光电子技术期末考试

2010年春季学期《光电子技术》期末考试大纲总结：覃高鄂鄂E001：A光和B光相同是指：振幅、偏振、角频率和初位相相同鄂E002：为什么说光波是电磁波?写出折射率与介电常数间关系。解答：根据麦氏方程推导,电磁波在真空中的速度为： 然而当时通过实验测得的真空中的光速也为：然而当时通过实验测得的真空中的光速也为：2)根据麦氏方程:电磁波在介质中的速度为2)根据麦氏方程:电磁波在介质中的速度为：根据光学中折射率的定义，则比较上述两个式子我们可以知道：根据光学中折射率的定义，则而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率能很好的符合。当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式就成立了。平时ε在低频电场下测量。综述以上判断光波是电磁波。鄂E003：可见光谱的范围是760-400nm，从可见光向两边扩展，波长比它长的称为红外线，它的热效应特别显著；波长比可见光短的称为紫外线，它有显著的化学效应和荧光效应。鄂E004：写出麦克斯韦方程组的微分形式及其物理意义微分形式如下：物理意义如下：(Ⅰ)式：电位移矢量或电感应强度Ｄ的散度等于电荷密度，即电场为有源场。(Ⅲ)式：磁感强度Ｂ的散度为零，即磁场为无源场。(Ⅱ)式：随时间变化的磁场激发涡旋电场。(Ⅳ)式：随时间变化的电场激发涡旋磁场。鄂E005：由麦克斯韦方程积分形式推导出微分形式高斯定理：斯托克斯定理：高斯定理的微分形式推导设自由电荷q0是体分布的，为电荷的体密度，则(1.12)式的(I)式为：根据高斯定理，得：由此可以得到：安培环路定理的微分形式推导假定传导电流是体分布的，其密度为J0，则根据斯托克斯定律由此可以得到：鄂E006：画出空间电磁波的传播示意图，并标出电场与磁场的方向。鄂E007：光电子技术主要是研究光的产生、传输、控制和探测的科学技术。鄂E008：试述电磁波在介质边界法向和切向的跃变特点界面两侧电场的切向分量连续界面两侧磁场的切向分量发生了跃变界面两侧电场的法向分量发生了跃变界面两侧磁场的法向分量连续边界条件表示界面两侧的场以及界面上电荷电流的制约关系,它实质上是边界上的场方程。由于实际问题往往含有几种介质以及导体在内，因此，边界条件的具体应用对于解决实际问题十分重要。鄂E009：平面电磁波的性质电磁波是横波，电矢量E、磁矢量H和传播方向K（K为传播方向的单位矢量）两两垂直；E和H幅度成比例、复角相等电磁波的传播速度3×108m/s鄂E010：简述波尔频率玻尔假说：1）原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的能量只能采取某些分立的值E1、E2、……、En，而不能采取其它值。2）只有当原子从一个定态跃迁到另一个定态时，才发出和吸收电磁辐射。玻尔频率条件：式中h为普郎克常数：h=6.62×10-34J.s鄂E011：模式符号TEMmnk含义是什么？激光的模式一般用TEMmnk表示，TEM是电磁横波的缩写，k为纵模数。在轴对称横模中，m,n分别表示光束横截面内在x方向和y方向出现的暗区（即节点）数，如TEM13，在x方向有1个暗区，在y方向有3个暗区；在旋转对称横模中，m表示沿半径方向出现的暗环数，n表示圆中出现的暗直径数。如TEM03，图中无暗环，有三条暗直径。横模TEMmn轴对称横模图(a)旋转对称横模图(b)。鄂E012：激光器的基本结构包含哪几部分？形成激光的条件是什么？一般激光器包涵三个基本部分：激活物质、激励源、光学谐振腔形成激光满足的两个条件：E2E1在激光器工作物质内的某些能级间实现粒子数反转分布；2、激光器必须满足阈值条件E2E1鄂E013：三种跃迁过程:自发辐射：若原子处于高能级E2上，在停留一个极短的时间后就会自发地向低能级E1跃迁，如图，并发射出一个能量为hv的光子。E2E1受激吸收:当外来辐射场作用于物质时，假定辐射场中包含有频率为v＝（E2-E1）/h的电磁波（即有能量恰好为hv＝E2-E1的光子），使在低能级E1上的粒子受到光子激发，可以跃迁到高能级E2去，这个过程称为受激吸收。E2E1E2E1受激辐射:当外来辐射场作用于物质时，在物质内部也可能发生与受激吸收相反的过程。爱因斯坦根据量子理论指出，当辐射场照射物质而粒子已经处在高能级E2上时，这时会发生一个十分重要的过程——受激辐射过程。E2E1鄂E014：三种跃迁过程由于原子在各能级上有一定的统计分布，故在满足上述频率条件的光束照射下，两能级间受激吸收和受激辐射这两个相反的过程总是同时存在，相互竞争，其宏观效果是二者之差。当吸收过程比受激辐射过程强时，宏观看来光强逐渐减弱；反之当吸收过程比受激辐射过程弱时，宏观看来光强逐渐加强；b、受激辐射与自发辐射虽然都是从高能级向低能级跃迁并发射光子的过程，但这两种辐射却存在着重要的区别。最重要的区别在于光辐射的相干性，由自发辐射所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一定的任意性，而受激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激发的光子高度一致，即有高度的简并性。一般说在自发辐射过程中，总伴有受激辐射产生，辐射场越强，受激辐射也随之增加；c、在热平衡状态下受激辐射是很弱的，自发辐射占绝对优势，但在激光器中，情况发生很大变化，这时已不是热平衡状态，受激辐射的强度比自发辐射的强度大几个数量级。鄂E015：简述三能级与四能级激光器的工作原理及其特点亚稳态亚稳态基态激发态三能级系统：E1为基态，E2、E3为激发态，中间能级E2为亚稳态。在泵浦作用下，基态E1的粒子被抽运到激发态E3上，E1上的粒子数N1随之减少。但由于E3能级的寿命很短，粒子通过碰撞很快地以无辐射跃迁的方式转移到亚稳态E2上。由于E2态寿命长，其上就累积了大量的粒子，即N2大于N1，于是实现了亚稳态E2与基态E1间的粒子数反转分布。四能级系统：四能级系统是使系统在两个激发态E2、E1之间实现粒子数反转。因为这时低能级E1不是基态而是激发态，其上的粒子数本来就极少，所以只要亚稳态E2上的粒子数稍有积累，就容易达到N2大于N1，实现粒子数反转分布，在能级E2、E1之间产生激光。于是，E3上的粒子数向E2跃迁，E1上的粒子数向E0过渡，整个过程容易形成连续反转，因而四能级系统比三能级系统的效率高。鄂E016：激光的特性及应用激光由于本身形成的特点，具有比普通光源更为优良的性能。激光的特点可以归结为三点：单色性、方向性、高强度本质：高度的相干性激光的应用：利用激光的热效应；利用激光光子能量的光化学效应。前者的典型用例是利用红外激光手术刀进行外科手术，后者是利用紫外激光诊断、治疗癌症。鄂E017：砷化镓晶体以适量铝替代镓成为镓铝砷时，复合半导体的特性产生什么样变化？单质半导体材料->间接带隙材料->不适合做光源化合半导体材料->直接带隙材料->用于做光源-如III-V族化合物(由Al、Ga、In和P、As、Sb构成的化合物)LED基本材料：-Ga1-xAlxAs(砷化镓掺铝)：800~850nm短波长光源-In1-xGaxAsyP1-y(磷化铟掺砷化镓)：1000~1700nm长波长光源，x和y的值决定了材料的带隙，也就决定了发光波长鄂E018：带隙类型直接带隙：导带的最低位置位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合伴随光子的发射。III-V族元素的合金，典型的如GaAs等。间接带隙：导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合需要声子的参与，声子振动导致热能，降低了发光量子效率。鄂E019：带隙宽度和铝相对含量的关系①辐射波长辐射光波长与带隙宽度成反比，改变发射光波长可以通过改变带隙宽度来达到。这可以在砷化镓晶体中采用具有不同数量的铝的合金层来实现。②折射率当铝的相对含量从零增加到0.37时，折射率减小5%，因此，随着x的增加带隙增大而折射率减小。带隙几乎增加30%而折射率大约减小5%。③副效应在铝的相对含量大于0.37，即x＞0.37的情况下，复合时除了产生光子外，还发生一些其他过程，其结果使得并不是所有的能量都用来产生光子，部分能量变成热能，从而可能损伤晶体，并具有减少产生激光的趋势。鄂E020：温度对半导体激光器波长位置的影响，说明原因光谱特性波长取决于激光器的光学腔长；当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，称为当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，称为静态单纵模激光器。发射波长半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，故hv=Eg式中，v=c/λ(Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，c=3×108m/s为光速，h=6.628×10-34J·S为普朗克常数，1eV=1.6×10-19J，代入上式得到鄂E021：自发辐射与受激辐射比较有哪些不同？粒子自发地从高能级跃迁到低能级，同时发出一个光子，这一过程叫做自发辐射。若处在高能级的粒子，在一个能量等于两能级之差（E2-E1）的光子作用下，从高能级跃迁到低能级并发射一个光子，这一过程称为受激辐射。与自发辐射不同，辐射一定要在外来光作用下发生并发射一个与外来光子完全相同的光子。受激辐射光是相干光。受激辐射光加上原来的外来光，使光在传播方向上光强得到放大。鄂E022：激光工作物质在热平衡情况下能否实现粒子数反转分布?怎样能实现粒子数反转?不能。在热平衡条件下，粒子数的分布服从玻耳兹曼分布律，高能级的粒子数总小于低能级的粒子数。借助于外界的激励能源（为电激励,光激励,化学激励等能源），打破激活介质热平衡时的粒子数分布，使高能级的粒子数大于低能级的粒子数。这种激活介质要具有合适的能级结构。鄂E023:概括光学谐振腔的作用（1）维持光振荡（2）选择激光的方向性（3）提高激光的单色性。鄂E024：设He-Ne激光器腔长L分别为0.30m、1.0m,气体折射率n≈1,试求纵模频率间隔各为多少?解答：鄂E025：粒子数反转（Populationinversion）当（N2/N1）＞1时，高能级E2上的粒子数N2大于低能级E1上的粒子数N1，出现所谓的“粒子数反转分布”情况。形成激光的必要条件。此时有dN21＞dN12，宏观效果表现为光被放大，或称光增益。鄂E026：能级的寿命粒子在E2能级上停留的平均时间称为粒子在该能级上的平均寿命，简称寿命。鄂E027：激光的横纵模激光腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布称为激光的横模。激光横模形成的主要因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用。激光的纵模：光场沿轴向传播的振动模式称为纵模。鄂E028：平面电磁波场中能量的传播能流密度S和能量密度变化率()的表示式:电矢量E与磁矢量H互相垂直于波矢方向K，与(3.21)式比较可知，在各向同性介质中，波矢(波面法本)方向K与能流方向(光线方向)S是一致的，波速(相速V)也就是能流速度。鄂E029：相速度与群速度相速度：单色波的等相位面传播的速度。群速度：合成波波包上等振幅面传播的速度。λ为单色波的波长，T为单色波振动的周期，ω=2πν为圆频率，k=2π/λ为波数。鄂E030：瑞利群速公式相速与群速二者关系为：上式为瑞利群速公式。在正常色散区域dvp/dλ>0，群速小于相速；在反常色散区域dvp/dλ<0，群速大于相速；在真空中无色散dvp/dλ＝0，群速等于相速。k=2π/λ，dk=-(2π/λ2)dλk=2π/λ，dk=-(2π/λ2)dλ鄂E031：高斯光束的传播特性光束横切面的强度变化呈高斯函数分布。束腰处光斑最小，振幅最大，波阵面为平面。离开束腰愈远，光束宽度愈大，振幅逐渐减弱，在z>>kω02处的波阵面趋于球面。鄂E032：反射与折射定律反射和折射定律，即斯涅尔定律：鄂E033：菲涅尔（Fresnel）公式E垂直分量的反射系数E平行分量的反射系数E垂直分量的透射系数E平行分量的透射系数鄂E034：古斯－汉森(Goos-Haenchen)位移表示反射波与入射波具有相同的振幅即入射光能量全部返回介质1。表示反射的垂直分量水平分量有一定的相位改变。全反射波的相位比入射波的相位超前Φ，因为Φs和Φp不相等，所以反射光中会出现两个成分的相位差，成为椭圆偏振光。菲涅耳棱镜正是利用这一原理，通过2次全反射将直线偏振光变成圆偏振光。鄂E035：色散方程波导中含三种色散材料色散m=0、1、2、3…2、模式色散3、波导色散m=0、1、2、3…鄂E036：光波的特征参量：振幅、偏振、角频率、初相位光波传递信息的特点：带宽、保密、抗干扰光波的表达式：光波的调制方法：AM、IM、PM、FM、PLM调制手段：电光、声光、磁光、弹光鄂E037：强度、相位调制强度调制是光载波的强度(光强)随调制信号规律而变化的激光振荡。激光调制通常多采用强度调制形式，这是因为接收器(探测器)一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故。强度调制的特点：1、能够实现线性解调；2、使用中极易实现（如对光源进行调制）鄂E038：振幅(强度)调制的抗干扰措施①参考通道:从参考通道中提取光波动(或干扰)信息，再从主信道中予以扣除。②二次调制：即先将欲传递的信号调制成与振幅无关的形式，如频率、脉