光電子技術(shù)期末考試

2010年春季學期《光電子技術(shù)》期末考試大綱總結(jié)：覃高鄂鄂E001：A光和B光相同是指：振幅、偏振、角頻率和初位相相同鄂E002：為什么說光波是電磁波?寫出折射率與介電常數(shù)間關(guān)系。解答：根據(jù)麥氏方程推導,電磁波在真空中的速度為： 然而當時通過實驗測得的真空中的光速也為：然而當時通過實驗測得的真空中的光速也為：2)根據(jù)麥氏方程:電磁波在介質(zhì)中的速度為2)根據(jù)麥氏方程:電磁波在介質(zhì)中的速度為：根據(jù)光學中折射率的定義，則比較上述兩個式子我們可以知道：根據(jù)光學中折射率的定義，則而當時測得的無極分子物質(zhì)，按上式計算的折射率與測量的折射率能很好的符合。當時測得的為有極分子物質(zhì)，上式中的ε用光波頻率時的值，則上式就成立了。平時ε在低頻電場下測量。綜述以上判斷光波是電磁波。鄂E003：可見光譜的范圍是760-400nm，從可見光向兩邊擴展，波長比它長的稱為紅外線，它的熱效應特別顯著；波長比可見光短的稱為紫外線，它有顯著的化學效應和熒光效應。鄂E004：寫出麥克斯韋方程組的微分形式及其物理意義微分形式如下：物理意義如下：(Ⅰ)式：電位移矢量或電感應強度Ｄ的散度等于電荷密度，即電場為有源場。(Ⅲ)式：磁感強度Ｂ的散度為零，即磁場為無源場。(Ⅱ)式：隨時間變化的磁場激發(fā)渦旋電場。(Ⅳ)式：隨時間變化的電場激發(fā)渦旋磁場。鄂E005：由麥克斯韋方程積分形式推導出微分形式高斯定理：斯托克斯定理：高斯定理的微分形式推導設(shè)自由電荷q0是體分布的，為電荷的體密度，則(1.12)式的(I)式為：根據(jù)高斯定理，得：由此可以得到：安培環(huán)路定理的微分形式推導假定傳導電流是體分布的，其密度為J0，則根據(jù)斯托克斯定律由此可以得到：鄂E006：畫出空間電磁波的傳播示意圖，并標出電場與磁場的方向。鄂E007：光電子技術(shù)主要是研究光的產(chǎn)生、傳輸、控制和探測的科學技術(shù)。鄂E008：試述電磁波在介質(zhì)邊界法向和切向的躍變特點界面兩側(cè)電場的切向分量連續(xù)界面兩側(cè)磁場的切向分量發(fā)生了躍變界面兩側(cè)電場的法向分量發(fā)生了躍變界面兩側(cè)磁場的法向分量連續(xù)邊界條件表示界面兩側(cè)的場以及界面上電荷電流的制約關(guān)系,它實質(zhì)上是邊界上的場方程。由于實際問題往往含有幾種介質(zhì)以及導體在內(nèi)，因此，邊界條件的具體應用對于解決實際問題十分重要。鄂E009：平面電磁波的性質(zhì)電磁波是橫波，電矢量E、磁矢量H和傳播方向K（K為傳播方向的單位矢量）兩兩垂直；E和H幅度成比例、復角相等電磁波的傳播速度3×108m/s鄂E010：簡述波爾頻率玻爾假說：1）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）只有當原子從一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)時，才發(fā)出和吸收電磁輻射。玻爾頻率條件：式中h為普郎克常數(shù)：h=6.62×10-34J.s鄂E011：模式符號TEMmnk含義是什么？激光的模式一般用TEMmnk表示，TEM是電磁橫波的縮寫，k為縱模數(shù)。在軸對稱橫模中，m,n分別表示光束橫截面內(nèi)在x方向和y方向出現(xiàn)的暗區(qū)（即節(jié)點）數(shù)，如TEM13，在x方向有1個暗區(qū)，在y方向有3個暗區(qū)；在旋轉(zhuǎn)對稱橫模中，m表示沿半徑方向出現(xiàn)的暗環(huán)數(shù)，n表示圓中出現(xiàn)的暗直徑數(shù)。如TEM03，圖中無暗環(huán)，有三條暗直徑。橫模TEMmn軸對稱橫模圖(a)旋轉(zhuǎn)對稱橫模圖(b)。鄂E012：激光器的基本結(jié)構(gòu)包含哪幾部分？形成激光的條件是什么？一般激光器包涵三個基本部分：激活物質(zhì)、激勵源、光學諧振腔形成激光滿足的兩個條件：E2E1在激光器工作物質(zhì)內(nèi)的某些能級間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布；2、激光器必須滿足閾值條件E2E1鄂E013：三種躍遷過程:自發(fā)輻射：若原子處于高能級E2上，在停留一個極短的時間后就會自發(fā)地向低能級E1躍遷，如圖，并發(fā)射出一個能量為hv的光子。E2E1受激吸收:當外來輻射場作用于物質(zhì)時，假定輻射場中包含有頻率為v＝（E2-E1）/h的電磁波（即有能量恰好為hv＝E2-E1的光子），使在低能級E1上的粒子受到光子激發(fā)，可以躍遷到高能級E2去，這個過程稱為受激吸收。E2E1E2E1受激輻射:當外來輻射場作用于物質(zhì)時，在物質(zhì)內(nèi)部也可能發(fā)生與受激吸收相反的過程。愛因斯坦根據(jù)量子理論指出，當輻射場照射物質(zhì)而粒子已經(jīng)處在高能級E2上時，這時會發(fā)生一個十分重要的過程——受激輻射過程。E2E1鄂E014：三種躍遷過程由于原子在各能級上有一定的統(tǒng)計分布，故在滿足上述頻率條件的光束照射下，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；b、受激輻射與自發(fā)輻射雖然都是從高能級向低能級躍遷并發(fā)射光子的過程，但這兩種輻射卻存在著重要的區(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。一般說在自發(fā)輻射過程中，總伴有受激輻射產(chǎn)生，輻射場越強，受激輻射也隨之增加；c、在熱平衡狀態(tài)下受激輻射是很弱的，自發(fā)輻射占絕對優(yōu)勢，但在激光器中，情況發(fā)生很大變化，這時已不是熱平衡狀態(tài)，受激輻射的強度比自發(fā)輻射的強度大幾個數(shù)量級。鄂E015：簡述三能級與四能級激光器的工作原理及其特點亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)三能級系統(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(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)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(zhuǎn)分布。四能級系統(tǒng)：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(zhuǎn)。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(zhuǎn)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(zhuǎn)，因而四能級系統(tǒng)比三能級系統(tǒng)的效率高。鄂E016：激光的特性及應用激光由于本身形成的特點，具有比普通光源更為優(yōu)良的性能。激光的特點可以歸結(jié)為三點：單色性、方向性、高強度本質(zhì)：高度的相干性激光的應用：利用激光的熱效應；利用激光光子能量的光化學效應。前者的典型用例是利用紅外激光手術(shù)刀進行外科手術(shù)，后者是利用紫外激光診斷、治療癌癥。鄂E017：砷化鎵晶體以適量鋁替代鎵成為鎵鋁砷時，復合半導體的特性產(chǎn)生什么樣變化？單質(zhì)半導體材料->間接帶隙材料->不適合做光源化合半導體材料->直接帶隙材料->用于做光源-如III-V族化合物(由Al、Ga、In和P、As、Sb構(gòu)成的化合物)LED基本材料：-Ga1-xAlxAs(砷化鎵摻鋁)：800~850nm短波長光源-In1-xGaxAsyP1-y(磷化銦摻砷化鎵)：1000~1700nm長波長光源，x和y的值決定了材料的帶隙，也就決定了發(fā)光波長鄂E018：帶隙類型直接帶隙：導帶的最低位置位于價帶最高位置的正上方；電子空隙復合伴隨光子的發(fā)射。III-V族元素的合金，典型的如GaAs等。間接帶隙：導帶的最低位置不位于價帶最高位置的正上方；電子空隙復合需要聲子的參與，聲子振動導致熱能，降低了發(fā)光量子效率。鄂E019：帶隙寬度和鋁相對含量的關(guān)系①輻射波長輻射光波長與帶隙寬度成反比，改變發(fā)射光波長可以通過改變帶隙寬度來達到。這可以在砷化鎵晶體中采用具有不同數(shù)量的鋁的合金層來實現(xiàn)。②折射率當鋁的相對含量從零增加到0.37時，折射率減小5%，因此，隨著x的增加帶隙增大而折射率減小。帶隙幾乎增加30%而折射率大約減小5%。③副效應在鋁的相對含量大于0.37，即x＞0.37的情況下，復合時除了產(chǎn)生光子外，還發(fā)生一些其他過程，其結(jié)果使得并不是所有的能量都用來產(chǎn)生光子，部分能量變成熱能，從而可能損傷晶體，并具有減少產(chǎn)生激光的趨勢。鄂E020：溫度對半導體激光器波長位置的影響，說明原因光譜特性波長取決于激光器的光學腔長；當驅(qū)動電流足夠大時，多縱模變?yōu)閱慰v模，稱為當驅(qū)動電流足夠大時，多縱模變?yōu)閱慰v模，稱為靜態(tài)單縱模激光器。發(fā)射波長半導體激光器的發(fā)射波長取決于導帶的電子躍遷到價帶時所釋放的能量，這個能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，故hv=Eg式中，v=c/λ(Hz)和λ(μm)分別為發(fā)射光的頻率和波長，c=3×108m/s為光速，h=6.628×10-34J·S為普朗克常數(shù)，1eV=1.6×10-19J，代入上式得到鄂E021：自發(fā)輻射與受激輻射比較有哪些不同？粒子自發(fā)地從高能級躍遷到低能級，同時發(fā)出一個光子，這一過程叫做自發(fā)輻射。若處在高能級的粒子，在一個能量等于兩能級之差（E2-E1）的光子作用下，從高能級躍遷到低能級并發(fā)射一個光子，這一過程稱為受激輻射。與自發(fā)輻射不同，輻射一定要在外來光作用下發(fā)生并發(fā)射一個與外來光子完全相同的光子。受激輻射光是相干光。受激輻射光加上原來的外來光，使光在傳播方向上光強得到放大。鄂E022：激光工作物質(zhì)在熱平衡情況下能否實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布?怎樣能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)?不能。在熱平衡條件下，粒子數(shù)的分布服從玻耳茲曼分布律，高能級的粒子數(shù)總小于低能級的粒子數(shù)。借助于外界的激勵能源（為電激勵,光激勵,化學激勵等能源），打破激活介質(zhì)熱平衡時的粒子數(shù)分布，使高能級的粒子數(shù)大于低能級的粒子數(shù)。這種激活介質(zhì)要具有合適的能級結(jié)構(gòu)。鄂E023:概括光學諧振腔的作用（1）維持光振蕩（2）選擇激光的方向性（3）提高激光的單色性。鄂E024：設(shè)He-Ne激光器腔長L分別為0.30m、1.0m,氣體折射率n≈1,試求縱模頻率間隔各為多少?解答：鄂E025：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（Populationinversion）當（N2/N1）＞1時，高能級E2上的粒子數(shù)N2大于低能級E1上的粒子數(shù)N1，出現(xiàn)所謂的“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布”情況。形成激光的必要條件。此時有dN21＞dN12，宏觀效果表現(xiàn)為光被放大，或稱光增益。鄂E026：能級的壽命粒子在E2能級上停留的平均時間稱為粒子在該能級上的平均壽命，簡稱壽命。鄂E027：激光的橫縱模激光腔內(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。激光橫模形成的主要因素是諧振腔兩端反射鏡的衍射作用。激光的縱模：光場沿軸向傳播的振動模式稱為縱模。鄂E028：平面電磁波場中能量的傳播能流密度S和能量密度變化率()的表示式:電矢量E與磁矢量H互相垂直于波矢方向K，與(3.21)式比較可知，在各向同性介質(zhì)中，波矢(波面法本)方向K與能流方向(光線方向)S是一致的，波速(相速V)也就是能流速度。鄂E029：相速度與群速度相速度：單色波的等相位面?zhèn)鞑サ乃俣取Ｈ核俣龋汉铣刹úò系日穹鎮(zhèn)鞑サ乃俣?。λ為單色波的波長，T為單色波振動的周期，ω=2πν為圓頻率，k=2π/λ為波數(shù)。鄂E030：瑞利群速公式相速與群速二者關(guān)系為：上式為瑞利群速公式。在正常色散區(qū)域dvp/dλ>0，群速小于相速；在反常色散區(qū)域dvp/dλ<0，群速大于相速；在真空中無色散dvp/dλ＝0，群速等于相速。k=2π/λ，dk=-(2π/λ2)dλk=2π/λ，dk=-(2π/λ2)dλ鄂E031：高斯光束的傳播特性光束橫切面的強度變化呈高斯函數(shù)分布。束腰處光斑最小，振幅最大，波陣面為平面。離開束腰愈遠，光束寬度愈大，振幅逐漸減弱，在z>>kω02處的波陣面趨于球面。鄂E032：反射與折射定律反射和折射定律，即斯涅爾定律：鄂E033：菲涅爾（Fresnel）公式E垂直分量的反射系數(shù)E平行分量的反射系數(shù)E垂直分量的透射系數(shù)E平行分量的透射系數(shù)鄂E034：古斯－漢森(Goos-Haenchen)位移表示反射波與入射波具有相同的振幅即入射光能量全部返回介質(zhì)1。表示反射的垂直分量水平分量有一定的相位改變。全反射波的相位比入射波的相位超前Φ，因為Φs和Φp不相等，所以反射光中會出現(xiàn)兩個成分的相位差，成為橢圓偏振光。菲涅耳棱鏡正是利用這一原理，通過2次全反射將直線偏振光變成圓偏振光。鄂E035：色散方程波導中含三種色散材料色散m=0、1、2、3…2、模式色散3、波導色散m=0、1、2、3…鄂E036：光波的特征參量：振幅、偏振、角頻率、初相位光波傳遞信息的特點：帶寬、保密、抗干擾光波的表達式：光波的調(diào)制方法：AM、IM、PM、FM、PLM調(diào)制手段：電光、聲光、磁光、彈光鄂E037：強度、相位調(diào)制強度調(diào)制是光載波的強度(光強)隨調(diào)制信號規(guī)律而變化的激光振蕩。激光調(diào)制通常多采用強度調(diào)制形式，這是因為接收器(探測器)一般都是直接地響應其所接收的光強度變化的緣故。強度調(diào)制的特點：1、能夠?qū)崿F(xiàn)線性解調(diào)；2、使用中極易實現(xiàn)（如對光源進行調(diào)制）鄂E038：振幅(強度)調(diào)制的抗干擾措施①參考通道:從參考通道中提取光波動(或干擾)信息，再從主信道中予以扣除。②二次調(diào)制：即先將欲傳遞的信號調(diào)制成與振幅無關(guān)的形式，如頻率、脈