光电子技术章节练习题及答案

《光电子技术》章节练习题及答案第一章一、填空题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。

其并非热辐射光源本身的温度。

2、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。

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，其中均匀展宽主要 自然展宽、碰撞展宽、热振动展宽 ，非均匀展宽主要有 多普勒展宽与残余应力展宽。

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、CO 2激光器或Ar +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 0 。

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、设一个功率100W 的灯泡向各个方向辐射的能量是均匀的，则其辐射强度为100/4π W/sr 。

8、设一个功率100W 的灯泡向各个方向辐射的能量是均匀的，则其在1m 远处形成的辐射照度为 100/4π W/m 2。

9、设一个功率100W 的灯泡向各个方向辐射的能量是均匀的，则其在2m 远处形成的辐射照度为100/16π W/m 2。

二、解答题1、简述光子的基本特性（10分）[答]：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。

它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等）之间的关系满足：（1）ωνη==h E ；（2）22ch c E m ν==，光子具有运动质量，但静止质量为零；（3） k P ϖηϖ=；（4）、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；（5）、光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，是玻色子。

2、简述激光产生的条件、激光器的组成及各组成部分的作用。

（10分）[答]：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。

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 )。

三、计算题1、设一对激光能级为E 2和E 1（g 2=g 1），相应的频率为ν（波长为λ），各能级上的粒子数为n 2和n 1。

求（1）当ν=3000MHz ，T =300K 时，n 2/n 1=（2）当λ=1μm ，T =300K 时，n 2/n 1=（2）当λ=1μm ， n 2/n 1=时，温度T =解：(1)999.03001038.110300010626.6exp exp exp 23634121212=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=--T k h T k E E g g n n B B ν (2)21623834121043.11013001038.110310626.6exp exp exp ----⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=λνT k hc T k h n n B B (3)KT T T k hc n n B 66261011038.110310626.61.0ln )ln(62383412=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-=-=---λ2、四能级激光器中，激光上能级寿命为τ3 =10-3 s ，总粒子数密度n 0 =3×108m -3 ,当抽运几率达到W 14 =500/s 时，求小信号反转粒子数密度为多少解: 激光上能级向下能级自发跃迁几率332331110/10A s τ-=== 由四能级系统小信号反转粒子数计算公式有883140143250031010/5001000W n n m W A ∆==⨯⨯=++第二章一、填空题1、光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素主要有： 大气分子的吸收 ，大气分子散射 ，大气气溶胶的衰减 。

2、光在洁净的大气中传播时主要发生 瑞利 散射，散射光的强度与波长的关系是： 散射光强与波长的四次方成反比。

3、光在大雾中传播时主要发生 米-德拜散射 散射，散射光的强度与波长的关系是： 散射光强与波长无关。

4、电光晶体的半波电压是指： 当波x’和y’两个方向振动分量存在半个波长的光程差（π的相位差）时所需加的电压。

5、KDP 晶体沿z 轴加电场时，由单轴晶体变成了双轴晶体，折射率椭球的主轴绕z 轴旋转了 45，此转角与外加电场的大小 无关 ，其折射率变化与电场的大小成 正比 。

6、若在超声功率Ps 一定的情况下，要使Bragg 衍射光强尽量大，则应选择声光材料品质因素M 2 尽可能大 的材料，并要把换能器做 成长而窄（即L 大H 小） 的形式。

7、表征光纤的集光本领的物理量是光纤的 数值孔径 ，在弱导条件下表示为：2/11)2(∆≈n NA 。

8、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。

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） 的传播方向反转时，法拉第旋转的左右方向互换。

10、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形变，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。

11、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 模色散、材料色散、波导色散。

`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。

二、是非题1、KDP 晶体沿Z （主）轴加电场时，由单轴晶变成了双轴晶体。

（ √ ）2、KDP 晶体沿Z （主）轴加电场时，晶体各个方向上的折射率变化量是相同的。

（ × ）3、光纤数值孔径就是指光纤的直径。

（ × ）4、光纤的集光能力仅由光纤的折射率分布决定。

（ √ ）5、光纤数值孔径代表光纤的集光本领。

（ √ ）三、简答题1、概括光纤弱导条件的意义。

[答]：从理论上讲，光纤弱导特性是光纤与微波圆波导间的重要差别之一。

实际使用的光纤，特别是单模光纤，其掺杂浓度都很小，使纤芯和包层只有很小的折射率差。

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，其为制造提供了很大的方便。

2、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]：产生拉曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度L 较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则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将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光，这就是拉曼-纳斯衍射的特点。

产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声光作用长度L 较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，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，这是布喇格衍射的特点。

3、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]：纵向电光调制器具有结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响等优点。

其缺点是半波电压太高，在调制频率较高时，功率损耗比较大。

横向效应运用时，存在自然双折射产生的固有相位延迟，它们和外加电场无关。

在没有外加电场时，入射光的两个偏振分量通过晶后其偏振面已转过了一个角度，这对光调制器等应用不利，应设法消除。

横向效应运用时，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(L/d)有关。

而纵向应用时相位差只和V=E z L 有关。

因此，增大L 或减小d 就可大大降低半波电压，但必须采用两块晶体，结构复杂，而且其尺寸加工要求高，对环境温度敏感。

4、何为电光晶体的半波电压半波电压由晶体的哪些参数决定[答]：当光波的两个垂直分量E x ，E y 的光程差为半个波长（相应的相位差为）时所需要加的电压，称为半波电压。

纵向应用时，6332r n V o λπ=由光波长、线性电光系数、晶体主折射率等参数决定。

横向应用，在略去自然双折射影响的情形下，⎪⎭⎫⎝⎛=L d r n V o 633λπ由光波波长、线性电光系数、晶体主折射率等参数以及晶体长度和宽度决定。

四、综合题试写出外电场E与KDP晶体z轴方向平行时的折射率椭球方程，并证明其变成双轴晶体，写出此时的三个主折射率n zˊn yˊ和n zˊ。

解答：根据已知E x=E y=0，折射率椭球方程变为：x2/n o2 + y2/n o2 + z2/n e2 + 2r63E z xy = 1由于出现了xy交叉项，说明在外电场E z作用下，晶体主轴发生了转动。

作坐标变换，令坐标轴绕z轴转450，新坐标系为x'，y'，z'，它与旧坐标系的关系为：x = x'cos450 - y'sin450= √2/2 (x'-y')y =x'sin450+y'cos450=√2/2(x'+ y')z = z'可得新坐标系下的折射率椭球方程：x'2(1/n o2 + r63E z) + y'2(1/n o2 - r63E z) +z'2/n e2= 1变换成晶体主轴坐标系：x'2/n'x2 + y'2/n'y2 + z'2/n'z2 = 1其中：1/ /n'x2= 1/ /n o2+ r63E z1/ n'y2 = 1/ n o2- r63E z1/ /n'z2 = 1/ /n e2可见外电场E z的作用不仅使KDP的主轴绕z轴旋转了450，而且使n'x≠ n'y≠n'z，即变成了双轴晶体。

第三章一、填空题1、电光调制器的电学性能的基本要求是：调制效率要高、足够的调制带宽。