光電子器件考試試題答案

1、1 闡述激光的基本原理，怎樣提高亮度？闡述激光的基本原理：在組成物質(zhì)的原子中，有不同數(shù)量的粒子（電子）分布在不同的能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發(fā)，會(huì)從高能級跳到（躍遷）到低能級上，這時(shí)將會(huì)輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光，而且在某種狀態(tài)下，能出現(xiàn)一個(gè)弱光激發(fā)出一個(gè)強(qiáng)光的現(xiàn)象。這就叫做“受激輻射的產(chǎn)生的想干光放大”，簡稱激光。光與物質(zhì)的相互作用，實(shí)質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀粒子吸收或輻射光子，同時(shí)改變自身運(yùn)動(dòng)狀況的表現(xiàn)。微觀粒子都具有特定的一套能級（通常這些能級是分立的）。任一時(shí)刻粒子只能處在與某一能級相對應(yīng)的狀態(tài)（或者簡單地表述為處在某一個(gè)能級上）。與光子相互作用時(shí)，粒子從一個(gè)能級躍遷到另

2、一個(gè)能級，并相應(yīng)地吸收或輻射光子。光子的能量值為此兩能級的能量差E，頻率為=E/h（h為普朗克常量）。1.受激吸收（簡稱吸收）處于較低能級的粒子在受到外界的激發(fā)（即與其他的粒子發(fā)生了有能量交換的相互作用，如與光子發(fā)生非彈性碰撞），吸收了能量時(shí)，躍遷到與此能量相對應(yīng)的較高能級。這種躍遷稱為受激吸收。2.自發(fā)輻射粒子受到激發(fā)而進(jìn)入的激發(fā)態(tài)，不是粒子的穩(wěn)定狀態(tài)，如存在著可以接納粒子的較低能級，即使沒有外界作用，粒子也有一定的概率，自發(fā)地從高能級激發(fā)態(tài)（E2）向低能級基態(tài)（E1）躍遷，同時(shí)輻射出能量為（E2-E1）的光子，光子頻率 =（E2-E1）/h。這種輻射過程稱為自發(fā)輻射。眾多原子以自發(fā)輻射發(fā)出

3、的光，不具有相位、偏振態(tài)、傳播方向上的一致，是物理上所說的非相干光。3.受激輻射、激光1917年愛因斯坦從理論上指出：除自發(fā)輻射外，處于高能級E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級。他指出當(dāng)頻率為 =（E2-E1）/h的光子入射時(shí)，也會(huì)引發(fā)粒子以一定的概率，迅速地從能級E2躍遷到能級E1，同時(shí)輻射一個(gè)與外來光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子，這個(gè)過程稱為受激輻射?？梢栽O(shè)想，如果大量原子處在高能級E2上，當(dāng)有一個(gè)頻率 =（E2-E1）/h的光子入射，從而激勵(lì)E2上的原子產(chǎn)生受激輻射，得到兩個(gè)特征完全相同的光子，這兩個(gè)光子再激勵(lì)E2能級上原子，又使其產(chǎn)生受激輻射，可得到四個(gè)特征相同的

4、光子，這意味著原來的光信號被放大了。這種在受激輻射過程中產(chǎn)生并被放大的光就是激光。怎樣提高亮度：采用氣體激光器，光腔Q調(diào)制技術(shù)和激光放大器可使激光震蕩時(shí)間壓縮并將輸出功率放大提高脈沖功率，采用鎖模技術(shù)和脈寬壓縮繼續(xù)可進(jìn)一步壓縮脈寬時(shí)間2、 說明霧和霾的構(gòu)成，解析藍(lán)天形成的原因，以及大氣窗口。（20分）霧靄的構(gòu)成：霧：霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng)，是近地面層空氣中水汽凝結(jié)(或凝華)的產(chǎn)物。霧的存在會(huì)降低空氣透明度，使能見度惡化，如果目標(biāo)物的水平能見度降低到1000米以內(nèi)，就將懸浮在近地面空氣中的水汽凝結(jié)(或凝華)物的天氣現(xiàn)象稱為霧(Fog)；而將目標(biāo)物的水平能見度

5、在1000-10000米的這種現(xiàn)象稱為輕霧或靄(Mist)。 霾:也稱灰霾(煙霞)空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機(jī)碳?xì)浠衔锏攘Ｗ右材苁勾髿饣鞚?，視野模糊并?dǎo)致能見度惡化，如果水平能見度小于10000米時(shí)，將這種非水成物組成的氣溶膠系統(tǒng)造成的視程障礙稱為霾(Haze)或灰霾(Dust-haze)，香港天文臺(tái)稱煙霞(Haze)。 （1）相對濕度：水分含量達(dá)到90以上的叫霧，水分含量低于80的叫霾。8090之間的，是霧和霾的混合物，但主要成分是霾。（2）能見度：如果目標(biāo)物的水平能見度降低到1千米以內(nèi)，就是霧；水平能見度在110千米的，稱為輕霧；水平能見度小于10千米，且是灰塵顆粒造成的，就是霾或灰霾

6、。 （3）厚度：霧的厚度只有幾十米至200米，霾則有13千米。 （4）顏色：霧的顏色是乳白色、青白色或純白色，霾則是黃色、橙灰色。 （5）邊緣輪廓：霧的邊界很清晰，過了“霧區(qū)”可能就是晴空萬里，但是霾則與周圍環(huán)境邊界不明顯。 解析藍(lán)天形成的原因：大氣分子極化受迫振動(dòng)吸收。 分子的固有吸收頻率由分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)形態(tài)決定。 極性分子電子運(yùn)動(dòng)原子振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。相應(yīng)的共振吸收頻率分別與光波的紫外和可見光、近紅外和中紅外以及遠(yuǎn)紅外區(qū)相對應(yīng)。因此分子的吸收特性強(qiáng)烈的依賴于光波的頻率。吸收分子主要吸收譜線中心波長(mm)H2O0.72 0.82 0.93 0.94 1.13 1.38 1.46 1.87 2.66

7、 3.15 6.26 11.7 12.6 13.5 14.3CO21.4 1.6 2.05 4.3 5.2 9.4 10.4O24.7 9.6大氣中N2、O2 可見光和紅外區(qū)幾乎不表現(xiàn)吸收遠(yuǎn)紅外和微波吸收。大氣中He，Ar，Xe，O3，Ne等可見光和近紅外有吸收譜線大氣中的含量甚微不考慮吸收在高空處，其余衰減因素都已很弱吸收作用。 大氣中H2O和CO2分子，特別是H2O分子在近紅外區(qū)有寬廣的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)及純振動(dòng)結(jié)構(gòu)，因此是可見光和近紅外區(qū)最重要的吸收分子?？梢姽夂徒t外區(qū)主要吸收譜線： 對某些特定的波長大氣呈現(xiàn)出極為強(qiáng)烈的吸收光波幾乎無法通過。根據(jù)大氣的這種選擇吸收特性，一般把近紅外區(qū)分成八個(gè)區(qū)

8、段，將透過率較高的波段稱為“大氣窗口”。在這些窗口之內(nèi)，大氣分子呈現(xiàn)弱吸收。目前常用的激光波長都處于這些窗口之內(nèi)。 由于分子散射波長的四次方成反比。波長越長，散射越弱；波長越短，散射越強(qiáng)烈。故可見光比紅外光散射強(qiáng)烈，藍(lán)光又比紅光散射強(qiáng)烈。在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主要的，又因?yàn)樗{(lán)光散射最強(qiáng)烈，故明朗的天空呈現(xiàn)藍(lán)色。3根據(jù)所學(xué)的光電子器件知識(shí)，結(jié)合微電子電路知識(shí)，為校園設(shè)計(jì)一款節(jié)能環(huán)保的路燈（電路系統(tǒng)，路燈燈高15米，行人步行速度按每小時(shí)2千米，光電子器件以外的傳感器不予考慮）。4請展望光電子器件在未來的應(yīng)用及其發(fā)展前景。5闡述激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)及激光發(fā)射的過程，說明典型激光器及其

9、應(yīng)用。通常激光器包括三個(gè)基本部分:激光工作物質(zhì)、激勵(lì)能源和諧振腔。（1)激光工作物質(zhì)是激光器中用于發(fā)射激光的物質(zhì)。作為激光的工作介質(zhì)，必須是激活介質(zhì)，即在外界能源激勵(lì)下，能在介質(zhì)中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（若介質(zhì)在外界能源激勵(lì)下破壞了熱平衡，使高能級上的粒子數(shù)大于的能級上的粒子數(shù)，這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)。在這種狀態(tài)下光通過介質(zhì)后得到放大，這種情況稱為有光增益，此時(shí)的介質(zhì)為光增益介質(zhì)。）紅寶石激光器的工作物質(zhì)為含鉻離子的紅寶石，氦氖激光器的工作物質(zhì)是氣體氖（氦為輔助工作物質(zhì)），常見的氬離子激光器的工作物質(zhì)是氣體氬。（2）激勵(lì)能源可將處于基態(tài)的粒子激發(fā)到所需要的激發(fā)態(tài)，以產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。紅寶石激光器采用光

10、激發(fā)方式，通常用脈沖氙燈作為激勵(lì)光源。為了提高廣能力用效率，通常將氙燈管和紅寶石棒分別置于橢圓柱面聚光器的兩條焦線上。氦氖激光器通常采用支流氣體放電進(jìn)行激勵(lì)。（3)在增益介質(zhì)兩端各方一塊反射鏡，其中一塊的反射率近似為1，為全反射鏡；另一塊的反射率小于1，為部分反射鏡，激光將從部分反射鏡這一端輸出。一般要求把這兩塊反射鏡調(diào)整到嚴(yán)格平行，并且垂直于增益介質(zhì)的軸線。這樣就組成了諧振腔。在激光工作物質(zhì)產(chǎn)生的受激輻射光中，那些基本上沿激光工作物質(zhì)軸線方向傳播的光，將在諧振腔兩個(gè)反射鏡間來回反設(shè)不斷放大 ，并有部分光從部分反射鏡的一端射出，成為激光。諧振腔一方面能起到“延長”增益介質(zhì)、提高光能密度的作用，同時(shí)還對輸出光的傳播方向起到控制作用。此外，只要恰當(dāng)?shù)倪x用反射鏡片和諧振腔的長度，還能對激光輸出波長進(jìn)行選擇。最后還應(yīng)指出，光在增益介質(zhì)中來回一次產(chǎn)生的增益應(yīng)足以補(bǔ)償它在這一來回中的各種損耗（包括介質(zhì)吸收、衍射和激光的輸出等），否則無法形成激光輸出。其必須滿足的條件稱為閾值條件。說明激光在階躍型光纖和梯度型光纖中的傳播及應(yīng)用。闡述光束