光電子學整理1-4

1、光電子學1、什么是光電子學?2、光電效應3、談談你所了解的光電子學與光電子技術涉及的范圍 4、為什么說光波是電磁波? 4、為什么說光波是電磁波? 5、你對世界上最偉大的十個公式中麥克斯韋方程組排在第一的理解 6、談談你對麥克斯韋方程組的物理意義認識1.談談你對激光器的發(fā)明帶來了世界巨大進步的認識激光是20世紀的四項重大的發(fā)明之一,2.受激輻射3.激光理論的基礎4.請解釋粒子數(shù)反轉和負溫度的概念以及在激光起重器的作用5.受激輻射與自發(fā)輻射的區(qū)別第一種答案5.受激輻射與自發(fā)輻射的區(qū)別第二種答案6.激光單色性好原因？ 受激發(fā)射光子 與入射光子 相同7.什么是粒子數(shù)反轉?8.介質實現(xiàn)能級間粒子數(shù)反轉條

2、件p 三能級激光器效率不高，三能級激光器效率不高，因因抽運前粒子基態(tài)，激勵源強抽運快，抽運前粒子基態(tài)，激勵源強抽運快，N2N1，粒子數(shù)反轉；，粒子數(shù)反轉； p 四能級四能級E2，E1間粒子數(shù)反轉。間粒子數(shù)反轉。 p 低能級低能級E1激發(fā)態(tài)，粒子極少，激發(fā)態(tài)，粒子極少，E2粒子積累，易粒子積累，易N2N1，粒子反轉，粒子反轉，能級能級E2，E1間產生激光，間產生激光， p E3粒子向粒子向E2躍遷，躍遷，E1粒子向粒子向E0過渡，易連續(xù)反轉，過渡，易連續(xù)反轉， p 四能級比三能級系統(tǒng)效率高。四能級比三能級系統(tǒng)效率高。 2-1粒子數(shù)反轉分布粒子數(shù)反轉分布 2-2光在介質中小信號增益 2-3介子中增

3、益飽和與燒孔效應 一、激發(fā)態(tài)能級壽命 二、粒子數(shù)密度的差值 三、三能級系統(tǒng)與四能級系統(tǒng)三、三能級系統(tǒng)與四能級系統(tǒng) 光照光照 壽命壽命nsms 1. 三能級系統(tǒng) 2. 四能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng) 克服三能級缺點，易粒子反轉。 問題：為什么四能級比三能級易粒子數(shù)反轉？ E0基態(tài)，E1, E2, E3激發(fā)態(tài)，激勵，基態(tài)粒子躍到E3, E3停短t， 無輻射躍E2，E2粒子積累。 p E1，熱平衡粒子少； 2-1粒子數(shù)反轉分布粒子數(shù)反轉分布 2-2光在介質中小信號增益 2-3介子中增益飽和與燒孔效應 1. 三能級系統(tǒng) 2. 四能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng) 一、激發(fā)態(tài)能級壽命 二、粒子數(shù)密度的差值 三、三能級系統(tǒng)與四能級

4、系統(tǒng)三、三能級系統(tǒng)與四能級系統(tǒng) p E2稍積累，E2和E1間粒子數(shù)反轉。 p E3粒子向E2轉移快，E1粒子向E0過渡快，E1，易反轉；p 比三能級系統(tǒng)，激勵能量要求不高?？朔芗壢秉c易粒子數(shù)反轉（激活介質）。 第三章復習思考題(10) 10.產生激光的必要、充分條件分別是什么?（7）分析激光產生的條件。 第三章復習思考題(11) （7）分析激光產生的條件。 11.已知氫原子第一激發(fā)態(tài)能量為 E2= -3.40eV，基態(tài)能量 E1= -13.60eV，請說明為什么可見室溫下處于熱平衡狀態(tài)氫原子幾乎處于基態(tài)? 在物質處于熱平衡狀態(tài)時，各能級上的原子數(shù)（或稱集居數(shù)）服從玻爾茲曼統(tǒng)計分布：得出結果

5、約為零，不能發(fā)生粒子數(shù)反轉，故在室溫下處于熱平衡狀態(tài)氫原子幾乎處于基態(tài)12.根據(jù)半導體激光器的材料與結構特點，說明半導體激光器產生的原理。（P191-193) 答：在半導體晶體中，能帶分為價帶和導帶它們之間是禁帶。通常情況下，電子大部分處于價帶，而導帶中只有少量電子。若有一束平行光入射，在導帶里的能級和價帶中的能級之間就會造成受激吸收與受激輻射。受激吸收和受激輻射都會導致價帶中的電子躍遷到導帶上，從而實現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉分布。此時在PN結兩邊加正向電流，使增益大于損耗值，就能形成激光震動，產生激光。03電子科學與技術Company Logo好好學習，天天上上量子級聯(lián)激光器的工作原理與通常的半導體

6、激光器截然不同，它打破了傳統(tǒng)p-n結型半導體激光器的電子-空穴復合受激輻射機制，其發(fā)光波長由半導體能隙來決定。QCL受激輻射過程只有電子參與，其激射方案是利用在半導體異質結薄層內由量子限制效應引起的分離電子態(tài)之間產生粒子數(shù)反轉，從而實現(xiàn)單電子注入的多光子輸出，并且可以輕松得通過改變量子阱層的厚度來改變發(fā)光波長。量子級聯(lián)激光器比其它激光器的優(yōu)勢在于它的級聯(lián)過程，電子從高能級跳躍到低能級過程中，不但沒有損失，還可以注入到下一個過程再次發(fā)光。這個級聯(lián)過程使這些電子“循環(huán)”起來，從而造就了一種令人驚嘆的激光器。13.談談新型激光器量子級聯(lián)激光器（QCLs）的工作原理 14.實現(xiàn)光放大的必要條件是什么，

7、負溫度狀態(tài)的概念是什么？實現(xiàn)光放大的必要條件是什么，負溫度狀態(tài)的概念是什么？ （2）負溫度： 不是描述宏觀物體狀態(tài)的概念， 它是描述微觀粒子能量反轉狀態(tài)的數(shù)學表述。 與粒子數(shù)反轉相對應等效溫度為負溫度。與粒子數(shù)反轉相對應等效溫度為負溫度。 答1（1）產生光放大必要條件：粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)即，受激輻射受激吸收； G 0，介質對光有放大作用； 負溫度含義：負溫度含義：不是表示比絕對零度絕對零度低溫度， 表示大于正無窮溫度 負溫度，能量比正溫度負溫度，能量比正溫度高狀態(tài)高狀態(tài)。 答 2：粒子數(shù)反轉是得到光放大必要條件（見書 P39）。出現(xiàn)粒子數(shù)反轉時，如在形式上使用熱平衡分布公式， 得到負溫度狀態(tài)概

8、念。與粒子數(shù)反轉相對應等效溫度：0ln2112gNgNkhvTeq15.激光產生的物理過程。激光產生的物理過程。 第三章 思考與練習（答案） 激勵能源激勵能源 激活介質激活介質 光學諧振腔光學諧振腔全反射全反射 R100%部分反射部分反射 R 為為 80%90% 使入射光得使入射光得到放大，是到放大，是核心核心 供給工作物供給工作物質能量質能量 只讓與反射鏡軸向平行光只讓與反射鏡軸向平行光束能在激活介質中來回反束能在激活介質中來回反射，連鎖式放大。最后形射，連鎖式放大。最后形成穩(wěn)定激光輸出。成穩(wěn)定激光輸出。 光抽運光抽運 激光束激光束 通過受激輻射起主要作用從而產生激光，必需要有提供放大作用的

9、增益介質和造成粒子數(shù)反轉條件的激勵源，另外通常要有一個光學諧振腔，像電子線路種的正反饋那樣，使光在放大器中反復放大而形成振蕩；現(xiàn)代所用的半導體激光器，通常采用激光二極管，它的原理與普通的二極管極為相似，如都有一對 PN 結，當電壓和電流加到激光二極管上時，P 型半導體材料中的空穴和 N 型材料中的自由電子產生相對運動，PN 結處載流子的密度增加非常大，自由電子和空穴重新復合，因而產生受激輻射，釋放出具有激光特性的光子，由激光器諧振腔內的反射鏡反射，透過激光孔和孔內聚焦鏡，射出激光束。 15.激光產生的物理過程。激光產生的物理過程。第三章 思考與練習（答案） 如何理解？只有從面積小于 的光源面上

10、發(fā)出的光，才能保證張角在 之內的雙縫具有相干性。2從物理光學證明：具有明顯相干性的條件是：RxLx光源相干面積22x2232)(ccVcs相干體積：具有頻帶寬度為的光，具有相干性的條件是限定在Vcs 之內16.簡述經(jīng)典理論和量子理論對光的相干性是如何描述的，兩者的結論是否一致？ 屬于同一光波模式的光以及同一光子態(tài)的光子在三維的空間坐標系中所占的體積是相等的，等于光源的相干體積從光子觀點出發(fā)：根據(jù)動量測不準原理， Px= Py = h/cPz= h/c cszyxVcPPPhzyx2233)(同一個光子態(tài)的光子所占的體積為： 屬于同一光波模式的光波或同一光子態(tài)的光子是相干的，屬于不同光波模式的光

11、波或不同光子態(tài)的光子是不相干的17.激光的四個特性中，空間相干性與相什么聯(lián)系，時間相干性與什么相聯(lián)系激光的四個特性中，空間相干性與相什么聯(lián)系，時間相干性與什么相聯(lián)系 答：答：間相干間相干和方向性方向性聯(lián)系（ ），），激光激光束發(fā)散角小，空間相干性高束發(fā)散角小，空間相干性高時間相干性和單色性聯(lián)系，單色性高 小，時間相干性高光源頻率寬度越窄，相干時間越長，相干體積越長。光源頻率寬度越窄，相干時間越長，相干體積越長。 1 平板波導內光的傳播特性為什么要用波動理論討論？2 平板波導有哪幾種的模式？請簡述幾種模式的特點。 導模和輻射模，輻射模包含襯底膜和包層模。所謂襯底模是由襯底模入射到薄膜內的光波，在

12、上界面經(jīng)全反射和折射，又回到襯底中。包層模指由襯底或包層射入到薄膜內的光波在上下界面都不發(fā)生全反射。而導模是指射入薄膜內的光波在上下界面發(fā)生全反射。導模在薄膜內形成沿x方向的駐波，在包層和襯底內形成沿x方向指數(shù)衰減的消失場。 包層模在薄膜、襯底、包層中均形成x方向的駐波。 襯底模在薄膜、襯底中均形成x方向的駐波。 示意圖為：3 平板波導內傳播特性談談你理解的集成光學的概念 研究媒質薄膜光學現(xiàn)象及光學元件集成學科。4 矩形波導，為什么要研究矩形波導？漸變型光纖6材料n 隨自由載流子濃度 而 原因？7.為什么弱導光纖是實用光纖？ 弱導光纖是指纖芯的折射率和均勻包層折射率之差很小的光纖。采用弱導光纖

13、主要的好處是光線在芯部傳播時，由全反射時折射率公式知，兩者折射率越小，光線與芯層與包層界面的角度就越小。故傳播相同長度，光走的路程就越少，光損耗就越少。故實用光纖多采用弱導光纖。8 子午線9 導模 導模是指入射到薄膜內的光波在上下界面發(fā)生全反射。對應的電磁波稱為導模。10 時延差 同點出發(fā)不同角度光線達軸線另一點t不等，時延差11 脈沖展寬12 輻射模 輻射模包含襯底膜和包層模。所謂襯底模是由襯底模入射到薄膜內的光波，在上界面經(jīng)全反射和折射，又回到襯底中。包層模指由襯底或包層射入到薄膜內的光波在上下界面都不發(fā)生全反射。13 簡述導波模成立條件14 為什么多模光纖，射線方法與實際近似？ 多模光纖

14、是指在給定的工作波長上傳輸多種模式的光纖。15 為什么光纖的曲率半徑R 小到一定程度（彎曲嚴重），原直部產生全反射子午光線，到彎部從彎曲部分逸出，甚至發(fā)生子午光線只在外表面反射現(xiàn)象？16 討論導波成立的條件與導波截止條件，給出相應的依據(jù)17 光纖的色散包括哪幾部分？單模光纖和多模光纖分別以哪幾種色散為主？18 費馬原理19 導膜截止 導模截至條件為20nk20 用射線分析方法討論階躍光纖中導波成立條件所代表的意義。21、階躍型光纖主要弱點是什么？產生的原因是什么？用什么辦法克服？克服辦法：漸變型光纖22、為什么要采用復雜的電磁波模式理論研究光纖？ 光是一種電磁波，采用波動光學的方法，把光作為電

15、磁波處理，研究電磁波在光纖中的傳輸規(guī)律，得到光纖中的傳播模式、場結構、傳輸常數(shù)及截止條件。23、形成波導，在半導體材料中要形成怎樣的折射率分布？改變半導體折射率分布有哪幾種方法？載流子濃度越小折射率n越大改變半導體折射率分布的方法：自由載流子效應、改變成分影響、電場效應、形變效應24、光纖的色散主要由什么原因引起？共有哪幾種色散？不同的光纖各以哪種色散為主？不同的色散主要由什么決定？25、一光信號入射到光纖的功率為200uW，在經(jīng)過1km的傳播后，輸出光功率為100uW. 在繼續(xù)傳播一段距離后，輸出光功率只有25uW，求這段距離的長度。26一光信號在光纖中行進了500m以后，它的功率損失了85

16、 %，問以“dB/km”為單位，這根光纖的損耗有多大？27. 設光纖纖芯的半徑為25m，折射率為n1=1.46，n2=1.45，光纖的工作波長為0.85m，求歸一化頻率及傳播的模式數(shù)。如果工作波長為1.3m，傳播的模式有多少？22221201221.46,1.45,2.5,0.8553)Vnn k annaamm1221）根據(jù)據(jù)題意，將nn代入即可求得V3.15V2）對多模階躍光纖，導模數(shù)M=2解法見上述1）、2）28、一光電陰極在波長為520nm的光照射下，光電子的最大動能為0.67eV，求出光電陰極的逸出功。29、光纖的色散30、漸變型光纖31、遠離截止狀態(tài) 遠離截止：光波頻率較高的光波在傳輸過程中，纖芯與包層界面入射角遠大于臨界角，大部分能量集中在纖芯中傳播，該模式稱處在遠離截止狀態(tài)；32、為什么要研究折射率漸變型分布的光纖？33、光纖端面傾斜、斜光線的傳播、漸變型光纖的射線分析等討論涉及的中心問題是什么？該量的物理意義？有幾種表示方式？34、光纖的色散包括哪幾部分？單模和多模光纖分別以哪幾種色散為主？光纖的色散有哪幾種？哪些屬于模內色散？哪些屬于模間色散？單模光纖與多模光纖分別由什么為主？35、什么是光波導？什么是波導的傳播模式？模式的階數(shù)與什么有關？