4月光電子技術(shù)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)題

1、光電子技術(shù)基礎(chǔ)-研究生課程復(fù)習(xí)提綱（2014-3-31）1激光器一般由激勵能源、諧振腔和工作物質(zhì)三個主要組成部分構(gòu)成。2光纖以SiO2為基本材料，能應(yīng)用于通信領(lǐng)域其主要原因是光纖的傳輸損耗低。3激光調(diào)制器主要有電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器、磁光調(diào)制器。4電光晶體的非線性電光效應(yīng)主要與外加電場、晶體性質(zhì)有關(guān)。5激光調(diào)制按其調(diào)制光波的參量分類，有振幅調(diào)制、相位調(diào)制、光強調(diào)制、偏振調(diào)制。6光電探測器有光電導(dǎo)探測器、光伏探測器、光磁電探測器。7CCD攝像器件的信息是靠電荷存儲。8液晶根據(jù)分子排列的不同可以分為：近晶型液晶，也稱層狀液晶；向列型液晶，也稱絲狀液晶；膽甾型液晶，也稱螺旋形液晶。9電磁波譜按照波長

2、的排列順序為：宇宙射線、射線、X射線、紫外光、可見光、紅外光、微波、無線電波、長電磁波。通常所說的光學(xué)區(qū)域(或光學(xué)頻譜)包括：紅外線、可見光和紫外線。由于光的頻率極高(10121016Hz)，數(shù)值很大，使用起來很不方便， 所以采用波長表征，光譜區(qū)域的波長范圍約從1 mm到10 nm。人們習(xí)慣上將紅外線、可見光和紫外線又細(xì)分為： 紅外線(1 mm0.76 m) ：遠(yuǎn)紅外 1 mm20 m；中紅外 20 m1.5 m；近紅外 1.5 m0.76 m。 可見光(760 nm380 nm) ：紅 色 760 nm650 nm； 橙 色 650 nm590 nm； 黃 色 590 nm570 nm；綠

3、色 570 nm490 nm；青 色 490 nm460 nm；藍(lán) 色 460 nm430 nm；紫 色 430 nm380 nm； 紫外線(380 nm10 nm) ：近紫外 380 nm300 nm；中紫外 300 nm200 nm；真空紫外 200 nm10 nm 。10光纖通信中常用的光源波長：850m； 1310m； 1550m。11激光調(diào)制器中的內(nèi)調(diào)制：加載調(diào)制信號是在激光振蕩過程中進(jìn)行的，即以調(diào)制信號去改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光輸出特性以實現(xiàn)調(diào)制。12光子效應(yīng)：單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。探測器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。

4、光子能量的大小直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。13比較光子探測器和光熱探測器在機理、性能及應(yīng)用方面的異同。光子效應(yīng)是指單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。探測器吸收光子后，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)改變的大小。光子能量是，是普朗克常數(shù), 是光波頻率，所以，光子效應(yīng)就對光波頻率表現(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\動能量，引起探測元件溫度上升,溫度上升的結(jié)果又使探測元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物

5、理性質(zhì)發(fā)生變化。所以，光熱效應(yīng)與單光子能量的大小沒有直接關(guān)系。原則上，光熱效應(yīng)對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)也就更強烈，所以廣泛用于對紅外線輻射的探測。因為溫度升高是熱積累的作用，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。14電荷耦合攝像器件的主要特性參數(shù)：轉(zhuǎn)移效率：電荷包在進(jìn)行每一次轉(zhuǎn)移中的效率；不均勻度：包括光敏元件的不均勻與CCD的不均勻；暗電流：CCD在無光注入和無電注入情況下輸出的電流信號； 靈敏度：是指在一定光譜范圍內(nèi)，單位曝光量的輸出信號電壓（電流）；光譜響應(yīng)：是指能量相對光譜響應(yīng)，最大響應(yīng)值歸一化為100%，所對應(yīng)的波長稱為

6、峰值波長，低于10%的響應(yīng)點對應(yīng)的波長稱為截止波長； 噪聲：可以歸納為散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲；分辨率：是指攝像器件對物像中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力；動態(tài)范圍和線性度：動態(tài)范圍=光敏元件滿阱信號/等效噪聲信號，線性度是指在動態(tài)范圍內(nèi)，輸出信號與曝光量的關(guān)系是否成直線關(guān)系。15比較帶像增強器的CCD、薄型背向照明CCD和電子轟擊型CCD器件的特點。帶像增強的CCD：將光圖像聚焦在像增強的光電陰極上，再經(jīng)像增強器增強后耦合到到CCD上實現(xiàn)微光攝像。薄型背向照明CCD：克服了普通前向照明CCD的缺陷，CCD的量子效率提高到90%，靈敏度高，噪聲低。電子轟擊型CCD：采用電子從“光陰極”直接射入CCD的成

7、像方法，簡化了光子被多次轉(zhuǎn)換的過程，信噪比大大提高；體積小，重量輕，可靠性高，分辨率高，對比度好。16平面簡諧光波 或 相應(yīng)的復(fù)振幅為 單色球面光波的表示式：復(fù)數(shù)形式為：復(fù)振幅為： 單色柱面光波的表示式為：復(fù)振幅為 基模(TEM00)高斯光束的表達(dá)式：復(fù)振幅為17光電三極管與普通三極管有什么不同？為什么說光電三極管比光電二極管輸出電流可以大很多？光電三極管在原理上相當(dāng)于在普通三級管的基級和集電極間并聯(lián)一個光電二極管。光電三極管的內(nèi)增益大，故可以輸出較大電流。18簡述液晶顯示器的主要特點。優(yōu)點：1低壓，微功耗； 2平板結(jié)構(gòu)； 3被動顯示型； 4顯示信息量大； 5易于彩色化； 6長壽命； 7無輻射

8、，無污染。 缺點：顯示視角??； 響應(yīng)速度慢； 非主動發(fā)光。19比較TNLCD和STNLCD的特點。TN-LCD利用扭曲向列相液晶的旋光特性，液晶分子的扭曲角為90度，電光特性曲線不夠陡峻，由于交叉效應(yīng)，在采用無源矩陣驅(qū)動時，限制了其多路驅(qū)動能力。 STN-LCD的扭曲角在180-240度范圍內(nèi)，曲線陡度的提高允許器件工作在較多的掃描行數(shù)下，利用了超扭曲和雙折射兩個效應(yīng)，是基于光學(xué)干涉的顯示器件。20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l/4波片，波片的軸向如何設(shè)置最好？若旋轉(zhuǎn)l/4波片，它所提供的直流偏置有何變化？ 其快慢軸與晶體的主軸成45°角，從而使和兩個分量之間

9、產(chǎn)生p/2的固定相位差。若旋轉(zhuǎn)l/4波片，它所提供的直流偏置，得到直流偏值隨偏振片改變而改變。21PIN光電二極管增加了一層I區(qū)，有什么優(yōu)點？1）因為I區(qū)（高阻本征半導(dǎo)體）相對于P區(qū)的高阻，在反偏的工作情況下，它承受極大部分電壓降使耗盡區(qū)增大，這樣展寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作區(qū)，使靈敏度增大。（2）又因為PIN結(jié)光電二極管的工作電壓是很高的反偏電壓，使PIN結(jié)的耗盡層加寬，減小了結(jié)電容，電場強，光生電流加速，因而大幅度減小了載流子在結(jié)內(nèi)的漂移時間，元件的響應(yīng)速度加快。22簡述光電探測器的種類及相應(yīng)的光電器件。光電子發(fā)射器件：光電管、光電倍增管；光電導(dǎo)器件：光敏電阻；光生伏特器件：雪崩光電管、光電池

10、、光電二極管、光電三極管。23發(fā)光二極管（LED）與半導(dǎo)體激光器（LD）的根本區(qū)別是什么？LED沒有諧振腔，它的發(fā)光基于自發(fā)輻射，發(fā)出的是熒光，是非相干光；LD的發(fā)光基于受激輻射，發(fā)出的是相干光（激光）。24為什么發(fā)光二極管的PN結(jié)要加正向電壓才能發(fā)光？而光電二極管要零偏或反偏才能有光生伏特效應(yīng)？p-n結(jié)在外加正向偏壓時，外加電壓削弱內(nèi)建電場，使空間電荷區(qū)變窄，載流子的擴散運動加強，構(gòu)成少數(shù)載流子的注入，從而在p-n結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價帶空穴的復(fù)合。一個電子和一個空穴的一次復(fù)合將釋放出與材料性質(zhì)有關(guān)的一定復(fù)合能量，這些能量會以熱能、光能或部分熱能和部分光能的形式輻射出來，產(chǎn)生電致發(fā)光現(xiàn)象，這

11、就是LED的發(fā)光機理。因為p-n結(jié)在外加正向偏壓時，即使沒有光照，電流也隨著電壓按指數(shù)規(guī)律增加，所以有光照時，光電效應(yīng)不明顯。p-n結(jié)必須在反向偏壓的狀態(tài)下，才有明顯的光電效應(yīng)產(chǎn)生，這是因為p-n結(jié)在反偏電壓下產(chǎn)生的是反向飽和電流，所以光照增加時，在p-n結(jié)及其附近產(chǎn)生光生載流子(少子)，得到的光生電流就會明顯增加。25受激輻射：原子中的電子處于高能級時,若有外來光子，其能量為高能級與低能級的能量差，則原子中處于高能級的電子將會在外來光子的誘發(fā)下躍遷至低能級，發(fā)出與外來光子一樣特征的光子。受激輻射特點：(1)受激輻射時發(fā)出的光子與外來光子具有相同的頻率，振動方向，相位，是相干光。(2)一個外來

12、光子可以引起大量原子產(chǎn)生受激輻射，產(chǎn)生光放大。(3)只有能量hn =E2 -E1 的光子才能引起原子由E2 向E1 躍遷產(chǎn)生光輻射。26負(fù)溫度是對光源中處于高能態(tài)的原子數(shù)比低能態(tài)的原子數(shù)多的狀態(tài)的表述。 光源中處于高能態(tài) E2 的原子數(shù) n2，低能態(tài) E1 的原子數(shù)目 n1，E2 > E1 且 n2 > n1。根據(jù)熱平衡態(tài)下的玻爾茲曼分布 。光源相應(yīng)的溫度： 在粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)的情況下，光源的溫度T時“負(fù)值”。事實上，溫度是不能為負(fù)值的，這里的“負(fù)溫度”上是表示原子按能級分布的狀態(tài)不是處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，而是處于非平衡狀態(tài)。27激光的縱模：從光的波動觀點看，模是指電磁波動一種類型，實

13、際上也就是存在于空腔中各種不同頻率的駐波；從光的粒子觀點看，模是代表了可以相互區(qū)分的光子態(tài)。設(shè)諧振腔腔長為 l，頻率為 ，相位條件可以寫成：，m為整數(shù)。不同的 m對應(yīng)于不同的光波頻率。這種沿同一個方向傳播，按光的頻率來區(qū)分的光子態(tài)稱為縱模。每一個 m，對應(yīng)于一個縱模。激光的橫模：激光光束除縱模外，還有按輻射傳播方向區(qū)分的光子態(tài)，稱為橫模。從波動觀點來看，在垂直于光束傳播方向的橫截面上，每一種穩(wěn)定存在的電磁場分布形式稱為一種橫模，用符號 TEMmn 表示。28泡克爾斯(Pockels)效應(yīng) 與 克爾(Kerr)效應(yīng) 當(dāng)外加電場沿著某一介電主軸作用于晶體 ，定義D(E)的斜率為加電場后的介電常數(shù)：

14、 ，取二階近似，n的變化與外加電場的一次方成正比，稱為線性電光效應(yīng)或泡克爾斯(Pockels)效應(yīng)；線性電光效應(yīng)(一次電光效應(yīng))n與外加電場平方成正比，稱為二次電光效應(yīng)或克爾(Kerr)效應(yīng)；二次電光效應(yīng)29試簡述光學(xué)克爾效應(yīng)、克爾電光效應(yīng)?？藸柦橘|(zhì)總折射率與光強成正比：，試推導(dǎo)出的表達(dá)式。答：光學(xué)克爾效應(yīng)是指光場直接引起非線性介質(zhì)折射率變化的效應(yīng)，其折射率變化（即非線性折射率）的大小與光電場的平方（光強）成正比?？藸栃?yīng)是三階非線性效應(yīng)。光學(xué)克爾效應(yīng)與克爾電光效應(yīng)不同?？藸栯姽庑?yīng)是線偏振光通過加有電場的透明介質(zhì)（如玻璃）變?yōu)闄E圓偏振光的現(xiàn)象。電場在介質(zhì)中感生雙折射，使各向同性介質(zhì)變成各向異性，在介質(zhì)中傳輸?shù)膐光、e光的折射率不同，產(chǎn)生位相差。設(shè)頻率為的強激光入射各向同性介質(zhì)，考慮一階、三階效應(yīng)（取其實部），。，線性折射率與線性介電系數(shù)的關(guān)系：，得：。，總折射率為：。非線性折射率為：，非線性折射率與光強成正比：非線性折射率系數(shù)與三階極化率的實部成正比。30. 光電探測技術(shù)就是把被調(diào)制的光信號轉(zhuǎn)換成電信號并將信息提取出來的技術(shù)。31. 磁光調(diào)制：法拉第效應(yīng)法拉第在1845年發(fā)現(xiàn)：當(dāng)一束平面偏振光通過磁場作用下的某些物質(zhì)時，其偏振面受到正比于外加磁場平行于傳播