广东海洋大学光电传感技术考试复习资料2

①最早的电光源是炭弧光灯，最早的激光器是1960年由美国的梅曼制作的红宝石激光器。

②光在各向同性介质中传授时，复极化率的实部表示色散与频率的关系，虚部表示物质吸收与频率的关系。

③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。

激光产生的充分条件是阈值条件和增益饱和效应，必要条件包括粒子数反转分布和减少振荡模式数。

1、试简单说明以下光电子学术语的科学含义：
谱线的多普勒加宽：多普勒展宽是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频移引起的
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碰撞加宽：碰撞展宽是由于气体中大量粒子无规律运动而产生的碰撞引起的谱线展宽。

碰撞展宽分为两种情况。

一种是当处于激发态的粒子与其他粒子和器壁发生非弹性碰撞，从而将自己的能量传送出去回到基态。

另一种是粒子发射的波列发生无规则相位突变而引起展宽。

但此时粒子能量并不发生明显变化，这种碰撞称消相碰撞。

热振动展宽：是由于晶格热振动引起的谱线展宽，在固体激光物质中其量级远大于前两者，晶格原子的热振动使发光粒子处于随时间周期变化的晶格场中，引起能级振动，导致谱线展宽，这种展宽与温度关系最大，但其线型函数解析式很难求，常用实验来测知。

2、为什么二能级系统不能产生激光？（P69）（ppt与书本有差，加粗文字部分，以书为主）（画出二能级图）当外界激励能量作用于二能级体系物质时，首先建立起自发辐射，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减小、N1增加，两种过程同时存在，最终达N1=N2状态，光吸收和受激发射相等，二能级系统不再吸收光，达到所谓的自受激透射状态，这种状态下N2不再继续增加，即使采用强光照射，共振吸收和受激发射以相同的概率发生，也不能实现粒子数反转。

3、分析同质结半导体激光器与发光二极管的区别与联系
联系：正向偏压下，大量电子和空穴分别通过耗尽层注入到p侧和n侧，于是导带中存在电子而价带中不存在电子，形成粒子数反转分布；
区别：发光二极管的结构公差不严格，而半导体激光器需要精确控制制造工艺，以保证两个端面形成极为光滑平整且互相平行的光学谐振腔。

当低于激光阈值时，注入式激光器就像一个发光二极管，无规律地发光；当注入芯片的电流增大到某一量值时，就会发生粒子数反转，这时受激原子数目多于低能态原子；从某些激发态原子自发地发出的光子与p-n结的激发态电子相碰撞，激发更多的光子发射出来，形成受激发射。

4、常见的调Q方法有哪几种？分别简述之。

1、转镜调Q技术
将激光器光学谐振腔两个反射镜之一安装在一个旋转轴上，使其在每一转动周期中，只有当两个反射镜面平行时损耗最小，因而通过控制转镜，从而控制光腔的反射损耗可达到调Q 目的。

2、染料调Q技术
利用染料对光的吸收系数随光强度变化的特性来调Q的方法称为染料调Q技术，这种调Q
开关的延迟时间是由材料本身的特性决定的，不直接受人控制，属于被动调Q技术。

染料对该激光器震荡波长的光有强烈的吸收作用，且吸收系数随入射光的增强而不断减小，当染料盒插入谐振腔内时，激光器开始泵浦此时腔内光强还很弱，因而染料对光吸收强烈，腔损耗很大，Q值很低，不能形成激光；随着泵浦的继续，亚稳态上粒子越积越多，腔内光强逐渐增大，吸收逐渐减小，Q值不断增大；泵浦光大到一定值时，染料对该波长的光变为透明，称为染料漂白，此时Q值达到最大，相当于Q开关开启，于是激光器输出一个强的激光脉冲。

3、电光调Q技术
某些晶体经过特殊方向的切割后，如果在某个方向上加电压，就可以使通过它的偏光改变振动方向，且外加电压的数值与振动方向改变量之间有一定的函数关系，再辅以其他光学元件，就可以构成一个快速光开关，达到调Q目的。

4、声光调Q技术
如图所示3-31,所示，声光器件在腔内按布拉格条件放置。

当外加高频震荡的超声信号时，光束沿布拉格角偏折，从而偏离了谐振腔的轴向，此时腔损耗严重，Q值很低，不能形成激光震荡；但这一阶段，光泵浦使激光工作物质亚稳态上的粒子大量积累，一定时间后，瞬间撤销超高频震荡声场，光无偏折地通过晶体Q值突然增大，从而产生一个强的激光脉冲输出。

5、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；但当介质的两端所加外电场较强时，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，这种效应弛豫时间很短，仅有10-11 s量级，外加电场的施加或撤销导致的折射变化或恢复瞬间即可完成。

（P161）
声波的应变场也能改变某些类型晶体的折射率，由于声波的周期性，会引起折射率的周期变化，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。

6、简述磁光偏转与天然双折射之间的区别
天然旋光效应与磁光效应的本质区别在于：光束返回通过天然旋光介质时，旋光角度与正向入射时相反，因而往返通过介质的总效果是偏转角为零；而由于磁致旋光方向与磁场方向有关，而与光的传播方向无关，因而光往返通过法拉第旋光物质时，偏转角增加一倍。

7、光探测器的物理效应主要哪几类？每类有哪些典型效应？（P199）
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。

外光电效应是指发生在物质表面上的光电转换现象；内光电效应是指发生在物质内部的光电转换现象。

光热效应是物体吸收光，引起温度升高的一种效应。

光热效应中典型的有温差电效应和热释电效应。

温差电效应指当两种不同的导体或半导体材料两端并联熔接时，在接点处可产生电动势，这种电动势的大小和方向与该接点处两种不同材料的性质和接点处温差有关，如果把这两种不同材料连接成回路，当两接头温度不同时，回路中即产生电流的现象，又称塞贝克
效应。

热释电指热电晶体的自发极化矢量随温度变化，从而使入射光可引起电容器改变的现象
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。

8、比较光子探测器和光热探测器在作用机理、性能及应用特点等方面的差异
在受到光的照射后，材料的电学性质发生了变化（电导率改变、发射电子、产生感应电动势等）的现象称为光电效应
某些物质在受到光照后，由于温度变化而造成材料性质发生变化的现象称为光热效应。

在光电效应中，光子的能量直接变为光电子的能量。

而在光热效应中，光能量与晶格相互作用，使其振动加剧，造成温度的升高。

光热效应主要是通过对辐射能量的吸收来改变材料的某些物理性质，这种改变总是与温度的变化相联系的，而材料温度的变化仅取决于光功率（或其变化速率）而与入射光的光谱成分的关系不大。

所以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。

这也决定了热探测的另一特点，响应时间比较长，达到毫秒数量级。

两者相比起来，光电探测方法对光波长的探测是有选择的，这由光电效应的本质所决定，一般都有吸收峰值波长存在。

另一方面，光电材料对入射光子的响应几乎是瞬间完成（微妙以至纳秒量级），因此，光电探测器的另一特点就是响应速度快
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。

对热探测器，提高灵敏度及响应速度是努力的方向。

9、说明光电倍增管的基本组成及其作用
光电倍增管由光电阴极C、一系列倍增电极D、收集阳极A三大部分密封在真空外壳中组成，如图6-11所示
倍增电极，即能发射二次电子的电极，其电位与阴极相比逐渐升高，一般极间电位差为100V。

光电阴极是光电倍增管的关键部分，它将入射光转换为电流，决定着探测器的波长响应特性及极限灵敏度。

收集阳极用来汇总一系列光电倍增管作用而在最后一级倍增阴极产生出的数目巨大的二次电子。

10、什么是三基色原理？
三基色原理是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。

常选择红（R)、绿（G）、蓝（B)作为三基色。

将三基色按一定比例混合调配，就可以模拟各种颜色。

11、简述液晶的种类和特点？用什么方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。

总的来说可分为热致液晶和溶致液晶。

热致液晶是指某些有机物加热熔解后，由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶；而溶致液晶是指某些有机物放入一定的溶剂中时，由于溶液破坏结晶晶格而形成的液晶。

热致液晶实际上是某些有机物在某一限定温度范围内的状态。

在这一温度范围的低端，它呈晶状固体；而在这一范围的高端，它为清澈的液体；只有在这一限定温度范围内，它是淡黄色的混浊液体，并具有固体和流动液体的某些光学特性。

14、为什么二能级系统不能产生激光？
画出二能级图，当外界激励能量作用于二能级体系物质事，首先建立起自发辐射，在体系中有了光辐射后，一方面物质吸收光，使E1减少，E2增加；另一方面，由于物质在辐射过程，使得E2减少、E1增加，两种过程同时存在，最终达到相等状态，光吸收和受激发射相等，二能级系统不再吸收光，达到所谓的自发辐射状态，这种状态下，不再继续增加；即采用强光照射，共振吸收和受激发射以相同的概率发生，也不能实现粒子数反转。

15、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（P70) 激光器的基本机构包括工作物质、泵浦源和谐振腔
激光器的工作物质提供形成激光的能级结构体系，是激光产生的内在原因。

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，还至少需要这样一个能级，它能够使粒子在该能级上具有较长的停留时间或者较小的自发辐射概率，从而实现其与低能级之间的粒子反转分布，这样的能级称为亚稳态。

这样，激光工作物质应至少具备三个能态。

画一个三能级图，其中E1是基态，E2是亚稳态，E3是激发态。

外界激发作用使得粒子从E1能级跃迁到E3。

由于E3的寿命很短（1.0E-9s量级）因而不允许粒子停留，跃迁到E3的粒子很快通过非辐射驰豫过程跃迁到E2能级。

由于E2能级是亚稳态，寿命较长（1.0E-3s 量级），因而允许粒子停留。

于是，随着E1的粒子不断抽运到E3，很快又转到E2，因而粒子在E2能级大量积聚起来，当把一半以上的粒子抽运到E2。

就实现了粒子数的反转分布，此时若有光子能量为hv=E2-E1的入射光，则将产生光的受激辐射，发射出hv的光，从而实现了光放大。

泵浦源提供形成激光的能量激励，是形成激光的外因。

由于在一般情况下，介质都处于粒子数正常分布状态，即处于非激活状态，故欲建立粒子数反转分布状态，就必须用外界能量来激励工作物质。

我们把将粒子数从低能态抽遇到高能态的装置称为激励泵浦或激励源。

事实上，激光器不过是一个能量转换器件，它将泵浦源输入的能量转变成激光能量。

主要有以下几种泵浦方式：①光激励方式、②气体辉光放电或高频放电方式③直接电子注入方式④化学反应方式。

光学谐振腔为激光器提供反馈放大机构，使受激发射时的强度、方向性、单色性进一步提高。

不论哪种光学谐振腔，他们都有一个共同的特性，就是开腔，即侧面没有边界的腔，这使偏振模不断耗散，以保证激光器定向输出。

谐振腔分为亚稳态腔（低损耗腔）和非稳态腔（高损耗腔）两大类。

16、分析四能级与三能级激光器相比所具有的优点(P70)
（画四能级图）四能级系统能级结构图所示，由于E4到E3、E2到E1的无辐射跃迁几率很大，而E3到E2、E3到E1的自发跃迁概率都很小，这样，外界激发使上的粒子不断抽运到E4又很快转到亚稳态而留不住粒子，因而E3和E2很容易形成粒子数反转，产生hv=E3-E2 受激辐射。

四能级结构使粒子数反转很容易实现，激光阀值很低。

17激光器按激光工作介质来划分可分为几类？各举出一个典型激光器，并给出典型波长、转换效率、典型特点（P80）
1、气体激光器：根据气体激光器工作物质的能级跃迁类型，又可以将之分为原子、离子、准分子气体激光器。

原子气体激光器：最常见的是He-Ne激光器，它发出的有0.6328的红光和3.39、1.15两种
红外光，He-Ne激光器输出功率很小（几mW到100mW），能量转化效率低（0.01%），氦气单色性好，谱线宽度窄，频率稳定度高，方向性好，发散较小，相干长度可达几十公里。

离子气体激光器：典型的激光器有Ar+ 激光器，它输出多种波长，最强的是0.488的蓝光和0.5145的绿光。

输出功率可达500MW/cm2，最大功率可达150W，能量转换效率为千分之几，其所需泵浦功率高，需耗散很多热量。

分子气体激光器：最具代表的是CO2激光器，输出为10.6的红外线，其效率高达30%，输出功率近似与管长度成正比。

激光器的特点是：效率高、功率强、工作稳定，单色性好、波长适合于光通信等。

准分子气体激光器工作物质为稀有气体与卤素气体的混合物气体这是一类工作在紫外波长段的高效脉冲激光器。

稀有气体与卤素气体的不同组合所得的激光波长不同。

通常采用He、Ne将由数千帕的稀有气体和压力数百帕的卤素气体组成的混合物气体稀释成数百千帕的混合物作为激光工作物质，所形成的激光器输出能量为数百微焦耳，发光效率1%，重复频率数千赫兹。

2、液体激光器：这种激光器又可分为无机液体激光器和有机液体激光器。

其中最重要的一类事染料激光器，其主要优点是：波长连续可调（调谐范围从紫外到红外）、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、激光均匀性损耗、制备容易、可以循环操作、利于冷却，典型的是若丹明6G染料激光器。

他的脉冲工作时波长是590nm，平均功率是100W，效率为0.5%。

3、固体激光器：典型的Nd:Y AG(掺钕的钇铝石榴石激光器)。

该类激光器可以脉冲工作，也可以连续工作，产生的跃迁中以1.06的激光最强。

这类激光器的最大优点是受激辐射跃迁概率大、泵浦阀值低、容易实现连续发射、近年向二极管激光器泵浦的全固态小型化方向发展，转换效率可达10%。

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，如GaAs，InP为直接带隙结构。

具有输入量低、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。

异质结半导体激光器由两种不同的带隙的半导体材料薄层，如GaAs\AlGaAs所组成。

与同质结半导体激光器相比，异质结半导体激光器具有有源层厚度薄，阀值电流度低、内部损耗低、电-光转换量子效率高、可通过改变混晶比调节输出波长等一系列优点。

量子阱半导体激光器功耗更低、输出功率更高、发射光谱更纯、响应速度更快、波长覆盖范围更宽、更容易阵列化
AlGaAs/GaAs量子阱激光器的波长是980nm，平均功率为0.2W，转化效率为20%-30%。

Al GaAs/GaAs量子阱阵列激光器的波长为808nm，平均功率为100W
列出光探测器的基本参数并说明其含义（P193）
（1）、量子效率。

又称量子产额，是指每一个入射光子所释放的平均电子数。

(2)、响应度R。

为探测器输出信号电压Vs与输入光功率P之比，R=Vs/P，单位V/W.
(3)、灵敏度S。

为探测器输出信号电流Is与输入光功率P之比，S=Is/P
（4）光谱响应。

表征R(或S)随波长变化的特征参数。

其中还有一个重要参量响应峰值波长，它是指相对光谱响应曲线中对应于最高响应率的辐射波长。

（5）噪声等效功率。

相应于单位信噪比的入射光功率，用来表征探测器的探测能力。

定义式为：NEP=P*Vn/Vs，NEP越小，探测能力越强。

（6）探测度D。

是NEP的倒数。

（7）频率响应R（f）。

描述光探测器响应度在入射光波不变时，随着入射光频率f变化的
特征参数。

除了以上7个基本的参数外，还会遇到以下参数
（1）暗电流。

是指没有信号和背景辐射时通过探测器的电流。

（2）工作温度。

对于非冷却型探测器，指环境温度；对于冷却型探测器，指冷却源标称温度。

（3）响应时间。

指探测器将入射辐射转化为信号电压（电流）的迟豫时间。

（4）光敏面积。

指灵敏元的几何面积。

一次写入光盘有哪几种记录方式？（P309）
一次写入光盘是利用激光光斑在存储介质的微区产生不可逆的物理化学变化进行信息记录的盘片，其记录方式主要有以下几种：
（1）、烧蚀型:存储介质可以是金属、半导体合金、金属氧化物或有机染料。

利用介质的热效应，使介质的微区融化、蒸发，以形成信息坑空。

（2）起泡性：存储介质由聚合物-高熔点金属两层薄膜组成，激光照射使介质分解排出的气体，两层间形成的气泡是上层薄膜隆起，与周围形成反射率的差异而实现信息记录。

（3）熔绒型：存储介质用粒子刻蚀的硅，表面呈现绒状结构，激光光斑使照射部分的绒面熔成镜面，实现反差记录。

（4）相变型：存储介质多用硫属化合物或金属合金制成薄膜，利用金属的热效应和光效应使被照射的微区发生非晶相到晶相的相变。

简述可擦重写磁光光盘读、写、擦原理（P319）
（5）信息的写入GdCo有一垂直于薄膜表面的易磁化轴。

在写入信息前用一定强度的磁场对介质进行初始磁化，使各磁畴单元具有相同的磁化方向。

在写入信息
时，慈光读写头的脉冲激光聚焦在介质表面，光照微斑因温度上升而迅速退磁，
此时通过读写头中的线圈施加一反偏磁场，就可使光照区微斑反向磁化，而无
光照的相邻磁畴磁化方向仍保持原来的方向，从而实现磁化方向的反向记录。

（6）信息的读出信息读出是利用kerr 效应检测记录单元的磁化方向。

用线偏振光扫描录有信息的信道，光束达到磁化方向向上的微斑，经反射后，偏折方向
会绕反射线右旋一个角度；反之，若光扫描到磁化方向向下的微斑，反射光的
偏振反向则左旋一个角度，以一表示。

实际测试时，使检偏器的主截面调到与
一对应的偏振方向垂直的方位，则来自向下磁化微斑的反射光不能通过检偏器
到达探测器，从而向上磁化微斑光束则可以通过部分分量，这样探测器就有效
地读出了写入的信号。

（7）擦除信息时，用原来的写入光束扫描信息道，并施加与初始方向相同的偏置磁场，则记录单元的磁化方向又会回复原状。

CCD。