光電子技術(shù)安毓英版答案

1、習(xí)題1.設(shè)在半徑為Rc的圓盤中心法線上， 距盤圓中心為10處有一個輻射強(qiáng)度為Ie的點源S,如圖所示。試計算該點源發(fā)射到 盤圓的輻射功率。d e解：Ie在lTIedTRc2.如圖所示, 的距離為10。若設(shè)小面源的面積為 c為輻射在被照面As,輻射亮度為Le,面源法線與10的夾角為s；被照面的面積為Ac的入射角，試計算小面源在Ac上產(chǎn)生的輻射照度。Ac,到面源As解：用定義Le3.假設(shè)有一個按郎伯余弦定律發(fā)射輻射的大擴(kuò)展源（如紅外裝置面對的天空背景）,其各處的輻亮度Le均相同。試計算該擴(kuò)展源在面積為Ad的探測器表面上產(chǎn)生的輻照度。解：輻射亮度定義為面輻射源在某一給定方向上的輻射通量，因為余弦輻射體

2、的輻射亮度為L %LeeodS 得到余弦輻射體的面元 dS向半空間的輻射通量為d e Le0 dS Le dS又因為在輻射接收面上的輻射照度Ee定義為照射在面元上的輻射通量 d e與該面元的面積dA之比,Lc dSo所以該擴(kuò)展源在面積為 Ad的探測器表面上產(chǎn)生的輻照度為Ee 單位是 W / m2Ad4.霓虹燈發(fā)的光是熱輻射嗎？解： 不是熱輻射。5剛粉刷完的房間從房外遠(yuǎn)處看，它的窗口總顯得特別黑暗，這是為什么？解：因為剛粉刷完的房間需要吸收光線，故從房外遠(yuǎn)處看它的窗口總顯得特別黑暗m隨溫度T的升高而減小。試由普朗克6.從黑體輻射曲線圖可以看出，不同溫度下的黑體輻射曲線的極大值處的波長 熱輻射公式

3、導(dǎo)出mT 常數(shù)。10-3mK。解：普朗克熱輻射公式求一階導(dǎo)數(shù)，令其等于0,即可求的。面積等于在相應(yīng)溫度下黑體的輻射出射度M。試由普朗克熱輻射公式導(dǎo)出M與溫度T的四次方成正比，即M 常數(shù)*T4這一關(guān)系式被稱為斯忒藩玻爾茲曼定律，其中常數(shù)為5.67*10-8W( m2 K4)。解：黑體處于溫度 T時,在波長處的單色輻射出射度有普朗克公式給出:Meb2 hc25exp(hc/ kB) 1式中h為普朗克常數(shù),2.c為真空中光速，kB為玻爾茲曼常數(shù)。令 C12 hc ,C2hc瓦則上式可改寫為MebCi5exp(C2 / T) 1將此式積分得 M ebMebd2 hc250 exp(hc/ kB) 1d

4、T4此即為斯忒藩玻爾茲曼定律。2 2k4式中 415h3c25.670 10 8 J /m2 ?自？k4為斯忒藩玻爾茲曼常數(shù)。8.宇宙大爆炸遺留在宇宙空間的均勻背景熱輻射相當(dāng)于(1)此輻射的單色輻射出射度在什么波長下有意義?(2)地球表面接收到此輻射的功率是多大？3K黑體輻射。解：答(1)由維恩位移定律mT 2897.9(m* k)得2897.9965.973由Med e 一，一和普朗克公式Me b dSCi5exp(C2 / T) 12及地球面積S 4 R得出地球表面接收到此輻射的功率。你知道這是按什么區(qū)分的嗎?9.常用的彩色膠卷一般分為日光型和燈光型。 解：按色溫區(qū)分。10.vdv為頻率在

5、v(vdv)間黑體輻射的能量密度， d 為波長在 -d 間黑體輻射能量密度。已知hv3 / c3exp( hv/ kBT)1,試求解:由 vdv =分別在 10500nm 和3000MHz 輸出1W連續(xù)功率，問每秒鐘從激光上能級向下能級躍遷的粒子數(shù)是多少?解：nch1W*10 m346.626*10 Js*3*10ms5.03*1019 個1W*500nm34816.626*10 Js*3*10ms2.52*1018 個1W346.626*10 Js*3000MHz5.03*1023個12.設(shè)一對激光能級為 e2和3000MHz ,相應(yīng)頻率為?時,（波長為），各能級上的粒子數(shù)為n2和n(3)解

6、:作n1(1)(2)(3)13試證明,n2n1n2n1n2n1T=300K?0.1時，溫度T=?2-e1得：tE2 EikT e346.626*10hckThckTh kT*3000*106231.38*10 *3006.626*106.3*10由于自發(fā)輻射，原子在證明：自發(fā)輻射，一個原子由高能級dn2 dt(dn21)dt sp34*4.8*1083*10231.38*10 *300*1*103486.626*10 *3*10236_1.38*10 *1*10 TE2能級的平均壽命e2自發(fā)躍遷到自發(fā)躍遷幾率0.14.8*10A21211.4*10Ei,單位時間內(nèi)能級E2減少的粒子數(shù)為:dm

7、dt因此A 2114焦距f是共焦腔光束特性的重要參數(shù)，試以/dn21 1A21 () dtn2spA21t n20en20esf表示W(wǎng)0 , Wz, Rz , Void。由于f和W0是一一對應(yīng)的，因而也可以用W0作為表征共焦腔高斯光束的參數(shù)，試以Wo表示 f , wz,Rz,Vooo解:，(z)Wo,Rf2z0z01L2L2二 L0s二 HYPERLINK l bookmark61 o Current Document 2215今有一球面腔，r 1 5m，R21m，L = 0.8m。試證明該腔為穩(wěn)定腔；求出它的等價共焦腔的參數(shù)。解：g1=1- - =0.47R1.Lg2=1-,R2gi ?g2

8、 =0.846即:0 g ？g21 ,所以該腔為穩(wěn)定腔。解：(z)01 號)2 , R(z)f2 z z其中，f20 0.385m30cm：(30cm) 1.45mm,R(30cm)0.79m10m :(10 m) 29.6mm,R(10m)10.0m1000m：(1000 m) 2.96m,R(1000m) 1000m17有頻率為2的二束光入射，試求在均勻加寬及非均勻加寬兩種情況下頻率為的弱光的增益系數(shù)表達(dá)式；(2)頻率為1的強(qiáng)光的增益系數(shù)表達(dá)式;由公式()L R2 LL R1 L R2L R1 LZ 2 =L R1 L R22 L R1 L R2 L R1R2L 2f =2=L R1 L

9、R2f=16某高斯光束 0 1.2mm,求與束腰相距0.3m、10m、1000m遠(yuǎn)處的光斑的大小及波前曲率半徑 R。解：對于均勻加寬物質(zhì)，當(dāng)頻率為v ,光強(qiáng)為1V的準(zhǔn)單色光入射時，其小信號增益系數(shù)和飽和增益系數(shù)分別為0Vh 22Vh 2Gh(v) g0(V0)T)2/(v V0)2 (72H)2式中G：(v0)為中心頻率處的小信號增益系數(shù),2(1知I SGh(v,Iv) G：(v0)(個)2/(V V。)2Vh為增益曲線的寬度。對于非均勻加寬物質(zhì)，當(dāng)頻率為v ,光強(qiáng)為Iv的準(zhǔn)單色光入射時，其小信號增益系數(shù)和飽和增益系數(shù)分別為G(v) Go(vo)e (4ln2) (v vo/ Vd20(4ln

10、 2)2Gi(v,Iv)Gi (Vo)e(V Vo/ Vd式中G (Vo)為中心頻率處的小信號增益系數(shù)，Vd為增益曲線的寬度。若1,2二強(qiáng)光同時入射，則此時反轉(zhuǎn)集居數(shù)(20)2(十0)2()2(1(20V If20)2()2(10)2 (力弱光的增益系數(shù)gH (,11,I2)21 ( 1n- 8強(qiáng)光gH ( i,i 1, I(0)2的增益系數(shù)2)n 21 (H)22v2 A21 g H ( 1 , 0 )020 Vn 80)2(20)2()2(1 j ( 10)2()2(118長為1m 的反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度。的He-Ne激光器中，氣體溫度 T=400K。若工作波長um時的單程小信號增益為30dB

11、,試求提供此增益解：氨就激光器的小信號增益系數(shù)可表示為G0( 0)A21(ln 2)i/2(1)式中A212.87 10 6s 1為自發(fā)輻射躍遷幾率，而多普勒加寬線寬7.1610式中就原子量 M=20,而T=400K ,由此有283MH根據(jù)題中給出條件10logeG(o)l 30dB(即：單程小信號增益為30dB)式中腔長l 1m,由此可得到G0( 0) 0.069cm 1于是由(1)式，求出反轉(zhuǎn)集居數(shù)04DG ( 0)93n T77 1.58 10 cm0 A21(ln2/ )1/219計算由下式表示的平面波電矢量的振動方向、傳播方向、相位速度、振幅、頻率和波長。E ( 2i 2 .,3j)

12、ei( 3x y6108t)解：平面波電矢量的振動方向為X和Y軸面內(nèi)arctan 73角度傳播方向為與X和丫軸成arctan角度負(fù)向傳播(k傳*k振=-1)3相位速度(r) 一 c k n振幅E ( 2i 2j3j)e(4x獷為復(fù)振幅頻率 6 108; 波長 c/ 220試確定下列各組光波表示式所代表的偏振態(tài)：ExE0sin(tkz), EyE0 cos( tkz) TOC o 1-5 h z ExE0cos(tkz), EyE0cos( tkz/ 4)ExEsin(tkz), Ey E cos( tkz)解：(1)中Ex和Ey二分量的相位差為0,此時為線偏振光。且光振動方向在I、出象限內(nèi)。(

13、2)中相位差為2m (2m 1)為右旋橢圓偏振光Evi-(3)中為相位差為一且Ex Ey又由 e 2所以為左旋圓偏振光。2Ex121Mm波長光的折射率為 n=1.52546, dn/d 1.26 10 /口，求光波在該玻璃中的相速度和群速度。解：已知平面光波的想速度(r) c/n,將平面光波的想速度。dk相速度和群速度之間的關(guān)系為g k(1 業(yè))，即可求得光波在該玻璃中的群速度。22如圖1-41所示，玻璃塊周圍介質(zhì)(水)的折射率為1.33,若光束射向玻璃塊的入射角為45,問玻璃塊的折射率至少應(yīng)為多大才能使透入光速發(fā)生全反射？n 1.33解：設(shè)玻璃的折射率為n0由折射定律得nsin 45 n0

14、sin（式中 =90- c）,且sin c 工時發(fā)生全反射，所以玻璃的折n0nsin 45 nn0n0射率n0滿足sin（90 arc） 一 ,由此解得玻璃的折射率n0。習(xí)題2.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。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) 分成八個區(qū)段，將透過率較高的波段稱為大氣窗口。.何為大氣湍流效應(yīng)，大氣湍流對光束的傳播產(chǎn)生哪些影響？是一種無規(guī)則的漩渦流動，流體質(zhì)點的運(yùn)動軌跡十分復(fù)雜，既有橫向運(yùn)動，又有縱向運(yùn)動，空間每一點的運(yùn)動速度圍繞 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

15、播過程中隨機(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） 流效應(yīng)。、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3對于3m晶體LiNbO 3 ,試求外場分別加在 x、y和z軸方向的感應(yīng)主折射率及相應(yīng)的相位延遲。當(dāng)晶體未加外電場時，主軸坐標(biāo)系中折射率橢球由下方程描述2222 L 二 1222nx ny nz當(dāng)晶體施加電場后,（4）1X2 （口）2 y2 n n其折射率橢球就發(fā)生變形，橢球方程變?yōu)椋谳?n1、1、1、,2(-)4yz 2()5xz 2()6yx 1（4）隨之發(fā)生線形變化，其變化量定義為 n中j稱為線性電光系數(shù)。nx

16、其新主軸的半長度分別為nyno1 : n2 11 -n263Ez63 Eznz設(shè)光波沿z軸方向傳播，當(dāng)沿z方向加電場時為縱向應(yīng)用，兩偏振分量的相位延遲分別為22 Lx nxL (n01n3 63Ez)，2nyL2 L/(n。1-3二 n0 63Ez)2如果沿z軸方向加電場，光束傳播方向垂直于z軸并與y或x軸成45,則其電光效應(yīng)相位延遲為n3 63(L)V4 一塊 45一z切割的GaAs晶體，長度為L,電場沿Z方向。證明縱向運(yùn)用時的相位延遲為n3r41EL 00思路證2x 一 nx L明：當(dāng)2 L(n02 L/(n沿z1 32n01 3 2n。方向加電場時為縱向應(yīng)用，兩偏振分量的相位延遲分別為6

17、3Ez)，63Ez)因此這兩個光穿過晶體后產(chǎn)生一個相位差x y. -Ln3 63Ezn3 63V,式中vEzL是沿Z軸加的電壓。x005.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？當(dāng)光波的兩個垂直分量 Ex , Ey的光程差為半個波長（相應(yīng)的相位差為）時所需要加的電壓，稱為半波電壓。6在電光晶體的縱向應(yīng)用中，如果光波偏離晶體的一個小角度（1）傳播，證明由于自然雙折射引起的相位延遲為Ln 、n0（2 1），式中L為日日體長度。2cne證明：運(yùn)用晶體橢球方程2xnx2y_2ny2二 1和光波在晶體中的傳播特性及自然雙折射原理 nz7.若取 vs=616m/s,n=2.35,fs=10M

18、Hz ,0 m,試估算發(fā)生拉曼-納斯衍射所允許的最大晶體長度Lmax=?由公式L2s計算。8利用應(yīng)變S與聲強(qiáng)Is的關(guān)系式當(dāng)，證明一級衍射光強(qiáng)I1與入射光強(qiáng)I0之比為VsIiI；IiI。2(0COS J2 62 P n2s2 -Is (取近似J1 (證明：當(dāng)入射光強(qiáng)為21110sin(2)1、)2 P2n10時，布喇格聲光衍射的1級衍射光強(qiáng)的表達(dá)式可寫成可以用聲致折射率的變化 n來表示，既,這樣就有Is9考慮熔融石英中的聲光布喇格衍射，若取0 m, n=1.46, vs= 5.973.10 m/s, fs=100MHz ,計算布喇格角解：由公式sin B fq求得2ns 2n sN=250匝導(dǎo)線

19、，通有電流 I=5A。取韋爾德常數(shù). 一束線偏振光經(jīng)過長 L=25cm,直徑D=1cm的實心玻璃，玻璃外繞為 V10-5( ) /cm由公式試計算光的旋轉(zhuǎn)角 VH計算。.概括光纖弱導(dǎo)條件的意義。從理論上講，光纖的弱導(dǎo)特性是光纖與微波圓波導(dǎo)之間的重要差別之一。實際使用的光纖，特別是單模光纖，其摻雜濃 度都很小，使纖芯和包層只有很小的折射率差。所以弱導(dǎo)的基本含義是指很小的折射率差就能構(gòu)成良好的光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而 且為制造提供了很大的方便。12從光線方程式出發(fā)，證明均勻介質(zhì)中光線的軌跡為直線，非均勻介質(zhì)中光線一定向折射率高的地方偏斜。證明：由折射定律n知，折射率越高，折射角越小,光線一定向折射率高的地

20、方偏斜n0sinsin13今有一 L /4的自聚焦光纖，試回出一束平行光和會聚光線入射其端面時，光纖中和輸出端面上的光 線圖，并說明為什么？1 (2)2/2為工程上定義的纖 ni解：平方律折射率分布光纖的n(r)可表示為n2(r) n121 2 (二)2其中 a芯和包層間的相對折射率差?？梢娖椒铰商荻裙饫w具有自聚焦性質(zhì)，又稱自聚焦光纖。一段 /4長的自聚焦光纖與光學(xué)透鏡作用類似，可以匯聚光線和成像。參見 P7314光纖色散、帶寬和脈沖展寬之間有什么關(guān)系？對光纖傳輸容量產(chǎn)生什么影響？解：光釬的色散會使脈沖信號展寬，既限制了光釬的帶寬或傳輸容量。一般說來，單模光釬的脈沖展寬與色散有下列關(guān)系 d L

21、，式中，d是總色散，L光釬長度，是光信號的譜線寬度。光脈沖展寬與光釬帶寬有一定P(f)(j2ln2H(f) -(- e fc參見 P74OP(0)15.光波水下傳輸有哪些特殊問題？解：傳播光束的衰減特性，前向散射和后向散射。習(xí)題31. 一縱向運(yùn)用的 引起的哀減。KDP電光調(diào)制器，長為2cm,折射率n=2.5,工作頻率為1000kHz。試求此時光在晶體中的渡越時間及解：渡越時間為：d=nL/c相位延遲因子:i m d TOC o 1-5 h z ac t _1 ei(t) t E(t)dt 0()en t di m d2.在電光調(diào)制器中，為了得到線性調(diào)制，在調(diào)制器中才1入一個/4波片，波片的的軸

22、向如何設(shè)置最好？若旋轉(zhuǎn) /4波片,它所提供的直流偏置有何變化？解：其快慢軸與晶體的主軸x成45 角，從而使Ex和Ey兩個分量之間產(chǎn)生/2的固定相位差。3為了降低電光調(diào)制器的半波電壓，用 4塊z切割的KD*P晶體連接(光路串聯(lián)，電路并聯(lián))成縱向串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，試求： (1)為了使4塊晶體的電光效應(yīng)逐塊疊加，各晶體的x和y軸應(yīng)如何取向？ ( 2)若 o.628 m, 63 23.6 10 12m/V ,計算其半波電壓，并與單塊晶體調(diào)制器比較。解：(1)互成90(2)V(一3一)L,其中括號內(nèi)就是縱向電光效應(yīng)的半波電壓，即 (V )橫(V )縱上,減小d增加L可以減小半2n13 63 dd波電壓，與單塊

23、晶體調(diào)制器比較其半波電壓減小了。4如果一個縱向電光調(diào)制器沒有起偏器，入射的自然光能否得到光強(qiáng)度調(diào)制？為什么? 解：不能，因為沒有了線偏振光通過晶體后，不能產(chǎn)生相位差。5 一個PbMoO4聲光調(diào)制器，對 He-Ne激光進(jìn)行調(diào)制。已知聲功率 Ps 1w ,聲光相互作用長度 L 1.8mm,換能器寬度H 0.8mm, M 2 36.3 10 15s3 / kg，試求PbMoO4聲光調(diào)制器的布喇格衍射效率。-2L22COS2H222COS2斛：s 22-MzIs，已知 M2, L,H, Ps，由 Ps B(一)，可求得 COS B ,再代入 Is 2-B 求s 2 2COS2 B 2 S 2S2M2L

24、s2M2L26一個駐波超聲場會對布喇格衍射光場產(chǎn)生什么影響？給出它所造成的頻移和衍射方向。解：對每個聲頻率，具有許多波矢方向不同的聲波分量都能引起光波的衍射。于是相應(yīng)于每一確定角度的入射光，就有一束 發(fā)散角為2 的衍射光，而每一衍射方向?qū)?yīng)不同的頻移。如圖2小聲波7.用PbMoO4晶體做成一個聲光掃描器，取 n=2.48, M2頻 fs=150MHz ,聲速 vs 105cm/s,光束寬度 d=0.85cm,光波長10-15s3/kg,換能器寬度H=0.5mm。聲波沿光軸方向傳播，聲m。 (4) 解:證明此掃描器只能產(chǎn)生正常布喇格衍射；為獲得100%的衍射效率，聲功 Ps率應(yīng)為多大?若布喇格帶

25、寬求可分辨點數(shù)f=125MHz ,衍射效率降低多少?No(4)由公式LL02n s曰 一證明不是拉曼-納斯衍射。4 0Is22cos B2M2L2,Ps hli s22cos B H2M2 L若布喇格帶寬f=125MHz ,衍射效率降低多少?荻 fs，2 sf0 fn7P22 2PsVs3cos B H用公式NR )和N-計算。 vs R4.1習(xí)題4比較光子探測器和光熱探測器在作用機(jī)理、性能及應(yīng)用特點等方面的差異。直接引起原子或分子的h , h是普朗克常數(shù)，是答：光子效應(yīng)是指單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。探測器吸收光子后, 內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小，直接影響內(nèi)

26、部電子狀態(tài)改變的大小。因為，光子能量是 光波頻率，所以，光子效應(yīng)就對光波頻率表現(xiàn)出選擇性，在光子直接與電子相互作用的情況下，其響應(yīng)速度一般比較快。光熱效應(yīng)和光子效應(yīng)完全不同。探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變 為晶格的熱運(yùn)動能量，引起探測元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。所以，光熱效應(yīng)與單光子能量 h的大小沒有直接關(guān)系。原則上，光熱效應(yīng)對光波頻率沒有選擇性。只是在紅外波段上，材料吸收率 高，光熱效應(yīng)也就更強(qiáng)烈，所以廣泛用于對紅外線輻射的探測。因為溫度升高是熱積累的作用，所以光熱效應(yīng)的響應(yīng)速度一 般比較慢，而且容易

27、受環(huán)境溫度變化的影響。值得注意的是，以后將要介紹一種所謂熱釋電效應(yīng)是響應(yīng)于材料的溫度變化率,比其他光熱效應(yīng)的響應(yīng)速度要快得多，并已獲得日益廣泛的應(yīng)用?？偨Y(jié)選用光電探測器的一般原則。答：用于測光的光源光譜特性必須與光電探測器的光譜響應(yīng)特性匹配；考慮時間響應(yīng)特性；考慮光電探測器的線性特性等。4.3用光敏電阻設(shè)計路燈自動點亮器及AGCM大電路。答：CdS探測器和CdSe探測器是兩種低造價的可見光輻射探測器，它們的特點是高可靠性和長壽命，因而廣泛應(yīng)用于自動化技術(shù)和攝影機(jī)中的光計量。這兩種器件的光電導(dǎo)增益比較高(103104),但相應(yīng)時間比較長(大約50mS)。故設(shè)計一種采用造價低，高可靠性和長壽命的C

28、dS探測器和CdSe探測器作為路燈自動點亮器及 AGCa大電路的光敏電阻。225 10mm ,在1000W/m光照下，開路電壓 u0.55V，光電流i 12mA。試求：在( 200- 700) W/m2光照下，保證線性電壓輸出的負(fù)載電阻和電壓變化值;(2)如果取反偏壓 V=0.3V ,求負(fù)載電阻和電壓變化值;(3)如果希望輸出電壓變化量為0.5V,怎么辦？答：Uoc kBTln(-) , ueisokbTln(P) uOC 即 u2.6 1021n(R) uOC , R 07e PocpiSi光電二級管靈敏度為 10 A/ W ,結(jié)電容為10pF,光照功率 5 W時，拐點電壓為10V,偏壓 4

29、0V,光照信號功率P(t) 5 2coswt( W),試求;(1)線性最大輸出功率條件下的負(fù)載電阻;(2)線性最大輸出功率；(3)響應(yīng)截止頻率。答：(1) GpS(P P0) 2gu1, IRP2(V u)GpPh1GLu 22HMfc c12 RLCjis hv 1NEP e SNRI,證明：已知量子效率Ri ,將探測器的通量閾 Pth 工，信噪比SNR 卜，噪聲等效功率 NEP 凡逐次代入即可證eRin明。比較直接探測和外差探測技術(shù)的應(yīng)用特點。e答：光電探測器的基本功能就是把入射到探測器上的光功率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光電流。即i(t) 一 p(t),光電流i(t)是光電探測hv器對入射光功率 p(

30、t)的響應(yīng)。因此，只要待傳遞的信息表現(xiàn)為光功率的變化，利用光電探測器的這種直接光電轉(zhuǎn)換功能就能實現(xiàn)信息的解調(diào)，這種探測方式通常稱為直接探測。而光頻外差探測基于兩束光波在光電探測器光敏面上的相干效應(yīng)，所以 光頻外差探測也常常稱為光波的相干探測。.某光電管伏安特性及負(fù)載線如圖所示，求：工作電路RiRLu 和 u”工作動態(tài)范圍入射光功率2W時的輸出電壓入射光功率3NW, 4W時的輸出電壓入射光功率從4卜W降為1卜W時，輸出電壓變化A u飽和電阻2.某光敏電阻與負(fù)載電阻RL=2kQ用接于12伏的直流電源上，無光照時負(fù)載電阻上的輸出電壓為 u1=20mV 有光照時負(fù)載上的輸出電流 u2=2V,試求：光敏

31、電阻的暗電阻和亮電阻值；若光敏電阻的光導(dǎo)靈敏度S=6x 10-6s/lx ,求光敏電阻所受的照度？解：(1) R 暗=(Ub-U1 ) /I 暗=(Ub-U1 ) /(U1/Rl)= (Ub-U1 ) /U1*Rl=(12-2*10人-2 ) /2*10A-2*2*10A3=1.2*10A60R 亮=(Ub-U2)/U2*Rl=(12-2) /2*2*10A3=10人4 帛2) Gd=1/R 暗=8.3*10人-7s , Gl=1/R 亮=10A-4s, G= Gl - Gd=10A-4-8.3*10A-7=10A-4s, E=G/Sg=10A-4/(6*10A-6)=16.53 lx ,.如

32、果Si光電二極管靈敏度為10卜A/仙W結(jié)電容為10pF,光照功率5仙WM,拐點電壓為10V,偏壓40V, 光照信號功率為10( pW)M,試求：(1)線性最大輸出功率條件下的負(fù)載電阻；(2)線性最大輸出功率；1）色溫是指在規(guī)定兩波長處具有與熱輻射光源的輻射比率相同的黑體的溫度2）自發(fā)躍遷是指 處于高能級的粒子自發(fā)地躍遷到低能級上。受激躍遷是指由于外界輻射場作用而產(chǎn)生的粒子能級間的躍遷。3）受激輻射下光譜線展寬的類型分為均勻展寬和非均勻展寬，其中均勻展寬有 自然展寬、碰撞展寬、熱振動展寬，非均勻展寬有 多普勒展寬、 殘余應(yīng)力展寬 。4）常見的固體激光器有紅寶石激光器、位激光器、鈦寶石激光器（寫出

33、兩種）， 常見的氣體激光器有 He-Ne激光器、Ar激光器、CO2激光器（寫出兩種）。5）光是一種以光速運(yùn)動的光子流，光子和其它基本粒子一樣，具有能量、 動量 和質(zhì)量; 其靜止質(zhì)量為 零06）激光與普通光源相比具有如下明顯的特點：方向性好、單色性好、相干性好、強(qiáng)度大 7）簡述光子的基本特性。答：1、光子能量E與光波頻率v對應(yīng)：E=hv2、光子具有運(yùn)動質(zhì)量 m, m=E/c2=hv/c23、光子的動量與單色平面波矢對應(yīng)：P=?k4、光子具有兩種可能的獨立偏振狀態(tài)，對應(yīng)于光波場的兩個獨立偏振方向5、光子具有自旋性，并且自旋量子數(shù)為整數(shù)1）聲波在聲光晶體中傳播會引起晶體中的質(zhì)點按聲波規(guī)律在平衡位置振

34、 動，按照聲波頻率的高低以及聲波和光波作用的長度不同，聲光相互作用可以分為 拉曼-納斯衍射，布喇格衍射 兩種類型。2）磁光效應(yīng)是指外加磁場作用所引起的材料光學(xué)各項異性,法拉第磁光效應(yīng)的規(guī)律（1）對于給定的介質(zhì)，光振動面的旋轉(zhuǎn)角與樣品的長度和外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比（2） 光的傳播方向反轉(zhuǎn)時，法拉第旋轉(zhuǎn)的左右方向互換。3）電致折射率變化是指晶體介質(zhì)的介電系數(shù)與晶體中的電荷分布有關(guān)、當(dāng)晶體被施加電場后，將引起束縛電荷的重新分布，并導(dǎo)致離子晶格的微小型變，從而引起介電系數(shù)的變化，并最終導(dǎo)致晶體折射率變化的現(xiàn)象。4）光纖色散的主要危害是使脈沖信號展寬、限制了光纖的寬帶或傳輸容量，多模光纖的色散主要有模色

35、散、材料色散、波導(dǎo)色散1）光束調(diào)制按其調(diào)制的性質(zhì)可分為調(diào)幅，調(diào)頻，調(diào)相，強(qiáng)度調(diào)制。要實現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制，必須進(jìn)行三個過程：抽樣、量化、編他。2）光束掃描根據(jù)其應(yīng)用的目的來可以分為模擬掃描、數(shù)字掃描兩種；前者主要應(yīng)用各種顯示，后者主要應(yīng)用于 光存儲 。3）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/4波片，波片的軸向取向為快慢軸與晶體的主軸成45度角時最好。4）根據(jù)調(diào)制器與激光器的關(guān)系，光束的調(diào)制方法可以分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制 兩種。內(nèi)調(diào)制是指加載信號是在激光振蕩H寸程中講行的，以調(diào)制信號改變激光 器的振蕩參數(shù)、從而改變激光器輸出特性以實現(xiàn)調(diào)制 。5）利用縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)均可實現(xiàn)電

36、光強(qiáng)度調(diào)制，縱向電光調(diào) 制和橫向電光調(diào)制各有什么優(yōu)缺點？答：縱向：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、不存在自然雙折射的影響缺點：半波電壓太高、調(diào)頻較高時，功耗較大橫向：優(yōu)點：可降低半波電壓缺點：存在自然雙折射產(chǎn)生的固有相位延遲1） 一縱向運(yùn)用的KDP電光調(diào)制器，長為2cm,折射率為，“3 =106 ,工作頻率為1000kHz,則此時光在晶體中的渡越時間為Q = 02）光熱效應(yīng)是指 材料受光照后，光子能量與晶格相互作用，振動加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)發(fā)生變化 3）本征型光敏電阻一般在室溫下工作，適用于可見光和近紅外輻射 探測；非本征型光敏電阻通常在低溫條件下工作， 常用于 中遠(yuǎn)紅外輻射探測。4）單片硅光

37、電池的開路電壓約為短路電流密度約為150-300A/m2。5）光子效應(yīng)是指 單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用，其主要特點有：光子能量的大小能直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)改變的大小。6）光電二極管是指 以先導(dǎo)模式工作的結(jié)型光伏探測器 常見的光電二極管有Si光電二極管、PIN光電二極管、雪崩光電二極管 等類型（寫出兩種）。7）光熱探測器由熱敏元件、熱鏈回路、大熱容量的散熱器 三部分構(gòu)成,常見的光熱探測器有熱敏電阻、熱釋電探測器（寫出兩種）。8）簡述光電探測器的主要特性參數(shù)。答：1、積分靈敏度2、光譜靈敏度3、頻率靈敏度4、量子效率5、用量閥6、噪聲等效功率7、歸一化探測度等9）簡述光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)

38、。（看上面2、5兩填空題）10）總結(jié)選用光電探測器的一般原則。答：按照光電探測器的性能參數(shù)評價探測器性能的優(yōu)劣，比較不同探測器之間的差異，從而達(dá)到根據(jù)需要合理選擇和正確使用光電探測器的目的。1） CCD的基本功能為 電荷存儲和電荷轉(zhuǎn)移，CCD按結(jié)構(gòu)可分為 線陣CCD、W CCDo2）固體攝像器件主要有三大類，它們是電荷耦合器件（CCD、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器（CMOS、電荷注入器件（CID）。3） CCD的基本工作過程包括信號電荷的產(chǎn)生，存儲，傳輸，檢測。CCD8像器件的基本工作原理是 依靠半導(dǎo)體的光電特性，用光注入的辦法產(chǎn)生 4）簡述帶像增強(qiáng)器的CCD的特點。（看下面（6）5）簡述電

39、荷耦合攝像器件的主要特性參數(shù)。答：1、轉(zhuǎn)移效率2、不均勻度3、暗電流4、靈敏度5、光譜響應(yīng)6、噪聲7、分辨率8、動態(tài)范圍與線性度6）比較帶像增強(qiáng)器的CCD薄型背向照明CCE電子轟擊型CC畸件的特點。 答：帶像增強(qiáng)的CCD將光圖像聚焦在像增強(qiáng)的光電陰極上，再經(jīng)像增強(qiáng)器增強(qiáng) 后耦合到到CCD實現(xiàn)微光攝像。薄型背向照明CCD克服了普通前向照明CCD的缺陷，CCD的量子效率提高 到90%靈敏度高，噪聲低。電子轟擊型CCD采用電子從“光陰極”直接射入 CCD勺成像方法，簡化了 光子被多次轉(zhuǎn)換的過程，信噪比大大提高；體積小，重量輕，可靠性高，分辨率 高，對比度好。7）紅外成像系統(tǒng)A的NETD小于紅外成像系

40、統(tǒng)B的NETD，能否認(rèn)為紅外成像系 統(tǒng)A對各種景物的溫度分辨能力高于紅外成像系統(tǒng) B,試簡述理由。答：不能。NETD放映的是系統(tǒng)對低頻景物的溫度分辨率，不能表征系統(tǒng)用于觀測較高頻率景物時的溫度分辨率性能1）液晶分為兩大類：熱致液晶、溶制液晶作為顯示技術(shù)應(yīng)用的液晶都是熱致液晶。2）液晶是 各項同性液體與完全有序晶體之間的一種中間態(tài)，是一種取向有序的流體，熱致液晶可為 是溫度引起的，并且只能在一定溫度范圍內(nèi)存在，一般是單一組成或均勻化合物 。3）等離子體是 以電子、離子及未電離的中性粒子的集合組成，整體呈中性的 物質(zhì)形態(tài)，是固、液、氣外，物質(zhì)的第 4態(tài)。4）試說明注入電致發(fā)光和高場電致發(fā)光的基本原

41、理。答：注入：利用少數(shù)載流子流入 PN結(jié)直接將電能轉(zhuǎn)換為光能高場：將發(fā)光材料粉末與介質(zhì)的混合體或單晶薄膜夾持于透明電極板之間，外施電壓，由電場直接激勵電子與空穴復(fù)合而發(fā)光。5）簡述等離子體的概念（看上面（3）和等離子體顯示板工作的基本原理。 答：原理：顯示屏上排列有上千個密封的低壓氣體室，電流激發(fā)氣體，使其發(fā)出 肉眼看不到的紫外線，碰擊后面玻璃上的紅，綠，藍(lán)三色熒光體，再發(fā)出我們所 看到的可見光。6）簡述液晶顯示器的主要特點。答：優(yōu)點：1低壓，微功耗2平板結(jié)構(gòu)3被動顯示型4顯示信息量大5易于彩 色化6長壽命7無輻射，無污染缺點：顯示視角小響應(yīng)速度慢非主動發(fā)光7）比較TN LCD和STN- LC

42、D的特點。答：TN-LCDPJ用扭曲向列相液晶的旋光特性，液晶分子的扭曲角為 90度，電光 特性曲線不夠陡峻，由于交叉效應(yīng)，在采用無源矩陣驅(qū)動時，限制了其多路驅(qū)動 能力。STN-LCD的扭曲角在180-240度范圍內(nèi)，曲線陡度的提高允許器件工作在較多的掃描行數(shù)下，利用了超扭曲和雙折射兩個效應(yīng)，是基于光學(xué)干涉的顯示器件。武漢理工大學(xué).色溫是指在規(guī)定的兩波長處，具有與熱輻射光源的輻射比率相同的黑體的溫 度。.自發(fā)躍遷是指處于高能級的一個原子自發(fā)的向低能級躍遷并發(fā)出一個光子的 過程。受激躍遷是指處于高能級態(tài)的一個原子在一定的輻射場的作用下，躍遷到低能級態(tài)并輻射出一個與入射光子相同的光子的過程。.按照

43、聲波頻率的高低以及聲波和光波作用的長度不同，聲光相互作用可以分 為：拉曼納斯衍射和布喇格衍射。.磁光效應(yīng)是指外加磁場作用引起材料光學(xué)各向異性的現(xiàn)象。法拉第磁光效應(yīng) 的規(guī)律：【1】對于給定的介質(zhì)，光振動面的旋轉(zhuǎn)角與樣品的長度外加的磁感應(yīng)強(qiáng) 度成正比?！?】光的傳播方向反轉(zhuǎn)時，法拉第旋轉(zhuǎn)的左右互換。.光束調(diào)制按其調(diào)制的性質(zhì)可分為：調(diào)幅，調(diào)頻，調(diào)相，強(qiáng)度調(diào)制。要實現(xiàn)脈 沖編碼調(diào)制，必須進(jìn)行三個過程：抽樣，量化，編碼。.光熱效應(yīng)是指探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的變 化，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動能量引起探測元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測元件電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變

44、化。.本征型光敏電阻一般在室溫下工作，適用于可見光和近紅外輻射探測，非本 征型光敏電阻通常在低溫條件下工作，常用于中遠(yuǎn)紅外輻射探測。. CCD勺基本功能為電荷存儲和電荷轉(zhuǎn)移。CCDR結(jié)構(gòu)可分為線陣CCDffi面陣CCD. LCD可分為兩大類：溶致液晶和熱致液晶。作為顯示技術(shù)應(yīng)用的LCD1熱致液晶。.附加：光柵傳感器反射的波長叫布喇格波長。.受激輻射下光譜寬度的類型分為均勻展寬和非均勻展寬， 其中均勻展寬主要 有自然展寬，碰撞展寬，熱振動展寬，非均勻展寬有多普勒展寬，殘余應(yīng)力展寬。.常見的固體激光器有紅寶石，鉉，鈦寶石，氣體激光器主要有氮凝和CO2.電致折射率變化是指晶體介質(zhì)的介電系數(shù)與晶體中的

45、電荷分布有關(guān)， 當(dāng)晶體 被施加電場后，將引起束縛電荷的重新分布并導(dǎo)致離子晶格的微小變形， 從而引 起介電系數(shù)的變化，并最終導(dǎo)致晶體折射率的變化。.光纖色散的主要危害是使脈沖信號展寬， 限制了光纖的帶寬或傳輸容量。多 模光纖的色散主要有：模，材料，波導(dǎo)。.光束掃描根據(jù)其應(yīng)用的目的可以分為模擬式和數(shù)字式兩種，前者用于顯示， 后者應(yīng)用于光存儲。.單片硅光電池的開路電壓約 0.450.6V,短路電流為150300A/m2.光子效應(yīng)是指單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。主要特點有對光波頻率表現(xiàn)出選擇性，響應(yīng)速度比較快。.固體攝像器件有三大類：電荷耦合，電荷注入，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖

46、像 傳感器。.液晶是液態(tài)晶體的簡稱，熱致液晶可以分為近晶相，向列相，膽番相。.附加：半導(dǎo)體光放大器的簡稱 SOA.光纖測氣體的濃度：光譜吸收.光子和其他基本粒子一樣，具有能量，動量，質(zhì)量，其靜止質(zhì)量為 0.激光與普通光源相比具有明顯特點，方向性好，單色性好，相干性好，強(qiáng)度 大。.光波在大氣中傳播時，由于大氣氣體分子及氣溶膠的吸收和散射， 會引起光 束的能量衰減，由于空氣折射率不均勻，會引起光波的振幅和相位起伏。.按照聲波頻率的高低以及聲波和光波作用的長度不同，聲光相互作用可分為拉曼納斯衍射，布拉格衍射兩種類型。.內(nèi)調(diào)制是指加載信號是在激光振蕩過程中進(jìn)行的，以調(diào)制信號改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改

47、變激光器的輸出特性實現(xiàn)調(diào)制。.光電二極管是指以先導(dǎo)模式工作的結(jié)型光伏探測器。常見的光電二極管有SI光電二極管，PIN光電二極管，雪崩光電二極管，肖特基勢壘光電二極管。.光熱探測器由熱敏元件，熱鏈回路，大容量的散熱器三部分構(gòu)成。常見的光 熱探測器有熱敏電阻，熱釋電探測器。. CCD勺基本工作過程包括信號電荷的產(chǎn)生，存儲，傳輸和檢測。.等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它是除去固，液，氣三態(tài)以外的物質(zhì)存在的第四態(tài)。.按光調(diào)制方式分類，光束調(diào)制分為 強(qiáng)度調(diào)制，相位調(diào)制，頻率調(diào)制，波長 調(diào)制和偏振調(diào)制。.利用外界因素，對光纖中光波相位的變化來探測各種

48、物理量的探測器稱為相 位干涉型探測器。.半導(dǎo)體激光發(fā)光是由能帶之間的電子空穴對復(fù)合產(chǎn)生的。.固體激光器發(fā)光是以參雜離子型絕緣晶體或玻璃為工作物質(zhì)的激光器。.對光探測器的要求包括線性度好，靈敏度高，性能穩(wěn)定 .光纖傳感器常用的光電探測器有光電二極管，光電倍增管，光敏電阻.紅外探測器的響應(yīng)波長范圍或光譜范圍是表示電壓響應(yīng)率與入射紅外輻射 波長的關(guān)系.光子探測是利用半導(dǎo)體材料在入射光照射下產(chǎn)生光子效應(yīng) .當(dāng)紅外輻射照在半導(dǎo)體表面時，使半導(dǎo)體電性能發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo) 現(xiàn)象。.利用溫差電勢現(xiàn)象制成的紅外探測器稱為熱電耦型的探測器。.任何物質(zhì)只要溫度高于0K就會向外輻射紅外線。.紅外無損檢測是通過測

49、量熱流或熱量來檢測金屬或非金屬的內(nèi)部損耗。.內(nèi)光電探測器分為光電導(dǎo)，光伏特和光磁電探測器。.紅外探測器的性能參數(shù)主要包括電壓響應(yīng)率，噪聲等效功率和時間常數(shù)。.以下應(yīng)用采用了紅外技術(shù)的有裂紋探測，焊接，軍事偵察，夜視。.波長在1-1000微米的電磁波被物體吸收時可以顯著轉(zhuǎn)化為熱能。.紅外線，可見光，紫外線，x射線，丫射線，微波，以及無線電波構(gòu)成電磁 波譜。（對）.紅外輻射在傳播過程中受到大氣中氣體分子， 水分子的散射，使輻射在傳播 過程中逐漸衰減。.光電池是利用光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生電能。.熱輻射光纖溫度探測器是利用光纖內(nèi)產(chǎn)生的熱輻射來探測溫度的一種器件。（對）.當(dāng)紅外輻射照射在熱敏電阻上時，其溫度升

50、高，內(nèi)部粒子的無規(guī)則運(yùn)動加劇， 其電阻變小。（對）.只要有恒定的紅外輻射照射在熱釋電探測器上時，就會有電信號輸出。（對）.輻射出射度是輻射體單位面積向半空間發(fā)射的輻射通量（輻射功率） 。（對）.簡述外光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。金屬或半導(dǎo)體受光照時，如果入射的光子能量 hv足夠大，它和物質(zhì)中的電子 相互作用，使電子從材料表面逸出的現(xiàn)象，也稱為外光電效應(yīng)。當(dāng)光照物體時，光電子不逸出物體外，使物體電阻值改變的光電效應(yīng)稱為光電 導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)光照物體時，光電子不逸出物體外的光電效應(yīng)叫做內(nèi)光電效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)是指光照使材料產(chǎn)生一定方向的先生電動勢。.簡述光敏電阻的主要參數(shù)。亮電阻，暗電阻，最高工

51、作電壓，亮電流，暗電流，時間常數(shù)，電阻溫度系數(shù)， 靈敏度。.簡述光電池的工作原理，請比較光電二極管和光電池的異同點。光電池是利用光生伏特效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)換為電能光電池工作原理：當(dāng)光照射到 PN結(jié)時，如果光子能量足夠大，將在 PN結(jié)附 近激發(fā)出電子一空穴對，在 N區(qū)附近積累負(fù)電荷，P區(qū)積累正電荷，這樣在N區(qū) 和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差一先生電動勢。相同：都是利用利用內(nèi)光電效應(yīng)，光照射在 PN結(jié)上，在其周圍產(chǎn)生電子、空 穴對。不同：光電二極管的PN結(jié)需要反向偏置，而光電池的 PN結(jié)不需要偏置電壓 即可工作。.簡述光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象。光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流要經(jīng)過一定時間，同樣光照停止后光電流

52、也是逐漸消失的。光電流的變化對光具有時間上的滯后。這些現(xiàn)象稱為光 電導(dǎo)馳豫。.概括光纖弱導(dǎo)的意義。答：光纖的弱導(dǎo)特性是光纖與微波元波導(dǎo)之間的重要差別之一，弱導(dǎo)的基本含 義是指很小的折射率差就能構(gòu)成良好的光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，為制造提供了很大的方 便。實際使用的單模光纖，具摻雜濃度很小，使纖芯和包層共有很小的折射率差。.簡述電荷耦合攝像器的主要性能參數(shù)。答：轉(zhuǎn)移效率：電荷包在進(jìn)行每一次轉(zhuǎn)移中的效率。不均勻度：包括光敏元的不均勻度與 CCD勺不均勻。暗電流：CCDS無光注入或無電注入的情況下輸出的電流。靈敏度：在一定光譜范圍內(nèi)，單位曝光量的輸出信號電壓。光譜響應(yīng)：是指等能量相對光譜響應(yīng)，最大響應(yīng)值歸一化為

53、100慚對應(yīng)的波長稱為峰值波長，低于10%勺響應(yīng)點對應(yīng)的波長稱為截止波長；分長波端的截止波 長和短波端的截止波長，兩種截止波長間的波長范圍稱為光譜響應(yīng)范圍。噪聲：可以歸納為散粒噪聲，轉(zhuǎn)移噪聲，熱噪聲。分辨率：攝像器件對物象中明暗細(xì)節(jié)分辨能力。線性度：在動態(tài)范圍內(nèi)，輸出信號與曝光量是否是成線性關(guān)系。.簡述LCD的主要特點。答：厚度薄，僅為數(shù)毫米；工作電壓低，只有幾伏，可用CMOSI路直接驅(qū)動；功耗低，可用電池長期供電；采用彩色濾色器，易實現(xiàn)彩色顯示；顯示質(zhì)量達(dá)到 或可超過CRT勺水平。成本高，顯示視角小，低溫時響應(yīng)速度慢。.簡述激光產(chǎn)生的條件，激光器的組成及各部分的作用。答：必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和減小振蕩模式數(shù)。充分條件