光电子技术安毓英版答案

1、习题1.设在半径为Rc的圆盘中心法线上， 距盘圆中心为10处有一个辐射强度为Ie的点源S,如图所示。试计算该点源发射到 盘圆的辐射功率。d e解：Ie在lTIedTRc2.如图所示, 的距离为10。若设小面源的面积为 c为辐射在被照面As,辐射亮度为Le,面源法线与10的夹角为s；被照面的面积为Ac的入射角，试计算小面源在Ac上产生的辐射照度。Ac,到面源As解：用定义Le3.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Le均相同。试计算该扩展源在面积为Ad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

2、的辐射亮度为L %LeeodS 得到余弦辐射体的面元 dS向半空间的辐射通量为d e Le0 dS Le dS又因为在辐射接收面上的辐射照度Ee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,Lc dSo所以该扩展源在面积为 Ad的探测器表面上产生的辐照度为Ee 单位是 W / m2Ad4.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m随温度T的升高而减小。试由普朗克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 热辐射公式

3、导出mT 常数。10-3mK。解：普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0,即可求的。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 常数*T4这一关系式被称为斯忒藩玻尔兹曼定律，其中常数为5.67*10-8W( m2 K4)。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:Meb2 hc25exp(hc/ kB) 1式中h为普朗克常数,2.c为真空中光速，kB为玻尔兹曼常数。令 C12 hc ,C2hc瓦则上式可改写为MebCi5exp(C2 / T) 1将此式积分得 M ebMebd2 hc250 exp(hc/ kB) 1d

4、T4此即为斯忒藩玻尔兹曼定律。2 2k4式中 415h3c25.670 10 8 J /m2 ?自？k4为斯忒藩玻尔兹曼常数。8.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mT 2897.9(m* k)得2897.9965.973由Med e 一，一和普朗克公式Me b dSCi5exp(C2 / T) 12及地球面积S 4 R得出地球表面接收到此辐射的功率。你知道这是按什么区分的吗?9.常用的彩色胶卷一般分为日光型和灯光型。 解：按色温区分。10.vdv为频率在

5、v(vdv)间黑体辐射的能量密度， d 为波长在 -d 间黑体辐射能量密度。已知hv3 / c3exp( hv/ kBT)1,试求解:由 vdv =分别在 10500nm 和3000MHz 输出1W连续功率，问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少?解：nch1W*10 m346.626*10 Js*3*10ms5.03*1019 个1W*500nm34816.626*10 Js*3*10ms2.52*1018 个1W346.626*10 Js*3000MHz5.03*1023个12.设一对激光能级为 e2和3000MHz ,相应频率为?时,（波长为），各能级上的粒子数为n2和n(3)解

6、:作n1(1)(2)(3)13试证明,n2n1n2n1n2n1T=300K?0.1时，温度T=?2-e1得：tE2 EikT e346.626*10hckThckTh kT*3000*106231.38*10 *3006.626*106.3*10由于自发辐射，原子在证明：自发辐射，一个原子由高能级dn2 dt(dn21)dt sp34*4.8*1083*10231.38*10 *300*1*103486.626*10 *3*10236_1.38*10 *1*10 TE2能级的平均寿命e2自发跃迁到自发跃迁几率0.14.8*10A21211.4*10Ei,单位时间内能级E2减少的粒子数为:dm

7、dt因此A 2114焦距f是共焦腔光束特性的重要参数，试以/dn21 1A21 () dtn2spA21t n20en20esf表示W0 , Wz, Rz , Void。由于f和W0是一一对应的，因而也可以用W0作为表征共焦腔高斯光束的参数，试以Wo表示 f , wz,Rz,Vooo解:，(z)Wo,Rf2z0z01L2L2二 L0s二 HYPERLINK l bookmark61 o Current Document 2215今有一球面腔，r 1 5m，R21m，L = 0.8m。试证明该腔为稳定腔；求出它的等价共焦腔的参数。解：g1=1- - =0.47R1.Lg2=1-,R2gi ?g2

8、 =0.846即:0 g ？g21 ,所以该腔为稳定腔。解：(z)01 号)2 , R(z)f2 z z其中，f20 0.385m30cm：(30cm) 1.45mm,R(30cm)0.79m10m :(10 m) 29.6mm,R(10m)10.0m1000m：(1000 m) 2.96m,R(1000m) 1000m17有频率为2的二束光入射，试求在均匀加宽及非均匀加宽两种情况下频率为的弱光的增益系数表达式；(2)频率为1的强光的增益系数表达式;由公式()L R2 LL R1 L R2L R1 LZ 2 =L R1 L R22 L R1 L R2 L R1R2L 2f =2=L R1 L

9、R2f=16某高斯光束 0 1.2mm,求与束腰相距0.3m、10m、1000m远处的光斑的大小及波前曲率半径 R。解：对于均匀加宽物质，当频率为v ,光强为1V的准单色光入射时，其小信号增益系数和饱和增益系数分别为0Vh 22Vh 2Gh(v) g0(V0)T)2/(v V0)2 (72H)2式中G：(v0)为中心频率处的小信号增益系数,2(1知I SGh(v,Iv) G：(v0)(个)2/(V V。)2Vh为增益曲线的宽度。对于非均匀加宽物质，当频率为v ,光强为Iv的准单色光入射时，其小信号增益系数和饱和增益系数分别为G(v) Go(vo)e (4ln2) (v vo/ Vd20(4ln

10、 2)2Gi(v,Iv)Gi (Vo)e(V Vo/ Vd式中G (Vo)为中心频率处的小信号增益系数，Vd为增益曲线的宽度。若1,2二强光同时入射，则此时反转集居数(20)2(十0)2()2(1(20V If20)2()2(10)2 (力弱光的增益系数gH (,11,I2)21 ( 1n- 8强光gH ( i,i 1, I(0)2的增益系数2)n 21 (H)22v2 A21 g H ( 1 , 0 )020 Vn 80)2(20)2()2(1 j ( 10)2()2(118长为1m 的反转集居数密度。的He-Ne激光器中，气体温度 T=400K。若工作波长um时的单程小信号增益为30dB

11、,试求提供此增益解：氨就激光器的小信号增益系数可表示为G0( 0)A21(ln 2)i/2(1)式中A212.87 10 6s 1为自发辐射跃迁几率，而多普勒加宽线宽7.1610式中就原子量 M=20,而T=400K ,由此有283MH根据题中给出条件10logeG(o)l 30dB(即：单程小信号增益为30dB)式中腔长l 1m,由此可得到G0( 0) 0.069cm 1于是由(1)式，求出反转集居数04DG ( 0)93n T77 1.58 10 cm0 A21(ln2/ )1/219计算由下式表示的平面波电矢量的振动方向、传播方向、相位速度、振幅、频率和波长。E ( 2i 2 .,3j)

12、ei( 3x y6108t)解：平面波电矢量的振动方向为X和Y轴面内arctan 73角度传播方向为与X和丫轴成arctan角度负向传播(k传*k振=-1)3相位速度(r) 一 c k n振幅E ( 2i 2j3j)e(4x犷为复振幅频率 6 108; 波长 c/ 220试确定下列各组光波表示式所代表的偏振态：ExE0sin(tkz), EyE0 cos( tkz) TOC o 1-5 h z ExE0cos(tkz), EyE0cos( tkz/ 4)ExEsin(tkz), Ey E cos( tkz)解：(1)中Ex和Ey二分量的相位差为0,此时为线偏振光。且光振动方向在I、出象限内。(

13、2)中相位差为2m (2m 1)为右旋椭圆偏振光Evi-(3)中为相位差为一且Ex Ey又由 e 2所以为左旋圆偏振光。2Ex121Mm波长光的折射率为 n=1.52546, dn/d 1.26 10 /口，求光波在该玻璃中的相速度和群速度。解：已知平面光波的想速度(r) c/n,将平面光波的想速度。dk相速度和群速度之间的关系为g k(1 业)，即可求得光波在该玻璃中的群速度。22如图1-41所示，玻璃块周围介质(水)的折射率为1.33,若光束射向玻璃块的入射角为45,问玻璃块的折射率至少应为多大才能使透入光速发生全反射？n 1.33解：设玻璃的折射率为n0由折射定律得nsin 45 n0

14、sin（式中 =90- c）,且sin c 工时发生全反射，所以玻璃的折n0nsin 45 nn0n0射率n0满足sin（90 arc） 一 ,由此解得玻璃的折射率n0。习题2.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。.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

15、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） 流效应。、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，统称为大气湍3对于3m晶体LiNbO 3 ,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。当晶体未加外电场时，主轴坐标系中折射率椭球由下方程描述2222 L 二 1222nx ny nz当晶体施加电场后,（4）1X2 （口）2 y2 n n其折射率椭球就发生变形，椭球方程变为（口输2n1、1、1、,2(-)4yz 2()5xz 2()6yx 1（4）随之发生线形变化，其变化量定义为 n中j称为线性电光系数。nx

16、其新主轴的半长度分别为nyno1 : n2 11 -n263Ez63 Eznz设光波沿z轴方向传播，当沿z方向加电场时为纵向应用，两偏振分量的相位延迟分别为22 Lx nxL (n01n3 63Ez)，2nyL2 L/(n。1-3二 n0 63Ez)2如果沿z轴方向加电场，光束传播方向垂直于z轴并与y或x轴成45,则其电光效应相位延迟为n3 63(L)V4 一块 45一z切割的GaAs晶体，长度为L,电场沿Z方向。证明纵向运用时的相位延迟为n3r41EL 00思路证2x 一 nx L明：当2 L(n02 L/(n沿z1 32n01 3 2n。方向加电场时为纵向应用，两偏振分量的相位延迟分别为6

17、3Ez)，63Ez)因此这两个光穿过晶体后产生一个相位差x y. -Ln3 63Ezn3 63V,式中vEzL是沿Z轴加的电压。x005.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 Ex , Ey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。6在电光晶体的纵向应用中，如果光波偏离晶体的一个小角度（1）传播，证明由于自然双折射引起的相位延迟为Ln 、n0（2 1），式中L为日日体长度。2cne证明：运用晶体椭球方程2xnx2y_2ny2二 1和光波在晶体中的传播特性及自然双折射原理 nz7.若取 vs=616m/s,n=2.35,fs=10M

18、Hz ,0 m,试估算发生拉曼-纳斯衍射所允许的最大晶体长度Lmax=?由公式L2s计算。8利用应变S与声强Is的关系式当，证明一级衍射光强I1与入射光强I0之比为VsIiI；IiI。2(0COS J2 62 P n2s2 -Is (取近似J1 (证明：当入射光强为21110sin(2)1、)2 P2n10时，布喇格声光衍射的1级衍射光强的表达式可写成可以用声致折射率的变化 n来表示，既,这样就有Is9考虑熔融石英中的声光布喇格衍射，若取0 m, n=1.46, vs= 5.973.10 m/s, fs=100MHz ,计算布喇格角解：由公式sin B fq求得2ns 2n sN=250匝导线

19、，通有电流 I=5A。取韦尔德常数. 一束线偏振光经过长 L=25cm,直径D=1cm的实心玻璃，玻璃外绕为 V10-5( ) /cm由公式试计算光的旋转角 VH计算。.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。12从光线方程式出发，证明均匀介质中光线的轨迹为直线，非均匀介质中光线一定向折射率高的地方偏斜。证明：由折射定律n知，折射率越高，折射角越小,光线一定向折射率高的地

20、方偏斜n0sinsin13今有一 L /4的自聚焦光纤，试回出一束平行光和会聚光线入射其端面时，光纤中和输出端面上的光 线图，并说明为什么？1 (2)2/2为工程上定义的纤 ni解：平方律折射率分布光纤的n(r)可表示为n2(r) n121 2 (二)2其中 a芯和包层间的相对折射率差。可见平方律梯度光纤具有自聚焦性质，又称自聚焦光纤。一段 /4长的自聚焦光纤与光学透镜作用类似，可以汇聚光线和成像。参见 P7314光纤色散、带宽和脉冲展宽之间有什么关系？对光纤传输容量产生什么影响？解：光钎的色散会使脉冲信号展宽，既限制了光钎的带宽或传输容量。一般说来，单模光钎的脉冲展宽与色散有下列关系 d L

21、，式中，d是总色散，L光钎长度，是光信号的谱线宽度。光脉冲展宽与光钎带宽有一定P(f)(j2ln2H(f) -(- e fc参见 P74OP(0)15.光波水下传输有哪些特殊问题？解：传播光束的衰减特性，前向散射和后向散射。习题31. 一纵向运用的 引起的哀减。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解：渡越时间为：d=nL/c相位延迟因子:i m d TOC o 1-5 h z ac t _1 ei(t) t E(t)dt 0()en t di m d2.在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中才1入一个/4波片，波片的的轴

22、向如何设置最好？若旋转 /4波片,它所提供的直流偏置有何变化？解：其快慢轴与晶体的主轴x成45 角，从而使Ex和Ey两个分量之间产生/2的固定相位差。3为了降低电光调制器的半波电压，用 4块z切割的KD*P晶体连接(光路串联，电路并联)成纵向串联式结构，试求： (1)为了使4块晶体的电光效应逐块叠加，各晶体的x和y轴应如何取向？ ( 2)若 o.628 m, 63 23.6 10 12m/V ,计算其半波电压，并与单块晶体调制器比较。解：(1)互成90(2)V(一3一)L,其中括号内就是纵向电光效应的半波电压，即 (V )横(V )纵上,减小d增加L可以减小半2n13 63 dd波电压，与单块

23、晶体调制器比较其半波电压减小了。4如果一个纵向电光调制器没有起偏器，入射的自然光能否得到光强度调制？为什么? 解：不能，因为没有了线偏振光通过晶体后，不能产生相位差。5 一个PbMoO4声光调制器，对 He-Ne激光进行调制。已知声功率 Ps 1w ,声光相互作用长度 L 1.8mm,换能器宽度H 0.8mm, M 2 36.3 10 15s3 / kg，试求PbMoO4声光调制器的布喇格衍射效率。-2L22COS2H222COS2斛：s 22-MzIs，已知 M2, L,H, Ps，由 Ps B(一)，可求得 COS B ,再代入 Is 2-B 求s 2 2COS2 B 2 S 2S2M2L

24、s2M2L26一个驻波超声场会对布喇格衍射光场产生什么影响？给出它所造成的频移和衍射方向。解：对每个声频率，具有许多波矢方向不同的声波分量都能引起光波的衍射。于是相应于每一确定角度的入射光，就有一束 发散角为2 的衍射光，而每一衍射方向对应不同的频移。如图2小声波7.用PbMoO4晶体做成一个声光扫描器，取 n=2.48, M2频 fs=150MHz ,声速 vs 105cm/s,光束宽度 d=0.85cm,光波长10-15s3/kg,换能器宽度H=0.5mm。声波沿光轴方向传播，声m。 (4) 解:证明此扫描器只能产生正常布喇格衍射；为获得100%的衍射效率，声功 Ps率应为多大?若布喇格带

25、宽求可分辨点数f=125MHz ,衍射效率降低多少?No(4)由公式LL02n s曰 一证明不是拉曼-纳斯衍射。4 0Is22cos B2M2L2,Ps hli s22cos B H2M2 L若布喇格带宽f=125MHz ,衍射效率降低多少?荻 fs，2 sf0 fn7P22 2PsVs3cos B H用公式NR )和N-计算。 vs R4.1习题4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。直接引起原子或分子的h , h是普朗克常数，是答：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, 内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内

26、部电子状态改变的大小。因为，光子能量是 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

27、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。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。4.3用光敏电阻设计路灯自动点亮器及AGCM大电路。答：CdS探测器和CdSe探测器是两种低造价的可见光辐射探测器，它们的特点是高可靠性和长寿命，因而广泛应用于自动化技术和摄影机中的光计量。这两种器件的光电导增益比较高(103104),但相应时间比较长(大约50mS)。故设计一种采用造价低，高可靠性和长寿命的C

28、dS探测器和CdSe探测器作为路灯自动点亮器及 AGCa大电路的光敏电阻。225 10mm ,在1000W/m光照下，开路电压 u0.55V，光电流i 12mA。试求：在( 200- 700) W/m2光照下，保证线性电压输出的负载电阻和电压变化值;(2)如果取反偏压 V=0.3V ,求负载电阻和电压变化值;(3)如果希望输出电压变化量为0.5V,怎么办？答：Uoc kBTln(-) , ueisokbTln(P) uOC 即 u2.6 1021n(R) uOC , R 07e PocpiSi光电二级管灵敏度为 10 A/ W ,结电容为10pF,光照功率 5 W时，拐点电压为10V,偏压 4

29、0V,光照信号功率P(t) 5 2coswt( W),试求;(1)线性最大输出功率条件下的负载电阻;(2)线性最大输出功率；(3)响应截止频率。答：(1) GpS(P P0) 2gu1, IRP2(V u)GpPh1GLu 22HMfc c12 RLCjis hv 1NEP e SNRI,证明：已知量子效率Ri ,将探测器的通量阈 Pth 工，信噪比SNR 卜，噪声等效功率 NEP 凡逐次代入即可证eRin明。比较直接探测和外差探测技术的应用特点。e答：光电探测器的基本功能就是把入射到探测器上的光功率转换为相应的光电流。即i(t) 一 p(t),光电流i(t)是光电探测hv器对入射光功率 p(

30、t)的响应。因此，只要待传递的信息表现为光功率的变化，利用光电探测器的这种直接光电转换功能就能实现信息的解调，这种探测方式通常称为直接探测。而光频外差探测基于两束光波在光电探测器光敏面上的相干效应，所以 光频外差探测也常常称为光波的相干探测。.某光电管伏安特性及负载线如图所示，求：工作电路RiRLu 和 u”工作动态范围入射光功率2W时的输出电压入射光功率3NW, 4W时的输出电压入射光功率从4卜W降为1卜W时，输出电压变化A u饱和电阻2.某光敏电阻与负载电阻RL=2kQ用接于12伏的直流电源上，无光照时负载电阻上的输出电压为 u1=20mV 有光照时负载上的输出电流 u2=2V,试求：光敏

31、电阻的暗电阻和亮电阻值；若光敏电阻的光导灵敏度S=6x 10-6s/lx ,求光敏电阻所受的照度？解：(1) R 暗=(Ub-U1 ) /I 暗=(Ub-U1 ) /(U1/Rl)= (Ub-U1 ) /U1*Rl=(12-2*10人-2 ) /2*10A-2*2*10A3=1.2*10A60R 亮=(Ub-U2)/U2*Rl=(12-2) /2*2*10A3=10人4 帛2) Gd=1/R 暗=8.3*10人-7s , Gl=1/R 亮=10A-4s, G= Gl - Gd=10A-4-8.3*10A-7=10A-4s, E=G/Sg=10A-4/(6*10A-6)=16.53 lx ,.如

32、果Si光电二极管灵敏度为10卜A/仙W结电容为10pF,光照功率5仙WM,拐点电压为10V,偏压40V, 光照信号功率为10( pW)M,试求：(1)线性最大输出功率条件下的负载电阻；(2)线性最大输出功率；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、位激光器、钛宝石激光器（写出

33、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 零06）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=hv2、光子具有运动质量 m, m=E/c2=hv/c23、光子的动量与单色平面波矢对应：P=?k4、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

34、 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

35、散、材料色散、波导色散1）光束调制按其调制的性质可分为调幅，调频，调相，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、编他。2）光束扫描根据其应用的目的来可以分为模拟扫描、数字扫描两种；前者主要应用各种显示，后者主要应用于 光存储 。3）在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个/4波片，波片的轴向取向为快慢轴与晶体的主轴成45度角时最好。4）根据调制器与激光器的关系，光束的调制方法可以分为内调制和外调制 两种。内调制是指加载信号是在激光振荡H寸程中讲行的，以调制信号改变激光 器的振荡参数、从而改变激光器输出特性以实现调制 。5）利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电

36、光强度调制，纵向电光调 制和横向电光调制各有什么优缺点？答：纵向：优点：结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响缺点：半波电压太高、调频较高时，功耗较大横向：优点：可降低半波电压缺点：存在自然双折射产生的固有相位延迟1） 一纵向运用的KDP电光调制器，长为2cm,折射率为，“3 =106 ,工作频率为1000kHz,则此时光在晶体中的渡越时间为Q = 02）光热效应是指 材料受光照后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化 3）本征型光敏电阻一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射 探测；非本征型光敏电阻通常在低温条件下工作， 常用于 中远红外辐射探测。4）单片硅光

37、电池的开路电压约为短路电流密度约为150-300A/m2。5）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，其主要特点有：光子能量的大小能直接影响内部电子状态改变的大小。6）光电二极管是指 以先导模式工作的结型光伏探测器 常见的光电二极管有Si光电二极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管 等类型（写出两种）。7）光热探测器由热敏元件、热链回路、大热容量的散热器 三部分构成,常见的光热探测器有热敏电阻、热释电探测器（写出两种）。8）简述光电探测器的主要特性参数。答：1、积分灵敏度2、光谱灵敏度3、频率灵敏度4、量子效率5、用量阀6、噪声等效功率7、归一化探测度等9）简述光子效应和光热效应

38、。（看上面2、5两填空题）10）总结选用光电探测器的一般原则。答：按照光电探测器的性能参数评价探测器性能的优劣，比较不同探测器之间的差异，从而达到根据需要合理选择和正确使用光电探测器的目的。1） CCD的基本功能为 电荷存储和电荷转移，CCD按结构可分为 线阵CCD、W CCDo2）固体摄像器件主要有三大类，它们是电荷耦合器件（CCD、互补金属氧化物半导体图像传感器（CMOS、电荷注入器件（CID）。3） CCD的基本工作过程包括信号电荷的产生，存储，传输，检测。CCD8像器件的基本工作原理是 依靠半导体的光电特性，用光注入的办法产生 4）简述带像增强器的CCD的特点。（看下面（6）5）简述电

39、荷耦合摄像器件的主要特性参数。答：1、转移效率2、不均匀度3、暗电流4、灵敏度5、光谱响应6、噪声7、分辨率8、动态范围与线性度6）比较带像增强器的CCD薄型背向照明CCE电子轰击型CC畸件的特点。 答：带像增强的CCD将光图像聚焦在像增强的光电阴极上，再经像增强器增强 后耦合到到CCD实现微光摄像。薄型背向照明CCD克服了普通前向照明CCD的缺陷，CCD的量子效率提高 到90%灵敏度高，噪声低。电子轰击型CCD采用电子从“光阴极”直接射入 CCD勺成像方法，简化了 光子被多次转换的过程，信噪比大大提高；体积小，重量轻，可靠性高，分辨率 高，对比度好。7）红外成像系统A的NETD小于红外成像系

40、统B的NETD，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放映的是系统对低频景物的温度分辨率，不能表征系统用于观测较高频率景物时的温度分辨率性能1）液晶分为两大类：热致液晶、溶制液晶作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。2）液晶是 各项同性液体与完全有序晶体之间的一种中间态，是一种取向有序的流体，热致液晶可为 是温度引起的，并且只能在一定温度范围内存在，一般是单一组成或均匀化合物 。3）等离子体是 以电子、离子及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的 物质形态，是固、液、气外，物质的第 4态。4）试说明注入电致发光和高场电致发光的基本原

41、理。答：注入：利用少数载流子流入 PN结直接将电能转换为光能高场：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。5）简述等离子体的概念（看上面（3）和等离子体显示板工作的基本原理。 答：原理：显示屏上排列有上千个密封的低压气体室，电流激发气体，使其发出 肉眼看不到的紫外线，碰击后面玻璃上的红，绿，蓝三色荧光体，再发出我们所 看到的可见光。6）简述液晶显示器的主要特点。答：优点：1低压，微功耗2平板结构3被动显示型4显示信息量大5易于彩 色化6长寿命7无辐射，无污染缺点：显示视角小响应速度慢非主动发光7）比较TN LCD和STN- LC

42、D的特点。答：TN-LCDPJ用扭曲向列相液晶的旋光特性，液晶分子的扭曲角为 90度，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180-240度范围内，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。武汉理工大学.色温是指在规定的两波长处，具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温 度。.自发跃迁是指处于高能级的一个原子自发的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的作用下，跃迁到低能级态并辐射出一个与入射光子相同的光子的过程。.按照

43、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：拉曼纳斯衍射和布喇格衍射。.磁光效应是指外加磁场作用引起材料光学各向异性的现象。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，法拉第旋转的左右互换。.光束调制按其调制的性质可分为：调幅，调频，调相，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，编码。.光热效应是指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变 化，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电学性质或其他物理性质发生变

44、化。.本征型光敏电阻一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测，非本 征型光敏电阻通常在低温条件下工作，常用于中远红外辐射探测。. CCD勺基本功能为电荷存储和电荷转移。CCDR结构可分为线阵CCDffi面阵CCD. LCD可分为两大类：溶致液晶和热致液晶。作为显示技术应用的LCD1热致液晶。.附加：光栅传感器反射的波长叫布喇格波长。.受激辐射下光谱宽度的类型分为均匀展宽和非均匀展宽， 其中均匀展宽主要 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。.常见的固体激光器有红宝石，铉，钛宝石，气体激光器主要有氮凝和CO2.电致折射率变化是指晶体介质的介电系数与晶体中的

45、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变形， 从而引 起介电系数的变化，并最终导致晶体折射率的变化。.光纤色散的主要危害是使脉冲信号展宽， 限制了光纤的带宽或传输容量。多 模光纤的色散主要有：模，材料，波导。.光束扫描根据其应用的目的可以分为模拟式和数字式两种，前者用于显示， 后者应用于光存储。.单片硅光电池的开路电压约 0.450.6V,短路电流为150300A/m2.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。主要特点有对光波频率表现出选择性，响应速度比较快。.固体摄像器件有三大类：电荷耦合，电荷注入，互补金属氧化物半导体图

46、像 传感器。.液晶是液态晶体的简称，热致液晶可以分为近晶相，向列相，胆番相。.附加：半导体光放大器的简称 SOA.光纤测气体的浓度：光谱吸收.光子和其他基本粒子一样，具有能量，动量，质量，其静止质量为 0.激光与普通光源相比具有明显特点，方向性好，单色性好，相干性好，强度 大。.光波在大气中传播时，由于大气气体分子及气溶胶的吸收和散射， 会引起光 束的能量衰减，由于空气折射率不均匀，会引起光波的振幅和相位起伏。.按照声波频率的高低以及声波和光波作用的长度不同，声光相互作用可分为拉曼纳斯衍射，布拉格衍射两种类型。.内调制是指加载信号是在激光振荡过程中进行的，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改

47、变激光器的输出特性实现调制。.光电二极管是指以先导模式工作的结型光伏探测器。常见的光电二极管有SI光电二极管，PIN光电二极管，雪崩光电二极管，肖特基势垒光电二极管。.光热探测器由热敏元件，热链回路，大容量的散热器三部分构成。常见的光 热探测器有热敏电阻，热释电探测器。. CCD勺基本工作过程包括信号电荷的产生，存储，传输和检测。.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离子组成的离子化气体状物质，它是除去固，液，气三态以外的物质存在的第四态。.按光调制方式分类，光束调制分为 强度调制，相位调制，频率调制，波长 调制和偏振调制。.利用外界因素，对光纤中光波相位的变化来探测各种

48、物理量的探测器称为相 位干涉型探测器。.半导体激光发光是由能带之间的电子空穴对复合产生的。.固体激光器发光是以参杂离子型绝缘晶体或玻璃为工作物质的激光器。.对光探测器的要求包括线性度好，灵敏度高，性能稳定 .光纤传感器常用的光电探测器有光电二极管，光电倍增管，光敏电阻.红外探测器的响应波长范围或光谱范围是表示电压响应率与入射红外辐射 波长的关系.光子探测是利用半导体材料在入射光照射下产生光子效应 .当红外辐射照在半导体表面时，使半导体电性能发生变化的现象称为光电导 现象。.利用温差电势现象制成的红外探测器称为热电耦型的探测器。.任何物质只要温度高于0K就会向外辐射红外线。.红外无损检测是通过测

49、量热流或热量来检测金属或非金属的内部损耗。.内光电探测器分为光电导，光伏特和光磁电探测器。.红外探测器的性能参数主要包括电压响应率，噪声等效功率和时间常数。.以下应用采用了红外技术的有裂纹探测，焊接，军事侦察，夜视。.波长在1-1000微米的电磁波被物体吸收时可以显著转化为热能。.红外线，可见光，紫外线，x射线，丫射线，微波，以及无线电波构成电磁 波谱。（对）.红外辐射在传播过程中受到大气中气体分子， 水分子的散射，使辐射在传播 过程中逐渐衰减。.光电池是利用光生伏特效应产生电能。.热辐射光纤温度探测器是利用光纤内产生的热辐射来探测温度的一种器件。（对）.当红外辐射照射在热敏电阻上时，其温度升

50、高，内部粒子的无规则运动加剧， 其电阻变小。（对）.只要有恒定的红外辐射照射在热释电探测器上时，就会有电信号输出。（对）.辐射出射度是辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量（辐射功率） 。（对）.简述外光电效应，内光电效应和光生伏特效应。金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量 hv足够大，它和物质中的电子 相互作用，使电子从材料表面逸出的现象，也称为外光电效应。当光照物体时，光电子不逸出物体外，使物体电阻值改变的光电效应称为光电 导效应。当光照物体时，光电子不逸出物体外的光电效应叫做内光电效应。光生伏特效应是指光照使材料产生一定方向的先生电动势。.简述光敏电阻的主要参数。亮电阻，暗电阻，最高工

51、作电压，亮电流，暗电流，时间常数，电阻温度系数， 灵敏度。.简述光电池的工作原理，请比较光电二极管和光电池的异同点。光电池是利用光生伏特效应直接将光能转换为电能光电池工作原理：当光照射到 PN结时，如果光子能量足够大，将在 PN结附 近激发出电子一空穴对，在 N区附近积累负电荷，P区积累正电荷，这样在N区 和P区之间出现电位差一先生电动势。相同：都是利用利用内光电效应，光照射在 PN结上，在其周围产生电子、空 穴对。不同：光电二极管的PN结需要反向偏置，而光电池的 PN结不需要偏置电压 即可工作。.简述光电导的弛豫现象。光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流要经过一定时间，同样光照停止后光电流

52、也是逐渐消失的。光电流的变化对光具有时间上的滞后。这些现象称为光 电导驰豫。.概括光纤弱导的意义。答：光纤的弱导特性是光纤与微波元波导之间的重要差别之一，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，为制造提供了很大的方 便。实际使用的单模光纤，具掺杂浓度很小，使纤芯和包层共有很小的折射率差。.简述电荷耦合摄像器的主要性能参数。答：转移效率：电荷包在进行每一次转移中的效率。不均匀度：包括光敏元的不均匀度与 CCD勺不均匀。暗电流：CCDS无光注入或无电注入的情况下输出的电流。灵敏度：在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信号电压。光谱响应：是指等能量相对光谱响应，最大响应值归一化为

53、100惭对应的波长称为峰值波长，低于10%勺响应点对应的波长称为截止波长；分长波端的截止波 长和短波端的截止波长，两种截止波长间的波长范围称为光谱响应范围。噪声：可以归纳为散粒噪声，转移噪声，热噪声。分辨率：摄像器件对物象中明暗细节分辨能力。线性度：在动态范围内，输出信号与曝光量是否是成线性关系。.简述LCD的主要特点。答：厚度薄，仅为数毫米；工作电压低，只有几伏，可用CMOSI路直接驱动；功耗低，可用电池长期供电；采用彩色滤色器，易实现彩色显示；显示质量达到 或可超过CRT勺水平。成本高，显示视角小，低温时响应速度慢。.简述激光产生的条件，激光器的组成及各部分的作用。答：必要条件：粒子数反转分布和减小振荡模式数。充分条件