光电子关键技术章节练习题及答案

《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备与热辐如光源辐射比率相似黑体温度。

其并非热辐射光源自身温度。

2、自发跃迁是指处在高能级一种原子自发地向低能级跃迁，并发出一种

光子过程。受激跃迁是指处在高能级态一种原子在一定辐射场作用下跃迁至

低能级态，并辐射出一种与入射光子全同光子过程。

3、受激辐射下光谱线展宽类型分为均匀展宽和非均匀展宽，其中均匀展宽

重要自然展宽、碰撞展宽、热振动展宽，非均匀展宽重要有多普勒展览与

残存应力展宽。

4、常用固体激光器有红宝石激光器、铁激光器或钛宝石激光器（写出

两种），常用气体激光器有He-Nc激光器、CO?激光器或Ar+激光器（写出两

种）。

5、光是一种以光速运动光子流，光子和其他基本粒子同样，具备能量、

动量和质量;其静止质量为0。

6、激光与普通光源相比具备如下明显特点：方向性好、单色性好、相干

性好，强度大。

7、设一种功率1（X）W灯泡向各个方向辐射能量是均匀，则其辐射强度为

100/4兀W/sr。

8、设一种功率1（X）W灯泡向各个方向辐射能量是均匀，则其在1m远处形

成辐射照度为100/471W/m2o

9、设一种功率100W灯泡向各个方向辐射能量是均匀，则其在2m远处形

成辐射照度为100/16TIW/m2o

二、解答题

1、简述光子基本特性（10分）

［答］:光是一种以光速运动光子流，光子和其他基本粒子同样，具备能量、

动量和质量。它粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、偏

振等）之间关系满足：（1）E=hv=hco;（2）勿=与二"，光子具备运动质

C~C

量，但静止质量为零；（3）P=疝；（4）、光子具备两种也许独立偏振态，相应

于光波场两个独立偏振方向；（5）、光子具备自旋，并且自旋量子数为整数，是

玻色子。

2、简述激光产生条件、激光器构成及各构成某些作用。（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：激光在谐振腔内增益要不不大于损耗。稳定振荡条件——增益饱和效

应（形成稳定激光）。构成：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（勉励源）：将粒子从低能级抽运到

高能级态装置。谐振腔：（1）使激光具备极好方向性（沿轴线）；（2）增强光放大

作用（延长了工作物质）;（3）使激光具备极好单色性（选频）o

三、计算题

1、设一对激光能级为石2和自（g2=gl）,相应频率为V（波长为入），各能级

上粒子数为m和〃1o求

（1）当v=3000MHz,P=300K时,n2/m=?

（2）当2=l?m,T=300K时,ndnk?

（2）当X=l|im,〃2/〃i=0.1时，温度7=?

解：⑴

6.626X10-34X3000X106"|

=ex

1.38x10-23x300

=0.999

⑵

_，6.626x10-34x3x1()8

"eXP"1.38xl0-23x300xlxl0-6

=L43xl(rz

⑶

kBTA.

,八।6.626X10-34X3X108

In0.1=----------r：------------

1.38xl0-23xTxlxl()6

T=6626K

2、四能级激光器中，激光上能级寿命为T3=10-3S,总粒子数密度刖

=3Xl()8m-3,当抽运几率达到W14=500/s时，求小信号反转粒子数密度为多少？

解：激光上能级向下能级自发跃迁几率

=103/5

由四能级系统小信号反转粒子数计算公式有

500

x3xl0s=10s//n3

500+1000

第二章

一、填空题

1、光谱位于大气窗口内光辐射大气衰减因素重要有：大气分子吸取，大

气分子散射，大气气溶胶衰减。

2、光在干净大气中传播时重要发生瑞利散射.散射光强度与波长关系

是：散射光强与波长四次方成反比。

3、光在大雾中传播时重要发生米-德拜散射散射,散射光强度与波长

关系是：散射光强与波长无关。

（X）

3、光纤数值孔径就是指光纤直径。（x）

4、光纤集光能力仅由光纤折射率分布决定。（7）

5、光纤数值孔径代表光纤集光本领。（4）

三、简答题

1、概括光纤弱导条件意义。

［答］:从理论上讲，光纤弱导特性是光纤与微波圆波导间重要差别之一。

实际使用光纤，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折

射率差。弱导基本含义是指很小折射率差就能构成良好光纤波导构造，其为制造

提供了很大以便。

2、声光互相作用可以分为拉曼-纳斯衍射和布喇格衍射两种类型。简述它们

产生条件和特性。

［答］:产生拉曼-纳斯衍射条件：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射,

声光互作用长度L较短时，在光波通过介质时间内，折射率变化可以忽视不计，

则声光介质可近似看作为相对静止“平面相位栅”。由出射波阵面上各子波源发出

次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布多级衍射光，这就是拉曼-纳斯

衍射特点。产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声光作用长度L较大，光束与

声波波面间以一定角度斜入射，介质具备“体光栅”性质。衍射光各高档次衍射光

将互相抵消，只浮现0级和+1级（或-1级）衍射光，这是布喇格衍射特点。

3、运用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强度调制，纵向电光调

制和横向电光调制各有什么优缺陷？

［答］:纵向电光调制器具备构造简朴、工作稳定、不存在自然双折射影响等

长处。其缺陷是半波电压太高，在调制频率较高时，功率损耗比较大。

横向效应运用时，存在自然双折射产生固有相位延迟，它们和外加电场无关。

在没有外加电场时，入射光两个偏振分量通过晶后其偏振面已转过了一种角度，

这对光调制器等应用不利，应设法消除。

横向效应运用时，总相位延迟不但与所加电压成正比，并且与晶体长宽比

(L/d)关于。而纵向应用时相位差只和V=EzL关于。因而，增大L或减小d就可

大大减少半波电压，但必要采用两块晶体，构造复杂，并且其尺寸加工规定高，

对环境温度敏感O

4、何为电光晶体半波电压？半波电压由晶体哪些参数决定？

［答］:当光波两个垂直分量Ev,E、，光程差为半个波长(相应相位差为乃)时

所需要加电压，称为半波电压。

纵向应用时，匕二一一由光波长、线性电光系数、晶体主折射率等参数决

2五

定。

横向应用，在略去自然双折射影响情形下，匕由光波波长、线

性电光系数、晶体主折射率等参数以及晶体长度和宽度决定。

四、综合题

试写出外电场后与KDP晶体z轴方向平行时折射率椭球方程，并证明其变成

双轴晶体，写出此时三个主折射率〃二Rv和，二’。

解答：依照已知E1=E)=O,折射率椭球方程变为：

^/n<?+yi/ii(7+z2/«e2+ImEzxy=I

由于浮现了个交叉项，阐明在外电场Ei作用下，晶体主轴发生了转动。作

坐标变换，令坐标轴绕z轴转45°,新坐标系为x',y\z',它与旧坐标系关系为：

fx=x'cos4^-y'sin4^=&/2(x'-y')

|)，=x,sin4^=42/2(7+y1)

z=z，

可得新坐标系下折射率椭球方程：

X，2(1MO2+r(y?,Ez)+y2(l/zio2-r63Ez)+z勺〃/=1

变换成晶体主轴坐标系：

，2222

sv/n\-+俨/心2+Z'/Zfz=］

其中：//，？=〃/湛+r()3Ez

1/n'y2=1/no2-H53区

l//n'z2=1//n^

可见外电场Ez作用不但使KDP主轴绕z轴旋转了45°,并且使〃

即变成了双轴晶体。

第三章

一、填空题

1、电光调制器电学性能基本规定是：调制效率要高、足够调制带宽。

2、光束调制按其调制性质可分为调幅、调频、调相及强度调制。

3、要实现脉冲编码调制，必要进行三个过程：抽样、量化和编码。

4、直接调制是指：把要传递信息转变为电流信号注入半导体光源,从而直

接获得调制光信号。

5、一纵向运用KDP电光调制器，长为2cm,折射率为2.5,=10.6,工

作频率为1000kHz,则此时光在晶体中渡越时间为弓/=^xlO-,05«16.7/wo

3

6、光束扫描依照其应用目来可以分为模仿式扫描和数字式扫描两种:它

们分别重要应用于各种显示、光存储。

7、在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一种力4波片，波

片轴向取向为快慢轴与晶体主轴x成45。角（与X，轴平行）时最佳。

8、电光扫描是运用电光效应使晶体沿某些方向折射率线性变化率

发生变化，从而变化光传播方向来实现光束扫描。

9、声光扫描器是通过变化声波频率使布拉格衍射角发生变化,从而变

化光传播方向来实现光束扫描。

二、是非题

1、在电光调制器中，为了在不加偏压时得到线性调制，应将力4波片快慢轴

与晶体主轴X成45。角。（4）

2、在电光调制器中，为了在不加偏压时得到线性调制，应将〃4波片快轴与

晶体主轴X轴平行。（x）

3、LD直接调制器用于数字通信时，应加上各低于阈值电流偏置电流，以提

高调制速度。（Y）

4、LD直接调制器用于模仿通信时，偏置电流必要不不大于阈值电流，才干

得到线性调制。（4）

5、纵向电光调制不存在自然双折射影响，但半波电压相对于横向电光调制

更高。（4）

6、横向电光调制半波电压较低，但存在自然双折射影响，不稳定。（4）

二、简答题

1、简述光束调制基本原理。

［答］:（1）、以激光为载体，将信息加载到激光过程，称为调制或光束调制。

（2）、光束具备振幅、烦率、相位、强度和偏振等参量，可以应用某些物理办法，

使其参量之一按照调制信号规律变化，实现光束调制，因此光束调制可以分为调

幅、调相、调频和强度调制等。（3）、实现激光光束调制办法依照调制器与激光

器关系，可以分为内调制和外调制两种。（4）、详细激光光束调制办法，常用有

光电调制、声光调制、磁光调制、直接调制等。

2、何为直接调制？简述用LD和LED进行直接调制特点及应用。（10分）

［答］:（1）、直接调制是指：把要传递信息转变为电流信号注入半导体光源,

从而直接获得调制光信号；（2）、LD输出特性中存在阅值儿而LED不存在；：3）、

LD缺陷：半导体激光器处在持续调制工作状态时，无论有无调制信号，由于有

直流偏置，因此功耗较大，甚至引起温升，会影响或破坏器件正常工作。长处：

调制速度快，惯用于数字光纤通信系统中。（4）长处：线性好、偏置电流小（功

耗小）：缺陷：调制速率低（不大于100Mb/s）。惯用于模仿光纤通信。

三、计算题

1、图示A为纵向运用电光晶体KDP,B为厚度d=10mm方解石晶体（对于

2=589.3nm,%=1.6584,we=1.4864,光轴方向AR

二I十

与通光面法线方向成45,夹角），A、B晶体平行放—•—>

置。试计算当电压U=U加时，一束垂直KDP晶体入射线偏振光(电场振动方向

沿晶体主轴方向)在A、B晶体中传播方向，以及光通过B晶体相位延迟，并绘

出B晶体中光路图。(中华人民共和国科学院大学研究生入学考试题)

153

2、用PbMoO4晶体做成一种声光扫描器，取，F2.48,M2=37.75xl0-s/kg,

换能器宽度”=0.5mm。声波沿光轴方向传播，声频/=150MHz,声速

V5=3.99xl()5cm/s,光束宽度仁0.85cm,光波长Q0.5Hm。

(1)证明此扫描器只能产生正常布喇格衍射；

(2)为获得100%衍射效率，声功R率应为多大？

(3)若布喇格带宽4/汩25MHz,衍射效率减少多少？

(4)求可辨别点数N。

「「屋

L<--

解：(1)只有当声光作用距离4%时，才会产生多级衍射，代入数得

4=0.87〃〃〃，而换能器宽度为0.5mm据证明不是拉曼-纳斯衍射。

,22cos242cos2

⑵/‘FL

2%

A盘

⑶若布喇格带宽步125MHz,衍射效率减少多少？2〃匕

27fo4f=,「匕方cos%

N="\o_C）馍

（△。=RAa>）

(4)用公式岫和匕R计算。

第四章

一、选取题

1、光敏电阻(C)越大，阐明该光敏电阻敏捷度越高、性能越好。

A亮电阻B暗电阻C光电流D亮电流

2、如下基于光电导效应制成光电器件是：（A）

A光敏电阻B光电管C雪崩光敏二极管D光电池

3、光敏二极管工作时，其上（B）o

A加正向电压B加反向电压

C自偏置电压D加正向、反向电压都可以

二、填空题

1、PN结光伏探测器两种工作模式是：光伏工作模式和光导工作模式，

典型器件分别有：光-也池和光电二极管。

2、光电池短路电流与光入射光强成线性关系（正比），开路电压与光

电流（入射光功率）对数成正比。

3、光电二极管是一种以光导模式工作光伏探测器，工作时应如反向偏

叵。

4、光电探测器积分敏捷度定义为：光电特性斜率。

5、光电发射效应是指：在光照下，物体向表面以外空间发射电子（即光

电子）现象。

6、光电导效应是指：光照变化引起半导体材料电导变化现象。

7、光敏电阻亮电流是指：光敏电阻在受光照射时流过电流。光电流是指：

亮电流与暗电流之差。

8、光热效应是指探测元件吸取光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态

变化，而是把吸取光能变为晶格热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升

成果又使探测元件电学性质或其她物理性质发生变化。

9、本征型光敏电阻普通在室温下工作，合用于可见光和近红外辐射探测:

非本征型光敏电阻普通在低温条件下工作，惯用于中、远红外辐射探测。

10、单片硅光电池开路电压约为0.45〜0.6V,短路电流密度约为150-

3（）（）A/nr0

11.光子效应是指指单个光子性质对产生光电子起直接作用一类光电效

应。其也要特点有：对光波步好体现出选取性，响应速度普通比较快。

12、光电二极管是指以光导模式工作结型光伏探测器，常用光电二极管有

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伏

二极管（选答出其中两种即可）。等类型（写出两种）。

］3、光热探测器由热敏元件、热链回路、火热容量散热器三某些构成.

常用光热探测器有热敏电阻、热释电探测器（W出两种）。

三、是非题

1、光敏电阻光电流是指亮电流与暗电流之差。（，）

2、光敏电阻光电流就是指有光照时电流，即亮电流。（x）

3、光敏电阻亮电流是指光敏电阻在受光照史时流过电流。（〈）

4、光敏电阻亮电流等于光电流和暗电流之和。（，）

5、光电二极管用于探测光信号时，普通工作在反向偏置电压下。（7）

6、光电二极管用于探测光信号时，可以工作在正向偏置电压下。（x）

7、光电三极管是基于光电导效应制成光电探测器件。（x）

四、简答题

1、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差别。

［答］:光子效应是指单个光子性质对产生光电子起直接作用一类光电效应。

探测器吸取光子后，直接引起原子或分子内部电子状态变化。光子能量大小，直

接影响内部电子状态变化大小。由于光子能量是ku,才是普朗克常数，i/是光

波频率。因此，光子效应就对光波频率体现出选取性，在光子直接与电子互相作

用状况下，其响应速度普通比较快。

光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸取光辐射能量后，并不直接引起

内部电子状态变化，而是把吸取光能变为晶格热运动能量，引起探测元件温度上

升，温度上升成果又使探测元件电学性质或其她物理性质发生变化。因此，光热

效应与单光子能量力v大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选

取性。只是在红外波段上，材料吸取率高，光热效应也就更强烈，因此广泛用于

对红外线辐射探测。由于温度升高是热积累作用，因此光热效应响应速度普通比

较慢，并且容易受环境温度变化影响。

2、简述光电探测器重要特性参数。

［答］:光电探测器重要性能参数有：

⑴敏捷度R:禺=@=上(线性区内)(A/W)Ru=也=々线性区曲(V/W)

dPPdPP

用一电流敏捷度(积分电流敏捷度)，R，L电压敏捷度(积分电压敏捷度)。

i—光电流，〃--光电压，P--入射光功率。

(2)光谱敏捷度R:&=上一

di\

(3)频率敏捷度R:Rf=R。

Jl+(2啖)2

(4)量子效率n：n=—/e.

ef

(5)通量阅P汕和噪声等效功率NEP

通量阈——探测器所能探测最小光信号功率

噪声等效功率NEP——单位信噪比时信号光功率

(6)归一化探测度D*:O"=O{cm-Hzl/2/W)

(7)噪声：根据噪声产生物理因素，光电探测器噪声可大体分为散粒噪声、热

噪声和低频噪声三类。

3、简述光子效应和光热效应。

［答］:光子效应是指单个光子性质对产生光电子起直接作用一类光电效应；

探测器吸取光子后，直接引起原子或分子内部电子状态变化。

光热效应和光子效应完全不同，探测元件吸取光辐射能量后，并不直接引起

内部电子状态变化，而是把其转化为晶格热动能，引起探测元件温度上升，由此

引起探测元件电学性质或其他物理性质发生变化。

光子效应常用有：光电发射效应、光电导效应、光伏效应、光电磁效应等。

光热效应常用有：温差电效应、热释电效应等。

五、计算题

1、已知某硅光电池在lOOOW/n?原则光照下，开路电压〃0。=0.55V,光电

流〃=12/n4,为保证在(200〜700)W/m2光照下线性电压输出，负载电阻取多大

最适当？输出电压变化值是多大？

解：入射光为700W/n?时开路电压为

〃广=%+2.6x10-2乂]桔：=0.55+2.6xHLxIn(0.7)=().54V

，二700x12〃泊=8.4〃7A

入射光为700W/n?时短路电流为

“1000

0.638.57Q

则保证线性电压输出最佳负载为RL=々=

4

^-x[2mA=2AmA

入射光为200W/n?时短路电流为

1000

则，△〃=H')=0.23V

2、在室温300K时，已知2CR21型硅光电电(光敏面积为5x5mm)在辐

照度为100mW/cnF时开路电压为Uoc=55()mV,短路电流kc=6mA。试求：

(1)室温下，辐照度降到50mW/cn?时开路电压与短路电流。

(2)用如图所示偏置电路，其中R.24KC,若测得此时输出电压U。=IV,求此

时光敏面上照度。

片

-------1~~--------

、A------o%

T2CRo

解：(1)辐照度降到50mW/cm2时，短路电流为L二卫"x6〃泊=3mA

sc100

开路电压为

P'

uoe'=u(H.+2.6x10"xln0.55+2.6xICT?xin(0.5)=0.532V

P

U1

⑵窘oA=0.0417mA

24000

i”o0417、

此时光敏面上照度P"=*—P=—........xlOOmW/c〃J=0.695〃?W/c〃z

3、如果硅光电二极管敏捷度为10pA4iW,结电容为I()pF,结电导g=0.0042,

光照功率为5RW时，拐点电压为10V,偏压40V,试求光照信号功率

P«)=5+2cosw(gW)状况下，(1)线性最大输出功率条件下负载电阻；(2)

线性最大输出功率；(3)响应截止频率。

解：(1)光电池线性最大输出功率条件下负载电导为

_S(P''+综)+2g〃'’_10(7+5)+2x0.004x10

P~2("〃”)—-2(40-10)—~小

R［«RP=0.5MQ

--------^=5V

%二］G/短=2.5'10一5卬

第五章

一、填空题

1、CCD基本功能为电荷存储和电荷转移,CCD按构造可分为线阵

CCD和面阵CCD。

2、固体摄像器件重要有三大类，它们是电荷耦合器件、互补金属氧化物

半导体图像传感器、电荷注入器件。

3、CCD基本工作过程涉及信号电荷产生、存储、传播和检测。

二、问答题

1、何谓帧时、帧速、扫描效率？三者之间有什么关系？

［答］：完毕一帧扫描所需时间称为帧时D,单位时间完毕帧数称为帧速尸，

Tf=-o光机扫描机构对景物扫描时，实际扫描空间角度范畴普通比观测视场

角要大，观测视场完毕一次扫描时间工侬,与机构实际扫描一周所需时间iy之比称

为扫描效率77,〃=

2、简述带像增强器CCD特点。

［答］:带像增强器CCD器件是将光图像聚焦在像增强器光电阴极上，再经像

增强器增强后耦合到电荷耦合器件(CCD)上实现微光摄像(简称ICCD)。

最佳ICCD是将像增强器荧光屏上产生可见光图像通过光纤光锥直接耦合

到普通CCD芯片上。像增强器内光子一电子多次转换过程使图像质量受到损失，

光锥中光纤光栅干涉波纹、折断和耦合损失都将使ICCD输出噪声增长，对比度

下降及动态范畴减小，影响成像质量。敏捷度最高ICCD摄像系统可工作在106lx

靶面照度下。

3、简述电荷耦合摄像器件重要特性参数。

［答］:转移效率：电荷包在进行每一次转移中效率；不均匀度：涉及光敏元

件不均匀与CCD不均匀；暗电流：CCD在无光注入和无电注入状况下输出电流

信号；敏捷度：是指在一定光谱范畴内，单位暴光量输出信号电压(电流)；光

谱响应：是指能量相对光谱响应，最大响应值归一化为100%,所相应波；长峰

值波长：低于1()%响应点相应波长称为截止波长；噪声：可以归纳为散粒噪声、

转移噪声和热噪声；辨别率：是指摄像器件对物像中明暗细节辨别能力；动态范

畴和线性度：动态范畴=光敏元件满阱信号/等效噪声信号，线性度是指在动态范

畴内，榆出信号与暴光量关系与否成直线关系。

三、计算题

1、用凝视型红外成像系统观测30km远,lOmxlOm目的,若红外焦平面器

件像元大小为50pmx5”im,假设目的像占4个像元，则红外光学系统焦距应为

多少？若红外焦平面器件是128元X128元，则该红外成像系统视场角是多大？

.10128x50〃〃？八八，,

解:--------------—仔/=0.6mW=arctan------=O.OlraJ

3OxlO3f0.6m

2、一目的经红外成像系统成像后供人眼观测，在某一特性频率时，目的对比

度为0.5,大气MTF