山東大學(xué)《應(yīng)用光電I》課程考查試卷

1、山東大學(xué)應(yīng)用光電I課程考查試卷 通信三班 阿卜杜克尤木·艾力木2012011210011. 從光學(xué)的發(fā)展過程出發(fā)談?wù)勀銓獾恼J識。（10分）答：人類對光的認識經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程。從公元前5世紀起，就有記載表明人對光的特性的探索，例如光的反射、折射特性等。近代以來，光學(xué)逐漸作為一門學(xué)科被系統(tǒng)化的建立起來，并隨著人們不斷的探索和相關(guān)科學(xué)技術(shù)的推動蓬勃發(fā)展。 17世紀，英國科學(xué)家牛頓提出了光的微粒說，認為光是發(fā)光體所射出的微小粒子，所以是沿直線傳播的，微粒說雖然解釋了光沿直線傳播以及反射、折射等現(xiàn)象，但卻不能解釋如干涉、衍射和偏振等較為復(fù)雜的光現(xiàn)象。而與之抗衡的光的波動說，隨著

2、科學(xué)家不斷的研究和探索，逐步取得突破性的進展，并最終在微粒說和波動說的爭斗中取勝。波動說起先認為光是一種類似聲波、水波的機械波，解釋了光的反射、折射現(xiàn)象。托馬斯·楊通過著名的“楊氏雙縫干涉實驗”闡釋了光的干涉現(xiàn)象，菲涅爾以波動說為基礎(chǔ)解釋了衍射現(xiàn)象，進一步鞏固了波動說的地位。 19世紀，麥克斯韋進一步提出光是一種電磁波而非機械波的構(gòu)想，最終被赫茲用實驗證明，光的波動說理論得以完善并被廣泛接受。 隨著科學(xué)認知的深入，人們發(fā)現(xiàn)光的波動說不能很好的解釋黑體輻射能譜與康普頓效應(yīng)等現(xiàn)象。普朗克于1900年提出了能量子假說，認為各種頻率的電磁波只能以一定的能量子方式從振子發(fā)射

3、，能量子是不連續(xù)的，其大小只能是電磁波（或光）的頻率與普朗克常數(shù)的整數(shù)倍，即E=h。1905年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時提出光量子的概念，認為光子的能量與光的頻率成正比，并通過光電效應(yīng)實驗證實了光的粒子性，即光具有波粒二象性。 從20世紀60年代起，特別是激光問世以后，由于光學(xué)與許多科學(xué)技術(shù)精密結(jié)合、相互滲透，光學(xué)再度煥發(fā)了青春，以空前的規(guī)模和速度飛速發(fā)展，它已成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)中一塊重要的前沿陣地，同時又派生出許多嶄新的分支學(xué)科。 通過光的發(fā)展過程，我認識到光不僅具有直線傳播、反射、折射的特性，而且具有波的通性，如干涉、衍射等性質(zhì)，是一種電磁波。同時，光也具有粒

4、子性，并且粒子特性可以在很多領(lǐng)域中得到應(yīng)用，如利用光電效應(yīng)，制作的各種光電探測器已經(jīng)應(yīng)用到生活的方方面面。從光的發(fā)展過程可以看出，科學(xué)是不斷進步和發(fā)展的，科學(xué)理論也是不斷完善的，通過一步一步的對光的本性的探索，我們對光這種最普遍的自然現(xiàn)象有了更加深入的認識，并積極的加以利用，如激光技術(shù)、光纖通信等，對人類的生活質(zhì)量的提高、國防安全的提升等方面做出了舉世矚目的貢獻。如今，光學(xué)已經(jīng)和多個學(xué)科有所交叉，依舊就有強大的發(fā)展?jié)摿蛣?chuàng)造力，相信未來光將作為一個重要的領(lǐng)域持續(xù)煥發(fā)生機。2. 簡述自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射的基本原理及在激光產(chǎn)生過程中的作用。（15分）答：自發(fā)輻射：自發(fā)輻射是原子在真空場作用

5、下發(fā)生的躍遷?？臻g中即使沒有人為施加的輻射場，也會自發(fā)地存在零點場，即輻射場模n=0的真空場，在這種輻射場的作用下，原子就會自發(fā)地從上能級躍遷到下能級，同時向輻射場發(fā)射一個能量為h的光子1 。自發(fā)輻射是不受外界輻射場影響的自發(fā)過程，各個原子在自發(fā)躍遷過程中是彼此無關(guān)的，不同原子產(chǎn)生的自發(fā)輻射光在頻率、相位、偏振方向及傳播方向都有一定的任意性。受激吸收，處于低能級的原子（El），受到外來光子的激勵下，在滿足能量恰好等于低、高兩能級之差（E）時，該原子就吸收這部分能量，躍遷到高能級（Eh），即E=Eh-El。受激吸收與受激輻射是互逆的過程。受激輻射，自發(fā)輻射是在沒有任何外界作用下，激發(fā)態(tài)

6、原子自發(fā)地從高能級向低能級躍遷，同時輻射出一光子。 處于高能級上的原子，受到能量為hn= E2- E1的外來光子的激勵，由高能級受迫躍遷到低能級，同時輻射出一個與激勵光子全同的光子。稱為受激輻射。時下激光已廣泛應(yīng)用到激光焊接、激光切割、激光打孔（包括斜孔、異孔、膏藥打孔、水松紙打孔、鋼板打孔、包裝印刷打孔等）、激光淬火、激光熱處理、激光打標、玻璃內(nèi)雕、激光微調(diào)、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封裝、激光修復(fù)電路、激光布線技術(shù)、激光清洗等。3. 激光的特性有哪些？激光器由哪幾個部分構(gòu)成？各有什么作用？實現(xiàn)其穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的條件是什么？（20分）答：1、激光器構(gòu)成： 激光器由3部分構(gòu)成，

7、分別是激光工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔。 2、各部分作用： 激光工作物質(zhì)：是指用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質(zhì)體系，它們可以是固體（晶體、玻璃）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導(dǎo)體和液體等媒質(zhì)。對激光工作物質(zhì)的主要要求，是盡可能在其工作粒子的特定能級間實現(xiàn)較大程度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并使這種反轉(zhuǎn)在整個激光發(fā)射作用過程中盡可能有效地保持下去；為此，要求工作物質(zhì)具有合適的能級結(jié)構(gòu)和躍遷特性。因此應(yīng)該具有三能級或四能級結(jié)構(gòu)，使受激輻射占主導(dǎo)地位，從而實現(xiàn)光放大。泵浦源：要產(chǎn)生激光必須用外界能量來激勵工作物質(zhì)，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。泵浦源是將粒子從低能級抽運

8、到高能級態(tài)的裝置，是激光形成的外因。激光器將泵浦源產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為激光能量。 光學(xué)諧振腔：限制輸出模式，同時還對激光頻率、功率、光束發(fā)散角及相干性都有影響。主要作用有：使激光具有極好的方向性，即沿軸線方向、增強光放大作用，延長工作物質(zhì) 、使激光具有極好的單色性，使之可以用于選頻。  3、激光器穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的條件： 激光產(chǎn)生的必要條件有實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布、減少振蕩模式；充分條件為能夠起振并實現(xiàn)穩(wěn)定振蕩來形成穩(wěn)定激光。 其中利用增益飽和效應(yīng)實現(xiàn)穩(wěn)定振蕩。激光強度將隨傳播距離的增加而呈指數(shù)關(guān)系上升，但是激光強度不會無限制的增大。 當入

9、射光強度足夠弱時，增益系數(shù)與光強無關(guān)，是一個常量；而當入射光強增加到一定時，增益系數(shù)將減小，即激活介質(zhì)的增益系數(shù)  應(yīng)寫成，這種現(xiàn)象稱為增益飽和現(xiàn)象。 當外加光強出現(xiàn)時，感應(yīng)了E2->E1的受激發(fā)射和E1->E2的受激吸收，兩種躍遷的過程概率相等，由于            ，因此E2->E1粒子數(shù)大于E1->E2粒子數(shù)，其結(jié)果使新平衡反轉(zhuǎn)粒子數(shù)      

10、60;         ，E1->E2變?。挥捎?#160;     越強，造成反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的減少越嚴重，因而隨著往返振蕩，   不斷增大，使得 不斷減小，直到光所獲得的增益恰好等于激光腔內(nèi)的損耗，    就建立了穩(wěn)態(tài)的振蕩，形成穩(wěn)定的輸出。4. 什么是光電效應(yīng)？內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)的特性及對應(yīng)的應(yīng)用光電器件有哪些？（15分）答：1、光電效應(yīng)： 物質(zhì)在光的作用下

11、，不經(jīng)升溫而直接引起物質(zhì)中電子運動狀態(tài)發(fā)生變化，因而產(chǎn)生物質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光電子發(fā)射等現(xiàn)象。 2、內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)的特性：  內(nèi)光電效應(yīng): 受光照而激發(fā)的電子在物質(zhì)內(nèi)部參與導(dǎo)電，電子并不逸出光敏物質(zhì)表面，這種效應(yīng)多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。內(nèi)光電效應(yīng)具有光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、丹倍效應(yīng)和光磁電效應(yīng)等特性，同時具有對光波頻率的選擇性，響應(yīng)速度一般比較快。外光電效應(yīng): 物質(zhì)受光照后而激發(fā)的電子逸出物質(zhì)的表面，在外電場作用下形成真空中的光電子流，這種效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物。外光電效應(yīng)光電子發(fā)射的特性，具有同時具有對光波頻率的選擇性，

12、響應(yīng)速度一般比較快。 3、內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)的應(yīng)用： 內(nèi)光電效應(yīng)：光敏電阻、光電池、光電二極管、光電三極管等。 外光電效應(yīng)：光電管、光電倍增管、像增強管等。5. 光電探測器的功能是什么？常用的光電探測器有哪幾種類型，試闡述其中一種類型的光電探測器的工作原理。（20分）答：1、光電探測器的功能： 光電探測器以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，通過對載有被檢測物體信號的光輻射（發(fā)射、反射、散射、衍射、折射、透射等）進行檢測，即通過光電檢測器件接收光輻射，將被測量的量轉(zhuǎn)換成光通量,再轉(zhuǎn)換成電量，實現(xiàn)各類檢測。光電探測器在軍事和國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域有廣泛用

13、途。在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業(yè)自動控制、光度計量等；在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。 2、光電探測器的類型： 光電探測器有多種分類方式，最常用的是根據(jù)光電探測工作時所依據(jù)的各種物理效應(yīng)進行分類。所依據(jù)的物理效應(yīng)主要有：光電效應(yīng)、光熱效應(yīng)、波相互作用效應(yīng)。常用的光探測器主要有光電導(dǎo)型探測器（光敏電阻、光電管、光電二極管等）、光伏型探測器（光電池等）、熱電型探測器（熱敏電阻、熱電偶等）。 3、光敏電阻光電探測器工作原理： 光敏電阻在一塊均勻光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其他絕緣材料基板上，兩端

14、接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。當入射光子使半導(dǎo)體中的電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶時，導(dǎo)帶中的電子和價帶中的電子和價帶中的空穴均參與導(dǎo)電，其阻值急劇減小，電導(dǎo)增加。 光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對將復(fù)合，光敏電阻的阻值

15、也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到一定波長的光線照射時，電流就會隨光強的增大而變大，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也加交流電壓。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。 本征型光敏電阻：當入射光子的能量等于或大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg時，激發(fā)一個電子空穴對，在外電場的作用下，形成光電流。用于可見光波段。 雜質(zhì)型光敏電阻：對于型半導(dǎo)體，當入射光子的能量等于或大于雜質(zhì)電離能時，將施主能級上的電子激發(fā)到導(dǎo)帶而成為導(dǎo)電電子，在外電場的作用下，形成光電流。用于紅外波段。6. 試選用一種合適的光電探測器件實現(xiàn)照明燈自動控制功能，畫出電路圖，并具體闡述其工作原理。(20分)答： 光控節(jié)能路燈的設(shè)計電路中，光控觸發(fā)器電路由光電二極管S2、電阻器R1、R2，電位器R6，穩(wěn)壓二極管D1和電解電容C1以及74LS00組成，電源電路由電阻器R3、R4、R5，穩(wěn)壓二極管D2，二極管IN4007，NPN9013和3mm發(fā)光二極管以及繼電器組成。     在白天，光敏電阻器S2受光照導(dǎo)通，74LS00輸入引腳電位降低，輸出電壓低，穩(wěn)壓管的反向電流較小，9013處于截止狀態(tài)，從而發(fā)光二極