光电子技术

2 谈谈对光电子技术的理解：光电子技术主要研究物质中的电子相互作用及能量相互转换的 技术，以光源激光化，传输波导化，手段电子化，现在电子学中的理论模式和电子学处理方 法光学化为特征，是一门新的综合性交叉学科。3. 光电子技术应用实例：光纤通信、光盘存储、光电显示器、光纤传感器等。4. 光的基本属性是光具有波粒二象性，光波动性的体现是光具有干涉、衍射、偏振等。5. 两束光相干的条件是频率相同、振幅方向相同、相位差恒定。最典型的干涉装置有杨氏 双缝干涉、迈克耳孙干涉仪。两束光相长干涉的条件是 =mN（m = 0,1,2,LL）6. 最早的电光源是碳弧光灯，最早的激光器是1960年美国梅曼制作的红宝石激光器。7 光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示色散和频率的关系，虚部表示物质吸收 和频率的关系。8波长入的光经过孔径D的小孔在焦距f处的衍射爱里斑半径为122 f入/D。 9光调制技术光信息系统的信号加载与控制10 光有源器件是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器 件，是光传输系统的心脏。光无源器件是指没有光电转换的器件，即只有光-光的转换。11.光谱线展宽 ,均匀展宽 :原子自发辐射产生的谱线并不是单一频率的，而是占据一 定的频谱宽度，若果这种频谱展宽是由于手激态的有限寿命引起的，则称之为均匀展 宽。特点：引起机制对于每一粒子而言都相同。任一粒子对谱线展宽的贡献一样，每 个发光粒子都以洛伦兹线型发射 .非均匀展宽 :在物理现象中，个别原子是可以区分的， 每一个原子的跃迁频率v都有少量差别，从而导致自发发射频谱反映出各个跃迁频率 增宽，称之为。 特点：粒子体系中粒子的发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分 有贡献12 激光器的基本结构包括：激光工作物质、泵浦源和光学调振腔。13 激光产生的充分条件是阈值条件和增益饱和效应，必要条件是粒子束反转分布和减少振 荡模式数。14 光波导 :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。15. 受激辐射：当原子处于激发态E2时，如果恰好有能量（这里E2 ） E1 ）的光子射 来，在入射光子的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迂到低能级 E1 上去，这 种辐射叫做受激辐射。 谱线的多普勒加宽：由于气体物质中作热运动的发光粒子所产生的 辐射的多普勒平移引起的。谱线的自然加宽：自然加宽是由于粒子存在固有的自发跃迁，从 而导致它在受激能级上寿命有限所形成的。光放大；指在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。16. 激光的特点：有四1.激光具有极好的方向性；2.单色性好；3相干性好；4.具有 极高的亮度和单色亮度。信息光电技术中所用到的激光着重单色性、高速脉冲性、方 向性、可调谐性和高能量密度等。17. 为什么二能级系统不产生激光 ：当外界激励能量作用于二级体系物质时，首先建 立自发辐射，在体系中有了初始光辐射之后，一方面物质吸收光，使 N1 减少， N2 增 加；另一方面由于物质中存在辐射过程，使 N2 减少， N1 增加，两种过程同时存在， 最终达到 N1=N2 状态，光吸收和辐射相等，二能级系统不再吸收光，达到所谓的字发 射状态，这种状态下 N1 不再继续增加；即便采用强光照射，共振吸收和受激发射以 相同的概率发生，也不能实现粒子束反转。18. 分析四能级与三能级激光器相比具有的优点 :四能级系统能级结构如图所示， 由于 E4到E3、E2到E1的无辐射跃迁概率很大，而E3到E2、E3到E1的自发跃迁概率都 很小。这样，外界激发使E1 上的粒子不断被抽送到E4,又很快转到亚稳态E3，而E2 留不住粒子，因而 E2 和 E3 都很容易形成粒子束反转，产生受激辐射，四能级结构使 粒子束反转很容易实现，激光阈值很低。19. 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。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，它可以使得粒子在 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El是基态，E2是亚稳态，E3是激发态。外界激发作用使粒子从E1能级跃 迁到E3能级。由于E3的寿命很短，因而不允许粒子停留，跃迁到 E3的粒子很快通 过非辐射迟豫过程跃迁到E2能级。由于E2能级是亚稳态，寿命较长，因而允许粒子 停留。于是，随着E1的粒子不断被抽运到E3，又很快转到E2,因而粒子在E2能级上 大量积聚起来，当把一半以上的粒子抽运到 E2，就实现了粒子数反转分布，此时若有 光子能量为hu=E2E1的入射光，则将产生光的受激辐射，发射 hu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。20. 分别简述几种常见的激光锁模实现方法。实现锁模的方法有很多，大致分为一下几类：1主动锁模，是一种内调制锁模，通过 在腔内插入一个电光或声光调制起实现模式锁定， 要求调制频率精确地等于激光器的 纵模间隔，从而使所有参与振荡的模式相位同步的锁模技术。2被动锁模，类似染料 被动开关，把很薄的可饱和吸收染料盒插入自由运转的环形腔结构激光器谐振腔环路 中点，使相反方向的两个脉冲精确同步地到达吸收体， 发生碰撞，产生相干叠加效应， 从而获得有效锁模的碰撞锁模方式。3.自锁模，这是一种通过增益调制来实现锁模的 方法。用一台锁模激光器的序列脉冲输出泵浦另一台激光器，在两个激光器光腔长度 相等的情况下，激光器的增益收到调制，在最大增益时形成一个脉冲更窄的序列脉冲 输出，这就是自锁模技术，或称同步锁模技术。21. 激光选模技术分哪几类？ 采取某些手段限制参与振荡的模式数目， 有关技术称为 激光选模技术，一般分为四类：一是激光谱线选择，二是激光偏振选择，第三类时压 缩振荡激光束的发散角、从而改善其方向性的横模选择技术，第四类是用于限制振荡 激光频数目的纵模选择技术。22. 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）和外层的包层（折射率）两同心圆形的双层结构组 成，且n1n2。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n 2k B nlk.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n2k0 = B。辐射模在纤芯和包层中均为传输场，其存在条件是B n2k0。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。23. 试简单分析光纤通信与其他通信方式相比的优点和特点， 并分析玻璃光纤的色散 与吸收损耗，说明光纤通信使用的波长范围和使用的光源。光纤通信的光源具有比通常通讯用无线电波高得多的频率， 因而能传递的信息容量是无线电波的104倍；相干性好，因而易于信息加载；方向性强、发散角小，因而 能传输较远的距离。光波导与光纤的损耗不断减小，为光信息传输提供了优良的传输 介质，光传输还有易于保密、传输速度快等许多优点。光纤损耗分为吸收损耗，散射 损耗和辐射损耗。吸收损耗当光波通过任何透明物质时，都要使组成这种物质的分子 中不同振动状态之间和电子的能级之间发生跃迁。在发生这种能级跃迁时，物质吸收 入射光的能量（其中一部分转换成热能储存在物质内）引起光的损耗。包括本征吸收 损耗、杂质吸收损耗和原子缺陷损耗 3 种。24. 光外调制典型方式 :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。25. 双折射现象？如何确定单轴与双轴晶体的光轴？ 所谓双折射现象是指光在各向异 性介电晶体中传播时，分为两束偏折方向不同的光，向两个方向折射。确定晶体的光 轴可由波氏面确定，波氏面由两层曲面组成。两层曲面通常有四个公共点，通过原点 和这些公共点连线方向传播的两个波有相同的相速度，这些方向就是光轴的方向。26. 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 .27. 声光调制,类型,判据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，从而对入射的光 波产生调制，这种调制称为声光调制。按照超声波频率的高低和光波相对声场的入射 角度及两者相互作用的长度，将声光衍射分为拉曼奈斯衍射和布拉格衍射两类。拉 曼一奈斯衍射与布拉格衍射的判断依据用声光相互作用特征长度来L。表示Lo=A2/y;拉曼一奈斯衍射：L=0.5Lo ；布拉格衍射：L=2Lo;过渡区0.5Lo W L W 2Lo。28. 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。光热效应中典 型的有温差电效应和热释电效应。 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。29. 总结选用光探测器的一般原则。光电探测的一大特点是选择性好，另一方面，光电材料对入射光子的响应几乎是瞬间 完成（微秒以至纳秒量级），因此光电探测器的另一特点就是响应速度快。热探测基 本属于无选择性的探测，另一方面热效应具有积累的特性，与探测器件的热容量及散 热的快慢都有关。一般说来，光电探测方式由于其相对于热探测器的优越性（选择性 高、响应快）而用途更广，但热探测器在某些领域的作用是光电探测器无法取代的。30. 比较直接探测和外差探测技术的应用特点。直接探测法能检测光强及光强的变化，是非相干辐射的惟一探测方法，而对相干辐射 进行直接探测具有简单、方便、室温运转等优点，但它不能反映光载波频率及相位的 变化，因而探测灵敏度低，信噪比差。外差探测法中的高质量本振光束不仅给信号光 束提供了转换增益，还可以消除背景噪声和暗电流的影响，大大提高探测灵敏度，达 到近乎理想量子极限，它不仅可以探测光强调制信号，还可用于频率或相位调制波的 探测，但外差探测系统复杂，对信号光与本振光要求均很高，技术难度大，成本高。 光电探测器除了具有解调光功率包络变化的功能外，只要光谱响应匹配，就可以实现 外差探测。31. 说明内光电效应和外光电效应的差别。 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 主要包括光阴极直接向外部放出电子的现象，典型的例子是物质表面的光电发射；内 光电效应指发生在物质内部的光电转换现象，特别是半导体内部载流子产生效应，主 要包括光电导效应与光伏效应。概括起来就是： （1）内光电效应发生在物质内部，外 光电效应发生在物质表面； （2）内光电效应主要体现为载流子的产生效应，外光电效 应主要体现为表面电子发射现象； （3）内光电效应中的红限与半导体禁带宽度成反比， 而外光电效应中的红限与表面逸出功成反比。32. 什么是三基色原理？彩色重现是什么含义？ 三基色原理指自然界中客观存在的任一种颜色均可以表示为三个确定的相互独立的 基色的线性组合。实用上常选择红（R）、绿（6）、蓝（B）作为三基色。将三基色按 一定比例混和调配，就可模拟各种显示颜色。荧光粉与白场选定后，对图像的亮度、 色调和饱和度三参量的电信号进行色度编码， 通过矩阵电路使其何曾为发送端的编码 矩阵，并使摄像端的综合光谱相应曲线分别与显像三基色混色曲线一致，从而使输出 的三路电信号功率谱正好与显像端要求的比例关系相吻合；在接受端，用矩阵电路实 现解码，用取出的三基色图像信号控制彩色显象管的三个电子束，激发相应荧光粉发 光，即可实现彩色重现。33. 几何光学和物理光学在分析平面介质光波导中光传输时各自的出发点是是什么 几何光学分析法从介质界面观点出发得出， 光波导的基本原理是光在介质表面的全反 射。物理光学分析是从麦克斯韦方程出发，分析电磁波在三层波导中的分布情况，从 而得出光波导传输情况的方法34. 简述液晶的种类和特点？用什么发法来判断液晶的纯度？ 根据分子的不同，可将常见液晶分为向列型、胆甾型和近晶型三种。液晶是介于完全规则状态（如固态晶体）与不规则状态（如各向同性液体）之间的中 间物质。总的说来可分为热致液晶和溶致液晶。/液晶材料的结构的主要特点是：它们的分子都具有细长条状结构，分子取向与液晶表面状态和其他分子有关。当外界的 电场、磁场和温度稍有变化，分子的排列方向也随之变化， 分子的运动便会发生紊乱， 从而使光学性质发生变化。 /目前常用相变温度和熔点的测量以及测量电阻率的方法 来了检验液晶的纯度 .35. 什么是等离子体？简述等离子体的特性、分类及主要参数 。等离子体就是高度电离化的多种粒子存在的空间，其中带电粒子有电子、正离子， 不带电粒子有气体原子、分子、受激原子、亚稳原子等。 /等离子体具有如下特性：I气体高度电离。II具有很大的带电粒子浓度。III具有电振荡特性。W具有加热气体 的特性。V稳定情况下其中的电场相当弱，且电子与气体原子频繁碰撞，可看做热运 动。/根据等离子体中各种粒子的能量分布情况将等离子体分为如下两类：I等稳等离子体。II非等温等粒子体。/表征等离子体的主要参量有：I电子温度eT II电离强度III轴向电场强度W带电粒子浓度V杂乱电子流密度36. 液晶有何特点？它主要有哪些电光效应？主要有哪些应用？ 液晶显示器件主要利用液晶的电光效应和热光效应。1利用向列型液晶动态散射的显示，目前成功应用与台式电子计算机和钟表等方面。 2 胆甾型液晶螺旋距变化在显示方面的应用，具体应用实例包括电子束贮存管，像投影 等。3胆甾型液晶螺旋轴旋转在液晶显示方面的应用，可用于记忆型显示。 4宾主相互 作用在光阀方面的应用，把宾主混合物放在透明的夹层式液晶盒中，就能够用电压 开关来调制透过液晶的单色线偏转光。 5胆甾型液晶在电子照相技术方面的应用，应 用于电子照相技术中的静电潜像可见光。6胆甾型液晶的光学性质随温度变化这一 效应已被广泛应用于无损探伤、医疗显示、红外线全息术、微波全息术以及各种显示 技术。37. 光电子器件按功能分为哪几类？每类大致包括哪些器件？ 光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件。光源器件分为相干光源和非相干光源。相干光源主要包括激光和非线性光学 器件等。非相干光源包括照明光源、显示光源和信息处理用光源等。光传输器件分为 光学元件 （如棱镜、透镜、光栅、分束器等等 ）、光波导和光纤等。光控制器件包括调 制器、偏转器、光开关、光双稳器件、光路由器等。光探测器件分为光电导型探测器、 光伏型探测器、热伏型探测器、各种传感器等。光存储器件分为光盘（包括CD、VCD、DVD、LD 等）、光驱、光盘塔等。38激光器分类1气体激光器，根据气体激光工作物质的能级跃迁类型，又可将之分 为原子、离子、分子、准分子型气体激光器。原子气体激光器最常见的是 He-Ne 激光 器，输出功率较小， 能量转化效率较低氮气单色性好， 谱线宽度很窄， 频率稳定度高， 方向性好，发散角小，相干长度可达几十公里。2.液体激光器，又可分为无机液体激 光器和有机液体激光器。其中最重要的一类是染料激光器，其主要优点是：波长连续 可调、价格低、增益高、输出功率可与固体和气体激光器相比、效率较高、激光均匀 性耗、制备容易、可以循环操作、利于冷却、3.固体激光器典型的例子有Nd:YAG （掺钕的钇铝石榴石激光器）。这类激光器的最大有点是受激辐射跃迁概率大、泵浦阈值 低、容易实现连续发射，4.半导体激光器，同质结半导体激光器的激光工作物质为由 半导体材料构成的有源区：iii V族化合物，具有输入您那过量最低，效率最高，体 积最小，重量最轻，可以直接调制，结构简单，具有集成电路生产的全部优点，价格 低廉，可靠性高，寿命长。