光电子技术基础复习

选择题1、光电子技术在当今信息时代的应用主要有（ abcd）A. 信息通信B.宇宙探测2、激光器的构成一般由（ aA.激励能源、谐振腔和工作物质激光器C.军事国防D.灾害救援）组成B. 固体激光器、液体激光器和气体C. 半导体材料、金属半导体材料和PN结材料D.电子、载流子和光子3、光波在大气中传播时，引起的能量衰减与（ abcd）有关A.分子及气溶胶的吸收和散射B.空气折射率不均匀C.光波与气体分子相互作用D.空气中分子组成和含量4、2009年授予华人高锟诺贝尔物理学奖，提到光纤以SiO2为材料的主要是由于（ a ）A.传输损耗低B.可实现任何光传输C.不出现瑞利散射D.空间相干性好5、激光调制器主要有A.电光调制器（ abcB.声光调制器）C.磁光调制器D.压光调制器6、电光晶体的非线性电光效应主要与（ac）有关A.外加电场B.激光波长C.晶体性质D.晶体折射率变化量7、激光调制按其调制的性质有（ cd）A.连续调制B.脉冲调制C.相位调制D.光强调制8、光电探测器有（abc ）A.光电导探测器B.光伏探测器C.光磁电探测器D.热电探测元件9、CCD 摄像器件的信息是靠（ b）存储A.载流子B.电荷C.电子D.声子10、 LCD 显示器，可以分为（ abcd）A. TN 型B. STN 型C. TFT 型D. DSTN 型11、可见光的波长范围为（C）A. 200300nmB. 300380nm C. 380780nmD. 7801500nm12、电荷耦合器件分 （ A）A.线阵CCD和面阵CCD B.线阵CCD和点阵CCDC. 面阵 CCD 和体阵 CCD D. 体阵 CCD 和点阵 CCD填空题1、黑体是指一个物体能全部吸收投射在它上面的辐射而无反射。2、色温是指在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温 度。其并非热辐射光源本身的温度。3、声波在声光晶体中传播会引起晶体中的质点按声波规律在平衡位置振动，按 照声波频率的高低以及声波和光波作用的长度不同，声光相互作用可以分为 拉曼-纳斯衍射和布喇格衍射两种类型。4、光束调制按其调制的性质可分为调幅、调频、调相及强度调制。要实现脉 冲编码调制，必须进行三个过程：抽样、量化和编码。5、本征型光敏电阻一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测；非本 征型光敏电阻通常在低温条件下工作，常用于 中、远红外辐射探测。6、 CCD的基本功能为 电荷存储和电荷转移,CCD按结构可分为线阵CCD 和面阵CCD。7、液晶分为两大类:溶致液晶和热致液晶。作为显示技术应用的液晶都是热致液 晶。8、自发跃迁是指处于高能级的一个原子自发地向低能级跃迁，并发出一个光 子的过程。受激跃迁是指 处于高能级态的一个原子在一定的辐射场作用下 跃迁至低能级态，并辐射出一个与入射光子全同的光子的过程。9、磁光效应是指外加磁场作用引起材料光学各向异性的现象,法拉第磁光效 应的规律（1）对于给定的介质，光振动面的旋转角与样品的长度和外加的磁 感应强度成正比（2）光的传播方向反转时，法拉第旋转的左右方向互换。10、光热效应是指 探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状 态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上 升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。11、固体摄像器件主要有三大类，它们是电荷耦合器件、互补金属氧化物半 导体图像传感器、电荷注入器件。12、光波在大气中传播时，由于大气气体分子及气溶胶的吸收和散射；会引起光束的能量衰减；由于空气折射率不均匀会引起光波的振幅和相位起伏。13、常见的固体激光器有红宝石激光器、钕激光器或钛宝石激光器(写 出两种)，常见的气体激光器有 He-Ne激光器、C02激光器或Ar+激光器(写 出两种)。14、液晶是液态晶体的简称；热致液晶可以分为近晶相、向列相和胆甾相三 种。15、光是一种以光速运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有能量、动量、和质量；其静止质量为零(0)。16、激光与普通光源相比具有如下明显的特点：方向性好、单色性好、相干 性好，强度大。17、光热探测器由 热敏元件、热链回路、大热容量的散热器三部分构成, 常见的光热探测器有热敏电阻、热释电探测器(写出两种)。18、2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉 德博伊尔和乔治史密斯。高锟在有关光在纤维中的传输以用于光学通信方 面取得了突破性成就，博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件一一电荷耦合器件(CCD )图像传感器。19、CCD的工作过程就是产生 、存储、 传输 、 检测的过程。20、激光器按按工作物质分类可分为：固体激光器，液体激光器，气体激光 器和半导体激光器。21、 光纤主要由纤芯 ，包层 ， 涂覆层三部分组成判断题1、世界上第一台激光器是固体激光器。( T )2、在辐射度学中，辐射能量Q是基本的能量单位，用J(焦耳)来度量。(T )3、在声光晶体中，超声场作用像一个光学的“相位光栅”，其光栅常数等于光波波长九。(F )4、在磁光晶体中，当磁化强度较弱时，旋光率a与外加磁场强度是成正比关系。 ( T )5、为了获得线性电光调制，通过引入一个固定沢/2相位延迟，一般该调制器的电压偏置在T=50%的工作点上。(T )6、在磁光调制中的磁性膜表面用光刻方法制作一条金属蛇形线路，主要为了实现交替变化的磁场。( T )7、探测器的量子效率就是在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。( T )8、二代像增强器以纤维光学面板作为输入、输出窗三级级联耦合的像增强器。(F)9、阴极射线管的电子枪的作用是产生辉亮信号和彩色显示。( F )10、等离子体显示主要是通过电流激发气体，使其发出肉眼看不见的紫外光 碰击后面的玻璃上的红、绿、蓝三色荧光体，它们再发出我们在显示器上所 看到的可见光。 ( T )1、比较光子和光热探测器在作用机理、性能及应用特点等异同。光子效应是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。 探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大 小，直接影响内部电子状态改变的大小。光子能量是hv , h是普朗克常数，V是 光波频率，所以，光子效应就对光波频率表现出选择性，在光子直接与电子相互 作用的情况下，其响应速度一般比较快。光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起 内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件 温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。 所以，光热效应与单光子能量hv的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光 波频率没有选择性。只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈， 所以广泛用于对红外线辐射的探测。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效 应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。2、试比较带像增强器的CCD、薄型背向照明CCD和电子轰击型CCD器件的特点。 答：带像增强的CCD:将光图像聚焦在像增强的光电阴极上，再经像增强器增 强后耦合到CCD上实现微光摄像。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%，灵敏度高，噪声低。电子轰击型CCD:采用电子从“光阴极”直接射入CCD的成像方法，简化了 光子被多次转换的过程，信噪比大大提高；体积小，重量轻，可靠性高，分辨率 高，对比度好。3、试比较TN-LCD和STNLCD的特点。TN-LCD利用了扭曲向列相液晶的旋光特性，液晶分子的扭曲角为90,它的电光特性曲线不够陡峻，由于交叉效应，在采用无源矩阵驱动时，限制了其多 路驱动能力。STN-LCD的扭曲角在180240范围内，曲线陡度的提高允许器件工作在 较多的扫描行数下，利用了超扭曲和双折射两个效应，是基于光学干涉的显示器 件。STN-LCD所用的液晶材料是在特定的TN材料中添加少量手征性液晶以增加它的扭曲程度，盒厚较薄，一般5-7ym。STN-LCD的工艺流程基本上和TN-LCD类似，但由于STN-LCD是基于光干涉 效应的显示器件，对盒厚的不均匀性要求V0.05ym（TN-LCD只要求V0.5ym）,否 则就会出底色不均匀，预倾角要求达到38,电极精细，器件尺寸较大，因此 其规模生产难度较TN-LCD大许多。4、简述电荷耦合摄像器件的主要特性参数。转移效率：电荷包在进行每一次转移中的效率；不均匀度：包括光敏元件的不均匀与CCD的不均匀；暗电流：CCD在无光注入和无电注入情况下输出的电流信号； 灵敏度：是指在一定光谱范围内，单位暴光量的输出信号电压（电流）； 光谱响应：是指能量相对光谱响应，最大响应值归一化为 100%，所对应的 波长峰值波长，低于 10%的响应点对应的波长称为截止波长； 噪声：可以归纳为散粒噪声、转移噪声和热噪声；） 分辨率：是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力； 动态范围和线性度：动态范围=光敏元件满阱信号/等效噪声信号，线性度是 指在动态范围内，输出信号与暴光量的关系是否成直线关系。5、何为大气窗口，试分析光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素。 对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。光波几乎无法通过。根据 大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段 称为大气窗口。大气中 N2、O2 分子虽然含量最多（约90%），但它们在可见光和红外区几乎 不表现吸收，对远红外和微波段才呈现出很大的吸收。因此，在可见光和近红外 区，一般不考虑其吸收作用。大气中除包含上述分子外，还包含有He，Ar，Xe，O3, Ne等，这些分子在 可见光和近红外有可观的吸收谱线，但因它们在大气中的含量甚微，一般也不考 虑其吸收作用。只是在高空处，其余衰减因素都已很弱，才考虑它们吸收作用。H2O 和 CO2分子，特别是h2o分子在近红外区有宽广的振动-转动及纯振动 结构，因此是可见光和近红外区最重要的吸收分子，是晴天大气光学衰减的主要 因素。6、简述带像增强器的CCD的特点。带像增强器的CCD器件是将光图像聚焦在像增强器的光电阴极上，再经像增强 器增强后耦合到电荷耦合器件（CCD）上实现微光摄像（简称ICCD）。最好的ICCD是将像增强器荧光屏上产生的可见光图像通过光纤光锥直接耦合 到普通CCD芯片上。像增强器内光子一电子的多次转换过程使图像质量受到损 失，光锥中光纤光栅干涉波纹、折断和耦合损失都将使ICCD输出噪声增加，对 比度下降及动态范围减小，影响成像质量。灵敏度最高的ICCD摄像系统可工作 在 10-6lx 靶面照度下。7、简述激光产生的条件、激光器的组成及各组成部分的作用。 必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数。充分条件：起振阈值条件：激光在谐振腔内的增益要大于损耗。（2分） 稳定振荡条件增益饱和效应（形成稳定激光）。组成：工作物质、泵浦源、谐振腔。作用：工作物质：在这种介质中可以实现粒子数反转。 泵浦源（激励源）：将粒子从低能级抽运到高能级态的装置。谐振腔：（1） 使激光具有极好的方向性（ 沿轴线）（2） 增强光放大作用（ 延长了工作物质 ）（3） 使激光具有极好的单色性（ 选频 ）8、声光相互作用可以分为拉曼-纳斯衍射和布喇格衍射两种类型。简述它们产生 的条件和特征。答：拉曼-纳斯衍射：声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光相互作用 长度较短时，声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅”。由出射波阵面上 各子波源发出的次波发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光。布拉格衍射：声波频率较高，声光作用长度较大，光束与声波波面间以一 定的角度入射，介质具有“体光栅”的性质。衍射光各高级次衍射光将互相抵消， 只出现0级和+1级（或-1级）衍射光。9、选用光敏电阻应当注意什么？1）用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性匹配2）要防止光敏电阻受杂散光的影响 3）要防止是光敏电阻的电参数（电压、功耗）超过允许值 4）根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。10、阐述光源半导体激光器LD和半导体发光二极管LED的主要区别和作用。答：LD和LED相比，其主要区别在于，前者发出的是激光，后者发出的是荧光，因此，LED 的谱线宽度较宽，调制效率低，与光纤的耦合效率也较低；但它的输出特性曲线线性 好，使用寿命长，成本低，适用于短距离、小容量的传输系统。而LD 一般适用于长距离、 大容量的传输系统，在高速率的PDH和SDH设备上已被广泛采用。11、何为电光晶体的半波电压？半波电压由晶体的那些参数决定？答：当光波的两个垂直分量Ex、Ey的光程差为半个波长时所需要加的电 压，称为半波电压。V =-，由波长，0光折射率，电光系数共同 兀 2n 3 r0 63决定12、试说明注入电致发光和高场电致发光的基本原理。 答：注入：利用少数载流子流入 PN 结直接将电能转换为光能高场：将发光材料粉末与介质的混合体或单晶薄膜夹持于透明电极板之间， 外施电压，由电场直接激励电子与空穴复合而发光。13、简述液晶显示器的主要特点。答：优点：1低压，微功耗 2平板结构 3被动显示型 4显示信息量大 5易于彩 色化 6长寿命 7 无辐射，无污染缺点：显示视角小 响应速度慢 非主动发光14、CMOS 与 CCD 器件的比较CCD 摄像器件灵敏度高、噪声低、像素面积小 难与驱动电路及信号处理电路单片集成，需要使用相对高的工作电压，制造 成本比较高CMOS 摄像器件 集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和制造 成本低需进一步提高器件的信噪比和灵敏度 15、利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强度调制， 纵向电光 调制和横向电光调制各有什么优缺点？ 答：纵向：优点：结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响缺点：半波电压太高、调频较高时，功耗较大 横向：优点：可降低半波电压缺点：存在自然双折射产生的固有相位延迟1、选用光敏电阻应当注意什么？1）用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性匹配2）要防止光敏电阻受杂散光的影响 3）要防止是光敏电阻的电参数（电压、功耗）超 过允许值 4）根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。1、试说明注入电致发光和高场电致发光的基本原理。 答：注入：利用少数载流子流入 PN 结直接将电能转换为光能高场：将发光材料粉末与介质的混合体或单晶薄膜夹持于透明电极板之间， 外施电压，由电场直接激励电子与空穴复合而发光。2、简述液晶显示器的主要特点。答：优点：1低压，微功耗 2平板结构 3被动显示型 4显示信息量大 5易于彩 色化 6长寿命 7 无辐射，无污染缺点：显示视角小 响应速度慢 非主动发光3. PDP与CRT和LCD的比较。等离子体显示器与CRT相比，没有聚焦问题，显示器表面平直；与LCD相比，亮度更高，色彩还原性更好，灰度丰富，响应速度高，视角宽达1600。 但缺点是每一个像素都是一个独立的发光管，耗电量大到300 瓦，发热量大，显示 器背板上装有多组风扇用于散热。尽管如此，它仍被认为是目前最具发展前途的显示器。