小波长差：,3、增透膜、增反膜定义,镀制低折射率的/4膜（n0n1n2），可使r变小，达到增加透射光强的目的。,增透膜,镀制高折射率的/4膜，使得n0n1n2，使得r变大，达到增加反射光强的目

21、的。,增反膜,4、多层介质膜为什么能实现所需的反射率？介质膜层数愈多，反射率r愈大？,利用薄膜中的多光束干涉效应，通过改变介质材料和膜层数，从而改变光学元件的反射率和透射光强的比例。,在光学玻璃上镀介质膜，层数愈多，反射率r愈大从物理上来看，这种结构之所以使r大增，是由于在各界面面镀制不同折射率的介质膜，当光入射各界面时，在各界面上的反射波相位交替变化 ，使得入射面上的各个反射波总是相干加强。,5、利用偏振器如何使两束线偏振光分散的角度增大？,1）把具有双折射的晶体或棱镜组合使用，从而增大两束偏振光分开的角度，以便获得两束线偏振光。,2）利用两束线偏振光折射的差别，使其中的一束由偏振器反射掉，

22、另一束发生折射，从而获得一束线偏振光。,1）光电探测器的物理效应及其特点？,光电探测器的物理效应,光子效应,光热效应,光子效应特点,对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。,原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。,光热效应特点,2）光电导效应、光伏效应定义？,光电导效应,当半导体材料被光照时，由于对光子的吸收随载流子 的浓度增大而增大，因而导致电导率增大。,光照零偏pn结产生开路电压的效应,光伏效应（光生伏特效应）,3）光电发射效应定义？能量关系及物理意义？产生 光电发射效应的条件?,在光照下，物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象。,光电发射效应的能量关系可由著名的爱因斯坦方程来表示,即,表示光电子离开发射体表面的动能,-光子