2022年光电子技术总结

1、为了方便同学们复习,我们将网上课件得每一章后面得复习提要总结出来汇总,估计填空题与简答题 %会从这里出题。这门考试考察范围非常之广 当然 ,认为大题考得可能性比较大得有发光强度得参数得计算,因此可以说下面得都就是重点。,异质 p-n 结得平衡态 ,电光延迟量得计算与半波电压得推导,电光调制中行波调制器得带宽,倍频匹配角得推导等等。另有一份期中考试卷子供大家参考。本份总结 5,6,7 章由李一伦同学编写,16,1,18,1由蔡海霞同学编写,2,21,2 由王力同学编写 ,23,4 及作业题由刘远致同学编写,其余由钟宇君同学编写。有疑问请大家指出、光电子技术总结第一章1、辐射度量定义、单位、辐射度

2、量学得基本量 ? 辐射度量学描述 整个电磁波谱范围得电磁辐射 ,以辐射能量 或辐射功率 为基本量。辐射能量得单位为 焦耳 ,辐射功率得单位为 瓦特 、2、单色辐射度量定义及其与复色辐射度量得关系 ? 任一光谱辐射度量 X ( )与其对应得复色辐射度量之间通过 积分 关系连接 : 、光视效能与光视效率得意义 ? 人眼对不同波长得单位辐射通量得响应 ,称为光视效能 ,用 K( )表示 ,其最大值为 Km 63(流明 /瓦)(lm/W) 。归一化光视效能称为光视效率 ,记为 V (),显然 , V ( )= K( )/ Km 4、光度量定义、单位、光度学得基本量？所谓光度量指描述人眼可见电磁波段范围

3、得电磁辐射得量。光度学中得基本量选为发光光强 ,其单位为 坎德拉 ,简称坎 ,符号为 Cd。5、光度量与辐射度量间得转换 ? 光度量与辐射度量之间通过 光视效能 联系起来。6、一个发光强度单位得国际定义？一“ 坎德拉 ” 定义为 :点发光源 向给定方向 发出 /68WSr。H或 5m 得电磁辐射 ,其辐射强度为 第二章1、人造光源得发光效率与理想光效？发光效率就是对人造光源而言得 ,指光源所发出得 光通量与输入得功率之比、理想光效则表示可见光谱范围得辐射功率转换为光通量得效率、2、发射本领、吸收本领与基尔霍夫定律 ? 辐射本领 :描述物体热辐射能力 ,物体得辐射本领用它得光谱辐射出射度表示 :

4、 吸收本领 :描述物体吸收辐射得能力 ,定义为物体吸收得在 到 +d 范围得辐射通量与入射得同一光谱范围得辐射通量之比 : 基尔霍夫定律 :任何物体得发射本领与其吸收本领之比就是一个与物体性质无关得普适函数 ,这个普适函数只依赖与两个变量。即 : 、黑体概念、黑体辐射分布特点 ? 黑体 指吸收本领 ( ,T)恒为得热辐射体。黑体辐射 性质 :(1) 单峰结构 ;(2)辐射能量随温度增加 ,存在关系 Meb(T) 4;( )峰值波长随温度升高蓝移 ,存在关系 mTa=2898 m K。4、热辐射体分类、色温与相关色温 ? 热辐射体分类 :分为黑体、灰体与选择辐射体色温 :如果热辐射体得光色与温度

5、为得黑体得光色完全一样 ,则称该热辐射体得色温为 T; 相关色温 :如果热辐射体得光色与温度为 T 得黑体得光色最接近 ,则称 T 为该黑体得相关色温。5、卤钨灯结构、卤钨循环原理及卤钨灯特点 ? 在白炽灯中改充卤素元素气体,如 Br2,I2 等,卤素与钨反应 : 灯丝附近温度高 ,钨蒸汽压高 ,抑制钨蒸发 。 在玻璃壳附近 ,温度较低 ,形成 ,阻止钨沉积在玻璃壳上而损耗。所以 ,卤钨反应抑制了钨损耗 ,延长了钨丝得寿命。与白炽灯比较 ,卤钨灯特点 :()体积小 ;(2)光通量稳定。 ( )光效率高 ,2 -30 流明 /瓦;()色温高,达 3300 ;(5)寿命长。6、标准照明体、标准光源

6、、A、 B、 C 标准照明体 ? 标准照明体 指特定得光谱功率分布。标准光源 指实现标准照明体得发光源。标准照明体 :温度为 286K 得黑体所发出得光谱标准照明体 :相关色温约为 4874K 得直射阳光得光谱标准照明体 C:相关色温为 6774K 得平均日光得光谱7、气体放电发光得工作原理、初始电子得发射方式、弧光与辉光放电？气体放电指电流通过气体媒质时产生得放电现象。其原理 为阴极产生 初始电子 ,然后初始电子加速与气体分子碰撞,能量传给气体分子,使其 激发、跃迁到高能级。然后 受激发分子返回基态 时,发射光子 ,即发光、阴极发射方式主要有三种 :热电子发射、正离子轰击发射与场致发射弧光放

7、电 :热电子发射就是弧光放电得主要形式之一。加热阴极以后 ,部分电子得到足够能量 ,克服金属得逸出功 ,逸出金属表面。辉光放电 :正离子轰击就是辉光放电得主要方式 ,即利用高动能得正离子轰击阴极 ,使阴极发射电子、气体放电光源得优点及放电伏安特性？气体放电光源得优点 :( )可获得高色温 ,不像热辐射光源色温受灯丝熔点限制、(2)辐射光谱可选择性好 ,只要选择适当得发光材料即可 ;(3)发光效率远比热辐射得高 ;()寿命长 ,寿命期内光通量稳定。气体放电伏安特性 : 、直流、低频与高频放电灯得稳流方式？直流供电用电组稳流、低频交流供电用电感、高频交流用电容稳流 第三章、低气压气体放电灯得光谱特

8、点？常见低气压灯？低气压气体放电灯 :气压在乇得气体光源。其光谱特点就是表现为工作原子或分子得发射谱 线,即线状光谱 ,带有明显得特征颜色 ,显色性不好。常见低气压灯 :低压汞灯、低压钠灯、氢灯、氪灯、氢弧灯、原子光谱灯等。、高气压气体放电灯得光谱特点?自吸收效应增强？常见高气压灯？脉冲氙灯得特点? ,并高气压气体放电光源:气压大于一个大气,其光谱特征为工作气体得原子或分子谱线展宽迭加在较强得连续背景光谱上。显色性较好。通常发光效率随压力增加而提高。自吸收增强 :在光源中 ,孤层处于基态得同类原子较多,这些低能态同类原子能够通过吸收高能态原子发射出来得光产生吸收光谱。光谱中谱线自吸收得程度 ,

9、与原子蒸汽云厚度有关 ,孤层越厚 ,孤焰中被测元素原子浓度越大 ,自吸收现象越强。 会使发射光谱强度减弱 ,形成双线结构。常见高气压灯 :高压汞灯、超高压汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯与脉冲氙灯等。脉冲氙灯 脉冲放电可获得短脉冲、高通量与高亮度。 其工作原理为利用电容先将能量存起来 ,然后 ,通过触发 ,使氙灯瞬间放电 ,电容上得储能瞬间释放给氙灯 ,发出高亮度得光、3、光源得显色性与显色指数 ? CIE 规定用普朗克辐射体或标准照明体 D(高色温标准照明体 )作参考照明 ,并将其显色指数定义为 10、规定 3000色温得标准荧光灯得显色指数为 50。定义标准颜色样品在参照光源与待测光源照明下得

10、色差为 指数称为特殊显色指数 ,记为 R ,计算公式为 : 、受激吸收与发射、自发发射？E,待测光源对该颜色样品得显色原子从低能态跃迁到高能态 ,必须吸收光子 ,这称为 受激吸收 ,而处于高能级得原子会随机发射出光子而回到低能态 ,这称为 自发辐射 。处于高能态得原子 ,在一个与发射光子能量相同得光子得作用下 ,辐射出与作用光子相同状态得光子而回到低能态 5、实现受激辐射放大得必要条件 ? ,这种辐射称为 受激辐射 。对简并度为 1,即 g1=g2=1 得原子体系 ,必须实现粒子布居数反转。这就是实现受激辐射放大得必要条件。6、粒子数反转与能级结构 ? 二能级体系不可能实现粒子数反转,至少要三

11、能级体系,并有一个亚稳激发态存在。粒子数反转在亚稳激发态与比其低得能态间实现。7、光学正反馈、放大与泵浦阈值 ? 在激光器中通过谐振腔来实现光学正反馈、M 为全反射镜 ,M2 为高反射低透射耦合输出镜。光在腔内往反一次仅输出一部分 ,当输出加损耗与增益达到平衡时 ,激光器就输出稳定得光束。泵浦阈值 :刚好能使激光器维持稳定输出得最小泵浦功率、第四章、产生激光得充要条件? ,能够实现粒子数反转。()必要条件 :至少为三能级体系(2)充分条件 :光学正反馈与大于阈值得泵浦功率。2、激光得纵、横模？如何选择纵、横模？横模指光束横截面上得能量分布、纵模指激光器振荡得一个频率或该频率电磁波在谐振腔内形成

12、得驻波得能量分布模式。它就是由于谐振腔得选频作用引起得。出现高阶横模通常就是因为激光器得增益太高,所以可以通过降低增益或增加损耗实现单横模运转。常用在激光器中设置小孔,增加高阶横模得损耗,而使高阶横模得到抑制。实现选横模。多纵模就是由于激光增益带宽太宽引起得,所以通过限制纵模得增益来抑制不需要得纵模。常用得方法就是使用输出标准具代替通常得耦合输出镜,标准具器作窄带滤光片得作用,可以只让某一单一纵模运转,而抑制其它纵模。3、红宝石激光器得能级结构、泵浦方式能级结构 :三能级结构泵浦方式 :光泵浦 ,由于吸收峰在蓝、绿区,工作特性 ,偏振特性 ,输出波长？,用脉冲氙灯泵浦 ,光谱匹配较好。工作特性

13、 :低重复率使用时不需要冷却 ,自然散热。较高重复率使用时 ,灯与激光棒都需要水冷。为了提高泵浦效率 ,通常需要椭圆聚光腔 ,灯与激光棒分别位于椭圆腔得焦线上。若需大功率 ,多灯泵浦 , 可用双椭圆腔。偏振特性 :若激光不就是沿光轴方向 输出波长 :694,则输出为线偏振 ,垂直光轴 ,O 光。、 YAG 激光器得能级结构、泵浦方式 ,工作特性 ,偏振特性 ,输出波长？工作物质 :YAGY3Al5 12+1 、。 d2O3(原子百分比 )能级结构 :d3得四能级泵浦方式 : 吸收光谱在近红外波段,通常用 氪灯泵浦 ,并用椭圆聚光腔提高泵浦效率、工作特性 : 由于 Nd:YAG 得阈值低 ,冲放

14、电快 ,所以可以高重复率调 Q 运转 ,并使用预燃电路 ,使氪灯处于点燃装态 , 免去高压触发、可以延长灯得寿命。输出波长 :1.0 u、钕玻璃激光器得能级结构、泵浦方式,工作特性 ,偏振特性 ,输出波长？工作物质 :各向同性玻璃 +Nd 2O3 (15%重量比 ) 能级结构 : N3+得四能级泵浦: 氪灯输出波长 : 最强辐射 .627 微米6、氦 氖激光器得能级结构,泵浦方式工作特性,偏振特性 ,输出波长？工作物质 : 氦气 (1 乇)+ 氖气(0 、1 乇)混合气体激活介质 : 氖原子能级结构 :四能级系统发射波长 :3.39 m( ),0 、6328 m(b) .1m( )。其中 3。

15、39 m 得增益最高 ,通常用玻璃窗抑制 3、3 m 发射或加轴向非均匀磁场。泵浦: 气体辉光放电激励 ,氦原子共振能量转移、第五讲1、氦氖激光器得工作物质、增益介质、泵浦方式、发射波长及其选择 ,谐振腔结构 ,稳频 ,偏振性？工作物质 :氦气 (1 乇 )+氖气 (。 1 乇 )混合气体增益介质 :氖原子泵浦方式 :气体辉光放电激励 ,氦原子共振能量转移、发射波长 :3.9m(a),0。632 m(b)1。15 m(c)。其中 3、39 m 得增益最高 ,通常用玻璃窗抑制、 3 m 发射或加轴向非均匀磁场。我们在实验室瞧见得红光激光器,大多都就是氦氖激光器 ,工作波长为632.纳米谐振腔有三

16、种结构:内腔式、外腔式与半内腔式、内腔式 He-Ne 激光器主要用于小功率短腔结构。特点:使用方便 ,输出激光为非偏振。外腔式 He-Ne 激光器玻璃管两端用布儒斯特窗玻璃封装,谐振腔得两端镜外加,可以独立调节。 特点 :输出线偏振光 ,功率大 ,但需要经常维护。半内腔式 He-Ne 激光器谐振腔得一个端镜与玻璃壳焊接在一起,而另一个端镜可自由调节、特点:输出线偏振较好,适合中等功率 ,维护较容易、稳频 :通常控制腔得几何长度、腔长得补偿 移量由频率漂移量确定、:利用压电陶瓷控制腔得全反射端镜微位移。位、 O激光器得工作物质、增益介质、泵浦方式、能级结构 ,波长 ,谐振腔结构？工作物质 :O2

17、:N2:He= :2:5 得混合气体 ,总压强 10 乇增益介质 :C2 能级结构 :四能级波长 1、 1 泵浦方式 :纵向激励 :电场方向平行于光束方向,适用于中小功率;横向激励 :电场方向垂直于光束方向 ,适用于高气压 (400 乇)大功率谐振腔结构 :内腔式 :适用于小型或波导型。半内腔式 :适用于中等功率。外腔型 :适用于大功率、无论哪种腔结构 ,端镜均镀金反射膜、氩离子激光器得工作物质、增益介质、泵浦方式 ,能级结构 , 发射波长 ,谐振腔结构 ,输出偏振 ,放电管结构 ? 工作物质 :惰性气体氩气 ,增益介质 :氩离子。能级结构 :四能级 ,4p 4s 发射 10 条谱线 ,其中

18、515 与 4 9 唉两条谱线增益最大 ,优先起振 . 泵浦 :低压大电流弧光放电使氩原子电离 ,离子 -离子 ,离子 电子碰撞 ,激发过程可能就是一步 ,也可能就是两步或多步过程 . 等离子管结构 :由放电管、 磁场组成。 其中放电管要求具有优良得传热性能 ,目前 ,中小功率激光器得放电管使用石墨 ,而大功率激光器得放电管则使用氧化铍陶瓷 ,但这种材料粉末有毒 ,加工困难 ,所以价格贵、放电管得直径约 2-6 毫米。轴向磁场得作用 ,磁约束 A在放电管轴心 ,不要碰放电管壁而去激发、4、准分子概念 ,增益介质 ,能级结构 ,与传统激光相比得特点, 泵浦方式 ,发射波段 ? 所谓准分子指处于激

19、发态得复合分子,而在基态寿命很短。工作物质 :惰性气体或惰性气体、卤素元素混合物或金属、卤素元素混合物。激活介质 :准分子 ,如 X2(氙), K F(氟化氪 ), HgBr( 溴化汞 ) 能级结构 :四能级系统泵浦 :()高能电子束 ,(2)电子束控制放电,(3)快放电由于激光上能级寿命短,要求快速泵浦。输出波长 :带宽较宽特点 :高效率 ,大能量 ,已获得 35J/脉冲输出。第六讲1、半导体能带 ,、 N 型掺杂 , P、N 型半导体 ,PN 结,费米能级 ,辐射放大条件 ,必要条件 ,PN 结能带图绘制？固体中由于大量原子紧密结合,使得单原子得能级分裂为宽得能带,能带由相距很小得精细能级

20、组成。电子在能带中得分布形式决定了固体材料得导电性能。(详细情况 ,可以参瞧固体物理课本 ,或者任意版本得半导体物理教程。实在不行了,找一找光纤通讯课本,谈到 D 与LD 都会讲一讲得 ) P 型掺杂 :用低价元素掺杂本征半导体。P 型半导体 :P 掺杂形成得半导体。以空穴导电,费米能级降低。型掺杂 :用高价元素掺杂本征半导体、N 型半导体 :N 掺杂形成得半导体,以电子导电 ,费米能级升高、由于 N 型半导体中有富裕得自由电子 ,而 P 型半导体中有富裕得自由得空穴 ,所以当 P 型与 N型半导体接触时 ,P 型半导体中得空穴就会向 N 型中扩散 ,而 N 型半导体中得电子向型中扩散,结果就

21、是 P 型端带负电 ,而型端带正电。 因而会形成内建电场,内建电场得方向从N 型端指向型端 ,从而又阻止电子与空穴得扩散、最后,依靠电子与空穴浓度梯度得扩散与内建电场得电作用达到平衡,在接触面附近形成一个耗尽层,即 pn 结。指绝对零度时全满电子态与全空电子态得能量分界面。能量 ,用符号 EF 表示、辐射放大条件 :必须能够实现粒子数反转、或绝对零度时电子占据得最高能态得必要条件 :四能级系统 ,重掺杂 ,使发射能量小于激发所需能量2、同质、异质P-结 ,能带图绘制 ,半导体激光器得特点,同质、单异质与双异质N 结激光器得特点 ? 同质结 :由同种半导体材料组成得 pn 结 ;异质结 :由 (

22、能带图见赖天树 p) 阈值电流正比于温度得立方 ,所以只能在低温 (液氮 )下同质结激光器得特点 :连续工作 ,室温下只能脉冲工作 ,寿命较短。 ?单异质结激光器比同质结激光器具有更高得效率 ,低得阈值电流、由于双异质结构得高效率约束 ,使双异质结激光器得效率大为提高 ,阈值电流大为降低 ,可在室温下连续工作。没有找到明确得 半导体激光器得特点。、重掺杂 ,为何需要重掺杂 ,产生受激辐射放大得必要条件、充分条件 ? 重掺杂 :由于费米能级随掺杂浓度而变化 ,所以使用重掺杂使 P 型半导体得费米能级进入价带 ,而使型半导体得费米能级进入导带,这样在 n 结耗尽层中就形成等价得四能级结构必要条件

23、:重掺杂 ,使发射能量小于激发所需能量充分条件 :粒子数反转这两个概念 ,存疑。希望各位指点迷津。第七讲、异质 P结 ,能带图绘制 ,半导体激光器得特点,同质、单异质与双异质P-N 结激光器得性能比较 ? 能带图如下 : P Ec EF Ec EV N Ev 明确得半导体激光器得特点我没找到、请各位大侠出手相助。同质结激光器得特点 :连续工作 ,室温下只能脉冲工作 ,寿命较短、单异质结激光器比同质结激光器具有更高得效率 ,低得阈值电流。由于双异质结构得高效率约束 ,使双异质结激光器得效率大为提高 ,阈值电流大为降低 ,可在室温下连续工作。、掺钛蓝宝石激光器得工作物质、增益介质 振腔结构？,能级

24、结构 ,增益线宽 ,泵浦方式 ,非线性效应 ,谐工作物质 :A2O+Ti2O3( ),激活介质 :Ti + 能级结构 :四能级系统泵浦方式 :光激发 ,通常用激光激发输出波长 : 0- 1 nm 连续可调、掺钛蓝宝石具有很强得三阶非线性 ,利用这一特性可以实现激光得相位调节自相位调节 ,锁定不同纵模间得位相 ,实现锁模运转、由于自相位调节就是一种非线性效应 ,需要强得光功率密度 ,所以钛宝石激光谐振强设计中要考虑提高宝石棒中得光功率密度 ,需要加一对聚焦亚腔 ,使激光聚焦通过钛宝石棒 ,获得强得光功率密度 ,进而强得自相位调节。、激光器值定义 ,机械调得特点 ,常见结构 ,加速原理 ? 指谐振

25、腔得品质因素 ,它定义为腔内存储得能量与每秒中损耗得能量之比机械调 Q 特点 :将全反射镜替换为一个转动得棱镜。转镜调 Q 属慢开关型 ,机械转动引起振动 ,开关时间通常在百纳秒量级。结构可以参考老师得ppt,比较简单 ,略去。加速原理 :采用光学加速方法来压缩开关角,缩短脉冲宽度、方法有二,折叠腔式与冷静直角式。预计考到得概率很小,具体方法参瞧PT 第八章、机械调 Q 得原理 ,最佳转速 ,开关角 ,转镜加速原理 ? 机械调 Q 激光器结构如图所示 ,它就是将全反射镜替换为一个转动得棱镜。设直角棱镜得角平分线与激光束得交角为 ,则损耗率 曲线随棱镜得转动方式而变化。当棱镜沿 x 轴转动时 ,

26、就可以灵敏地调节谐振腔得损耗率 ,因为 变化能灵敏地破坏谐振条件 ,开关角小 ,能获得窄脉冲。最佳转速 : 转速越快 ,开关时间越短 ,脉冲越短 , 然而 ,峰功率为脉冲能量与时间之比 ,转速太快 ,可能脉冲能量太低 , 峰功率也低。应调节转速 ,使峰功率最大 ,而不就是只追求脉冲宽度窄。转镜由电机驱动 ,转速约 3000 转分 ,开关时间约为 0s,这离最佳转速还有一定得距离。再提高电机转速也有困难 ,所以采用光学加速方法来压缩开关角 角腔来压缩脉冲。,缩短脉冲宽度。可以采用折叠式腔与棱镜直2、电光调 Q 得原理 , 电光 Q 开关得典型结构 , 工作过程 ,升压式 ,降压式电光 Q 开关得

27、优缺点 , 普克尔效 应,克尔效应 ?电光调利用电光晶体得各向异性线性电光效应,控制光得偏振态变化,达到控制谐振腔得损耗目得。电光调制器得典型结构就是用电光晶体制造得一个电压控制得 得偏振态得变化。/4 或 12 波片。控制通过它得光束电光开关得工作过程就是当入射光束被分解为 o 光与 e 光后, 经过电光晶体时 , 若电光晶体突然退压 ,则光线方向偏离原来入射方向 ,Q 值突然增加 , 由此达到调 Q目得、退压 Q开关得缺点就是脉冲前沿不陡、普克尔效应即一次电光效应 ,折射率得变化与电场成线性变化 ;克尔效应就是二次电光效应。、端镜耦合输出调 Q 与腔倒空调 Q 技术得比较？脉冲透射式 Q

28、开关 (PTM) 又称腔倒空。发展腔倒空技术就是为了进一步压缩 Q 开关脉冲与输出更高得脉冲能量。可以将将腔内全部能量在一个振荡周期内倒出 ,提高脉冲峰功率一个数量级。激光就是在高 Q 状态振荡输出得 ,至少要振荡几个周期 ,才能有好得相干性、好得方向性与足够得增益。 Q 开关脉冲宽度为 m2L c。激光端镜耦合输出通常只有 10左右 ,剩余得 90%左右得能量在腔内没有输出。第九章、声光调制器得工作原理 ,行波性 ,驻波性声光 Q 开关得特点 ,声光 Q 开关得调 Q 原理 ,布拉格与拉曼奈斯衍射得特点。声光调 Q 得优点 ?腔倒空声光调 Q 得倒出效率？声波就是纵波 ,在介质中传播时会引起

29、介质得密度随声波周期性变化 ,进而折射率周期性变化 ,形成折射率光栅、光通过这种折射率光栅后 ,位相会受到调制而产生衍射 ,即声 -光衍射。声光衍射可分为拉曼奈斯衍射与布拉格衍射 ,后者得衍射效率高 ,所以 ,声光调通常采用布拉格衍射调 Q、声-光调制器可以设计成行波型与驻波型两种结构。行波型即超声波沿光栅单方向传播 , 而驻波型则可以瞧作沿两个相反方向传播得超声波在光栅上得叠加、驻波型得驱动功率比行波型低 , 但驻波超声场在声光介质中不易迅速消除 ,因而开关时间较长 , 故实际使用中多采用行波型。声光调 Q 就是利用超声波在弹性介质中传播引起得折射率光栅对光得衍射实现谐振腔得 Q 值调节得。

30、拉曼奈斯衍射就是多级衍射,每一级得衍射效率低;布拉格衍射仅有正或负一级衍射,衍射效率比较高、声光调 Q 得优点 :易于实现高重复率调 Q,从数 10K数 Hz。腔倒空声光调 Q 采用共焦腔提高倒出效率、倒出效率为 :最大值为 5%, 当 =50 、染料调 Q 得原理 ,优缺点 ?属于什么类型调 Q 技术？可饱与吸收体主要有染料 ,利用染料得非线性吸收特性实现调 Q。在光强强度比较低时 ,染料对激光得吸收大于损耗 ,激光不振荡 ,处于粒子数反转积累阶段。当积累到增益大于损耗时 ,脉冲开始振荡 ,在振荡过程中 ,由于脉冲前后沿得强度较低 ,所以吸收大于中心处 ,反过来 ,就就是脉冲中心 (峰)处得

31、增益大于前后沿 ,所以,振荡放大得结果就是脉冲越来约窄、优点 :Q 开关结构简单 ,没有电干扰 ,可获得峰值功率几兆瓦 ,脉宽十几纳秒得巨脉冲 ;?缺点 :产生 Q 脉冲得时刻有一定得随机性,不能人为控制 ;染料易变质 ,需经常更换。机械, 声光,电光调属于主动调 Q,染料调 Q 属于被动调3、调 Q 技术得分类 ,主、被动型？常见得调 Q 技术包括机械调 Q、电光调 Q、声光调 Q 与染料调四种技术。其中前三种技术属主动调 Q 技术,而染料调 Q 属被动调。4、何谓锁模？锁模技术得分类？锁模得前提？锁模脉冲宽度、峰功率 ,脉冲重复率？锁模实质上就就是锁各个纵模间得初始位相、使它们之间保持恒定

32、差。锁模技术包括主动、被动与自锁三种。主动锁模包括损耗调制与位相调制。染料锁模就是被动锁模得一种。能实现自锁模得激光器就是钛宝石激光器、锁模得前提 : 多纵模输出锁模脉冲宽度为 , 其中 N为允许起振得纵模得个数 , 调制脉冲周期为。 其峰功率为未锁模时得倍、脉冲得间隔时间为C,为脉冲在谐振腔来回一次得时间 , 脉冲得重复率即为脉冲得间隔时间得倒数、5、损耗调制得锁模原理 ?相位调制得锁模原理 ?损耗调制即在谐振腔内放置一损耗调制器 ,表示为未受调制得电场表示为则经过调制后 ,可以表示为e t ( )E t T t ( ) ( )E T 0 0Tsin(mt2)sin(ctc)E T 01ms

33、in(m t2)sin(c tc)E T 0sin(c tc)mE T 0sin(cm) tc2mE T 0sin(cm) tc222上式表明 ,正弦调幅波可以用频率分别为, -m,0+得三个平面波得迭加合成。由于这三个平面波位相相同,所以它们相干叠加可以输出一个巨脉冲。相位调制就是指激光得初始相位受到调制信号得调制而随信号变化,具体过程见下题。第十章1、位相调制锁模原理 , 锁模启动过程 ? 位相调制就是指激光得初始相位受到调制信号得调制而随信号变化。设初始相位受到一相位增量调制 : 则相位调制信号为e t ( )A 0cos0t(0m( )A 0cos0t(0msinm t)A 0cos0

34、tmsinm t0)该式可以用贝塞尔函数展开成多级,若1,则最后可以简化为e t ( )A 0cos(0t0)A mcos(0m)t0)A mcos(0m)t0)22上式类似于调频得结果,弱调相只产生一级上下边频,强调相可产生多级高阶上下边频。锁模启动得过程即:当强激光受到调制时,先产生上下边频得起振,然后激光继续振荡,不断激发更多得高阶边频起振,最后谐振腔内所允许得所有频率都起振,它们相干叠加,形成窄得巨脉冲输出。用频率 fi 驱动放在共振腔内得那只主动调制器工作 ,同时让最靠近增益峰值频率 vm 得模开始激光振荡 .受调制器得作用 ,这个模得电磁场通过调制器之后将形成频率分别为 v f与

35、vm-fi 得边带 .如果驱动频率 fi 等于两个纵模得频率间隔 (数值等于 c/2l,c 为光速 ,l 为共振腔腔长 ),那么 ,vm 带将通过两个边带得“ 搭桥” 与与它相邻近得两个模发生耦合 ,三者建立了振荡相位关系、 当频率 m i 得边带通过调制器时 ,又产生频率 vm i 得新边带 ,它们又把 vm 与与它相隔频率 f得模耦合起来 ,建立激光振荡相位关系 .辐射在腔内来回通过调制器传播 ,与 m 建立振荡相位关系得模越来越多,最后使在激光增益线宽范围内全部得纵模都耦合起来 .我们说 ,振荡模此时已被锁定 ,激光器进入锁模状态 . 2、相位锁模调制器得调制频率为何要等于相邻纵模间得频

36、率差？锁模器为何要放置在尽量靠近端镜 ,放在远离端镜得位置行否？锁模实质上就就是锁各个纵模间得初始位相、使它们之间保持恒定差。调制频率要等于相邻纵模间得频率差就是为了保证每一次加载调制信号得时候 ,都刚好加载在可能起振得纵模得频率上 ,使得最后起振得都就是谐振腔所允许得频率 ,然后这些纵模相干叠加才能产生极大值。锁模器要尽量靠近端镜就是为了保证光束得调制频率为纵模间频率差 ,如果远离端镜 ,假设放在谐振腔中部 ,则相当于每次光要走到中部才能受到激励 ,这就是受到激励得频率就不就是 /l 而变成了cl 3、染料被动锁模得原理 ,物理上它就是属于损耗调制或就是相位调制 ? 染料锁模可以定性地理解为

37、周期性 损耗 调制锁模 ,但每次损耗调制得调制度不同 ,所以数学处理更复杂、通常把染料锁模分成三个阶段。(1) 线性吸收阶段。此阶段主要就是增益积累、()非线性吸收阶段。高增益模开始振荡 ,受到染料得调制。()非线性放大阶段。脉冲被压缩 ,频谱展宽 ,更多纵模被激发 ,又进一步压缩脉冲、4、何谓自锁模？自锁模原理 , 如何激发纵模得？自锁模得典型激光器就是什么？自锁模指由激光增益介质自身产生得锁模。自锁模原理主要就是由增益介质得非线性效应引起得。当强得激光通过时 ,就会引起增益介质得折射率变化 :进而调制激光得相位这种由光脉冲强度引起得自己得相位变化 ,称为自相位调制。自相位调制会引起频谱展宽

38、 ,展宽量为 :所以,自相位调制使光波得频谱展宽为一个连续带,而连续带中仅有与谐振腔允许得纵模频率相同得谱线能够维持振荡 ,其它谱带消失。激发起得多纵模迭加 ,使脉冲变得更窄 ,dI/ t 更大 ,频谱展宽更大 ,激发起更多得纵模、更多得纵模迭加产生更窄得脉冲 ,进而更大 dI/dt, 这种正反馈过程继续 ,直至达到一个稳定锁模状态、5、激光内、外调制 ?连续、脉冲调制 ?调幅、调频、调相与强度调制？内调制 : 指直接调制激光振荡器得参数, 使输出得激光束得某个参数随调制信号而变化。外调制 : 指调制激光器输出得稳定光束得某个参数 ,使其随调制信号而变化。外调制就是目前广泛使用得调制方法、按照

39、激光束得受调制参数分类 ,激光调制可分为调幅、调频、调相与强度调制。按激光载波得能量分布形式分类:连续调制与脉冲调制。其中脉冲调制又分模拟调制与数字调制。调幅、调频、调相与强度调制即使激光束得偏振电场振幅 , 频率, 相位, 强度随调制信号而变化。第十一章1、脉冲调制技术 ,物理意义及调制信号得数学表示？脉冲调制指激光载波为脉冲串。根据采样定理,只要对连续信号得采样频率大于被采样信号带宽得 2 倍,就可以根据采样脉冲系列恢复连续信号。基于这一原理 ,没有必要传输连续信号得所有信息 ,所以发展了脉冲调制。使用脉冲调制可以节约传输带宽与发射功率。2、脉冲编码调制？量化、编码得物理意义 ? 脉冲编码

40、调制 (PCM) 首先通过 /D 转换器将模拟信号转换为某一字长得数字信号。然后再逐位调制光载波得某个参数 ,实现信息光传输。显然 ,PM 中得每个脉冲只代表一数字化信号中得一个位 ,而一个位可能为或 ,所以只要用 “ 强”或“弱” 脉冲分别表示 1 或 0 即可 ,而脉冲幅度在容许范围内得变化并不具有实际意义,这就就是 CM 能抗噪声干扰得原因。然而 ,PCM 得强抗干扰能力就是以牺牲传输速率为代价得、例如 A D 为 8 位,那么就要8 个脉冲才能代表一个状态、同样传输带宽得有效数据传输速率就只有模拟传输得 /8,或者反过来 ,要保持两者相同得有效数据传输率 ,PC传输得带宽就要增至模拟带

41、宽得 8 倍、为了既保持 PC得强抗干扰能力 ,又保持有效传输带宽不减少 ,所以采用数据编码与压缩技术、脉冲编码技术 ?脉冲编码调制得优点 ,缺点？连续调制与脉冲调制均为模拟调制 ,通过使光束得某一个参数随信号变化实现信号得调制与传输。如果噪声也使被调制参数发生变化 ,接受者就不能区分这种变化就是信号或就是噪声 ,所以 ,模拟调制得抗干扰能力差、为此 ,发展脉冲编码调制技术 ,它就是数字调制、具有强得抗噪声干扰能力、但就是 ,它得强抗干扰能力就是以牺牲传输速率为代价得、4、双折射现象、主平面、主截面？O、e 光得偏振态 ? 一束光称为寻常光(o 光),双折射现象 :当一束光折射进某些物质中产生

42、两束折射光束得现象。另一束光称为非寻常光(光 )。主平面 :由光线与光轴组成得平面。主截面 : e 光主平面与 o 光主平面重合得平面。o 光:折射率与传播方向无关得光束,即各向同性光束。其偏振方向与主截面垂直、e 光:折射率随传播方向变化 ,即各向异性光。其偏振方向与主截面平行。、折射率椭球及其物理意义？如何依据折射率椭球确定光得偏振态？折射率椭球在各向异性晶体中 ,电位移矢量与电场矢量之间通过电介张量联系起来 ,即:通过选择适当得坐标系 YZ,可以实现电介张量 ij得对角化 ,即称这样得 XZ 坐标轴为介电主轴。在介电主轴坐标系中因 ,所以 ,光率体可写为 : 上式即为在主坐标系中得双折射

43、晶体得折射率椭球方程、,光率体为一椭球 ,椭球方程为 :x,ny, n 分别为沿 X,Z 方向得主折射率。双折射晶体中 ,任一波矢量对应两个相互正交偏振得电位移分量 D与 D2,过折射率椭球中心做与垂直得平面 ,此平面与椭球相交形成一椭圆 , 则( 1)、 1 与 D2 分别平行于相交椭圆得长、短轴方向。(2) 、沿 D1与偏振得两个分量得折射率分别等于对应得椭圆主轴得半长度。6、线性电光效应及其计算 ? 线性电光效应指晶体得折射率随外加电场一阶变化得效应。计算见下题第十二章1、线性电光效应得计算,电光调制器设计,半波电压、 1/波长电压 ,纵、横向电光调制？线性电光效应得计算: a 首先先确

44、定折射率椭球得表达式b 然后确定该晶体得电光张量与外加电场情况c 然后写出在主轴坐标系下 ,外加电场下得折射率椭球方程d 合并同类项 ,再将新得折射率椭球方程写成未加电场时得折射率椭球得形式 ,从而导出新得折射率表达式e 根据题目给定得电场方向 ,求出位相差 ,进而可得半波电压。电光调制器得设计调制应该随外电场得变化比较明显,一般沿光轴方向施加电压,纵向应用无自然双折射引起得相位延迟 ,而横向应用有自然双折射引起得相位延迟、半波电压即与光波传播方向垂直得两个偏振态产生得相位差为时所对应得电压1/波长电压即与光波传播方向垂直得两个偏振态产生得相位差为/2 时所对应得电压纵,横向电光调制即当光波传

45、播方向与加电压得方向一致时为纵向调制 ,垂直时为横向调制。2、KP 晶体电光调制器如何应用最有效？沿光轴方向施加电压,纵向应用 无自然双折射引起得相位延迟,而横向应用有自然双折射引起得相位延迟。、电光强度、相位调制器？线性工作点得设置？强度调制器就是在电光晶体前后放置起偏器与检偏器 ,通过对电光晶体施加电压 ,然后改变出射光得偏振方向 ,从而改变从检偏器射出得光强得大小 ,至此达到了强度调制、而相位调制器则只有起偏器 ,且起偏器得方向与调制器容许得偏振方向一致 ,透射光得相位调制正比于偏振方向得光得折射率得变化、4、电光调制器得渡越时间与带宽 ,高频电光调制得阻抗匹配 ? 电光调制器得度越时间

46、就是指光通过晶体所需要得时间 ,调制器得最高工作频率为 ,其带宽得量级为 G。高频电光调制得阻抗匹配 :电光晶体可以等效为一个电容与电阻得并联 ,其阻抗为、当频率为高频时 ,其阻抗值近似为 ,小于信号源内阻 ,则大部分功率将消耗在无用得地方。因此需要并联一个电感 L,其阻抗变为 ,取时 ,阻抗最大 ,从而调制功率能有效得加载到晶体上。第十三章1、行波调制器结构,提高带宽得原理及带宽？,尽量与光波得传播匹配,这样就不会受到度行波调制器采用横向调制,行波电场沿电极传播越时间得限制 ,从而极大得增加了行波调制器得带宽、其带宽为,为非行波型得倍2、声光衍射原理 ,声光栅得形成 ,行波型与驻波型拉曼奈斯

47、声光衍射得异同 ? 原理 :超声波在介质上传输时 ,将造成折射率得分布随声波得强度变化。当光照射在介质上时就会发生衍射 ,由此形成声光栅、行波型即超声波在光栅上单方向传播,进行行波调制,衍射光得强度极大值随时间变化;而驻波型可以分解为两个相反方向得行波得叠加,衍射光强极大值不随时间变化、光栅衍射类型得判定 ,G 参数与 Lo 参数定义 ,判断值？当光栅厚度较薄时 ,一般发生拉曼奈斯衍射 ,即声光衍射就是多级得 ;而当光栅较厚时 ,满足布拉格衍射条件则发生布拉格衍射 ,即声光衍射仅有正或负一级。她们主要通过参数 G 与来区分,其中 , 当 G 时,为拉曼奈斯衍射当 4 时,为布拉格衍射若 G 处

48、于两值之间 ,则属于混合型 ,既有拉曼衍射 ,又有布拉格衍射。当 L /2,为拉曼奈斯衍射当 L ,为布拉格衍射若 L 处于两值之间 ,则属于混合型 ,既有拉曼衍射 ,又有布拉格衍射。4、磁光效应 ,物理起因？磁光旋光得特点 ,双折射波片得旋光得异同 ? 磁光效应起源于电子自旋与磁场作用 ,产生塞曼分裂 ,使得原来简并得能级分裂。自旋分裂后 ,材料得消光系数对左右旋圆偏振光得吸收峰分裂,从而引起折射率得变化。所以左右旋圆偏振光得折射率不同,此效应为圆二色性。当线偏振光通过具有圆二色性得晶体以后,左右旋圆偏振光得相位不同,合成得光为一个偏振面发生旋转得线偏振光。磁光旋光得特点就是偏振面旋转方向与

49、光传播方向无关,只与磁场强度方向有关。磁场方向不变时 ,光往返两次通过磁光调制器 ,偏振面转角加倍。双折射波片得旋光 ? 第十四章1、激光束偏转 ,模拟与数字偏转？激光束偏转技术主要有机械偏转 ,电光偏转与声光偏转、模拟偏转即 :光束连续偏转 ,能达到偏转轨迹上得任何点,主要用于显示技术。数字偏转即 :光束只能到达偏转轨迹上得某些离散点 ,主要用于光存储。、机械偏转技术得原理、特点？机械偏转利用反射镜或棱镜等光学元件得旋转或振动,改变反射光或折射光得方向而实现光束偏转。它得优点就是偏转角大 ,光谱范围宽 ,光损耗小 ,温度影响小 ;其缺点为扫描速度慢。3、电光偏转技术得原理、特点？典型模拟与数

50、字偏转期结构？电光偏转就是基于晶体得电光效应引起得折射率梯度变化 ,使光线发生弯曲 ,其中光线得偏转角正比于折射率梯度。模拟 :两块楔形 DP 晶体组成 ,偏转角不仅与调制电压有关 ,而且与调制器得几何结构有关。数字 :一块调制器与一块检偏器组成一位数字偏转器、不在调制器上加电压时 ,光线为光 ,在经过检偏器时不发生弯曲 ;在调制器上加电压时 ,光线为 e 光,经过检偏器时发生弯曲 ,从而达到了通过加电压与否控制光束位置得 0,1 状态得效果。4、声光偏转技术得原理、特点？声光偏转器得结构 数? 原理 :根据布拉格衍射条件 : ,如何实现布拉格角得自动调制？分辨点可以通过改变声波波长 ,来改变

51、布拉格衍射角、所以可以通过控制超声波长来控制光束得偏转、结构 : 自动调制 :通常入射光得方向就是不变得 ,当声波频率改变时 ,要保持布拉格条件就必须改变超声波得传播方向 ,以实现对布拉格角得跟踪。通常采用列阵换能器 ,总得超声波为各列阵元产生得超声波得叠加、通过控制各列阵元间得位相差 ,就能控制合成超声波前得传播方向 ,实现布拉格角随频率得跟踪。分辨点数 :分辨点数即用扫描角除以光束得发散角。5、光探测方法分类 ?光热法 ,光压法得测量原理？光探测法可分为光压法 ,光热法与光电法、光压法利用光得量子特性 ,当光子打在测量器表面上时 ,由于它具有动量与动能 ,因此会对表面产生一定得压力 ,测量

52、器通过测量光冲力引起得转角得变化来测量光能量。光热法就是利用物体吸收光能后 质得某个参数变化来探测光能量得、,温度升高或温度升高而引起物6、热释电探测器得材料结构、极化原理 ?光谱与时间响应特点？热释电探测器材料就是一种铁电材料 ,由大量得极性分子组成 ,每个极性分子都具有偶极矩。通常大量得极性分子就是随机取向 ,各向同性得 ,所以不显示出宏观偶极矩。然而 ,铁电晶体具有相变记忆特性 ,利用这一特性 ,能够极化铁电晶体 ,使其产生各向异性 ,出现宏观偶极矩。 在与耦极矩垂直得表面上出现束缚电荷 ,进而产生电势差。在低于居里温度范围内 ,极化强度就是温度得递减函数 ,当此晶体吸收光能量 ,温度升

53、高时 ,电势差减小、 因此 ,只要定标电势差与光能量间得关系 ,就能通过测量电势差获得光能量、第十五章、内、外光电效应？红限波长？内光电效应即物质中得电子吸收光子能量后,跃迁到较高能量状态,但不能挣脱物质势能场得束缚 ,只就是改变物质得导电特性。外光电效应即光子能量被电子吸收后,电子挣脱势能场得束缚,飞离开原物质得效应。红限波长即能够产生外光电效应得最长波长。2、真空光电管得结构,光电阴极材料得要求？常见光电阴极材料,及其标记方法 ? 真空光电管由光电阴极、阳极与真空罩组成、光电阴极材料得条件:a) 光吸收系数大b) 光电子得逸出深度大c) 电子亲与势小 ,使表面逸出机率大常见光电阴极 :a)

54、紫外光电阴极 ,大多数金属 b)可见光谱光电阴极 :镝铯光阴极 ,灵敏度高 ,量子效率高 20 30,制作工艺简单 ,应用较多。 c)镝钾钠铯多碱光阴极 :灵敏度很高 ,热发射电流很小 ,可见光谱范围光谱响应均匀。d)三五族半导体化合物负电子亲与势光阴极不仅灵敏度高,而且长 波阈值延伸到了红外 ,很好地满足了夜视技术得发展需要。标记方法 :把负电子亲与势发现以前得所有光电阴极按出现得先后顺序与窗口材料以“ S-数字 得形式编号 ,如 S1 表示镀在玻璃上得银氧铯光阴极 光阴极材料、3、描述真空光电管得参数及其意义 ? ,S25 表示镀在玻璃上得锑钾钠铯灵敏度 :一般用量子效率或光阴极灵敏度表示

55、。量子效率 :光阴极发射得光电子数与入射到阴极上得光子数之比。光阴极灵敏度 小。: 单位光通量照射在光阴极所产生得光电流得大光谱响应特性 :指光电管得单色光照灵敏度随波长得变化关系 ,与阴极类型 ,厚度 ,衬底材料有关。光电线性性 : 保持光谱与阳极电压不变时,光电流随光通量得变化关系。影响线性得主要因素:a) 阴极发射过程产生光电疲劳,底层补充电子有困难)阳极不饱与吸收。 即不能接受来自阴极得所有电子4、二次电子发射及二次电子发射体？光电倍增管得结构,工作原理 ,描述参数及其意义,工作电路 ? 二次电子发射就是指光从阴极上打出得电子打在打拿极上,又继续产生二次电子,该过程就就是二次电子得发射

56、。二次电子发射体即能具有二次电子发射能力得物体。光电倍增管由光电阴极 ,输入系统 ,倍增系统与输出系统组成。工作原理 :光照射在光阴极上,电子从阴极上飞出,进入放大系统,逐次打在各个倍增极上,每个倍增极上被打出更多得电子,最后全部被阳极收集,形成电流输出。参数 :a)灵敏度 :阴极灵敏度即单位光通量产生得光电流 到阴极得光通量之比;阳极灵敏度即阳极输出电流与入射b)放大倍数 :一定工作电压下 ,光电倍增管阳极电流与阴极电流得比值 )暗电流 :无光照时 ,加上工作电压 ,阳极输出电流得直流成分 ,它决定了光电倍增管可探测得最小光通量。主要由热电子发射引起,降低温度可减少暗电流得影响、d)等效噪声

57、能当量:暗电流中得交流与脉冲成分构成了管子本底噪声,此本底噪声决定了管子在闪烁技术中能够测量得最小辐射能量。、倍增系统得结构 ? 倍增系统就是光电倍增管得放大系统 ,由多极组成。即上图中得 ,D ,D3,D 四个电极 ,它们得排列如图所示 ,其中加在各电极得电压按照 D1,D2,D3,D4 得顺序依次升高。第 16 章复习题 : 1、通道式光电倍增管 (CE) 得结构、工作原理 , 增益饱与效应？答:图所示为 CEM,管内壁涂 109得导电层 , 并具有得二次发射系数。电子或光子从低电压端入射到管壁产生电子 , 在均匀电场得加速下 , 电子与管内壁多次碰撞 , 产生倍增电子 ,在高压端输出 ,

58、 可达到 108得增益。 CEM得增益可表示为 : 式中 A 为二次发射体得物质常数, 一般为、 2-0 、5,V0为垂直管壁方向得二次电子得平均发射电位 , 约为 1-2V, =/d 为 CEM得长度、直径比 ,V 为加速电压。CEM得增益饱与效应 : 当输出脉冲电子数约为 10个时 , 增益就趋于饱与。 引起饱与得物理原因就是输出端得负空间电荷场排斥来自管壁得二次电子, 使其不能获得足够得动能再次碰撞管壁产生二次电子。当=L/ 60 时, 饱与输出电流约为管壁传导电流得1/10, 小于微安量级。Fig 、81 通道式光电倍增管2、MCP得结构 , C图象加密、解密器原理？(MCP即微通道板

59、式光电倍增器 ) 答:CP倍增器就是由多根 EM并在一起形成得二维倍增器件。每平方厘米中就有多于 1根 M,所以 , 分辨率很高 , 主要用于微弱图象得亮度增强。 P图象加密、解密器原理 , 即 MCP得图象编码与解码原理 : 如果并 CEM时, 每根 CEM得出入位置不一一对应 , 则 MP得输出图象就就是混乱得 , 即图象编码。要恢复原始图象 , 可使用另一个排列完全一样得 MCP,但反向使用 , 即出入口颠倒 , 则可恢复图象 , 实现图象解码、3、光电导探测得原理 , 增益效应 , 特性参数 , 常见光电导材料 ? 答:光电导探测器就是基于内光电效应 ,即电子从价带激发到导带 ,使光电

60、导得电导率发生变化,即光敏电阻。光电导增益原理 : 起源于“ 电荷放大” 效应 , 半导体中得杂质能级 ( 位于禁带中 ) 会捕获少数载流子 , 如 N 型(P 型) 光电导得空穴 ( 电子 ) 会被杂质能级捕获 , 使光电导带正电 ( 负电 ), 而吸引负极 ( 正极 ) 得电子 ( 空穴 ) 进入光电导 , 在电场作用下漂移到正极 ( 负极 ), 这就相当于增加了电子 ( 空穴 ) 得产生率。特性参数 :a 、光谱光电灵敏度,单位光功率产生得光电流随光波长得变化关系;、噪声 , 光电导探测器得噪声主要有三类: 热噪声、 产生 -复合噪声、 散粒噪声。 热噪生起源于电子空穴得热激发 , 通过