光電子課后習(xí)題答案

第一章

1.光電子器件按功能分為哪幾類？每類大致包括哪些器件？

光電子器件按功能分為光源器件、光傳輸器件、光控制器件、光探測(cè)器件、

光存儲(chǔ)器件、光顯示器件。

光源器件分為相干光源和非相干光源。相干光源主要包括激光器和非線性

光學(xué)器件等。非相干光源包括照明光源、顯示光源和信息處理用光源等。

光傳輸器件分為光學(xué)元件（如棱鏡、透鏡、光柵、分束器等等）、光波導(dǎo)和光

纖等。

光控制器件包括調(diào)制器、偏轉(zhuǎn)器、光開(kāi)關(guān)、光雙穩(wěn)器件、光路由器等。

光探測(cè)器件分為光電導(dǎo)型探測(cè)器、光伏型探測(cè)器、熱伏型探測(cè)器等。

光存儲(chǔ)器件分為光盤（包括CD、VCD、DVD、LD等）、光驅(qū)、光盤塔等。

光顯示器件包括CRT、液晶顯示器、等離子顯示器、LED顯示。

2.談?wù)勀銓?duì)光電子技術(shù)的理解。

光電子技術(shù)主要研究物質(zhì)中的電子相互作用及能量相互轉(zhuǎn)換的相關(guān)技術(shù)，

以光源激光化，傳輸波導(dǎo)（光纖）化，手段電子化，現(xiàn)代電子學(xué)中的理論模式

和電子學(xué)處理方法光學(xué)化為特征，是一門新興的綜合性交叉學(xué)科。

5.據(jù)你了解，繼陰極射線管顯示（CRT）之后，哪幾類光電顯示器件代表的技

術(shù)有可能發(fā)展成為未來(lái)顯示技術(shù)的主體？

等離子體顯示（PDP）,液晶顯示（LCD）,場(chǎng)致發(fā)射顯示（EL）,LED顯示。

第二章：光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與光場(chǎng)傳播規(guī)律

1.填空題

⑴光的基本屬性是光具有波粒二象性，光粒子性的典型現(xiàn)象有光的吸收、

發(fā)射以及光電效應(yīng)等；光波動(dòng)性的典型體現(xiàn)有光的干涉、衍射、偏振等。

(2)兩束光相干的條件是頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定；最典型的

干涉裝置有楊氏雙縫干涉、邁克耳孫干涉儀；兩束光相長(zhǎng)干涉的條件是

6=用"加=0,±1,±2,……),S為光程差。

⑶兩列同頻平面簡(jiǎn)諧波振幅分別為島、“，位相差為弧則其干涉光強(qiáng)為

E°i+E。?+2E0]E02COS(/)?兩列波干涉相長(zhǎng)的條件為(/)=21m(m=0,±1,±2,......)

⑷波長(zhǎng)2的光經(jīng)過(guò)孔徑D的小孔在焦距f處的衍射愛(ài)里斑半徑為1.22(3

2.在玻璃⑹=2.25,〃,=1)上涂一種透明的介質(zhì)膜以消除紅外線(4=0.75〃m)的

反射O

⑴求該介質(zhì)膜應(yīng)有的介電常量及厚度。

⑵如紫外線U=o.42〃〃z)垂直照射至涂有該介質(zhì)膜的玻璃上，反射功率占入射

功率百分之多少？

⑴玻璃的折射率〃=品=1.5,正入射時(shí)，當(dāng)〃=6需時(shí)，膜系起到全增透

作用，所以〃=百鼠=Ji。x1.5=1.225,正入射下相應(yīng)的薄膜厚度最薄為

一

0-75=0.153〃加

An4x1.225

,、222兀nh,nn、2.22兀uh

(?o-〃G)'cos2——+(^n-r-n)2sin-——

⑵正入射時(shí)，反射率為4〃4

AE

,、222兀nh《、2.227rnh

(〃()+nG)-cos------+(-^+n)sin'-------

A)nA)

z、222兀nh

(〃「%)cos———

4o=3.57%

,、2227mh.nQnc&.2.22兀nh

(n0+ncYcos——+(^-+n)-sin-——

4"4o

6.輸出波長(zhǎng)4=632.8〃〃?的He-Ne激光器中的反射鏡是在玻璃上交替涂覆ZnS

和MgFz形成的，這兩種材料的折射率系數(shù)分別為1.5和2.5。問(wèn)至少涂覆多

少個(gè)雙層才能使鏡面反射系數(shù)大于99.5%?

設(shè)玻璃的折射率%=1.5由題意：=——以一咚>0.995,即

?o+(—)2f—

_nLnG.

1-(2.5/"2.5：/1.5)<0,9975即(至廣之1-9975=切.745

1+(2.5/1.5產(chǎn)(2.52/1.5)4.1670.0025

2p=10.29=p?5.15故至少涂覆6個(gè)雙層。

第三章激光原理與技術(shù)

1.填空

⑴最早的電光源是炭弧光燈，最早的激光器是1960年由美國(guó)人梅曼制作的

紅寶石激光器。

⑵光在各向同性介質(zhì)中傳播時(shí)，復(fù)極化率的實(shí)部表示色散與頻率的關(guān)系，虛

部表示物質(zhì)吸收與頻率的關(guān)系。

⑶激光器的基本結(jié)構(gòu)包括激光工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔。激光產(chǎn)生的

充分條件是閾值條件和增益飽和效應(yīng)，必要條件包括粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和減少振

蕩模式數(shù)。

⑷今有一個(gè)球面諧振腔，rl=1.5m,r2=-lm,L=80cm,它屬于穩(wěn)定腔。

2.試簡(jiǎn)單說(shuō)明以下光電子學(xué)術(shù)語(yǔ)的科學(xué)含義：

⑴受激輻射（畫出二能級(jí)圖）

處于激發(fā)態(tài)E2上的原子，在頻率滿足“2i=瑪-當(dāng)?shù)娜肷涔庾饔孟?，從E2

能級(jí)躍遷到E1能級(jí)，在躍遷過(guò)程中，原子輻射出能量為/?%、與入射光處于同

一狀態(tài)的光子，這兩個(gè)光子又可以去誘發(fā)其他發(fā)光粒子，產(chǎn)生更多狀態(tài)相同的

光子，這一發(fā)射過(guò)程稱為受激發(fā)射過(guò)程。

⑵譜線的多普勒加寬

多普勒展寬是由于氣體物質(zhì)中熱運(yùn)動(dòng)速度不同的發(fā)光粒子發(fā)出的光的表觀

中心頻率不同造成的譜線加寬。

⑶譜線的自然加寬

自然加寬是由于粒子存在固有的自發(fā)躍遷，從而導(dǎo)致它在受激能級(jí)上壽命

有限所形成的譜線加寬。

⑷光放大

引入激活介質(zhì)的增益系數(shù)GQ

G(o)=出9)

I(u)dx

式中，力⑼是傳播距離小時(shí)的光強(qiáng)的增量。這說(shuō)明：介質(zhì)的增益系數(shù)在數(shù)值上

等于光束強(qiáng)度在傳播單位長(zhǎng)度距離時(shí)，光強(qiáng)增加的百分?jǐn)?shù)。由于〃⑼〉0,因而

G(o)〉0,所以G(p)可以表示光在激活介質(zhì)當(dāng)中的放大特性。

3.計(jì)算與推導(dǎo)

(1)入=0.5Rm時(shí)，什么溫度下自發(fā)輻射率與受激輻射幾率相等？T=300K時(shí),

什么波長(zhǎng)下自發(fā)輻射與受激輻射幾率相等？

自發(fā)輻射率為A21,受激輻射率為W21o%=當(dāng)"(%)。

由愛(ài)因斯坦關(guān)系式可知：匕=瞥邁.，

8nc'

由普朗克公式可知：2(%)=也"

expi-1

(a)由題意A2LW21，故exp(如4-1=1,

kT

_In2_而In2_6.63乂10-34」件。)乂。6931

一—k-~1.38xlO-23x(O.5xlO^)3—-,*

(b)當(dāng)T=300K時(shí)，

-he3In26.63x1O-34x(3xlO8)3x0.6931…r

23=------=-----------”-------=2.997xlO12

kT1.38xlO-23x3OO

2=1.442X104M

(2)He-Ne激光器的反射鏡間距為0.2m,求最靠近632.8nm躍遷譜線中心的

縱模階數(shù)、縱模頻率間隔。如果增益曲線寬度為ISxlo'Hz,則可能引起的縱模總

數(shù)是多少？

解：氣體的折射率〃弓1,由匕=，—q得g==.2X]X82§.=6.32X]05

q2nL2632.8xlO-9

縱模頻率間隔0=上=3x12=7.5x108“z

2nL2x1x0.2

實(shí)際振蕩縱?？倲?shù)q』0]+1]+1=3

u7.5xlO8

_a/JJ—*

(3)紅寶石激光器的工作物質(zhì)特性：M-N1=5x10,/加、300K處，

!—=2xl0"http://z,4=3x1035,D=4.326X10>%,n=1.78,求其在中心頻率處

g(%)

的增益系數(shù)G(D)0

解：因?yàn)镚?,=P^—N]—7=―-~~2^.

Ig2J(^/2)AvIg2J(^/2)Av8%gi

A12c

A21=——，gt=g2>'=一

所以:

9IO20

G，“=…)小房=5T°7=9.461012/c/n

4^2210n-1.782-(4.361014)2

4.簡(jiǎn)述題

（1）簡(jiǎn)述激光的特點(diǎn)。

激光的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：①激光的方向性很好；②激光的單色

性很好；③激光的相干性很好；④激光具有極高的亮度和單色亮度。

（4）為什么二能級(jí)系統(tǒng)不能產(chǎn)生激光？

當(dāng)外界激勵(lì)能量作用于二能級(jí)體系物質(zhì)時(shí)，首先建立起自發(fā)輻射，在體系中

有了初始光輻射之后，一方面物質(zhì)吸收光，使乂減少、%增加；另一方面由于

物質(zhì)中存在輻射過(guò)程，使M減小、M增加，兩種過(guò)程同時(shí)存在，最終達(dá)到乂=

M狀態(tài)，光吸收和受激發(fā)射相等，二能級(jí)系統(tǒng)不再吸收光，達(dá)到所謂的自發(fā)輻

射狀態(tài)，這種狀態(tài)下小不再繼續(xù)增加；即便采用強(qiáng)光照射，共振吸收和受激發(fā)

射以相同的概率發(fā)生，也不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

⑸以一個(gè)三能級(jí)原子系統(tǒng)為例，說(shuō)明激光器的基本組成和產(chǎn)生激光的基本原

理。

激光工作物質(zhì)提供形成激光的能級(jí)結(jié)構(gòu)體系，是激光產(chǎn)生的內(nèi)因。要產(chǎn)生

激光，工作物質(zhì)只有高能態(tài)（激發(fā)態(tài)）和低能態(tài)（基態(tài)）是不夠的，還至少需

要有一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，它可以使得粒子在該能級(jí)上具有較長(zhǎng)得停留時(shí)間或較小

的自發(fā)輻射概率，從而實(shí)現(xiàn)其與低能級(jí)之間得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。這樣，激光工

作物質(zhì)應(yīng)至少具備三個(gè)能級(jí)。

設(shè)E1是基態(tài)，E2是亞穩(wěn)態(tài)，E3是激發(fā)態(tài)。外界激發(fā)作用使粒子從E1能

級(jí)躍遷到E3能級(jí)。由于E3的壽命很短（ns量級(jí)），因而不允許粒子停留，躍

遷到E3的粒子很快通過(guò)非輻射遲豫過(guò)程躍遷到E2能級(jí)。當(dāng)把一半以上的粒子

抽運(yùn)到E2,就實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，此時(shí)若有光子能量為hu=E2-El的

入射光，則將產(chǎn)生光的受激輻射，發(fā)射hu的光，從而實(shí)現(xiàn)光放大。

泵浦源提供形成激光的能量激勵(lì)，是激光形成的外因。主要有以下幾種泵

浦方式：①光激勵(lì)方式②氣體輝光放電或高頻放電方式③直接電子注入方式④

化學(xué)反應(yīng)方式。

光學(xué)諧振腔為激光器提供反饋放大機(jī)構(gòu)，使受激發(fā)射的強(qiáng)度、方向性、單

色性進(jìn)一步提高。不論哪種光學(xué)諧振腔，它們都有一個(gè)共同特性，那就是都是

開(kāi)腔，即側(cè)面沒(méi)有邊界的腔，這使偏軸模不斷耗散，以保證激光定向輸出。諧

振腔還具有選頻作用，即自發(fā)輻射熒光線寬內(nèi)只有滿足諧振條件的縱模能形成

振蕩輸出。

⑺分析激光產(chǎn)生的條件。

激光產(chǎn)生的兩個(gè)必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和減少振蕩模式數(shù)；兩個(gè)充分

條件：閾值條件和增益飽和。

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)使得受激輻射超過(guò)受激吸收，才能得到光放大。

要想得到方向性很好、單色性很好的激光，還必須減少振蕩模式數(shù)。這是

因?yàn)椋旱谝唬菏芗ぐl(fā)射可以沿各個(gè)方向產(chǎn)生，難以形成極強(qiáng)的光束；第二，受

激輻射光有很多頻率，對(duì)應(yīng)很多模式，每一模式的光都將攜帶能量，難以形成

單色亮度很強(qiáng)的激光。所以，必須采用諧振腔，使光束來(lái)回通過(guò)激活介質(zhì)時(shí)，

沿軸向得到放大，而和軸線有較大夾角的光束，則由側(cè)面逸出激活介質(zhì)，不能

形成激光振蕩；光束在腔內(nèi)多次的來(lái)回反射，極少頻率的光滿足干涉相長(zhǎng)條件,

頻率得到篩選，這樣可以形成光強(qiáng)最強(qiáng)、模式數(shù)目最少的激光振蕩。

光在腔內(nèi)傳播時(shí)，存在著各種損耗，所以只有光的增益能超過(guò)這些損失時(shí)，

光波才能被放大，從而在腔內(nèi)振蕩起來(lái)，稱這個(gè)條件為振蕩閾值條件。

為了得到穩(wěn)定的激光輸出，當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到一定程度時(shí)，凈增益（增益扣除損

耗）必須為零，所以增益飽和是激光產(chǎn)生的充分條件。

(8)簡(jiǎn)述光譜線展寬的分類，每類的特點(diǎn)與光譜線型函數(shù)的類型。

一般來(lái)講，譜線展寬分均勻展寬與非均勻展寬兩大類。

(a)均勻展寬的特點(diǎn)是：引起均勻展寬的機(jī)制對(duì)于每一粒子而言都是相同的。

任一粒子對(duì)譜線展寬的貢獻(xiàn)都是一樣的，每個(gè)發(fā)光粒子都以洛倫茲線型發(fā)射。

均勻展寬又包括自然展寬、碰撞展寬和熱振動(dòng)展寬等。

自然展寬是由于粒子存在固有的自發(fā)躍遷，從而導(dǎo)致它在受激能級(jí)上壽命

有限所形成的。它是粒子本身固有性質(zhì)決定的，自然存在的。

碰撞展寬是由于氣體中大量粒子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的碰撞導(dǎo)致波列縮短引

起的譜線展寬。

熱振動(dòng)展寬是由晶格原子的熱振動(dòng)使發(fā)光粒子處于隨時(shí)間周期變化的晶格

場(chǎng)中，引起的譜線展寬，在固體激光物質(zhì)中其量級(jí)遠(yuǎn)大于前兩者。

(b)非均勻展寬的特點(diǎn)：不同粒子的發(fā)光只對(duì)譜線內(nèi)與其中心頻率相對(duì)應(yīng)的部

分有貢獻(xiàn)，可以區(qū)分為線型函數(shù)的某一頻率范圍是由哪些粒子發(fā)光所引起的。

這種展寬主要包括多普勒展寬與殘余應(yīng)力展寬。

多普勒展寬是由于氣體物質(zhì)中熱運(yùn)動(dòng)速度不同的發(fā)光粒子所產(chǎn)生的輻射

的多普勒頻移不同引起的。

殘余應(yīng)力展寬是固體激光物質(zhì)內(nèi)部殘余應(yīng)力引起的，其中一種是晶格缺陷

所致，非均勻分布的缺陷引起不同位置粒子/不同；另一種是由物質(zhì)本身原子

無(wú)規(guī)則排列構(gòu)成的。

(10)激光器按激光工作介質(zhì)來(lái)劃分可分為幾類？各舉出一個(gè)典型激光器，并

給出其典型波長(zhǎng)、轉(zhuǎn)換效率、典型特點(diǎn)。

按激光工作物質(zhì)的類型有如下劃分：

1.氣體激光器

根據(jù)氣體激光工作物質(zhì)的能級(jí)躍遷類型，又可將之分為原子、離子、分子、

準(zhǔn)分子型氣體激光器。

原子氣體激光器最常見(jiàn)的是He-Ne激光器，它發(fā)出的有0.6328〃〃?的紅光和

3.39〃加、1.15兩種紅外光，He-Ne激光器輸出功率較?。◣譵W到100mW）,

能量轉(zhuǎn)化效率較低（0.01%）,氮?dú)鈫紊院?，譜線寬度很窄，頻率穩(wěn)定度高，

方向性好，發(fā)散角小，相干長(zhǎng)度可達(dá)幾十公里。

2.液體激光器

這種激光器又可分為無(wú)機(jī)液體激光器和有機(jī)液體激光器。其中最重要的一

類是染料激光器，其主要優(yōu)點(diǎn)是：波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)、增益高、輸出功率可與固體

和氣體激光器相比、效率較高、激光均勻性耗、制備容易、可以循環(huán)操作、利

于冷卻、典型的是若丹明6G染料激光器。它在脈沖工作時(shí)的波長(zhǎng)是590nm,

平均功率是100W,效率為0.5%o

3.固體激光器

典型的例子有Nd:YAG（摻鐵的包鋁石榴石激光器）。該類激光器可以脈

沖工作，也可以連續(xù)工作，產(chǎn)生的躍遷中以1.06〃團(tuán)的激光為最強(qiáng)。這類激光器

的最大有點(diǎn)是受激輻射躍遷概率大、泵浦閾值低、容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)射，近幾年

向二極管激光器泵浦的全固態(tài)小型化方向發(fā)展，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)10%。

4.半導(dǎo)體激光器

同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的激光工作物質(zhì)為由同種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的有源區(qū)，

即p-n結(jié)結(jié)構(gòu)，結(jié)區(qū)較厚，達(dá)幾微米，閾值電流大。

異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器由兩種不同帶隙的半導(dǎo)體材料薄層，如GaAs和

AlGaAs所組成。與同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器相比，異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器具有有源層

厚度薄，閾值電流密度低、內(nèi)部損耗低、可通過(guò)改變混晶比調(diào)節(jié)輸出波長(zhǎng)等一

系列優(yōu)點(diǎn)。

量子阱半導(dǎo)體激光器功耗更低、輸出功率更高、發(fā)射光譜更純、響應(yīng)速度

更快、波長(zhǎng)覆蓋范圍更寬、更容易陣列化。AlGaAs/GaAs量子阱激光器的波長(zhǎng)

是980nm,平均功率為0.2W,轉(zhuǎn)化效率為20-30%。AlGaAs/GaAs量子阱陣

列激光器的波長(zhǎng)為808nm,平均功率為100W。

(11)分析同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器與發(fā)光二極管的區(qū)別與聯(lián)系。

同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體與發(fā)光二極管的聯(lián)系：正向偏壓下，大量電子和空穴分別通

過(guò)耗盡層注入到p側(cè)和n側(cè)，于是導(dǎo)帶中存在電子而價(jià)帶中不存在電子，形成

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布；

同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體與發(fā)光二極管的區(qū)別：發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)公差不嚴(yán)格，而半

導(dǎo)體激光器需要精確控制制造工藝，以保證兩個(gè)端面形成極為光滑平整、互相

平行、而且有鍍膜的光學(xué)諧振腔。

發(fā)光二極管是無(wú)閾值器件，是非相干光源，單色性、方向性差、亮度低；

激光二極管是相干光源，注入電流超過(guò)閾值時(shí)發(fā)射單色性、方向性好的激光，

先度局。

(12)簡(jiǎn)述尖峰振蕩效應(yīng)過(guò)程。

不加任何特殊裝置的固體脈沖激光器，在一次輸出中，激光脈沖的寬度大

約時(shí)ms數(shù)量級(jí)。這個(gè)脈沖并不是平滑的，而是包含寬度更窄的短脈沖系列，其

中每一個(gè)短脈沖寬度只在分?jǐn)?shù)量級(jí)，并且激勵(lì)越強(qiáng)，短脈沖的時(shí)間間隔越小。

這種現(xiàn)象稱作遲豫振蕩效應(yīng)或尖峰振蕩效應(yīng)。

(13)激光調(diào)Q技術(shù)于鎖模技術(shù)的脈寬分別在哪個(gè)量級(jí)？

調(diào)Q技術(shù)可以產(chǎn)生脈寬10々i(r9s量級(jí)、峰值功率MW量級(jí)的巨脈沖，鎖

模技術(shù)可以產(chǎn)生10r~10-飛量級(jí)的超短脈沖。

(14)常見(jiàn)的調(diào)Q方法有哪幾種？分別簡(jiǎn)述之。

1.轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q技術(shù)

將一個(gè)反射鏡安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，使其在每一轉(zhuǎn)動(dòng)周期中，只有當(dāng)兩個(gè)反射

鏡面平行時(shí)損耗最小，通過(guò)控制光腔的反射損耗達(dá)到調(diào)Q目的。

2.染料調(diào)Q技術(shù)

利用染料對(duì)光的吸收系數(shù)隨光強(qiáng)度變化的特性來(lái)調(diào)Q的方法稱為染料調(diào)Q

技術(shù)，這種調(diào)Q開(kāi)關(guān)的延遲時(shí)間是由材料本身的特性決定的，不直接受人控制，

屬于被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)。

3.電光調(diào)Q技術(shù)

在電光晶體的某個(gè)方向上加電壓，可以使通過(guò)它的偏振光改變振動(dòng)方向，

且外加電壓的數(shù)值與振動(dòng)方向的改變之間有一定的關(guān)系，再輔以其他光學(xué)元件,

就可以構(gòu)成一個(gè)快速光開(kāi)關(guān)，達(dá)到調(diào)Q目的。

4.聲光調(diào)Q技術(shù)

聲光器件在腔內(nèi)按布拉格條件放置。當(dāng)超聲波通過(guò)時(shí)，光束偏離了諧振腔

的軸向，此時(shí)腔損耗嚴(yán)重，Q值很低，不能形成激光振蕩；當(dāng)激光工作物質(zhì)亞

穩(wěn)態(tài)上的粒子積累到一定程度時(shí)，瞬間撤銷超聲波，光無(wú)偏折地通過(guò)晶體，Q

值突然增大，從而產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)的激光脈沖輸出。

(15)分別簡(jiǎn)述幾種常見(jiàn)的激光鎖模實(shí)現(xiàn)方法。

激光器一般有多個(gè)不同的振蕩模式，他們本身是不關(guān)聯(lián)、非相干的，振幅

與相位彼此獨(dú)立；如果能使得各個(gè)獨(dú)立模式在時(shí)間上同步、振蕩相位一致，則

總光場(chǎng)是各個(gè)模式光場(chǎng)得相干疊加，輸出為一超短脈沖。這種通過(guò)把激光中所

有的模耦合在一起并把各個(gè)模的彼此相位關(guān)系鎖定得方法稱為鎖模，相應(yīng)得技

術(shù)稱為鎖模技術(shù)。

實(shí)現(xiàn)鎖模的方法有很多，大致分為一下幾類:

1.主動(dòng)鎖模

是一種內(nèi)調(diào)制鎖模，通過(guò)在腔內(nèi)插入一個(gè)電光或聲光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)模式鎖定,

要求調(diào)制頻率精確地等于激光器的縱模間隔，從而使所有參與振蕩的模式相位

同步。

2.被動(dòng)鎖模

類似染料被動(dòng)開(kāi)關(guān)，把弛豫時(shí)間小于脈沖周期的可飽和吸收體插入腔內(nèi)，

利用其可飽和吸收特性實(shí)現(xiàn)鎖模。

3.自鎖模

利用增益介質(zhì)的非線性效應(yīng)，即自振幅調(diào)制和自相位調(diào)制，輔以色散補(bǔ)償

達(dá)到鎖模。

第五章光調(diào)制技術(shù)一一光信息系統(tǒng)的信號(hào)加載與控制

1.對(duì)光進(jìn)行外調(diào)制有哪些典型方式？

光外調(diào)制是在激光諧振腔外的光路上放置調(diào)制器，將待傳輸?shù)男盘?hào)加載到

調(diào)制器上，于是，當(dāng)激光通過(guò)調(diào)制器時(shí)，激光的某一參量（強(qiáng)度、位相、頻率

等）將發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制。

外調(diào)制方式有電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制。

2.簡(jiǎn)述磁光偏轉(zhuǎn)與天然雙折射之間的區(qū)別。

天然旋光效應(yīng)與磁光效應(yīng)的本質(zhì)區(qū)別在于：光束返回通過(guò)天然旋光介質(zhì)時(shí)，

旋轉(zhuǎn)角度與正向入射時(shí)相反，因而往返通過(guò)介質(zhì)的總效果是偏轉(zhuǎn)角為零；而由

于磁致旋光方向與磁場(chǎng)方向有關(guān)，而與光的傳播方向無(wú)關(guān)，因而光往返通過(guò)法

拉第旋光物質(zhì)時(shí)，偏轉(zhuǎn)角度增加一倍。

3.什么叫聲光調(diào)制？分哪幾種類型？其判據(jù)是什么？

超聲波通過(guò)聲光介質(zhì)時(shí)，引起介質(zhì)折射率的周期性變化，產(chǎn)生類似于光柵

的光學(xué)結(jié)構(gòu)，從而對(duì)入射的光波產(chǎn)生調(diào)制，這種調(diào)制稱為聲光調(diào)制。

按照超聲波頻率的高低和光波相對(duì)聲場(chǎng)的入射角度及兩者相互作用的長(zhǎng)度，

將聲光衍射分為拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射兩類。

拉曼-奈斯衍射與布拉格衍射的判斷依據(jù)用聲光相互作用特征長(zhǎng)度4來(lái)表

示，1^.拉曼-奈斯衍射：L<-4；布拉格衍射：￡>240

A2

4.要想用KDP晶體做成z向加電場(chǎng)，45x，向偏振光沿y，向傳播的橫向電光強(qiáng)

度調(diào)制器，推導(dǎo)折射率橢球表達(dá)式及輸出光強(qiáng)表達(dá)式，畫出調(diào)制器原理圖，說(shuō)

明調(diào)制原理，并畫出其調(diào)制特性曲線。見(jiàn)書

5.某晶體在550nm時(shí)的%=5.5x10，/v,無(wú)外場(chǎng)時(shí)的主折射率為1.58,求其

半波電壓。

匕=—4—==12676.5V

卜0〃。7632〃。/63

6.有一聲光偏轉(zhuǎn)器，以重火石玻璃為聲光介質(zhì)，聲波中心頻率為100M%,帶寬

是40M"z,入射光束直徑是1的，查得聲速V=3.1xl(%/s,求偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)時(shí)間

7和分辨點(diǎn)數(shù)N。

3。_lxICT?

=3.2x10%

V-3.1xlO3

N=rAQ=3.2x10-6x40x1()6=口8

第六章光電探測(cè)技術(shù)

1.列出光探測(cè)器的基本參數(shù)并說(shuō)明其含義。

①量子效率，指一個(gè)入射光子所釋放的平均電子數(shù)。它與入射光子能量（即

入射光波長(zhǎng)）有關(guān)。其表達(dá)式為〃=￥=與，式中P是入射到探測(cè)器上的光功

率，是入射光產(chǎn)生的平均光電流大小，%。是單位時(shí)間內(nèi)入射光子平均數(shù)，力

是單位時(shí)間產(chǎn)生的光電子平均數(shù)，e是電子電荷。

②響應(yīng)度R,為探測(cè)器輸出信號(hào)電壓匕與輸入光功率P之比

R*單位為%。

③靈敏度s,為探測(cè)器輸出信號(hào)電流/,與輸入光功率p之比

S=kR和S均用來(lái)描述探測(cè)器輸出電信號(hào)與輸入光功率的關(guān)

P

系，均是波長(zhǎng)2的函數(shù)。入射光波長(zhǎng)一定，則響應(yīng)度與靈敏度確定。

④光譜響應(yīng)，就是表征R（或S）隨波長(zhǎng)幾變化的特性參數(shù)。光譜響應(yīng)中還

有一個(gè)重要參量，稱為響應(yīng)峰值波長(zhǎng)，它指相對(duì)光譜響應(yīng)曲線中對(duì)應(yīng)于最高響

應(yīng)率的輻射波長(zhǎng)。

⑤噪聲等效功率，定義為相應(yīng)于單位的信噪比的入射光功率，用來(lái)表征探測(cè)

器探測(cè)能力，定義式為=/NEP越小,探測(cè)能力越強(qiáng)。

X

⑦頻率響應(yīng)R（F）,是描述光探測(cè)器響應(yīng)度在入射光波長(zhǎng)不變時(shí)，隨入射光

調(diào)制頻率/變化的特性參數(shù)。它是光探測(cè)器對(duì)加在光載波上的電調(diào)制信號(hào)的響

應(yīng)能力的反映，是表征光探測(cè)器頻率特性的重要參數(shù)。

2.光探測(cè)器的物理效應(yīng)主要有哪幾類？每類有哪些典型效應(yīng)？

光電探測(cè)器的物理效應(yīng)可以分為三大類：光電效應(yīng)、光熱效應(yīng)和波相互作用

效應(yīng)。

光電效應(yīng)是入射光的光子與物質(zhì)中的電子相互作用并產(chǎn)生載流子的效應(yīng)。根

據(jù)效應(yīng)發(fā)生的部位和性質(zhì)，習(xí)慣上將其分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。外光電

效應(yīng)是指發(fā)生在物質(zhì)表面上的光電轉(zhuǎn)換現(xiàn)象；內(nèi)光電效應(yīng)指發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部的

光電轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。

光熱效應(yīng)是物體吸收光，引起溫度升高的一種效應(yīng)。光熱效應(yīng)中典型的有溫

差電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)。溫差電效應(yīng)指當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料兩端并

聯(lián)熔接時(shí)，在接點(diǎn)處可產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種電動(dòng)勢(shì)的大小和方向與該接點(diǎn)處兩種

不同材料的性質(zhì)和接點(diǎn)處溫差有關(guān)，即與光輻射功率有關(guān)。熱釋電效應(yīng)指熱點(diǎn)

晶體的自發(fā)極化矢量隨溫度變化，從而使入射光可引起電容器電容改變的現(xiàn)象。

波相互作用效應(yīng)是指激光與某些敏感材料相互作用過(guò)程中產(chǎn)生的一些參量

效應(yīng)，包括非線性光學(xué)效應(yīng)和超導(dǎo)量子效應(yīng)等。

4.總結(jié)選用光探測(cè)器的一般原則。

光電探測(cè)的特點(diǎn)是對(duì)波長(zhǎng)選擇性好，響應(yīng)速度快（微秒至納秒）。

熱探測(cè)基本屬于無(wú)選擇性的探測(cè)，另一方面熱效應(yīng)具有積累的特性，與探測(cè)

器件的熱容量及散熱的快慢都有關(guān)。

5.比較直接探測(cè)和外差探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)。

直接探測(cè)法能檢測(cè)光強(qiáng)及光強(qiáng)的變化，具有簡(jiǎn)單、方便、室溫運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，

但它不能反映光載波頻率及相位的變化，因而探測(cè)靈敏度低，信噪比差。

外差探測(cè)法可以消除背景噪聲和暗電流的影響，大大提高探測(cè)靈敏度，達(dá)到

近乎理想量子極限，它不僅可以探測(cè)光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)，還可用于頻率或相位調(diào)制

波的探測(cè)，但外差探測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)信號(hào)光與本振光要求均很高，技術(shù)難度大,

成本高。

6.說(shuō)明內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)的差別。

根據(jù)效應(yīng)發(fā)生的部位和性質(zhì)，習(xí)慣上將其分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。外

光電效應(yīng)是指發(fā)生在物質(zhì)表面上的光電轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，主要包括光陰極直接向外部

放出電子的現(xiàn)象，典型的例子是物質(zhì)表面的光電發(fā)射；內(nèi)光電效應(yīng)指發(fā)生在物

質(zhì)內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，特別是半導(dǎo)體內(nèi)部載流子產(chǎn)生效應(yīng)，主要包括光電導(dǎo)

效應(yīng)與光伏效應(yīng)。概括起來(lái)就是：（1）內(nèi)光電效應(yīng)發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部，外光電效應(yīng)

發(fā)生在物質(zhì)表面；（2）內(nèi)光電效應(yīng)主要體現(xiàn)為載流子的產(chǎn)生效應(yīng)，外光電效應(yīng)主

要體現(xiàn)為表面電子發(fā)射現(xiàn)象；⑶內(nèi)光電效應(yīng)中的紅限與半導(dǎo)體禁帶寬度成反比，

而外光電效應(yīng)中的紅限與表面逸出功成反比。

6.說(shuō)明光電倍增管的基本組成及其作用。

光電倍增管由光電陰極C、一系列倍增電極D、收集陽(yáng)極A三大部分密封

在真空外殼中組成。

光電陰極：光電陰極是光電倍增管的關(guān)鍵部分，它將入射光轉(zhuǎn)換為電流，決

定著探測(cè)器的波長(zhǎng)響應(yīng)特性及極限靈敏度。

倍增電極，即能發(fā)射二次電子的電極，其電位與陰極相比逐漸升高，一般極

間電位差為100V。

收集陽(yáng)極用來(lái)匯總經(jīng)一系列光電倍增管作用而在最后一級(jí)倍增陰極產(chǎn)生出

的數(shù)目巨大的二次電子。

7.PIN光電二極管，受波長(zhǎng)為L(zhǎng)55〃加的6xl（T個(gè)光子的照射，其間輸出端產(chǎn)生

2xl（T個(gè)光子。計(jì)算量子效率和響應(yīng)度（電流靈敏度）。

由量子效率定義得：〃=言，=0.33

由電流靈敏度定義式得：S=//?=*=〃￡=〃'把相關(guān)數(shù)據(jù)代入得:

N2hvhvhe/A,

1.61019

S0.333=1.25A/W

6.6310-34(3108/1.5510-6)

第七章：光電顯示技術(shù)

1.什么是三基色原理？彩色重現(xiàn)是什么含義？

三基色原理指自然界中客觀存在的任一種顏色均可以表示為三個(gè)確定的相

互獨(dú)立的基色的線性組合。實(shí)用上常選擇紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）作為三基色。

將三基色按一定比例混和調(diào)配，就可模擬各種顯示顏色。

熒光粉與白場(chǎng)選定后，對(duì)圖像的亮度、色調(diào)和飽和度三參量的電信號(hào)進(jìn)行色

度編碼，通過(guò)矩陣電路使其何曾為發(fā)送端的編碼矩陣，并使攝像端的綜合光譜

相應(yīng)曲線分別與顯像三基色混色曲線一致，從而使輸出的三路電信號(hào)功率譜正

好與顯像端要求的比例關(guān)系相吻合；在接受端，用矩陣電路實(shí)現(xiàn)解碼，用取出

的三基色圖像信號(hào)控制彩色顯象管的三個(gè)電子束，激發(fā)相應(yīng)熒光粉發(fā)光，即可

實(shí)現(xiàn)彩色重現(xiàn)