光電子學(xué)課程作業(yè)參考版

1、光電子學(xué)課程作業(yè)參考用答案 好好學(xué)習(xí)，天天上上章節(jié)目錄第五章 光輻射的探測第四章 光輻射在介質(zhì)中波導(dǎo)中的傳播第三章 激光振蕩與工作特性第二章 介質(zhì)中的光增益第一章 光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ)第六章 發(fā)光器件第七章 光電轉(zhuǎn)換器件第八章 第八章 光波調(diào)制2022/8/21第一章 光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ)1解：T=1500K,=0.5m,折射率為1，得：要使受激輻射超過自發(fā)輻射，則要使 1 ，則有 1 ，即好好學(xué)習(xí)，天天上上則： = 又： 好好學(xué)習(xí)，天天上上3解：光視效能： ，光視效率： Km=683Lm/w，則 則輻射能量 好好學(xué)習(xí)，天天上上4. 解：線性函數(shù)表示總輻射功率為的光譜中，其中落在頻率內(nèi)的輻射功

2、率與總功率之比隨頻率的分布情況 。 均勻加寬譜線寬度：，半寬頻率處： 非均勻加寬譜線寬度： 半寬功率處：好好學(xué)習(xí)，天天上上6. 輻射出射度： 輻射通量 ：輻射強(qiáng)度：輻射亮度：輻射照度：好好學(xué)習(xí)，天天上上7. 解： I(t)=1W 時，越遷粒子數(shù)時，越遷粒子數(shù)好好學(xué)習(xí)，天天上上8解：（1）,T=300K, =30000HZ =0.995 (2) =1=0.142, (3) =0.1 =1,好好學(xué)習(xí)，天天上上9. 經(jīng)典物理觀點：躍遷所發(fā)出的電磁波不是單色波，而是分布在中心頻率附近的一個小的頻率范圍的單色波的組合，在譜圖上正好表現(xiàn)為一定寬度。 量子力學(xué)觀點：由測不準(zhǔn)關(guān)系，在某一時刻，粒子所處的能級也

3、是不確定的，即能級不是單一的，躍遷的結(jié)果也就相當(dāng)發(fā)出了多種不同頻率的光子，形成了譜線寬度。自發(fā)輻射過程中這種增寬效益是不可避免的，也是譜線寬度所能達(dá)到的最低值，因而決不存在線寬為0的情況，即不可能發(fā)出絕對的單色光。 由此可見，沒有絕對單一波長的光波存在。好好學(xué)習(xí)，天天上上11.解：， ， ， 則：=0.5時，=48HZ=1時，=3HZ=10時，=0.03HZ好好學(xué)習(xí)，天天上上12.解: =1.5， = , =好好學(xué)習(xí)，天天上上13. 解： 光源發(fā)射光波經(jīng)物體反射回來，將光源作為接收器， 根據(jù)多普勒效應(yīng)，收到的頻率為： 反射回來的光波跟物體是相背運(yùn)動，則V0，故令V= VC時，返回目錄好好學(xué)習(xí)，

4、天天上上第二章介質(zhì)中的光增益在增益介質(zhì)中，一束光從X=0處出發(fā)，光強(qiáng)為I0。經(jīng)過5CM后光強(qiáng)增加一倍。當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到8I0時，光所傳播的距離是多少？解：利用增益系數(shù)表達(dá)式當(dāng)x5時，I(5)=2I(0).當(dāng)I(x)=8I(0)時，仍可認(rèn)為G屬于小信號增益，則 則x=15CM 好好學(xué)習(xí)，天天上上2。一光束入射到長為10CM，增益系數(shù)為0.5CM的工作物質(zhì)中，求出射光強(qiáng)對入射光強(qiáng)的比值。 答： 利用增益系數(shù)的公式好好學(xué)習(xí)，天天上上3。已知某能級的自然寬度為30MHz，求粒子在該能級的自然壽命。當(dāng)壓強(qiáng)增加使原子間的碰撞時間縮短到 s時，粒子在該能級上的壽命是多少？答：(1)=(2)碰撞引起的頻率加寬為 又

5、因為 =S好好學(xué)習(xí)，天天上上4。已知粒子由能級E3自發(fā)躍遷到能級E1,E2的幾率為A31,A32,求粒子在能級E3上的自然壽命。答：利用能級平均壽命公式（P35）好好學(xué)習(xí)，天天上上5。增益飽和現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是什么？飽和光強(qiáng)的物理意義是什么？ 答：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)n與入射光強(qiáng)度和頻率有關(guān)。根據(jù)P38(式2122）和P40（式229），當(dāng)光強(qiáng)I很小時，G(v)可視為跟I無關(guān)，值很大。當(dāng)I較大，相當(dāng)于光與激活介質(zhì)的作用范圍大，效率高，消耗的粒子多，即n劇減，故G(v)也隨之減少，即出現(xiàn)了增益系數(shù)隨光強(qiáng)的增大而下降的增益飽和現(xiàn)象。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)n的飽和將導(dǎo)致增益飽和。設(shè)光強(qiáng)I達(dá)到Is時，n開始飽和，稱Is為飽

6、和光強(qiáng)。 （下頁續(xù)）好好學(xué)習(xí)，天天上上根據(jù)P42（2-3-2） 所以飽和光強(qiáng)的物理意義可表述為：在折射率為的激光介質(zhì)里，屬于小信號增益的最大光強(qiáng)值與激發(fā)總能級的壽命成反比，與光本子的波長的平方也成反比?；蛘哒f，壽命越短，頻率越高，小信號增益的光強(qiáng)范圍越大。好好學(xué)習(xí)，天天上上6。實現(xiàn)光放大的必要條件是什么，負(fù)溫度狀態(tài)的概念是什么？答：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是得到光放大的必要條件（見書P39）。 當(dāng)出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時，如果在形式上使用熱平衡分布公式，就會得到負(fù)溫度狀態(tài)的概念。與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)相對應(yīng)的等效溫度為：好好學(xué)習(xí)，天天上上。在He-Ne激光器的增益曲線上1/2G(v0)處，有兩個燒孔，增益曲線半寬度為1500

7、MHz，計算與燒孔相對應(yīng)的粒子速度有多大？返回目錄好好學(xué)習(xí)，天天上上第三章激光振蕩與工作特性1.要使氦-氖激光器的相干長度達(dá)到1Km,它的單色性/0應(yīng)為多少？ 解：根據(jù)P48式(3-1-2)：好好學(xué)習(xí)，天天上上2. 說明相干長度相干時間與光源的關(guān)系：相干面積，相干體積的物理意義。 答：根據(jù) 故：光源頻率寬度 越窄，相干時間越長，相干長度也越長。 根據(jù)P49(3-1-12),相干面積的物理意義：從單位面積光源輻射出的光波，在其傳播方向上發(fā)生相干現(xiàn)象的任一截面面積范圍為輻射波長與該截面至光源距離R的乘積的平方。根據(jù)P49(3-1-13)，相干體積的物理意義：在單位面積光源輻射出的單位頻率寬度的光波

8、，在其傳播方向上發(fā)生相干現(xiàn)象的任一體積范圍為相對應(yīng)的相干面積與光速的乘積。好好學(xué)習(xí)，天天上上3.諧振腔里兩個反射鏡的曲率半徑份別為40cm,80cm,求實現(xiàn)穩(wěn)定腔工作時，腔長的取值范圍。解:R1=40cm,R2=80cm0L40cm 或 80cmL120cm好好學(xué)習(xí)，天天上上4.諧振腔的一個反射鏡的曲率半徑與腔長的關(guān)系為R1=-3L，討論R2的取值情況并判定能否構(gòu)成穩(wěn)定腔。根據(jù)解:LR24L.故若R24L都不能構(gòu)成穩(wěn)定腔。令 則故構(gòu)成穩(wěn)定腔的區(qū)域是g14/3的線為DK但端點D,K除外。好好學(xué)習(xí)，天天上上5.He-Ne激光器發(fā)出激光的中心頻率為0=4.74*10 Hz，增益曲線上超過閥值的寬度=

9、1.5*10Hz，令腔長L=1m，問可能有多少個縱模輸出？為獲得單模輸出，問腔長最長為多少？解:則縱模輸出的個數(shù)為:好好學(xué)習(xí)，天天上上為使獲得單模輸出,需好好學(xué)習(xí)，天天上上7.He-Ne激光器的腔長為1m，計算基橫模的遠(yuǎn)場發(fā)散角和10km處的光斑面積。解:好好學(xué)習(xí)，天天上上8.一高斯光束入射到焦距為f的薄透鏡上，光束的腰部正好在透鏡的中心，尺寸為w10。求輸出光束腰部的位置及該處的半徑。解:輸出光束腰部位置:好好學(xué)習(xí)，天天上上9.傍軸球面波通過焦距為f的薄透鏡時，在透鏡兩側(cè)波陣面的的曲率半徑分別為R1（z）與R2（z），寫出R2（z）與R1（z）的關(guān)系式。解:好好學(xué)習(xí)，天天上上10.高斯光束通

10、過焦距為f的薄模透鏡時，在透鏡兩側(cè)波陣面的的曲率半徑分別為R1（z）與R2（z），寫出復(fù)曲率半徑q2(z)和q1(z)的關(guān)系式解:好好學(xué)習(xí)，天天上上12.計算維持0.1m長、小信號增益系數(shù)為1m的激光器的激光振蕩所要求的鏡面反射率（設(shè)兩鏡面反射率相同，且腔內(nèi)損耗i為 0）解:好好學(xué)習(xí)，天天上上13. 說明激光器的輸出功率與腔內(nèi)光強(qiáng)的關(guān)系、最佳透過率的物理意義。 解： 在截面積與總透過率一定的情況下，激光器的輸出功率與腔內(nèi)光強(qiáng)成正比，表達(dá)式為 最佳透過率是在考慮透過率t增大后使得腔內(nèi)損耗增加的情況下，使得輸出功率達(dá)到最大的一個最佳值返回目錄好好學(xué)習(xí)，天天上上第四章光輻射在介質(zhì)波導(dǎo)中的傳播1.解：

11、.，. 由公式sin 可知：數(shù)值孔徑 ；當(dāng)時， 最大入射角 arcsin arcsin. 好好學(xué)習(xí)，天天上上2.解：好好學(xué)習(xí)，天天上上解：由 ，zkm可知：）d時：，所以損耗百分比為：（）；）d時：.，所以損耗百分比為：（）.；）d時：.，所以損耗百分比為：（）；好好學(xué)習(xí)，天天上上 ）.d時：.，所以損耗百分比為：（）.； ）.d時：.，所以損耗百分比為：（）.；好好學(xué)習(xí)，天天上上4、階躍光纖的纖芯折射率 ，包層折射率為 ,如果一條光線沿軸向傳輸，另一條光線沿最大入射角入射。計算傳輸后兩光線的時延差。解：好好學(xué)習(xí)，天天上上5、單模光纖的纖芯折射率為 ，相對折射率為 ,工作波長為 ，求纖芯的直徑

12、。解：好好學(xué)習(xí)，天天上上6、光纖的工作波長為0.85 ，入纖時光功率為0.5mW，光纖的衰減系數(shù)為2dB/km，問經(jīng)過4km后，以毫瓦為單位的功率電平是多大？解：好好學(xué)習(xí)，天天上上第7題，第8題的都是應(yīng)用下面的公式求解第9題結(jié)合P86圖4-2-5闡述即可。 好好學(xué)習(xí)，天天上上10.說明光纖中模式與頻率的關(guān)系，遠(yuǎn)離截止與接近截止的概念。見書P115好好學(xué)習(xí)，天天上上12。在對稱平板波導(dǎo)中，基?？梢栽谌魏晤l率下存在，但在非對稱的平板波導(dǎo)中則必須在入射光頻率高于一定值時才能實現(xiàn)基模傳輸。怎么理解這種現(xiàn)象要能傳輸基模，波導(dǎo)的厚度應(yīng)滿足：對于有對稱結(jié)構(gòu)的平板波導(dǎo)，因為 =所以 =0則 =0; =0, 即

13、任意波長的的光波都能以基模形式傳播。好好學(xué)習(xí)，天天上上12。在對稱平板波導(dǎo)中，基模可以在任何頻率下存在，但在非對稱的平板波導(dǎo)中則必須在入射光頻率高于一定值時才能實現(xiàn)基模輿。怎么理解這種現(xiàn)象當(dāng)時,返回目錄好好學(xué)習(xí)，天天上上第五章 光輻射的探測1、歸納固體介質(zhì)（主要是半導(dǎo)體）對光的吸收的幾種類型及其特點。(P130) 答：其類型以及特點分別是：本征吸收 ：電子吸收光子能量后，由價帶躍遷到導(dǎo)帶的過程。晶格振動吸收：在10um100um的紅外波段，所有固體都具有一個因光子和晶格振動相互作用而引起的吸收區(qū)域。自由載流子的光吸收：當(dāng)入射光的能量比較低時，導(dǎo)帶中的電子或價帶中的空穴吸收光子后，引起載流子在能

14、帶內(nèi)的躍遷。激子吸收：當(dāng)光的照射能量不足以導(dǎo)致產(chǎn)生本征吸收時，對價帶頂端的電子作用就可能產(chǎn)生的一種狀態(tài)，電子處于價帶和導(dǎo)帶中間的禁帶。雜質(zhì)吸收：在雜質(zhì)與缺陷出現(xiàn)的局部，晶格的周期性勢能受到破壞，電子的能態(tài)與晶體中的其他部分不相同。好好學(xué)習(xí)，天天上上2、比較不同類型的光電效應(yīng)的產(chǎn)生原理及主要特點。（P136） 答：光電效應(yīng)可分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類：外光電效應(yīng)：受到光輻射的作用后，產(chǎn)生電子發(fā)射的現(xiàn)象。其特點是要求光電子能夠從材料逸出，入射光子的能量必須大于光電子發(fā)射的逸出功。內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)與光伏效應(yīng)）：光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)光入射到半導(dǎo)體光電材料時，會在材料的內(nèi)部激發(fā)出新的載流子。光伏效應(yīng)

15、用光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)就可能出現(xiàn)這種效應(yīng)。由于光照而在PN結(jié)兩端出現(xiàn)的電動勢為光生電動勢。好好學(xué)習(xí)，天天上上3、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。（P138） 解：根據(jù)愛因斯坦定律： 可得，光電陰極的逸出功為： 好好學(xué)習(xí)，天天上上5、若探測器的面積歸一化探測度D*1.510 ，光敏面積為1mm，測量帶寬為1Hz，求該探測器的等效噪聲功率。(P152) 解：好好學(xué)習(xí)，天天上上6、加上反相偏壓的光伏探測器中，光電流、反向飽和電流、外回路電流的方向如何判定，寫出開路電壓與短路電流的表達(dá)式，說明它們隨入射光功率的變化規(guī)律。(P141) 答：利

16、用P-N結(jié)的光伏效應(yīng)制作而成的光電探測器稱為光伏探測器。等效為一個普通三極管和一個恒流源的并聯(lián)（如下圖）。加反向偏壓時，光電流方向：NP；反向飽和電流方向：NP；外回路電流方向： NP。 開路電壓表達(dá)式： , 它與P之間為非線性 短路電流表達(dá)式： , 它與P之間為線性。 好好學(xué)習(xí)，天天上上7、結(jié)型光電探測器的工作原理是什么，加偏壓后的工作特性比不加偏壓時有什么區(qū)別。（詳見P241第七章內(nèi)容） 答：結(jié)型光電探測器的工作原理為光伏效應(yīng)。不加偏壓時，開路電壓即反映了光輻射信號的大小。加偏時分兩種情況：一種是加反向偏壓，可實現(xiàn)光電探測；另一種是正向偏壓，難以實現(xiàn)光電探測。好好學(xué)習(xí)，天天上上8、對于湮沒

17、在噪聲中的信號的提取方法的基本考慮是什么。（P151） 答：基本考慮是采用濾波器來抑制噪聲而讓信號通過，從而改善信噪比。要能夠檢測微弱光信號，基本原則就是要使光信號通過檢測系統(tǒng)后，S/N1。好好學(xué)習(xí)，天天上上9、功率譜密度的物理意義是什么。(P146) 答：功率譜密度函數(shù)反映了隨機(jī)信號各頻率成分的功率分布情況，可以揭示廣義平穩(wěn)隨機(jī)信號中隨含的周期性以及靠得很近的譜峰等有用的信息，是隨機(jī)信號處理中應(yīng)用很廣的技術(shù)。好好學(xué)習(xí)，天天上上11、電阻為1k 的器件的頻帶寬度為10MHz，在室溫（T300K）下的熱噪聲是多少？(P151) 答：（室溫下的kT值是0.026eV）熱噪聲功率 好好學(xué)習(xí)，天天上上

18、12、比較以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)的光探測器與以熱效應(yīng)為基礎(chǔ)的光探測器在工作性能上的區(qū)別。(P144) 答：以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)得光探測器較之以熱效應(yīng)為基礎(chǔ)的光探測器的區(qū)別是選擇性好和響應(yīng)速度快。返回目錄好好學(xué)習(xí)，天天上上1.氬激光器在=488nm的波長上發(fā)射1W的連續(xù)功率，若光束發(fā)射角為0.5rad/m，輸出鏡上光束直徑為2nm，計算該激光器的亮度。 解：公式L=E/ As t，其中L為亮度，As 為光源的發(fā)光面積，為法線方向的立體角。而P=E/t， 所以L=P/As ，由題目可知： P=1W， As =(d/2)(d/2) , =0.5rad/m 17可得：L=6.3710第六章 發(fā)光器件好好學(xué)習(xí)，天

19、天上上2.YAGde三條主要熒光譜線為0.914m，1.06 m，1.35m。假如調(diào)整光腔結(jié)構(gòu)，使得這三個波長都有可能震蕩，試比較三種激光的相對效率。 解：相對效率其實就是它們量子效率的比值。 量子效率為 將以上波長代入即可。好好學(xué)習(xí)，天天上上3.He-Ne激光器以波長=0.6328m工作時，小信號增益系數(shù) ，其中d是放電毛細(xì)管直徑。設(shè) ， d=1mm，腔單程損耗為0.1，腔長為10cm，計算穩(wěn)定時腔內(nèi)光強(qiáng)。 解：好好學(xué)習(xí)，天天上上5.一個雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器，它的反射面的反射系數(shù)是R1=R2=0.5,腔長是L=500m，損耗系數(shù)為a=10cm（-1），求增益系數(shù)的閾值。若取增益因子=2.5c

20、m/kA，則相應(yīng)閾值電流密度是多少？ 解：增益系數(shù)好好學(xué)習(xí)，天天上上6.有兩個Ga1-xAlxAs發(fā)光二極管，一個發(fā)光二極管的x=0.02，而另一個發(fā)光二極管的x=0.09。試求這兩個器件的禁帶寬度及峰值發(fā)射波長。 解：禁帶寬度Eg=1.424+1.247x，代入數(shù)據(jù)得： Eg1=1.449， Eg2=1.536 Eg=hc/ 得1=1.37610（-25） 2=1.29410（-25）好好學(xué)習(xí)，天天上上7.解：利用好好學(xué)習(xí)，天天上上8.根據(jù)半導(dǎo)體激光器的材料與結(jié)構(gòu)特點，說明半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的原理。（P191-193) 答：在半導(dǎo)體晶體中，能帶分為價帶和導(dǎo)帶它們之間是禁帶。通常情況下，電子大部

21、分處于價帶，而導(dǎo)帶中只有少量電子。若有一束平行光入射，在導(dǎo)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(dǎo)致價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶上，從而實現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。此時在PN結(jié)兩邊加正向電流，使增益大于損耗值，就能形成激光震動，產(chǎn)生激光。好好學(xué)習(xí)，天天上上9.比較氣體激光器與固體激光器結(jié)構(gòu)與工作性能的區(qū)別。 答：結(jié)構(gòu)： 氣體激光器是由放電管（包括套管，毛細(xì)管和貼鏡管），電極，反射鏡（一個全反射鏡和一個部分反射鏡）三部分組成。 固體激光器一般由激光棒，激勵光源，聚光器和諧振腔等四部分組成。 工作性能： （1）固體激光器的工作物質(zhì)特點是激光上能級壽命較長，因而能儲存較

22、多的能量，較易獲得好好學(xué)習(xí)，天天上上 大功率，大能量的激光脈沖。而氣體激光器的工作物質(zhì)激光上能級壽命較短，所以工作功率 和能量小。 （2）固體激光器是采用光激發(fā)，能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，工作效率低。而氣體激光器中，上能級的振動能級非常接近分子的基態(tài)能級，輻射輸出的激光光子的能量就占據(jù)了激勵能量的大部分，這就保證了氣體激光器較高的量子效率。 返回目錄好好學(xué)習(xí)，天天上上1、響應(yīng)度 量子效率(p239) 第七章光電轉(zhuǎn)換器件好好學(xué)習(xí)，天天上上2、響應(yīng)度（1）（2）好好學(xué)習(xí)，天天上上3、電流增益(p247)f=80% g=1 =6 n=11-1又所以(p250)好好學(xué)習(xí)，天天上上4、因為 陽極靈敏度 所以 未超

23、過 lm量級，沒產(chǎn)生光電陰極疲勞，不矛盾。(p250) 光照強(qiáng)度(表1-3-2光出射度)好好學(xué)習(xí)，天天上上5、 好好學(xué)習(xí)，天天上上6、好好學(xué)習(xí)，天天上上7、響應(yīng)度p239好好學(xué)習(xí)，天天上上8、愛因斯坦定律中，只有hW,才可能發(fā)生光電反射，入射光頻率有一個下限值稱紅限頻率 所以紅線波長電子速度: 解得量子效率 好好學(xué)習(xí)，天天上上陰極靈敏度好好學(xué)習(xí)，天天上上9、熱噪聲功率 p151信號功率 信噪比 好好學(xué)習(xí)，天天上上10、光伏效應(yīng) p141光生電流開路電壓返回目錄好好學(xué)習(xí)，天天上上第八章 光波調(diào)制1.試說明折射率橢球與折射率面在表示光傳輸特性方面的區(qū)別 答案見書P276好好學(xué)習(xí)，天天上上2.解：好好學(xué)習(xí)，天天上上好好學(xué)習(xí)，天天上上3.解：好好學(xué)習(xí)，天天上上好好學(xué)習(xí)，天天上上4.解：波矢方向與外加電場方向一致時稱為縱向電光效應(yīng)，若互相垂直，則成為橫向電光效應(yīng)。 晶體受到電場作用的新折射率橢球方程為： 1）沿z方向加電壓， （1）式變?yōu)?若產(chǎn)生縱向電光效應(yīng)，則相位差為 故無法產(chǎn)生縱向電光效應(yīng)。好好學(xué)習(xí)，天天上上2）沿y向加電壓， ，（1）式變?yōu)椋菏剑?）說明晶體在 作用下折射率橢球主軸繞x軸轉(zhuǎn)動了 角，由單軸