光电子简答题.docx

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光电子简答题

1、受激辐射：

处于激发态E

2上的原子，在频率为υ

上，在跃迁过程中，原子辐射出能量为hυ21的外界光信号作用下，从E

2能级跃迁到E

1能级21、与外界光信号处于同一状态的光子，这两个光子又可以去诱发其他发光粒子，产生更多状态相同的光子，这样，在一个入射光子作用下，就可以产生大量运动状态相同的光子，这一发射过程称为受激发射过程。

2、自发辐射：

假设某原子起初位于能级E

2，因为E

2>E

1，因此它不稳定，即使没有任何外界光信号的作用，也将在某一时刻自发地跃迁到E

1上去，同时辐射出一个光子，光子能量为hυ3、以一个三能级原子系统为例，说明激光器的基本组成和产生激光的基本原理。

激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源、和光学谐振腔。

21=E

2-E

1。

这种激发态原子在没有光信号作用下自发地跃迁到低能态时所产生的光辐射，称为自发辐射。

激光工作物质提供形成激光的能级结构体系，是激光产生的内因。

要产生激光，工作物质只有高能态（激发态）和低能态（基态）是不够的，还至少需要有这样一个能级，它可使得粒子在该能级上具有较长得停留时间或较小得自发辐射概率，从而实现其与低能级之间得粒子数反转分布，这样得能级称为亚稳态能级。

这样，激光工作物质应至少具备三个能级。

其中E

1是基态，E

2是亚稳态，E

3是激发态。

外界激发作用使粒子从E

1能级跃迁到E

3能级。

由于E

3的寿命很短（1.0E-9s量级），因而不允许粒子停留，跃迁到E

3的粒子很快通过非辐射迟豫过程跃迁到E

2能级。

由于E

2能级是亚稳态，寿命较长（1.0E-3s量级），因而允许粒子停留。

于是，随着E

1的粒子不断被抽运到E

3，又很快转到E

2，因而粒子在E

2能级上大量积聚起来，当把一半以上的粒子抽运到E

2，就实现了粒子数反转分布，此时若有光子能量为hυ＝E

2－E

1的入射光，则将产生光的受激辐射，发射hυ的光，从而实现光放大。

泵浦源提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因。

由于在一般情况下介质都处于粒子数正常分布状态，即处于非激活状态，故欲建立粒子数反转分布状态，就必须用外界能量来激励工作物质。

我们把将粒子从低能态抽运到高能态的装置称为泵浦源或激励源。

事实上，激光器不过是一个能量转换器件，它将泵浦源输入的能量转变成激光能量。

主要有以下几种泵浦方式：

①光激励方式②气体辉光放电或高频放电方式③直接电子注入方式④化学反应方式。

光学谐振腔为激光器提供反馈放大机构，使受激发射的强度、方向性、单色性进一步提高。

不论哪种光学谐振腔，它们都有一个共同特性，那就是都是开腔，即侧面没有边界的腔，这使偏轴模不断耗散，以保证激光定向输出。

谐振腔分为稳态腔（低损耗腔）和非稳定腔（高耗散腔）两大类。

4、分析激光产生的条件。

激光产生的两个必要条件：

粒子数反转分布和减少振荡模式数，要形成稳定的激光输出还要满足起振和稳定振荡两个充分条件。

粒子数反转分布指能级上的粒子数分布满足条件N

2/g

2>N

1/g

1，相应地有dρ（υ

21）>0表示光束在粒子数反转分布状态下的工作物质中的工作物质中传播时，光能密度将不断增加。

我们称这种状态的物质为激活介质。

要想得到方向性很好、单色性很好的激光，仅有激活介质时不够的，欲使光束进一步加强，就必须使光束来回往复地通过激活介质，使之不断地沿某一方向得到放大，并减少振荡模式数目。

由于光束在腔内多次的来回反射，极少频率的光满足干涉相长条件，光强得到加强，频率得到筛选，特别是在谐振腔轴线方向，可以形成光强最强、模式数目最少的激光振荡，而和轴线有较大夹角的光束，则由侧面逸出激活介质，不能形成激光振荡。

光在谐振腔内传播时，由于R

2<1，光在镜面上总有一部分投射损失，且镜面和激活介质总还存在着吸收、散射等损失，因而只有光的增益能超过这些损失时，光波才能被放大，从而在腔内振荡起来，这就是说，激光必须满足某个条件才能起振。

称这个条件为振荡阈值条件。

当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定成都时，增益系数将随光强的增大而减小，即G（υ）应写为G（υ,I）。

这种G（υ,I）随着I的增大而减小的现象，称为增益饱和效应。

它是激光器建立稳态振荡过程的稳定振荡条件。

5,、常见的调Q方法有哪几种？

分别简述之。

（1）转镜调Q技术

将激光器光学谐振腔两个反射镜之一安装在一个旋转轴上，使其在每一转动周期中，只有当两个反射镜面平行时损耗最小，因而通过控制转镜，从而控制光腔的反射损耗可达到调Q目的。

（2）染料调Q技术

利用染料对光的吸收系数随光强度变化的特性来调Q的方法称为染料调Q技术，这种调Q开关的延迟时间是由材料本身的特性决定的，不直接受人控制，属于被动调Q技术。

染料对该激光器振荡波长的光有强烈的吸收作用，且吸收系数随入射光的增强而不断减小。

当染料盒插入谐振腔内时，激光器开始泵浦此时腔内光强还很弱，因而染料对光吸收强烈，腔损耗很大，Q值很低，不能形成激光；随着泵浦的继续，亚稳态上离子越积越多，腔内光强逐渐增大，吸收逐渐减小，Q值不断增大；泵浦光大到一定值时，染料对该波长的光变为透明，称为染料漂白，此时Q值达到最大，相当于Q开关开启，于是激光器输出一个强的激光脉冲。

（3）电光调Q技术

某些晶体经过特殊方向的切割后，如果在某个方向上加电压，就可以使通过它的偏光改变振动方向，且外加电压的数值与振动放下嘎那的改变之间有一定的函数关系，再辅以其他光学元件，就可以构成一个快速光开关，达到调Q目的。

（4）声光调Q技术

声光器件在腔内按布拉格条件放置。

当外加高频振荡的超声信号时，光束沿布拉格角偏折，从而偏离了谐振腔的轴向，此时腔损耗严重，Q值很低，不能形成激光振荡；但这一阶段，光泵浦使激光工作物质亚稳态上的粒子大量积累，一定时间后，瞬间撤销超高频振荡声场，光无偏折地通过晶体，Q值突然增大，从而产生一个强的激光脉冲输出。

6、什么是光波导？

平面介质光波导中几类模式各有何特点？

光波导就是能使光低损耗传输的通道，它将光限制在一定路径中向前传播，减少了光的耗散，便于光的调制、耦合等，为光学系统的固体化、小型化、集成化打下了基础。

⑴θ>θ

c12≥θ

c13

此时，上、下界面均满足全反射条件。

在满足相位匹配方程：

2k

0n

1dcosθ–δ

12−δ

13=m2π（m=0,1,2）

c12

m的不同取值对应于横向驻波波节数，每一个m值对应一个稳定的横向分布，这种波导中稳定的场分布称为导波模式，简称导模。

这说明：

并未满足θ>θ

的θ≥θ

c13的所有角入射的光场均可形成

c12导波，对于一定波长的光波，只有满足上式的θ角入射的光波才可形成导波。

即只有某些大于θm才能形成导波，且m越大，θ

m越小，即小的入射角度相应的模式阶次高，z向单位长度内c13<θ

导模上下振荡次数多。

⑴θ<θ

c12

在n

1、n

3界面反射，n

1、n

2界面投射，光线向衬底n

2辐射，不再形成导波，称为衬底辐射模。

⑵θ<θ

c13

各面均不满足全反射条件，光线在两个界面上都发生透射，这种模式称为包层辐射模。

7、光纤的基本结构是什么？

单独的纤芯可否作为光波导？

包层的作用是什么？

光纤传输光的基本原理是什么？

什么是传输模、辐射模和消逝模？

光纤由传导光的纤芯（折射率n

1）和外层的包层（折射率n

2）两同心圆形的双层结构组成，且n

1>n

2。

外面再包以一次涂覆护套和二次涂覆护套。

单独的纤芯不能作为光波导，光波导由纤芯和包层共同组成。

包层对纤芯起保护作用，包括增加光纤的机械强度，避免纤芯接触到污染物，以及减少纤芯表面上由于过大的不连续性（即界面两边的折射率差别过大）而引起的散射损耗率。

光波在光纤中传播有3种模式，导模（传输模），漏模（泄漏模）和辐射模。

导模是光功率限制在纤芯内传播的光波场，又称芯模。

其存在条件是。

在纤n

2k

0<β

1k

0.在芯内电磁场按振荡形式分布，为驻波场或传播场，在包层内场的分布按指数函数衰减，为衰减场，模场的能量被闭锁在纤芯内沿轴线Z方向传播。

漏模是在纤芯及距纤壁一定距离的包层中传播的光波长，又称包层模。

其存在条件是n

2k

0=β。

在纤芯中的没长能量可通过一定厚度的“隧道”泄漏导包层中，形成振荡形式,但其振幅很小，传输损耗也很小。

辐射模在纤芯和包层中均为传输场，其存在条件是β

2k

0。

在此条件下，波导完全处于介质状态，光波在纤芯与包层的界面上因不满足全反射条件而产生折射，模场能量向包层逸出，光纤失去对光波场功率的限制作用。

8、对光进行外调制有哪些典型方式？

光外调制是在激光谐振腔以外的光路上放置调制器，将待传输的信号加载到调制器上，于是，当激光通过这种调制器时，激光的强度、位相、频率等将发生变化，从而实现调制。

激光外调制可分为体调制和光波导调制两类。

体调制器的体积交大，所需调制电压和消耗的调制功率都较大；光波导调制器则是制作在薄膜光波导或条形光波导上，因而体积小巧、驱动电压低、功耗小。

外调制的基础是外场作用下光与物质的相互作用，其共同物理本质都是外场微扰引起材料的非线性变化，并导致光学各向异性。

这种非线性相互作用过程使得通过的光波强度、偏振方向、频率、传播方向、位相等参量发生变化，从而实现了激光的调制。

9、简述电光衍射与声光衍射发生的物理机制。

通常我们认为一个材料的介电常量与外场无关，为恒值，但理论和试验均证明，介电常量是随电场强度而变化的，只不过一般情况下外加电场较弱，我们可以作弱场近似，认为介电常量与电场强度无关；但当光介质的两端所加外加电场较强时，介质内的电子分布状态将发生变化，以致介质的极化强度以及折射率也各向异性地发生变化。

此外，这种效应迟豫时间很短，仅有10−11s量级，外加电场地施加或撤销导致地折射变化或恢复瞬间即可完成。

声波的应变场也能改变某些类型晶体地折射率，由于声波的周期性，会引起折射率的周期性变化，产生类似于光栅的光学结构，超声波引起晶体的应变场，使射入晶体中的光波被这种弹性波衍射。

10、列出光探测器的基本参数并说明其含义。

①量子效率，又称量子产率，是指一个入射光子所释放的平均电子数。

它与入射光子能量（即入射光波长）有关。

其表达式为η=，式中P是入射到探测器上的光功率，是入射光产生的平均光电流大小，是单位时间内入射光子平均数，是单位时间产生的光电子平均数，e是电子电荷。

②响应度R，为探测器输出信号电压Vs与输入光功率P之比R=Vs/P单位为V/W③灵敏度S，为探测器输出信号电流I

s与输入光功率P之比S=I

s/P,R和S均用来描述探测器输出电信号与输入光功率的关系，均是波长λ的函数。

入射光波长一定，则响应度与灵敏度确定。

④光谱响应，就是表征R（或S）随波长λ变化的特性参数。

光谱响应中还有一个重要参量，称为响应峰值波长，它指相对光谱响应曲线中对应于最高响应率的辐射波长。

⑤噪声等效功率，定义为相应于单位的信噪比的入射光功率，用来表征探测器探测能力，定义式NEP=NEP越小，探测能力越强。

⑥探测度D，是NEP的倒数，即单位辐射功率相应的信噪比

D=1/NEP=通常归一化探测度D*比前述D更能体现探测器性能。

D*表示单位探测器面积、单位带宽的探测度，定义式为D*=式中,A

d为探测器

面积，Δf为放大器带宽。

⑦频率响应R（f），是描述光探测器响应度在入射光波长不变时，随入射光调制频率f变化的特性参数。

它是光探测器对加在光载波上的电调制信号的响应能力的反映，是表征光探测器频率特性的重要参数。

除了以上7个基本参数以外，在使用探测器时还会遇到一下参数：

Ⅰ暗电流，指没有信号和背景辐射时通过探测器的电流；

Ⅱ工作温度，对于非冷却型探测器指环境温度，对于冷却型探测器指冷却源标称温度；Ⅲ响应时间，指探测器将入射辐射转变为信号电压或电流的驰豫时间；

Ⅳ光敏面积，指灵敏元的几何面积。

11、光探测器的物理效应主要有哪几类？

每类有哪些典型效应？

光电探测器的物理效应可以分为三大类：

光电效应、光热效应和波相互作用效应。

光电效应是入射光的光子与物质中的电子相互作用并产生载流子的效应，此处所指的是一种光子效应，也就是单个光子的性质对产生的电子直接作用的一类光电效应。

根据效应发生的部位和性质，习惯上将其分为外光电效应和内光电效应。

外光电效应是指发生在物质表面上的光电转换现象；内光电效应指发生在物质内部的光电转换现象。

光热效应是物体吸收光，引起温度升高的一种效应。

光热效应中典型的有温差电效应和热释电效应。

温差电效应指当两种不同的导体或半导体材料两端并联熔接时，在接点处可产生电动势，这种电动势的大小和方向与该接点处两种不同材料的性质和接点处温差有关，如果把这两种不同材料连接成回路，当两接头温度不同时，回路中即产生电流的现象，又称塞贝克效应。

热释电效应指热点晶体的自发极化矢量随温度变化，从而使入射光可引起电容器改变的现象。

波相互作用效应是指激光与某些敏感材料相互作用过程中产生的一些参量效应，包括非线性光学效应和超导量子效应等。

12、最早的光电探测器是哪年由谁制作的哪种光电探测器？

最早的光电探测器是在1873年由Simens制成的光电池

13、简述发光和显示技术的主要分类

根据发光体化学结构可将发光现象分为无机化合物、有机化合物、晶态磷光发光体发光；根据发光时间长短可分为长余辉（>0.1s）、中余辉（1ms-0.1s）、短余辉（<1ms）发光；根据发光机理不同可分为分力中心发光、复合发光；最常见的是根据激励方式分为以下几类：

Ⅰ光致发光：

激励来自对光子（通常是紫外光）的吸收。

Ⅱ阴极射线发光：

发光体在加速电子的轰击下激发发光。

Ⅲ场致发光：

发光体在外电长或电流作用下激发发光。

Ⅳ化学发光：

发光体在化学反映过程中由化学能激发的发光。

光电显示按发光类别分为主动型光电显示与被动型光电显示；按照结构形状分为

为平板显示和体显示；按显示屏幕大小分为超大屏幕（>4m2）、大屏幕（1-4m2）、中屏幕（0.2-1m2）、小屏幕（<0.2m2）显示；按颜色分为黑白、彩色显示；按显示内容分为数码、字符、轨迹、图表、图形、图像显示；按成像空家坐标分为二维平面与三维立体显示；按显示原理分为电子束显示（CRT）、真空荧光显示（VFD）、发光二极管显示（LED）、电致发光显示（ELD）、等离子体显示（PDP）、液晶显示（LCD）、激光显示（LD）、电致变色显示（ECD）

14、试说明注入电致发光和高场电致发光的基本原理。

注入式电致发光：

由直接装在晶体上的电极注入电子和空穴，当电子于空穴在晶体内再复合时发光的现象。

高场电致发光：

高场电致发光是荧光粉中的电子或由电极注入的电子再外加强电场的作用下在晶体内部加速，碰撞发光中心并使其激发或离化，电子在回复基态时辐射发光。