光電子技術復習總結

1、光電子技術復習題總結（2012.6.1）第一章：光的基礎知識及發(fā)光源1. 光的基本屬性？光具有波動和粒子的雙重性質(zhì)，即具有波粒二象性。2. 激光的特性？（1）方向性好（2）單色性好（3）亮度高（4）相干性好3. 玻爾假說：定態(tài)假設和躍遷假設？（1）定態(tài)假設；原子存在某些定態(tài)，在這些定態(tài)中不發(fā)出也不吸收電磁輻射能。原子定態(tài)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）躍遷假設；只有當原子從較高能量En的定態(tài)躍遷到較低能量Em的定態(tài)時，才能發(fā)射一個能量為h的光子。4. 光與物質(zhì)的共振相互作用的三種過程？受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射5. 亞穩(wěn)態(tài)？自發(fā)輻射的過程較慢時，粒子在E2

2、能級上的壽命就長，原子處在這種狀態(tài)就比較穩(wěn)定。壽命特別長的激發(fā)態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。其壽命可達10-31s，而一般激發(fā)態(tài)壽命僅有10-8so6. 受激輻射的光子性質(zhì)？受激輻射的光子的頻率、振動方向、相位都與外來光子一致。7. 受激吸收和受激輻射這兩個過程的關系？宏觀表現(xiàn)？兩能級間受激吸收和受激輻射這兩個相反的過程總是同時存在，相互競爭，其宏觀效果是二者之差。當吸收過程比受激輻射過程強時，宏觀看來光強逐漸減弱；反之，當吸收過程比受激輻射過程弱時，宏觀看來光強逐漸加強。8. 受激輻射與自發(fā)輻射的區(qū)別？最重要的區(qū)別在于光輻射的相干性，由自發(fā)輻射所發(fā)射的光子的頻率、相位、振動方向都有一定的任意性，而受激輻射所

3、發(fā)出的光子在頻率、相位、振動方向上與激發(fā)的光子高度一致，即有高度的簡并性。9. 光譜線加寬現(xiàn)象？由于各種因素影響，自發(fā)輻射所釋放的光譜并非單色，而是占據(jù)一定的頻率寬度，分布在中心頻率v0附近一個有限的頻率范圍內(nèi)，自發(fā)輻射的這種現(xiàn)象稱為光譜線加寬。10. 譜線加寬的原因？由于能級有一定的寬度，所以當原子在能級之間自發(fā)發(fā)射時，它的頻率也有一個變化范圍Avn.11. 譜線加寬的物理機制分為哪兩大類？它們的區(qū)別？分為均勻加寬和非均勻加寬兩大類。均勻加寬：引起加寬的物理因素對每個原子都是等同的。發(fā)光粒子的光譜因物理因素加寬后中心頻率不變，由它們迭加成的光源光譜形狀與發(fā)光粒子相同。非均勻加寬：引起譜線加寬

4、的物理因素對介質(zhì)中的每個發(fā)光原子不一定相同，每個發(fā)光原子所發(fā)的光只對譜線內(nèi)某些確定的頻率。發(fā)光粒子的光譜因物理因素使得中心頻率發(fā)生變化，由它們迭加成的光源光譜形狀與發(fā)光粒子不同。12. 譜線加寬對原子與準單色光輻射場相互作用的影響？由于發(fā)光粒子的譜線加寬，與它相互作用的單色光頻率不一定精確等于粒子中心頻率時才發(fā)生受激躍遷。而在v'=v0附近范圍內(nèi)，都能產(chǎn)生受激躍遷。當v=v0時躍遷幾率最大，v'偏離vO躍遷幾率急劇下降。13. 參與普通光源的發(fā)光的光與物質(zhì)共振相互作用過程？常見光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽等地發(fā)光）是由于物質(zhì)在受到外來能量（如光能、電能、熱能等）作用時，原子中

5、的電子就會吸收外來能量而從低能級躍遷到高能級，即原子被激發(fā)。激發(fā)的過程是一個“受激吸收”過程。處在高能級（E2）的電子壽命很短（一般為108109秒），在沒有外界作用下會自發(fā)地向低能級（E1）躍遷，躍遷時將產(chǎn)生光（電磁波）輻射。輻射光子能量為hu二E2-E1。14. 激光產(chǎn)生的必要條件和充分條件？必要條件：粒子數(shù)反轉分布和減少振蕩模式充分條件：起振和穩(wěn)定振蕩（形成穩(wěn)定激光）15. 激光器的基本結構及其各部分的作用？激光工作物質(zhì):這種介質(zhì)可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，以制造獲得激光的必要條件。泵浦源：將粒子從低能級抽運到高能級態(tài)的裝置，稱為泵浦源。提供能量來激勵工作物質(zhì)，建立粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)。諧振腔：作

6、用是限制輸出模式，同時還對激光頻率、功率、光束發(fā)散角及相干性都有影響。16. 增益飽和現(xiàn)象？二能級系統(tǒng)為什么不能充當激光工作物質(zhì)？在二能級系統(tǒng)中，由于發(fā)生受激吸收和受激輻射的幾率是相同的（B12二B21）,最終只有達到兩個能級的粒子數(shù)相等而使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定，不能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，因而不能充當工作物質(zhì)。17. 三能級和四能級系統(tǒng)如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉？為什么四能級系統(tǒng)比三能級系統(tǒng)的效率高？三能及系統(tǒng)：E1為基態(tài)，E2、E3為激發(fā)態(tài)，中間能級E2為亞穩(wěn)態(tài)。在泵浦作用下，基態(tài)E1的粒子被抽運到激發(fā)態(tài)E3上,E1上的粒子數(shù)N1隨之減少。但由于E3能級的壽命很短，粒子通過碰撞很快地以無輻射躍遷的方式轉移到亞穩(wěn)態(tài)

7、E2上。由于E2態(tài)壽命長，其上就累積了大量的粒子，即N2大于N1,于是實現(xiàn)了亞穩(wěn)態(tài)E2與基態(tài)E1間的粒子數(shù)反轉分布。三能級激光器的效率不高，原因是抽運前幾乎全部粒子都處于基態(tài)，只有激勵源很強而且抽運很快，才可使N2>N1，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。四能級系統(tǒng)：是使系統(tǒng)在兩個激發(fā)態(tài)E2、E1之間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。因為這時低能級E1不是基態(tài)而是激發(fā)態(tài)，其上的粒子數(shù)本來就極少，所以只要亞穩(wěn)態(tài)E2上的粒子數(shù)稍有積累，就容易達到N2大于N1,實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，在能級E2、E1之間產(chǎn)生激光。于是，E3上的粒子數(shù)向E2躍遷，E1上的粒子數(shù)向E0過渡，整個過程容易形成連續(xù)反轉，因而四能級系統(tǒng)比三能級系統(tǒng)的效率高。

8、18. 激光的縱模和橫模？激光的縱模：光場沿軸向傳播的振動模式稱為縱模。激光的橫模：激光腔內(nèi)與軸向垂直的橫截面內(nèi)的穩(wěn)定光場分布稱為激光的橫模。19. 激光橫模形成的主要因素？主要因素是諧振腔兩端反射鏡的衍射作用。20. 雙簡并半導體的能帶特點？雙簡并半導體：半導體中存在兩個費米能級;兩個費米能級使得導帶中有自由電子；價帶中有空穴。21pn結如何形成雙簡并能帶結構？當給PN結加以正向電壓V時，原來的自建場將被削弱，勢壘降低，破壞了原來的平衡，引起多數(shù)載流子流入對方，使得兩邊的少數(shù)載流子比平衡時增加了，（這些增加的少數(shù)載流子稱為“非平衡載流子”。這種現(xiàn)象叫做“載流子注入”。）此時結區(qū)的統(tǒng)一費米能級

9、不復存在，形成結區(qū)的兩個費米能級EF+和EF-,稱為準費米能級。它們分別描述空穴和電子的分布。在結區(qū)的一個很薄的作用區(qū)，形成了雙簡并能帶結構。22同質(zhì)結砷化鎵激光器的特性？與二極管相同，也具有單向?qū)щ娦?3從提高雙異質(zhì)結型半導體激光器的性能要求出發(fā),對異質(zhì)結兩側的材料的技術要求？（1）要求兩種材料的晶格常數(shù)盡可能相等,若在結合的界面處有缺陷,載流子將在界面處復合掉,不能起到有效的注入、放大和發(fā)光的作用;（2）為了獲得較高的發(fā)光效率,要求材料是直接躍遷型的;（3）為了獲得高勢壘,要求兩種材料的禁帶寬度有較大的差值。24雙異質(zhì)結型半導體激光器結構？雙異質(zhì)結（DH）LD由三層不同類型的半導體材料構成

10、，不同材料發(fā)不同的波長。結構中間一層窄帶隙P型半導體為有源層，兩側分別為寬帶隙的P型和N型半導體是限制層，三層半導體置于基片上，前后兩個晶體解理面為反射鏡構成諧振腔。光從有源層沿垂直于PN結的方向射出。第二章：光輻射在介質(zhì)波導中的傳播1光波導的分類？（1）平板波導（2）矩形波導（3）圓柱形波導2. 以非對稱型（從上到下n3>n1>n2）平板介質(zhì)波導為例，平板介質(zhì)中可能存在的模式？以及相應的入射角與全反射角的關系？可能存在的模式：包層模-曲<eci3<eci2襯底模-eci3<ei<eci2導模-eci3<eci2<ei（存在兩個臨界角，在下界面的

11、全反射臨界角為c12，在上界面的全反射臨界角為c13。由于n2>n3,所以c12>c13。）3. 從平板介質(zhì)波導中的導波的特征方程，入射角與模序數(shù)的關系？對給定的m值，可求出形成導波的ei值。以該ei角入射的平面波形成一個導波模式。由特征方程還可以看出，在其他條件不變的情況下，若81減小，則m增大，因而表明高次模是由入射角81較小的平面波構成的4. 截止波長是如何定義的？對一個給定的模式，m是定值。如果工作波長入0變化，必須調(diào)整平面波的入射角ei，才能滿足特征方程，形成導波。當&仁eci2時，導波轉化為輻射模，此時的波長就是該模式的截止波長。5. 在非對稱型平板介質(zhì)波導所有

12、模式中，截止波長最長的模式？以及單模傳輸?shù)臈l件？TE0模的截止波長最長。單模傳輸?shù)臈l件是：入c(TM0)入0入c(TE0)(薄膜波導中的TE0模即是基模。如果波導的結構或選擇的工作波長只允許TE0模傳輸，其他模式均截止，則稱為單模傳輸。)6. 在對稱型的平板介質(zhì)波導中，存在哪兩種特殊的現(xiàn)象？(1) 模序數(shù)相同的TE模和TM模具有相同的截止波長入c。(2) 對于對稱波導，TM0的模的截止波長入c二g，沒有截止現(xiàn)象，這是對稱波導的特有性質(zhì)。7. 光纖的基本結構？由折射較高的纖芯和折射率較低的包層組成，通常為了保護光纖，包層外還往往覆蓋一層塑料加以保護即涂覆層。8. 光纖涂覆層的作用？隔離雜散光、提

13、高光纖強度和保護光纖等。9. 光纖是否為單模傳輸與什么有關？與光纖自身的結構參數(shù)和光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL有關。10. 漸變型光纖與階躍型光纖的區(qū)別？區(qū)別在于其纖芯的折射率不是常數(shù)，而是隨半徑的增加而遞減直到等于包層的折射率。第三章：光輻射的調(diào)制1. 什么是光調(diào)制？光調(diào)制就是將一個攜帶信息的信號疊加到載波光波(激光輻射)上的過程2. 這些參數(shù)包括什么？這些參數(shù)包括光波的振幅、位相、頻率、偏振、波長等。3. 什么是內(nèi)調(diào)制，什么是外調(diào)制？內(nèi)調(diào)制：將要傳輸?shù)男盘栔苯蛹虞d于光源，改變光源的輸出特性來實現(xiàn)調(diào)制。外調(diào)制：在光源外的光路上放置調(diào)制器，將要傳輸?shù)男盘柤虞d于調(diào)制器上，當光通過調(diào)制器時，透過光的物理性質(zhì)

14、將發(fā)生改變，實現(xiàn)信號的調(diào)制。4. 振幅調(diào)制的波形特點？波形特點：調(diào)幅波的振幅(包絡)變化規(guī)律與調(diào)制信號波形一致；調(diào)幅度ma反映了調(diào)幅的強弱程度。5. 什么是電光效應？電光調(diào)制的物理基礎是電光效應，即某些晶體在外加電場的作用下，其折射率將發(fā)生變化，當光波通過此介質(zhì)時，其傳輸特性就受到影響而改變，這種現(xiàn)象稱為電光效應。6. KDP晶體在外加電場時，折射率橢球體的變化。當沿晶體z軸方向加電場后，KDP晶體由單晶體變成了雙晶體，折射率橢球的主軸繞z軸旋轉了45°，此轉角與外加電場的大小無關，其折射率變化與電場成正比。7. 什么是縱向電光效應和橫向電光效應？電場方向與通光方向一致,稱為縱向電光

15、效應;電場與通光方向相垂直,稱為橫向電光效應。8. 什么是半波電壓？當光波的兩個垂直分量Ex',Ey'的光程差為半個波長（相應的相位差為n）時所需要加的電壓，稱為“半波電壓”9. 電光強度調(diào)制器件的器件組成及工作原理？器件組成：起偏器，電光晶體，檢偏器10. 電光開關原理？利用脈沖電信號控制光路接通斷開11. 什么是聲光效應？由于聲波的作用而引起介質(zhì)光學性質(zhì)變化的現(xiàn)象12. 聲光相互作用的兩種類型及其區(qū)別？聲光互作用可以分為拉曼一納斯（RamanNath）衍射和布拉格（Bragg）衍射兩種類型。拉曼-納斯衍射：當超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射（即垂直于聲場傳播方向），聲光

16、互作用長度L較短時，產(chǎn)生拉曼一納斯衍射。布拉格衍射：當聲波頻率較高，聲光作用長度L較大，而且光束與聲波波面間以一定的角度斜入射時，光波在介質(zhì)中要穿過多個聲波面，故介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。13. 聲光體調(diào)制器的組成？聲光體調(diào)制器是由聲光介質(zhì)、電聲換能器、吸聲（或反射）裝置及驅(qū)動電源等所組成。14. 聲光調(diào)制的工作過程？首先是由電聲換能器把電振蕩轉換成超聲振動，再通過換能器和聲光介質(zhì)間的粘合層把振動傳到介質(zhì)中形成超聲波，當光波通過聲光介質(zhì)時，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強度調(diào)制波。15磁光調(diào)制的工作過程？首先將調(diào)制信號通過線圈，讓其感生出平行于光傳播方向的磁場，通過調(diào)制信號

17、控制磁場強度變化，再使入射光通過YIG晶體，由磁光效應改變在介質(zhì)中傳輸?shù)墓獠ǖ钠駪B(tài)，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強度調(diào)制波。第四章：光輻射的探測技術1. 什么是光電探測器？光電探測器：對各種光輻射進行接收和探測的器件。2. 光電探測的物理效應可以分為哪三大類（1）光電效應（2）光熱效應（3）波擾動效應3. 什么是光電效應？光照射到物體上使物體發(fā)射電子，或電導率發(fā)生變化，或產(chǎn)生電動勢，這些因光照引起物體電學特性改變的現(xiàn)象，統(tǒng)稱為光電效應。4. 什么是光熱效應？某些物質(zhì)受到光照射時，由于溫度變化而造成材料性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。5. 什么是內(nèi)光電效應以及包括的兩類效應？內(nèi)光電效應光子激發(fā)的載

18、流子（電子或空穴）將保留在材料內(nèi)部，主要包括光電導效應和光伏效應。6. 什么是光電導效應？光電導效應是光照變化引起半導體材料電導變化的現(xiàn)象。7. 什么是光伏效應?光伏效應指光照使不均勻半導體或半導體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。8. 光生伏特效應過程？當光照射pn結時，只要光子能量大于禁帶寬度，無論p區(qū)、n區(qū)或結區(qū)都會產(chǎn)生少數(shù)載流子。那些在結附近n區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子離pn結的距離小于它的擴散長度，總有一定概率擴散到結界面處，它們一旦到達pn結界面處，就會在結電場作用下被拉向p區(qū)。同樣，如果在結附近p區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子擴散到結界面處，也會被結電場迅速拉向n區(qū)。結內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對在結電場作用下分別被移向n區(qū)和p區(qū)。如果電路處于開路狀態(tài)，光生電子和空穴積累在pn結附近，使p區(qū)獲得附加正電荷，n區(qū)獲得附加負電荷，使pn結獲得光生電動勢。9. 光子器件和熱電器件的區(qū)別？光子器件：響應波長有選擇性，一般有截止波長，超過該波長，器件無響應；響應快，吸收輻射產(chǎn)生信號需要的時間短，一般為納秒到幾百微秒。熱電器件:響應波長無選擇性，對可見光到遠紅外的各種波長的輻射同樣敏感;響應慢，一般為幾毫秒.10.光電探測器的性能參數(shù)？參數(shù)物理描述表達式積分靈敏度光電轉換特性的量度diiduuR=R=idppudpp光譜靈敏度對某一波長光電轉換的