光電子考試簡(jiǎn)答題答案 (2)

1、作業(yè)1三、簡(jiǎn)答題：1、簡(jiǎn)述激光產(chǎn)生的條件、激光器的組成及各組成部分的作用。答：必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和減少振蕩模式數(shù)。 充分條件：起振閾值條件：激光在諧振腔內(nèi)的增益要大于損耗。 穩(wěn)定振蕩條件增益飽和效應(yīng)（形成穩(wěn)定激光） 。 組成：工作物質(zhì)、泵浦源、諧振腔。 作用：工作物質(zhì)：在這種介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 泵浦源（激勵(lì)源） ：將粒子從低能級(jí)抽運(yùn)到高能級(jí)態(tài)的裝置。 諧振腔：(1) 使激光具有極好的方向性( 沿軸線) (2) 增強(qiáng)光放大作用( 延長(zhǎng)了工作物質(zhì) ) (3) 使激光具有極好的單色性( 選頻 )2、簡(jiǎn)述光子的基本特性。答：光是一種以光速運(yùn)動(dòng)的光子流，光子和其它基本粒子一樣，具有能量、動(dòng)

2、 量和質(zhì)量。它的粒子屬性（能量、動(dòng)量、質(zhì)量等）和波動(dòng)屬性（頻率、波矢、偏振等）之間的關(guān)系滿足： （1）E=hv= （2）m= ，光子具有運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，但靜止質(zhì)量為零；（3）；（4）、光子具有兩種可能的獨(dú)立偏振態(tài)，對(duì)應(yīng)于光波場(chǎng)的兩個(gè)獨(dú)立偏振方向； （5）、光子具有自旋，并且自旋量子數(shù)為整數(shù)，是玻色子。作業(yè)2判斷題中的第5小題：在電光調(diào)制器中，為了得到線性調(diào)制，在調(diào)制器中插入一個(gè)l/4波片，波片的軸向如何設(shè)置最好？若旋轉(zhuǎn)l/4波片，它所提供的直流偏置有何變化？ 答：在電光調(diào)制器中，為了得到線性調(diào)制，在調(diào)制器中插入一個(gè)?/4波片，波片的軸向取向?yàn)榭炻S與晶體的主軸x成45°角時(shí)最好，從而使 E

3、 x 和 E y 兩個(gè)分量之間產(chǎn)生/2 的固定相位差。若旋轉(zhuǎn)l/4波片，它所提供的直流偏置，得到直流偏值隨偏振改變而改變。 三 簡(jiǎn)答題1、何為大氣窗口，試分析光譜位于大氣窗口內(nèi)的光輻射的大氣衰減因素。 答：對(duì)某些特定的波長(zhǎng)，大氣呈現(xiàn)出極為強(qiáng)烈的吸收。光波幾乎無(wú)法通過(guò)。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)段，將透過(guò)率較高的波段稱為大氣窗口。光譜位于大氣窗口內(nèi)的光輻射的大氣衰減因素主要有:大氣分子的吸收,大氣分子散射 ,大氣氣溶膠的衰減。2. 何為大氣湍流效應(yīng)，大氣湍流對(duì)光束的傳播產(chǎn)生哪些影響？ 答：是一種無(wú)規(guī)則的漩渦流動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡十分復(fù)雜，既有橫向運(yùn)動(dòng)，又有縱向 運(yùn)動(dòng)，

4、 空間每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度圍繞某一平均值隨機(jī)起伏。 這種湍流狀態(tài)將使激光輻射在傳播 過(guò)程中隨機(jī)地改變其光波參量， 使光束質(zhì)量受到嚴(yán)重影響， 出現(xiàn)所謂光束截面內(nèi)的強(qiáng)度閃爍、 光束的彎曲和漂移（亦稱方向抖動(dòng)）、光束彌散畸變以及空間相干性退化等現(xiàn)象，統(tǒng)稱為大氣湍流效應(yīng)。大氣湍流 運(yùn)動(dòng)使大氣折射率引起的這種起伏的性質(zhì)， 使光波參量 （振幅和相位）產(chǎn)生隨機(jī)起伏，造成光束的閃爍、彎曲、分裂、擴(kuò)展、空間相干性降 低、偏振狀態(tài)起伏等。3、何為電光晶體的半波電壓？半波電壓由晶體的那些參數(shù)決定？ 答：當(dāng)光波的兩個(gè)垂直分量Ex¢，Ey¢的光程差為半個(gè)波長(zhǎng)（相應(yīng)的相位差為p）時(shí)所需要加的電壓，稱為半波

5、電壓。半波電壓主要由光波長(zhǎng)、O光折射率和電光系數(shù)共同決定。4、聲光相互作用可以分為拉曼-納斯衍射和布喇格衍射兩種類型。簡(jiǎn)述它們產(chǎn)生的條件和特征。 答：產(chǎn)生拉曼-納斯衍射的條件：當(dāng)超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射，聲光互作用長(zhǎng)度 L較短時(shí)，在光波通過(guò)介質(zhì)的時(shí)間內(nèi)，折射率的變化可以忽略不計(jì)，則聲光介質(zhì)可近似看作為相對(duì)靜止的“平面相位柵”。 由出射波陣面上各子波源發(fā)出的次波將發(fā)生相干作用，形成與入射方向?qū)ΨQ分布的多級(jí)衍射光，這就是拉曼-納斯衍射的特點(diǎn)。 產(chǎn)生布喇格衍射條件：聲波頻率較高，聲光作用長(zhǎng)度 L較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射，介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。衍射光各高級(jí)次衍射光將互相

6、抵消，只出現(xiàn) 0 級(jí)和+1 級(jí)（或?1 級(jí)）衍射光，這是布喇格衍射的特點(diǎn)。5、簡(jiǎn)述光束調(diào)制的基本原理。答：（1）以激光為載體，將信息加載到激光的過(guò)程，稱為調(diào)制或光束調(diào)制。 （2）光束具有振幅、頻率、相位、強(qiáng)度和偏振等參量，可以應(yīng)用某些物理的方法，使其參量之一按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化，實(shí)現(xiàn)光束的調(diào)制，所以光束的調(diào)制可以分為調(diào)幅、調(diào)相、調(diào)頻和強(qiáng)度調(diào)制等。 （3）實(shí)現(xiàn)激光光束調(diào)制的方法根據(jù)調(diào)制器與激光器的關(guān)系，可以分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制兩種。 （4）具體的激光光束的調(diào)制方法，常見的有光電調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制、直接調(diào)制等。6、簡(jiǎn)述光纖通信中激光器直接調(diào)制的定義、用途和特點(diǎn)。答：直接調(diào)制：即直接對(duì)光源進(jìn)行

7、調(diào)制，通過(guò)控制半導(dǎo)體激光器的注入電流的大小，改變激光器輸出光波的強(qiáng)弱，又稱為內(nèi)調(diào)制。傳統(tǒng)的PDH和2.5Gbit/s速率以下的SDH系統(tǒng)使用的LED或LD光源基本上采用的都是這種調(diào)制方式。直接調(diào)制方式的特點(diǎn)是，輸出功率正比于調(diào)制電流，簡(jiǎn)單、損耗小、成本低。一般情況下，在常規(guī)G.652光纖上使用時(shí)，傳輸距離100km，傳輸速率2.5Gbit/s。作業(yè)31、 簡(jiǎn)述以下概念：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)。 答：外光電效應(yīng)：是指物質(zhì)吸收光子并激發(fā)出自由電子的行為。 內(nèi)光電效應(yīng)：是光電效應(yīng)的一種，主要由于光量子作用，引發(fā)物質(zhì)電化學(xué)性質(zhì)變化。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。2、請(qǐng)比較光電二極管與光電

8、池的異同？ （此題答案有待補(bǔ)充，求高手指教?。┐穑合嗤c(diǎn)：二者都是由PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，都能把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。不同點(diǎn)：光電二極管是在反向電壓作用下工作的，而光電池是工作在光照零偏條件下的。3、 說(shuō)明光電倍增管的原理。 答：當(dāng)光照射到光陰極時(shí)，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場(chǎng)進(jìn)入倍增系統(tǒng)，并通過(guò)進(jìn)一步的二次發(fā)射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽(yáng)極收集作為信號(hào)輸出。因?yàn)椴捎昧硕伟l(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測(cè)紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測(cè)器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。另外，光電倍增管還具有響應(yīng)快速、成本低、陰極面積大等優(yōu)點(diǎn)。4、說(shuō)明光敏電阻的敏感機(jī)

9、理。 答：光敏電阻阻值對(duì)光照特別敏感，是一種典型的利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電探測(cè)器件。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí)，材料吸收光子的能量，使非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大，導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大，此時(shí)材料電阻值將減?。患措娮柚惦S入射光的強(qiáng)弱而變化，入射光強(qiáng)時(shí)電阻減小，入射光弱時(shí)電阻增大。 5、簡(jiǎn)述什么是光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象以及響應(yīng)時(shí)間。 答：光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的，同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。這種現(xiàn)象即為光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象；光電導(dǎo)的響應(yīng)時(shí)間又分上升時(shí)間和下降時(shí)間，是描述弛豫現(xiàn)象過(guò)程長(zhǎng)短的物理量。上升時(shí)間表示光電導(dǎo)體受光照時(shí)光生載流子濃度從零增長(zhǎng)到穩(wěn)態(tài)值63

10、%時(shí)所需的時(shí)間，下降時(shí)間表示從停光前穩(wěn)態(tài)值衰減到37%時(shí)所需的時(shí)間。6、簡(jiǎn)述光電池的工作原理。 答：光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，它根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，當(dāng)P-N結(jié)受光照時(shí)激發(fā)出光生電子空穴對(duì)而擴(kuò)散進(jìn)PN結(jié)，之后被內(nèi)電場(chǎng)分離開而形成開路電壓，此即光照零偏PN結(jié)產(chǎn)生開路電壓的效應(yīng)（即光伏效應(yīng)）。補(bǔ)充題1. 輻射度量與光度量的根本區(qū)別是什么?答：輻射度量適用于整個(gè)電磁波段，光度量適用于可見光波段。2. 為什么光電探測(cè)器使用時(shí)大多要加偏置電路？畫圖說(shuō)明光伏探測(cè)器的反向偏置電路。答：加偏置電路，使光電探測(cè)器有合適的電流、電壓工作點(diǎn)（提高靈敏度、頻率響應(yīng)，減小噪聲） 光伏探測(cè)器的反向偏置電路：

11、 3什么是探測(cè)器的光譜靈敏度？為什么測(cè)量光譜靈敏度的系統(tǒng)一般需要單色儀？答：探測(cè)器在波長(zhǎng)為 的單色光照射下，輸出的電壓U()或光電流I() 與入射的單色輻射通量()（或單色輻照度E()）之比為光譜靈敏度； 為了得到單色輻射通量。4探測(cè)器的噪聲等效功率與哪些因素有關(guān)？一個(gè)探測(cè)器的靈敏度很高，它的噪聲等效功率就一定很小，從而它的探測(cè)能力就越強(qiáng)，這種說(shuō)法對(duì)嗎？答：探測(cè)器的噪聲等效功率與探測(cè)器的靈敏度和探測(cè)器本身的噪聲有關(guān)；這種說(shuō)法不對(duì)。5光學(xué)調(diào)制主要有哪兩個(gè)作用？分別舉例說(shuō)明。答：光學(xué)調(diào)制主要有加載信息，或者改進(jìn)系統(tǒng)的品質(zhì)等作用。（3分） 例如，光纖通信加載信息；紅外跟蹤系統(tǒng)的調(diào)制盤改進(jìn)系統(tǒng)的品質(zhì)（

12、抑制背景噪聲）6. 分別指明可見光譜區(qū)和中紅外光譜區(qū)的范圍。 答：可見光0.380.78m（或者0.400.76m）中紅外波段1.56m（或者35m）7. 分別畫出本征半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體的能帶圖，并簡(jiǎn)要解釋施主能級(jí)的形成。 答：本征半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的能帶圖： 施主能級(jí)的形成： 如果在四價(jià)的鍺(Ge)或硅(Si)組成的晶體中摻入五價(jià)原子磷(P) 或砷(As)，就可以構(gòu)成 N 型半導(dǎo)體。以硅摻磷為例，五價(jià)的磷用四個(gè)價(jià)電子與周圍的硅原子組成共價(jià)鍵，尚多余一個(gè)電子。這個(gè)電子受到的束縛力比共價(jià)鍵上的電子要小得多，很容易被磷原子釋放，躍遷成為自由電子，該磷原子就成為正離子，這個(gè)易釋放電子的原子稱為施主

13、原子，或施主（Donor）。由于施主原子的存在，它會(huì)產(chǎn)生附加的束縛電子的能量狀態(tài)。這種能量狀態(tài)稱為施主能級(jí)，它位于禁帶之中靠近導(dǎo)帶底的附近。8. 用光敏電阻測(cè)量時(shí)，不宜用強(qiáng)光照射，為什么？答：用光敏電阻測(cè)量時(shí)，不宜用強(qiáng)光照射： 測(cè)量時(shí)，一般要求光電轉(zhuǎn)換線性關(guān)系好，而強(qiáng)光照射時(shí)光敏電阻的光電線性關(guān)系變差。 用光敏電阻測(cè)量強(qiáng)光，可考慮使用中性衰減片插入光路。9解釋雜質(zhì)光電導(dǎo)探測(cè)器：a 常用于中遠(yuǎn)紅外探測(cè)；b 通常必須在低溫條件下工作？答：同種半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)電離能Ed或Ea比本征半導(dǎo)體的電離能Eg小得多，所以它的長(zhǎng)波限比本征探測(cè)器的長(zhǎng)波限長(zhǎng)得多。在非本征探測(cè)器中，雜質(zhì)原子的濃度遠(yuǎn)比基質(zhì)原子的濃度低得多。在常溫下雜質(zhì)原子束縛的電子或空穴已被熱激發(fā)成自由態(tài)作為暗電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)量。這時(shí)長(zhǎng)波光照在它上面已無(wú)束縛電子或束縛空穴供光激發(fā)用，即光電導(dǎo)為零或很微弱。為使雜質(zhì)光電導(dǎo)探測(cè)器正常工作，必須降低它的使用溫度，使熱激發(fā)載流子濃度減小，才能增加光激發(fā)載流子濃度，以提高相對(duì)電導(dǎo)率d。10為什么光電二極管加正向電壓時(shí)表現(xiàn)不出明顯的光電效應(yīng)？答：由于光伏探測(cè)器結(jié)區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)的作用，光照時(shí)產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)分離，在 PN 結(jié)的兩則出現(xiàn)光生電動(dòng)勢(shì)。PN 結(jié)加正向偏壓時(shí)，光照時(shí)仍然可有光電效應(yīng)，但內(nèi)建電場(chǎng)被削弱，甚至為零，光生電子-空穴對(duì)分離變?nèi)?，從而光電效?yīng)表現(xiàn)不明顯。11、熱探測(cè)器與光子探測(cè)器的