光电子技术题目与答案.doc

1) 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2) 自发跃迁是指 处于高能级的粒子自发地跃迁到低能级上 。受激跃迁是指 由于外界辐射场作用而产生的粒子能级间的跃迁 。3) 受激辐射下光谱线展宽的类型分为均匀展宽和非均匀展宽，其中均匀展宽有 自然展宽、碰撞展宽、热振动展宽，非均匀展宽有 多普勒展宽、残余应力展宽 。4) 常见的固体激光器有 红宝石激光器、钕激光器、钛宝石激光器 （写出两种），常见的气体激光器有 He-Ne激光器、Ar激光器、CO2激光器 （写出两种）。5) 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 。6) 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 7) 简述光子的基本特性。答：1、光子能量E与光波频率v对应：E=hv2、光子具有运动质量m，m=E/c2=hv/c23、光子的动量与单色平面波矢对应：P=k4、光子具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向5、光子具有自旋性，并且自旋量子数为整数 1) 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，布喇格衍射 两种类型。 2) 磁光效应是指 外加磁场作用所引起的材料光学各项异性 ，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 。3) 电致折射率变化是指 晶体介质的介电系数与晶体中的电荷分布有关，当晶体被施加电场后，将引起束缚电荷的重新分布，并导致离子晶格的微小型变，从而引起介电系数的变化，并最终导致晶体折射率变化的现象 。4) 光纤色散的主要危害是 使脉冲信号展宽，限制了光纤的宽带或传输容量，多模光纤的色散主要有 模色散、材料色散、波导色散 1) 光束调制按其调制的性质可分为 调幅，调频，调相，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、编码。 2) 光束扫描根据其应用的目的来可以分为 模拟扫描、数字扫描 两种；前者主要应用 各种显示 ，后者主要应用于 光存储 。 3) 在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个l/4波片，波片的轴向取向为 快慢轴与晶体的主轴成45度角 时最好。4) 根据调制器与激光器的关系，光束的调制方法可以分为内调制和外调制两种。内调制是指 加载信号是在激光振荡过程中进行的，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性以实现调制 。5) 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) 一纵向运用的KDP电光调制器，长为2cm，折射率为2.5，工作频率为1000kHz,则此时光在晶体中的渡越时间为 1.67ns 。2) 光热效应是指 材料受光照后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化 3) 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。4) 单片硅光电池的开路电压约为 0.45V-0.6V ，短路电流密度约为 150-300A/m2 。5) 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 ，其主要特点有： 光子能量的大小能直接影响内部电子状态改变的大小 。6) 光电二极管是指 以光导模式工作的结型光伏探测器 常见的光电二极管有 Si光电二极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管等类型（写出两种）。7) 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）。8) 简述光电探测器的主要特性参数。答：1、积分灵敏度 2、光谱灵敏度 3、频率灵敏度 4、量子效率 5、用量阀 6、噪声等效功率 7、归一化探测度等9) 简述光子效应和光热效应。（看上面2、5两填空题）10) 总结选用光电探测器的一般原则。答：按照光电探测器的性能参数评价探测器性能的优劣，比较不同探测器之间的差异，从而达到根据需要合理选择和正确使用光电探测器的目的。1) 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、面阵CCD。2) 固体摄像器件主要有三大类，它们是 电荷耦合器件（CCD）、互补金属氧化物半导体图像传感器（CMOS）、电荷注入器件（CID） 。3) CCD的基本工作过程包括信号电荷的产生，存储，传输，检测。CCD摄像器件的基本工作原理是依靠半导体的光电特性，用光注入的办法产生 4) 简述带像增强器的CCD的特点。（看下面（6）5) 简述电荷耦合摄像器件的主要特性参数。答：1、转移效率 2、不均匀度 3、暗电流 4、灵敏度 5、光谱响应 6、噪声 7、分辨率 8、动态范围与线性度6) 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。7) 红外成像系统A的NETDA小于红外成像系统B的NETDB，能否认为红外成像系统A对各种景物的温度分辨能力高于红外成像系统B，试简述理由。答：不能。NETD放映的是系统对低频景物的温度分辨率，不能表征系统用于观测较高频率景物时的温度分辨率性能1) 液晶分为两大类: 热致液晶、溶制液晶 作为显示技术应用的液晶都是 热致液晶 。2) 液晶是 各项同性液体与完全有序晶体之间的一种中间态，是一种取向有序的流体 ，热致液晶可为 是温度引起的，并且只能在一定温度范围内存在，一般是单一组成或均匀化合物 。3) 等离子体是 以电子、离子及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质形态，是固、液、气外，物质的第4态。4) 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。5) 简述等离子体的概念（看上面（3）和等离子体显示板工作的基本原理。答：原理：显示屏上排列有上千个密封的低压气体室，电流激发气体，使其发出肉眼看不到的紫外线，碰击后面玻璃上的红，绿，蓝三色荧光体，再发出我们所看到的可见光。6) 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7) 比较TNLCD和STNLCD的特点。答：TN-LCD利用扭曲向列相液晶的旋光特性，液晶分子的扭曲角为90度，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180-240度范围内，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。武汉理工大学1 色温是指在规定的两波长处，具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。2 自发跃迁是指处于高能级的一个原子自发的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的作用下，跃迁到低能级态并辐射出一个与入射光子相同的光子的过程。3 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。4 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，法拉第旋转的左右互换。5 光束调制按其调制的性质可分为：调幅，调频，调相，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，编码。6 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变化，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电学性质或其他物理性质发生变化。7 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。8 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。9 LCD可分为两大类：溶致液晶和热致液晶。作为显示技术应用的LCD是热致液晶。10 附加：光栅传感器反射的波长叫布喇格波长。 11 受激辐射下光谱宽度的类型分为均匀展宽和非均匀展宽，其中均匀展宽主要有自然展宽，碰撞展宽，热振动展宽，非均匀展宽有多普勒展宽，残余应力展宽。12 常见的固体激光器有红宝石，钕，钛宝石，气体激光器主要有氦氖和CO2.13 电致折射率变化是指晶体介质的介电系数与晶体中的电荷分布有关，当晶体被施加电场后，将引起束缚电荷的重新分布并导致离子晶格的微小变形，从而引起介电系数的变化，并最终导致晶体折射率的变化。14 光纤色散的主要危害是使脉冲信号展宽，限制了光纤的带宽或传输容量。多模光纤的色散主要有：模，材料，波导。15 光束扫描根据其应用的目的可以分为模拟式和数字式两种，前者用于显示，后者应用于光存储。16 单片硅光电池的开路电压约0.450.6V,短路电流为150300A/m2.17 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。主要特点有对光波频率表现出选择性，响应速度比较快。18 固体摄像器件有三大类：电荷耦合，电荷注入，互补金属氧化物半导体图像传感器。19 液晶是液态晶体的简称，热致液晶可以分为近晶相，向列相，胆甾相。20 附加：半导体光放大器的简称SOA. 光纤测气体的浓度： 光谱吸收21 光子和其他基本粒子一样，具有能量，动量，质量，其静止质量为0.22 激光与普通光源相比具有明显特点，方向性好，单色性好，相干性好，强度大。23 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。24 按照声波频率的高低以及声波和光波作用的长度不同，声光相互作用可分为拉曼纳斯衍射，布拉格衍射两种类型。25 内调制是指加载信号是在激光振荡过程中进行的，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器的输出特性实现调制。26 光电二极管是指以光导模式工作的结型光伏探测器。常见的光电二极管有SI光电二极管，PIN光电二极管，雪崩光电二极管，肖特基势垒光电二极管。27 光热探测器由热敏元件，热链回路，大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。28 CCD的基本工作过程包括信号电荷的产生，存储，传输和检测。29 等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，它是除去固，液，气三态以外的物质存在的第四态。30 按光调制方式分类，光束调制分为 强度调制，相位调制，频率调制，波长调制和偏振调制。31 利用外界因素，对光纤中光波相位的变化来探测各种物理量的探测器称为相位干涉型探测器。32 半导体激光发光是由能带之间的电子空穴对复合产生的。33 固体激光器发光是以参杂离子型绝缘晶体或玻璃为工作物质的激光器。34 对光探测器的要求包括线性度好，灵敏度高，性能稳定.35 光纤传感器常用的光电探测器有光电二极管，光电倍增管，光敏电阻36 红外探测器的响应波长范围或光谱范围是表示电压响应率与入射红外辐射波长的关系.37 光子探测是利用半导体材料在入射光照射下产生光子效应.38 当红外辐射照在半导体表面时，使半导体电性能发生变化的现象称为光电导现象。39 利用温差电势现象制成的红外探测器称为热电耦型的探测器。40 任何物质只要温度高于0K就会向外辐射红外线。41 红外无损检测是通过测量热流或热量来检测金属或非金属的内部损耗。42 内光电探测器分为光电导，光伏特和光磁电探测器。43 红外探测器的性能参数主要包括电压响应率，噪声等效功率和时间常数。44 以下应用采用了红外技术的有裂纹探测，焊接，军事侦察，夜视。45 波长在1-1000微米的电磁波被物体吸收时可以显著转化为热能。46 红外线，可见光，紫外线，x射线，射线，微波，以及无线电波构成电磁波谱。（对）47 红外辐射在传播过程中受到大气中气体分子，水分子的散射，使辐射在传播过程中逐渐衰减。48 光电池是利用光生伏特效应产生电能。49 热辐射光纤温度探测器是利用光纤内产生的热辐射来探测温度的一种器件。（对）50 当红外辐射照射在热敏电阻上时，其温度升高，内部粒子的无规则运动加剧，其电阻变小。（对）51 只要有恒定的红外辐射照射在热释电探测器上时，就会有电信号输出。（对）52 辐射出射度是辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量（辐射功率）。（对）1. 简述外光电效应，内光电效应和光生伏特效应。金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量h足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象，也称为外光电效应。当光照物体时，光电子不逸出物体外，使物体电阻值改变的光电效应称为光电导效应。当光照物体时，光电子不逸出物体外的光电效应叫做内光电效应。光生伏特效应是指光照使材料产生一定方向的光生电动势。2. 简述光敏电阻的主要参数。亮电阻，暗电阻，最高工作电压，亮电流，暗电流，时间常数，电阻温度系数，灵敏度。3. 简述光电池的工作原理，请比较光电二极管和光电池的异同点。 光电池是利用光生伏特效应直接将光能转换为电能 光电池工作原理：当光照射到PN结时，如果光子能量足够大，将在PN结附近激发出电子空穴对，在N区附近积累负电荷，P区积累正电荷，这样在N区和P区之间出现电位差光生电动势。 相同：都是利用利用内光电效应，光照射在PN结上，在其周围产生电子、空穴对。 不同：光电二极管的PN结需要反向偏置，而光电池的PN结不需要偏置电压即可工作。4.简述光电导的弛豫现象。光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流要经过一定时间，同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。光电流的变化对光具有时间上的滞后。这些现象称为光电导驰豫。5.概括光纤弱导的意义。答：光纤的弱导特性是光纤与微波元波导之间的重要差别之一，弱导的基本含义是指很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构，为制造提供了很大的方便。实际使用的单模光纤，其掺杂浓度很小，使纤芯和包层共有很小的折射率差。6.简述电荷耦合摄像器的主要性能参数。答：转移效率：电荷包在进行每一次转移中的效率。不均匀度：包括光敏元的不均匀度与CCD的不均匀。暗电流：CCD在无光注入或无电注入的情况下输出的电流。灵敏度：在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信号电压。光谱响应：是指等能量相对光谱响应，最大响应值归一化为100%所对应的波长称为峰值波长，低于10%的响应点对应的波长称为截止波长；分长波端的截止波长和短波端的截止波长，两种截止波长间的波长范围称为光谱响应范围。噪声：可以归纳为散粒噪声，转移噪声，热噪声。分辨率：摄像器件对物象中明暗细节分辨能力。线性度：在动态范围内，输出信号与曝光量是否是成线性关系。7.简述LCD的主要特点。答：厚度薄，仅为数毫米；工作电压低，只有几伏，可用CMOS电路直接驱动；功耗低，可用电池长期供电；采用彩色滤色器，易实现彩色显示；显示质量达到或可超过CRT的水平。成本高，显示视角小，低温时响应速度慢。8.简述激光产生的条件，激光器的组成及各部分的作用。答：必要条件：粒子数反转分布和减小振荡模式数。充分条件：起振阈值条件：激光在谐振腔内增益大于损耗。稳定振荡条件：形成增益饱和效应组成及作用：工作物质（在该种物质中可实现粒子数的反转），泵浦源（将粒子从低能级抽运到高能级），谐振腔（使激光具有良好的方向性，增强光放大作用，使激光具有极好的单色性）。9.简述光束调制的基本原理。答：以激光为载体，将信息加载到激光的过程，称为光束调制。光束具有振幅，频率，相位，强度，偏振等参量，可以应用某些物理方法使其参量置一，按照调制信号的规律变化，实现光束的调制，所以光束调制可以分为调幅，调频，调相和强度调制。实现激光光束调制的方法根据调制器与激光器的关系可以分为内调制和外调制，那么具体的激光光束调制方法常见的有电光调制，声光调制，磁光调制，直接调制。10.简述等离子体和等离子体显示板的工作原理。答：等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，它是除去固，液，气三态以外的物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，经过电场和磁场可以捕捉和移动等离子体，等离子体显示板是利用气体放电产生发光现象的平面显示的总称。等离子体显示板的基本原理是显示屏上排列有上千个密封的小低压气体室，电流激发气体使其发出肉眼看不见的紫外光，这种紫外光碰击后面玻璃上的红绿蓝三色荧光体，再发出我们在显示器上看见的可见光。11.说明自会聚彩色显像管的特点。答：精密直列式电子枪，开槽荫罩和条状荧光屏，精密环形偏转线圈。12.光在向列液晶中传播，=/4,试分析当为0，/4，/2,3/4， 5/4，3/2，7/4,2时输出光的偏振态。答：相位差为0，2为线偏振光。 /4，3/4，5/4，7/4为椭圆偏振光。 /2，3/2为圆偏振光。13.比较光子探测器和光热探测器的作用机理，性能及应用特点。答：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 电子状态改变，光子能量的大小直接影响内部电子状态改变的大小，因为光子能量是hv，所以光子效应对光波频率产生选择性，在光子直接与电子相互作用的情况下，其影响速度比较快。光热效应与光子效应完全不同，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没有直接关系。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，因为温度升高是热累积的作用，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的影响。14.光子的基本特性答：光是一种以光速运动的光子流，光子和其他基本粒子一样有能量，动量和质量，光子的粒子属性和波动属性满足一下关系：(1)E=hv（2）m=E/c2（3）P=hk。光子具有两种可能的独立偏振态对应于光波场的两个独立偏振方向，光子具有自旋且自旋度为整数。15.纵向电光调制和横向电光调制各有何优缺点？答：纵向：优点：结构简单，工作稳定，不存在自然双折射。 缺点：半波电压太高，特别是在调制频率较高时功率损耗比较大。横向：缺点：横向效应应用时，存在自然双折射产生的固有相位延时，和外加电压无关。在没有外加电压时，入射光的两个偏振分量通过晶体后其偏振面转过一个角度这对光调制应用非常不利，应设法消除。但必须采用两块晶体，结构相对复杂。优点：横向效应总的相位延迟不仅与所加电压成正比，而且与晶体的长宽比有关，所以增大长度或降低宽度都可以大大降低半波电压。16.说明注入电致发光和高场电致发光的基本原理。答：注入电致发光是在半导体PN结加正偏压时产生少数载流子注入，与多数载流子复合发光。高场电致发光是将发光材料粉末与介质的混合体或单晶薄膜夹持在透明电极板之间，外加电压由电场激励电子与空穴复合而发光。高场电致发光分为交流和直流两种。第9章