光電子技術(shù)安毓英習(xí)題答案全

1、S處有一個(gè)輻射強(qiáng)度 de I 第一章IRI，如圖1.設(shè)在半徑為的點(diǎn)源的圓盤中心法線上，距盤圓中心為 為eco所示。試計(jì)算該點(diǎn)源發(fā)射到盤圓的輻射功率。 e d 解：因?yàn)?，sdSiR c0 cosld d d 2sinR 2 cro且 i.i題圖第I o 1 2 22R I co |0 I1 Id 2 所以 eee22R| cO LIA ；被照面的，面源法線與, 輻射亮度為的夾角為 2.如圖所示，設(shè)小面源的面積為 sseoA AAAI 上 為輻射在被照面，到面源的距離為。若的入射角，試計(jì)算小面源在面積為cccsco產(chǎn)生的輻射 照度。dIe |e cOsA:解：亮度定義 I :強(qiáng)度定c eL d I

2、e 0 A s cOsAdd L c可得輻射通量：sees cos Acc d 在給定方向上立體角為: 圖1.2第 2I0 cosd cOsL A一 cssee E A上輻射照度為：則在小面源在 e2dA|0,其各處的假如有一個(gè)按朗伯余弦定律發(fā)射輻射的大擴(kuò)展 源（如紅外裝置面對(duì)的天空背景）3.的探測(cè)器表面上產(chǎn)生的輻照度。L均相同，試計(jì)算該擴(kuò)展 源在面積為 A輻亮度de cosA d d lcosdAd Ld d答：由 ，且得 ee 22cOsddA1旳2 2LEdLI 則輻照度： eee20022- I 霓虹燈 發(fā)的光是熱輻射嗎？4. 不是熱輻射。 在兩端放置有電極的真空充入氖或氬等惰性氣體，

3、霓虹燈發(fā)的光是電致發(fā)光, 當(dāng)兩極間的電壓增加到一定數(shù)值時(shí), 使原子中氣體中的原子或離子受到被電場(chǎng)加速的電子的轟擊, 的電子受到激發(fā)。當(dāng)它由激發(fā)狀態(tài)回復(fù)到正常狀態(tài)會(huì)發(fā)光，這一過程稱為電致發(fā)光過程。5.剛 粉刷完的房間從房外遠(yuǎn)處看，它的窗口總是顯的特別黑暗，這是為什么？容易產(chǎn)生幾何答：剛粉 刷完的房間可以看成一個(gè)光學(xué)諧振腔，由于剛粉刷完的墻壁比較光滑，偏折損耗，故看起來總 是特別黑。T的6.從黑體輻射曲線圖可以看岀，不同溫度下的黑體輻射曲線的極大值處的波長(zhǎng) 隨溫度m升高而減小。試由普朗克熱輻射公式導(dǎo)岀常數(shù)T=mC1l M()T證明：eC5 2le T. CC22 e2T6 )M(T C5CT e1

4、1 CC52221) i(ee tt)M(T e =0 令，解得： 3 Km T 2.898 10。得證m。試有普朗克的輻射公式7.黑體輻射曲線下的面積 等于等于在相應(yīng)溫度下黑體的輻射岀射度M 與溫度T的四次方成正比，即導(dǎo)岀 M訂M=常 數(shù)4-82W/m波耳茲曼定律，其中常數(shù)為K5.6710這一關(guān)系式稱 斯特藩-C11 (T)M P9進(jìn)行積分即可證明。，對(duì)公式解答：教材eC5 21e T黑體輻射，此輻射的 單體輻射岀射度8.宇宙大爆炸遺留在宇宙空間的均勻背景輻射相當(dāng)于3K在什么波長(zhǎng)下有極大 值？ T思路分析：通過1.6題不難看岀，對(duì)于黑體輻射，當(dāng)輻射岀射度取最大值時(shí)，波長(zhǎng)和溫度 有關(guān)系，且乘積

5、為常數(shù)，此題便可利用這個(gè)關(guān)系直接求解。解題過程如下：3 K2.898 10m T 可知解：由1.6 mT=3K 3 m 0.966 10m 9.常用的彩色膠卷一般分為日光型和燈光型。你知道這是按什么區(qū)分的嗎？ 常用日光型和燈光型是按色溫來區(qū)別的。為了表示一個(gè)熱輻射光源所發(fā)岀光的光色性質(zhì)，答：。 色溫度是指在規(guī)定兩波長(zhǎng)具有與熱輻射光源的輻射比率相同的黑體的K到色溫度這個(gè)量，單位 為溫度。 ddvdv dvv間黑體輻射能為頻率在間黑體輻射能量密度，10. 為波長(zhǎng)在v33 1exp hv 8khvcT量密度。已知，試求。vb C，通過全微分進(jìn)行 計(jì)算。解答：由11如果激光器和微波器分別在入 =10卩

6、m，入=500nm 和v=3000MHz 輸岀 瓦的連續(xù)功率，問每秒鐘從激光上能級(jí)向下能級(jí)躍遷的粒子數(shù)分別是多少? hCN PNhv P 解答：，1 n W nh1 由能量守恒可得： _ h8c 10313 10 3 時(shí)，當(dāng)=10um 16 10101. 1119105.03 n _ 11334 10310h 6.62618C103 14106 =500nm 時(shí)， 當(dāng) 29 10 5002111810 n 2.51 21434 10 10 h66.626 21123 10 n 5.02 =3000M 時(shí)當(dāng) 934 10 10 h36.626和n）,相應(yīng)的頻率為v （波長(zhǎng)為入），各能級(jí) 上的粒子

7、數(shù)為和 E （g=g12 設(shè)一對(duì)激光能級(jí)為 E22211。求n1 ? /n=1 ）當(dāng)v=3000MHz , T=300K 時(shí)，n （12 ? /n=2 ）當(dāng)入=1 卩m , T=300K 時(shí)，n （12 ?。溫度 T=3 ）當(dāng)入=1 卩m , n/n=0.1 （12 EE hgn 4TkkT10 4.8 220.99 e e e 解答：（1）BB_ _ gnhee gnc Tk 22e ct （得，代入 2 ）由可求岀 B_ _gn11 ee hhcgn- TkkTk21 22 10ee1.45 e , gnhee gn h , Tk22e ln0.1（3）=0.1 gnTkuB h3K10

8、T 6.25 0.1klnB 1A。13 試證明，由于自發(fā)輻 射，原子在E能級(jí)的平均壽命21s2dn 21）（為平均壽命，可理解為躍遷的時(shí)間，為單位時(shí)間內(nèi)自 發(fā)躍遷的原子數(shù)，證明： spsdtdn 21 n（） s2sp故dtdn1 21 1/AA ）（由，代入 上式，即可證得, 21sp21ndt2 WWw0VRz00z00是和f由于。，表示f試以是共焦 腔光束特性的重要參數(shù)， f焦距14 WW0VzRzO00 一對(duì)應(yīng)的，因而也可以用作為表征共焦腔高斯光束的參數(shù)，試以表示f、，。 f W0解答： 2 z 1 zww W 0f 2 fzf zzR zfz 21 。式證明該腔為穩(wěn)定腔；并求岀它的

9、等價(jià)共焦腔的，R=-1m 丄=0.8mR15今有一球面腔，=1.5m 參數(shù)。解答：L g IR11L g IR22 1 0 gg2i為腔參數(shù)。，求岀 穩(wěn)定強(qiáng)條件：g和g 2 WW0的大小及波前曲率和1000m 遠(yuǎn) 處的光斑=1.2mm ，求與束腰相距 0.3m , 10m某高斯光束16 半徑R解答：f w0 2 z wzw1 w 0f 2 fzf fz Rz _ _ fzz 0.30.3322 1.5mm(0.3)1( )1.2101 ) 1010232 mm(1 () 1.2 10 301 (10) 。0.4, 100010002 mm1(1000) 1 () 1.2 10 3OOOoO.4

10、f22O.4fO.83 z 0.3 R 01O.3z。 220.4f10.01610 R zon1Oo220.4fR z 1000 1000 O3z100020.試確定下列各組光 波表示式所代表的偏振態(tài): t kz)E EcosE Esin(t kz), (1)屈 /4)kz( t t kz),E EcosE Ecos( (2) 0yxO t kzEcos()t kz),EEEsin( 3)oyxo。解題過程如下：思路分析：判斷偏振光的狀態(tài), 應(yīng)看相位差 t kzcos()/2),E sin(t kz) EcosEt kz E E ( 1) 解: oyoox /2) ( t (kzt kz 2

11、)/ 為圓偏振光 /4)kz( t Ecos( t kz),EEcosE )(2 00 xy/ 4t kz kz/4) ( ()t 為右旋橢圓偏振光 /2) kz Ecos( sin(E Ett kz) (3)0 x0 )kz( t cos(kzt) Ecos E E oyo 3kz ( (t kz /2) )t _ 2為圓偏振光 dn 1101.26，求光波在1.21已知冕牌玻 璃對(duì)0.3988um 波長(zhǎng)光的折射率為 n=1.52546 ,d該玻璃中的相速度和群速度。. dnc)v vv (1、群速度，代入求解。解題過程如下：思路分析：相速度 _ g dnn8103 C8v 1.97 10

12、解： _ n1.525468 6 100.3988cdn dn3 105810 ) ( 1.26 101.9 v(1 ) (1 ) 1 v g 1.525461.52546nnndd 第二章 1. 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。 答：對(duì)某些特定的波長(zhǎng)，大氣呈現(xiàn)岀極為強(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(gè)區(qū)段， 將透過率較高的波段稱為大氣窗口。位于大氣窗口內(nèi) 的光輻射對(duì)大氣分子的吸收幾乎免疫， 所以衰減因素主要是大氣分子的散射、大氣氣溶膠的衰減 和大氣湍流效應(yīng)。 2. 何為大氣湍流效應(yīng)，大氣湍流對(duì)光束的傳播產(chǎn)生哪些影響？

13、 答：是一種無規(guī)則的漩渦流動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡十分復(fù)雜，既有橫向運(yùn)動(dòng)，又有縱向運(yùn)動(dòng)， 空間每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)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，岀現(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(dòng))、光束彌散畸變以及空間相干性退化等現(xiàn)象，統(tǒng)稱為大氣湍流效應(yīng)。 3 對(duì)于3m晶體LiNbO3，試求外場(chǎng)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(這里只求外場(chǎng)加在x方向上) 解:鈮酸鋰晶體是負(fù)單軸晶體，即n=n=n 、n = n。它所屬的三方晶系3m點(diǎn)群電光系數(shù)有四e xyz0 個(gè)，即Y、Y、Y、Y。電光

14、系數(shù)矩陣為：ms 0 13220 13220033由此可得鈮酸鋰晶 體在外加電場(chǎng)后的折射率橢球方程為: ij 0 51005100 22111 222 Exy2 1 Exz) ( E)z 2( EEE)x ( E yzE)y_ 22y15z22y132251xzz33zx22n nn eOO（ 1 ） 0=0,E=Ey軸加壓，z軸方向通光，即有切割，沿通常情況下，鈮酸鋰晶體采用 45 - zx軸或平x,y 要發(fā)生旋轉(zhuǎn)，上式變?yōu)椋篍O。晶體主軸且x222zxy Exy2 21Exz（2） xx2251222nnnzxy E 1 ,且光傳播方向平行于 Z軸，故對(duì)應(yīng)項(xiàng)可為零。將坐標(biāo)軸繞Z因軸旋轉(zhuǎn) 角

15、度a得到新x51坐標(biāo)軸，使橢圓方程不含交叉項(xiàng)，新坐標(biāo)軸取為 xsin cosx，z=z（ 3）ycosysin 。45 消除交 叉項(xiàng)，得新坐標(biāo)軸下的橢球方程為：式，取2將上式代入. 2 11z221 x y EE 4）（ X22X22222nnn 00e 方向上）上 的主折射率變成：（仍在zzx、y、可求岀三個(gè)感應(yīng)主軸 13 nEnn _ oxxo213 E nn n 5）（ x2200y2 nn ez軸的方向和長(zhǎng)度基本z可見，在X方向電場(chǎng)作用 下，鈮酸鋰晶體變?yōu)殡p軸晶體，其折射率橢球軸旋轉(zhuǎn)了y相對(duì)原來的x y截面由半徑為n變?yōu)?橢圓，橢圓的長(zhǎng)短軸方向x保持不變，而x,y 00成線性關(guān)系。的大

16、小與外加電場(chǎng)E45，轉(zhuǎn)角的大 小與外加電場(chǎng)的大小無關(guān)，而橢圓的長(zhǎng)度n，nxxy 1，兩）的晶體后，由于晶體的橫向電光效應(yīng)（當(dāng) 光沿晶體光軸z方向傳播時(shí)，經(jīng)過長(zhǎng)度為x-z個(gè)正交的偏振分量將產(chǎn)生位相差： 223 ln E（n n） I ）（ 6xyx22o dd EV 方向兩端面間的電壓。 通過晶體使為加在晶體x若為晶體在x方向的橫向尺寸，XX VV表示。由上式/2 ）所需的電壓 光波兩分量產(chǎn)生相位差，以（光程差，稱為“半波電壓”X x-z ）方式運(yùn)用時(shí)的半波電壓表示式： 可得岀鈮酸鋰晶體在以（ d V 7）（3 In2 220）式可 以看岀，鈮酸鋰晶體橫向電光效應(yīng)產(chǎn)生的位相差不僅與外加電壓稱正比

17、，還與由（7ddii有較大 值，即晶體有關(guān)系。因此，實(shí)際運(yùn)用中，為了減小外加電壓，通常使晶體長(zhǎng)度比/通常被加工 成細(xì)長(zhǎng)的扁長(zhǎng)方體。方向，證明縱向運(yùn)用時(shí)的相位延遲為z晶體，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，電場(chǎng)沿454 一塊 度-z切割的GaAs 23 rEL n41解：GaAs晶體為各向同性晶體，其電光張量為: 000 000 000 (1 )63 00 410041004吃軸加電場(chǎng)時(shí)，E =E, E=E=0。晶體折射率橢球方程為: 淬222zxy Exy2 1 (2) 41222nnn經(jīng)坐標(biāo)變換，坐標(biāo)軸繞 z軸旋轉(zhuǎn)45度后得新坐標(biāo)軸，方程變?yōu)? 211z22 y E x E1 （3） 4141222n nn方向上）

18、上的 222 fnvnssL L由公式計(jì)算，得到 13 En n n_ 41x213 E nn n （4）_ 41y2n nz縱向應(yīng)用時(shí), 主折射率變成： z （仍在z、y、x可求岀三個(gè)感應(yīng)主軸. 223 ELn n ) L (n 經(jīng)過長(zhǎng)度為l的晶體后，兩個(gè)正交的偏振分量將產(chǎn)生位相差: （5） _ 41yx 5.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？ EE）時(shí)，所需要、的光程差為半個(gè)波長(zhǎng)（相應(yīng)的相位差為答：當(dāng)光波的兩個(gè)垂直分量xyVV表 示。，通常以 或加的電壓，稱為“半波電壓”_ 2 V 3 n 2630半波電壓是表征電光 晶體的一個(gè)重要的參數(shù)，這個(gè)電壓越小越好，特別是在寬

19、頻帶高頻率的情況下，半波電壓越小， 需要的調(diào)制功率越小。晶體的半波電壓是波長(zhǎng)的函數(shù)。 n有關(guān)。 和由上式可知，半波電壓還跟636 .在電光晶體的縱向應(yīng)用中，如果光波偏離z軸一 個(gè)遠(yuǎn)小于1的角度傳播，證明由于自然雙 2 nL20 n1折射引起的相位延遲為 式中 L 為晶體長(zhǎng)度。 02c2n e 222n1sincos120 11 n n 解：，得 0e2222 2nnnneeeo自然雙折射弓|起的相位延遲： 2 nL2 2 0 1 n n nL 00e2 c2n evn f =0.6328 m，試估算發(fā)生 拉曼若取-=616m/s , =2.35納斯衍射所允許的 =10MHz7.sL=? 最大晶

20、體長(zhǎng)度max 2 ns LL 0 4計(jì)算。 解：由公式0 o44。0 22212fnv10100 616 2.35ss L=3.523mmmax6 44 0.6328 1008 利用應(yīng)變 S與聲強(qiáng) I 的關(guān)系，證 明一級(jí)衍射光強(qiáng)I與入射光強(qiáng)I為比之01s 262 InPL11 1|22 J _ _ s2COS2L 1 4100s(近似取 ) V22)vj(lcos() I解答：_ 0i02v22)vJ(sin() II 11i2122v v)J(由：_ 1412V IIII ，一 i1i04 121 1221)nL ( v _ _ _ 44lo13n PS n 由_ 2 I12 1 32221

21、)PS( n ()L 得_ 242212s S 代入得 將 2 vs26 InL1P21 ()I _ _ s2 vI2so3 m0.6238 m/s5.97 10 v,9 考慮熔巖 石英中的聲光布喇格衍射，若取，n=1.46 0s MHz 100f。，計(jì)算布喇格角sb sin求解，過程 如下：思路分析：根據(jù)公式 Bn2sv s解：_ sfssinf代入公 式得： sb 2nnv2ss 0.00363sin代入數(shù)據(jù)得：b 0.00363由于 很小， 故可近似為：BBLDN =250匝導(dǎo)線，通有電，直徑=1cm 一束線偏振光經(jīng)過長(zhǎng)10.的實(shí)心玻璃， 玻璃外繞=25cm -5IV 。，試計(jì)算光的旋轉(zhuǎn)

22、角T /cm)( 10 =0.25。取韋爾德常數(shù)為 =5A 流. NI HVH LVNI =0.3125、解：由公式和計(jì)算，得到L11 .概括光纖弱導(dǎo)條件的意義。 答：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(shí)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。 14 .光纖色散、帶寬和脈沖展寬之間有什么關(guān)系？對(duì)光纖傳輸容量產(chǎn)生什么影響？ (P802.5.32) 答：光纖的色散會(huì)使脈沖信號(hào)展寬，即限制了光纖的帶寬或傳輸容量。一般說來，單模光纖的 帶

23、寬?？捎孟率奖硎?。3dB對(duì)應(yīng)的頻率，故也稱為3dB。由于它是光功率下降 (B)的帶寬 SLd即由于各傳輸模經(jīng)歷的光程不同而引起的脈沖展寬與色散有下列關(guān)系: 脈沖展寬。單模光纖色散的起因有下列三種: 材料色散、波導(dǎo)色散和折射率分布色散。近似為高 斯型，如圖光脈沖展寬與光纖帶寬有一定關(guān)系。 實(shí)驗(yàn)表明光纖的頻率響應(yīng)特性H(f) 2-23所示。 f 顯。然有率fc是半功點(diǎn)頻率 P(f)c f) 10log3dBH10log(. cP(O)因此, 設(shè)置最好？若旋轉(zhuǎn)波片，它所提供的直流偏置有何變化？/4EE xy/2的固定相位差。和成45 fc稱為光纖的3dB光帶寬。 光纖的色散和帶寬對(duì)通信容量的影響：

24、光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性。其中色散 特性是在時(shí)域中的表現(xiàn)形式， 即光脈沖經(jīng)過光纖傳輸后脈沖在時(shí)間坐標(biāo)軸上展寬了多少； 而帶寬 特性是在頻域中的表現(xiàn)形式， 在頻域中對(duì)于調(diào)制信號(hào)而言， 光纖可以看作是一個(gè)低通濾波器， 當(dāng) 調(diào)制信號(hào)的高頻分量通過光纖時(shí)，就會(huì)受到嚴(yán)重衰減，如圖所示。 通常把調(diào)制信號(hào)經(jīng)過光纖傳播后，光功率下降一半 (即3dB)時(shí)的頻率(fc)的大小，定義為光纖 光 fPc光=一 3dB oig (3.33) 1 0P 光 光功率總是要用光電子器件來檢測(cè)，而光檢測(cè)器輸岀的電流正比于被檢測(cè)的光功率，于是: ffPIPf ccc光電電 =10lg6dBlg 20 (3. 20l

25、g34)0PIP00 光電電 6dB從上式中可以看岀，3dB光帶寬對(duì)應(yīng)于電帶寬。15.光波水下傳輸有那些特殊問題？答： 主要是設(shè)法克服這種后向散射的影響。措施如下：適當(dāng)?shù)剡x擇濾光片和檢偏器，以分辨無規(guī) 則偏振的后向散射和有規(guī)則偏振的目標(biāo)反射。盡可能的分開發(fā)射光源和接收器。所示的距離 選通技術(shù)。當(dāng)光源發(fā)射的光脈沖朝向目標(biāo)傳播時(shí)，接收器的快門采用如圖2-28當(dāng)水下目標(biāo)反 射的光脈沖信號(hào)返回到關(guān)閉，這時(shí)朝向接收器的連續(xù)后向散射光便無法進(jìn)入接收器。這樣就能有 效的克服水下后向散射的接收器時(shí)，接收器的快門突然打開并記錄接收到的目標(biāo)信息。影響。第 三章n。試求此時(shí)1. 一縱向運(yùn)用的 KDP1000kHz=

26、2.5，工作頻率為電光調(diào)制器，長(zhǎng)為2cm， 折射率光在晶體中的渡越時(shí)間及引起的相位延遲。ncn 解：1108Cn1O3 8 01O 1.2 1n2.510.02 1010 1.67d =0.167 nS 1 nLc /渡越時(shí)間為：=d相位延遲因子： i eac1 dmt ti e( E(t)dt) (t) m0 in tddm 波片，波片的的軸向如何 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(gè)/42. X若旋轉(zhuǎn)波片，出射光的光強(qiáng)會(huì)變小, 角，從而使兩個(gè)分量之間產(chǎn)生答：其快慢軸與晶體的主軸 故應(yīng)加大其直流偏壓。 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)

27、，電路并聯(lián)) 成縱向串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，為了使 4塊晶體的光電效應(yīng)逐塊疊加，各晶體的 x軸和y軸應(yīng)如何取向？ 并計(jì)算其半波電壓。 y和Z90 排列，即一塊晶體的軸分別應(yīng)使 4塊晶體成縱向排列，且相鄰晶體的光軸應(yīng)互成y軸 平行，這樣排列后第一塊和第三塊晶體的光軸平行，第二塊和第四塊晶與另一塊晶體的 z和體的 光軸平行。 經(jīng)過第一塊晶體后，亮光束的相位差 123 E) nnL n( _z6301xze0 2 經(jīng)過第二塊后，其相位差 123 L(n n n)E zzeOx6302 2 于是，通過兩塊晶體之后的相位差為 L23 n V 一 21630 d由于第 -塊和第三塊晶體的光軸平行，第二塊和第四塊晶 體

28、的光軸平行，故總的相位差為L(zhǎng)43V ) 2 n 2( 63201 d d) (V _ 3 L4n630如果一個(gè)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？ 4 解答：不能得到強(qiáng)度調(diào)制。因?yàn)樽匀还馄穹较蚴侨我獾?。自然光通過電光調(diào)制器后，不能形 成固定相位差。，聲光相互作用長(zhǎng)度 L=1.8mmP5 一個(gè)PbMoO 聲光調(diào)制器，對(duì) He-Ne激光 進(jìn)行調(diào)制。已知聲功率 =1W，s45聲光調(diào)制器的布喇格衍射效 率？，M10=36.3s/kg ，試求PbMoO 換能器寬度 H=0.8mm42解答： I LL12 P sinMss2HI 2 。 %計(jì)算可得71.1 一個(gè)駐波超聲場(chǎng)

29、會(huì)對(duì)布喇格衍射光場(chǎng)產(chǎn)生什么影響？給岀造成的頻移和衍射 方向。6 kk k ?新的光子沿著光的散射方向傳播。根據(jù)動(dòng)量守恒和能量守恒定律：解答: isd kk k，即（動(dòng)量守恒）isd（能量守恒）ids （能量守 恒）一一衍射級(jí)相對(duì)于入射光發(fā)生頻率移動(dòng)，根據(jù)光波矢量的定義，可以用矢量圖來表示上述關(guān) 系，如圖所示 222 k k 為聲波矢量，圖中為入射光波矢量。 is cis 2 c 2 fk為衍射光波矢量。sd d 1310 ff u在 10Hz以上，所以衍射光的頻率偏移可 以忽略不計(jì)。，在因?yàn)?0Hz以下，ss貝y idsi sinkk 2 在上面的等腰三角形中 Bis i sin布拉格條件：b

30、 2s和書中推導(dǎo)的布拉格條件相同。入射光的布拉格角 只由光波長(zhǎng)，聲波長(zhǎng)決定。 -153 HnM =0.5mm。10，s用PbMoO 晶體做成一個(gè)聲光掃描器，取換能器寬度=2.48， /kg=37.757. 245 fvd =0.5 m。=0.85cm ，聲速光波長(zhǎng) =3.99 10cm/s，光束寬度聲波沿光軸方 向傳播，聲頻 =150MHz，證明此掃描器只能產(chǎn)生正常布喇格衍射； P率應(yīng)為多大？的衍射效率，聲功 為獲得100% sf=125MHz ，衍射效率降低多少？ 若 布喇格帶寬 N。求可分辨點(diǎn)數(shù) 2 ns LL o 4由公式解：-納斯衍射。證明不是拉曼 022 cos? cosH b| b

31、P HLI s2sSLM2LM2,，答 案功率為0.195W 22 f sBn v2f ,?率=125MHz ，衍射效降低多寬 若布喇格帶 少 s722 P2Pns f2f s3 Hvcos sB f s N)( R N R v用公式和計(jì)算。答案 :148。s 第四 早 1比較光子探測(cè)器和光熱探測(cè)器在作用機(jī)理、性能及應(yīng)用特點(diǎn)等方面的差異。 答：光子效應(yīng)是指單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。探測(cè)器吸收光子 后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小， 直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)改變 hh是光波頻率，所以，光子效應(yīng)就對(duì)光波頻率是普朗克常數(shù)的大小。因?yàn)?，光子能量是?表

32、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(cè)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?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量，引起探測(cè)元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測(cè)h 的大小沒有直接關(guān)系。 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 原則上，光熱效應(yīng)對(duì)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(duì)紅外線輻射的探測(cè)。因?yàn)闇囟壬呤菬岱e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

33、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。 2總結(jié)選用光電探測(cè)器的一般原則。 答:用于測(cè)光的光源光譜特性必須與光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)特性匹配；考慮時(shí)間響應(yīng)特性；考慮 光電探測(cè)器的線性特性等。 V0.55u 22 光電流510mm，在1000W/m4 已知Si光電池光 敏面積為光照下，開路電壓，mA12i . 2 ) W/m 光照下，保證線性電壓輸岀的負(fù)載電阻和電壓變化值；(1)在(200700)如果取反 偏壓V=0.3V，求負(fù)載電阻和電壓變化值；(2 )如果希望輸岀電壓變化量為0.5V，怎么辦？ (3PP6In u 2.Ui0.u6R ocloco

34、c,)( 1解答：(2)在上面計(jì)算公式中，減去一個(gè) 反偏電壓再計(jì)算。 (3 )增大負(fù)載電阻和擴(kuò)大光照變化范圍。 5如果Si光電二極管靈敏度為 10uA/uW ，結(jié)電容為10pF，光照功率為5uW 時(shí)，拐點(diǎn)電壓為 10V，偏WtP2tCOS 5，試求：，光照信號(hào)功率壓 40V (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。 解答： 610 5 10i 6g 10 51)( u10gu SPu 0 W 時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓) 為光照功率 5(uugu SPugu uSP ugu uSP0uSP uSP 0u5 u 14Vu7S(P P) 2g610 G 5

35、將各參數(shù)代入公式得： p2(V)610 g 10G G pL5 10R lS(P P)S(P P)1 1 122200Gu GP G : 2 () lhmllh 22G G g22(G g)ppL2) P(SP10P 0.0001125h8Gl. 15101.59f) (3 c R2CjL i1h s 證明 4.6 。SNReNEP 思路 分析：本題是對(duì)量子效率等概念的綜合運(yùn)用。 h R證明： _ iein R _ iPthP NEPthisi nSNR i1h s 分別代入即得：原題得證。SNRNEPe第五章 5.1以表面溝道 CCD為例，簡(jiǎn)述CCD電荷存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移、輸岀的基本原理。CCD的輸

36、岀信號(hào)有 什么特點(diǎn)？ 答：構(gòu)成CCD的基本單元是 MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）電容器。正如其它電容器一樣，MOS 電容器能夠存儲(chǔ)電荷。如果MOS結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體是 P型硅，當(dāng)在金屬電極（稱為柵）上加一個(gè) 正的階梯電壓時(shí)（襯底接地），Si-SiO界面處的電勢(shì)（稱為表面勢(shì)或界面勢(shì)）發(fā)生相應(yīng)變化，附 近的P型硅2中多數(shù)載流子一一空穴被排斥，形成所謂耗盡層，如果柵電壓 V超過MOS晶體管 的開啟電壓，則g在Si-SiO界面處形成深度耗盡狀態(tài)，由于電子在那里的勢(shì)能較低，我們可以 形象化地說：半導(dǎo)體 2表面形成了電子的勢(shì)阱，可以用來存儲(chǔ)電子。當(dāng)表面存在勢(shì)阱時(shí)，如果有 信號(hào)電子（電荷）來到勢(shì)阱及其鄰近，它們

37、便可以聚集在表面。隨著電子來到勢(shì)阱中，表面勢(shì)將 降低，耗盡層將減薄，我們把這個(gè)過程描述為電子逐漸填充勢(shì)阱。勢(shì)阱中能夠容納多少個(gè)電子， 取決于勢(shì)阱的“深淺”，即表面勢(shì)的大小，而表面勢(shì)又隨柵電壓變化，柵電壓越大，勢(shì)阱越深。 如果沒有外來的信號(hào)電荷。耗盡層及其鄰近區(qū)域在一定溫度下產(chǎn)生的電子將逐漸填滿勢(shì)阱，這種 熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子電流叫作暗電流，以有別于光照下產(chǎn)生的載流子。因此，電荷耦合器件必須 工作在瞬態(tài)和深度耗盡狀態(tài)，才能存儲(chǔ)電荷。 以典型的三相 CCD為例說明CCD電荷轉(zhuǎn)移的基本原理。三相CCD是由每三個(gè)柵為一組的間隔 緊密的MOS結(jié)構(gòu)組成的陣列。每相隔兩個(gè)柵的柵電極連接到同一驅(qū)動(dòng)信號(hào)上，亦稱時(shí)

38、鐘脈沖。 三相時(shí)鐘脈沖的波形如下圖所示。在t時(shí)刻，$高電位，$、$低電位。此時(shí)$電極下的表面勢(shì)最 大, 11132勢(shì)阱最深。假設(shè)此時(shí)已有信號(hào)電荷（電子）注入，則電荷就被存儲(chǔ)在$電極下的勢(shì)阱中。 t時(shí)刻，21 $、$為高電位，$為低電位，則$、$下的兩個(gè)勢(shì)阱的空阱深度相同，但因$下面存儲(chǔ) 有113122電荷，則$勢(shì)阱的實(shí)際深度比$電極下面的勢(shì)阱淺，$下面的電荷將向$下轉(zhuǎn)移，直到兩個(gè) 勢(shì)2211阱中具有同樣多的電荷。 t時(shí)刻，0仍為高電位，0仍為低電位，而由高到低轉(zhuǎn)變。此時(shí) 13321下的勢(shì)阱逐漸變淺，使0下的剩余電荷繼續(xù)向0下的勢(shì)阱中轉(zhuǎn)移 t時(shí)刻，0為高電位，0、14122 0為低電位，0下面的

39、勢(shì)阱最深，信號(hào)電荷都被轉(zhuǎn)移到0下面的勢(shì)阱中，這與 t時(shí)刻的情況相1232 似，但電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)電極的位置。當(dāng)經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期 T后，電荷包將向右轉(zhuǎn)移三個(gè) 電極位置，即一個(gè)柵周期（也稱一位）。因此，時(shí)鐘的周期變化，就可使 CCD中的電荷包在電 極下被轉(zhuǎn)移到輸出端，其工作過程從效果上看類似于數(shù)字電路中的移位寄存 tttt 0 4213 0 11 0 2 0 3 0 2t 013七2七3七4 電荷輸出結(jié)構(gòu)有多種形式，如“電流輸出”結(jié)構(gòu)、“浮置擴(kuò)散輸出”結(jié)構(gòu)及“浮置柵輸出” 結(jié)構(gòu)。其中“浮置擴(kuò)散輸岀”結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣泛， 。輸岀結(jié)構(gòu)包括輸岀柵 OG、浮置擴(kuò)散區(qū)FD、復(fù) 位柵R、復(fù)位漏RD以及輸岀場(chǎng)效

40、應(yīng)管 T等。所謂“浮置擴(kuò)散”是指在 P型硅襯底表面用 V族 雜質(zhì)擴(kuò)散形成+小塊的n區(qū)域，當(dāng)擴(kuò)散區(qū)不被偏置，即處于浮置狀態(tài)工作時(shí)， 稱作“浮置擴(kuò)散區(qū)”。 3OG 電荷包的輸岀過程如下：V為一定值的正電壓，在 OG電極下形成耗盡層，使0與 FD之間建 立導(dǎo)電溝道。在$為高電位期間，電荷包存儲(chǔ)在$電極下面。隨后復(fù)位柵R加正復(fù)位脈沖使 R33FD區(qū)與RD區(qū)溝通，因 V為正十幾伏的直流偏置電壓，則FD區(qū)的電荷被 RD區(qū)抽走。復(fù)位 正脈沖RD過去后FD區(qū)與RD區(qū)呈夾斷狀態(tài)，F(xiàn)D區(qū)具有一定的浮置電位。 之后，$轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢唬?$下面的33電荷包通過 OG下的溝道轉(zhuǎn)移到 FD區(qū)。此時(shí)FD區(qū)（即A點(diǎn)）的電位變化

41、量為: Qfd V A 的輸入電容、分布電容式中，Q是信號(hào)電荷包的大小， C是與FD區(qū)有關(guān)的總電容（包括輸岀管 r Tfd。等） CCD，相當(dāng)于在沒有任何增強(qiáng)手段下照度為-6 （靶面照度）時(shí)，只能依賴圖像lxCCD器件的靈敏 CCD 輸出信號(hào)的特點(diǎn)是：信號(hào)電壓是在浮置電平基礎(chǔ)上的負(fù)電壓；每個(gè)電荷包的輸出占有一定 的輸出信號(hào)進(jìn)行；在輸出信號(hào)中疊加有復(fù)位期間的高電平脈沖。據(jù)此特點(diǎn)，對(duì)CCD。的時(shí)間長(zhǎng) 度T處理時(shí)，較多地采用了取樣技術(shù)，以去除浮置電平、復(fù)位高脈沖及抑制噪聲。5.2何謂幀 時(shí)、幀速？二者之間有什么關(guān)系？ F：，單位時(shí)間完成的幀數(shù)稱為幀速 s （幀/）答：完成一幀掃 10米的目標(biāo)，若紅外

42、焦平面器件的像元大小是50卩m X50卩m，假設(shè)目標(biāo)像占4個(gè)像元，則紅外 光學(xué)系統(tǒng)的焦距應(yīng)為多少？若紅外焦平面器件是128 X128元，則該紅外成像系統(tǒng)的視場(chǎng)角是多 大？ 3 1025010 / 答：mm300f 3/fio 30. 3110 12850 水平及垂直視場(chǎng)角：0519 . 1 2 10 3600300MTF0.5,大氣的5.5 一目標(biāo)經(jīng)紅外成像系統(tǒng)成像后供人眼觀察，在某一特征頻率時(shí)，目 標(biāo)對(duì)比度為，則在這一特征頻率下，光為0.50.95，CRT的MTF為0.9，探測(cè)器的 MTF為0.5， 電路的MTF為MTF至少要多大？學(xué)系統(tǒng)的 0.5 0.9 0.5 0.95 0.5 MTF

43、0.026MTF 0.24 答：oo對(duì)各種景物 A，能否認(rèn)為紅外成像系統(tǒng)A5.6紅外成像系統(tǒng)的 NETD小于紅外成像 系統(tǒng)B的NETD ba，試簡(jiǎn)述理由。的溫度分辨能力高于紅外成像系統(tǒng)B反映的是系統(tǒng)對(duì)低頻景 物（均勻大目標(biāo)）的溫度分辨率，不能表征系統(tǒng)用于觀答：不能。NETD測(cè)較高空間頻率景物 時(shí)的溫度分辨性能。5.7試比較帶像增強(qiáng)器的 CCD器件的特點(diǎn)。和電子轟擊型CCD、薄型背 向照明CCD器件是將光圖像聚焦在像增強(qiáng)器的光電陰極上，再經(jīng)像增強(qiáng)器增強(qiáng)后耦答：帶像增 強(qiáng)器的CCD是將像增強(qiáng)器熒光屏上產(chǎn)生ICCD ）上實(shí)現(xiàn)微光攝像（簡(jiǎn)稱 ICCD ） o最好的合到電 荷耦合器件（CCD像增強(qiáng)器內(nèi)光子-電子的多次轉(zhuǎn)換過程使的可見光圖像通過光纖光錐直接耦 合到普通CCD芯片上。輸出噪聲增加，對(duì)比圖像質(zhì)量受到損失，光錐中光纖光柵干涉波紋、折 斷和耦合損失都將使 ICCD -6靶面照度下。10lx度下降及動(dòng)態(tài)范圍減小，影響成像質(zhì)量。靈敏度 最高的ICCD攝像系統(tǒng)可工作在遠(yuǎn)離多晶硅，由襯的缺陷。光從背面射入，CCD薄型、背向照 明器件克服了普通前向照明CCD在最上方只保留