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。