2014光传感技术与器件考试 题目与答案

离子气体激光器典型的有 激光器，它输出多种波长，最强的是0.488µm的蓝光和0.5145µm的绿光，输出功率可达500MW/ ，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。
分子气体激光器中最具代表性的是CO2激光器，输出为10.6µm的红外线，其效率高达30％，输出功率近似与管子长度成正比。CO2激光器的特点是：效率高、功率强、工作稳定、单色性好、波长适于光通信等。
③热振动展宽是由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）非均匀展宽的特点使粒子体系中粒子的发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献，可以区分为线型函数的某一频率范围是由哪些粒子发光所引起的。这种展宽主要包括多普勒展宽与残余应力展宽。
（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，最终达到N1＝N2状态，光吸收和受激发射相等，二能级系统不再吸收光，达到所谓的自发辐射状态，这种状态下N2不再继续增加；即便采用强光照射，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。
他光学元件，就可以构成一个快速光开关，达到调Q目的。
⒋声光调Q技术
如图3－31，声光器件在腔内按布拉格条件放置。当外加高频振荡的超声信号时，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，不能形成激光振荡；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，一定史家后，瞬间撤销超高频振荡声场，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。
得粒子数反转分布，这样得能级称为亚稳态能级。这样，激光工作物质应至少具备三个能级。
（画三能级图）
如图所示，其中E1是基态，E2是亚稳态，E3是激发态。外界激发作用使粒子从E1能级跃迁到E3能级。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迟豫过程跃迁到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的粒子不断被抽运到E3，又很快转到E2，因而粒子在E2能级上大量积聚起来，当把一半以上的粒子抽运到E2，就实现了粒子数反转分布，此时若有光子能量为hυ＝E2－E1的入射光，则将产生光的受激辐射，发射hυ=E2-E1的光，从而实现光放大。
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；
同质结半导体与发光二极管的区别：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，出发更多的光子发射出来，形成受激发射。
第五章光调制技术
简述电光衍射与声光衍射发生的物理机制。（必考，AB卷考电光或声光，老师说不考物理机制，那会考电光或声光的什么内容呢？我也不清楚。以下是物理机制的答案）
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；但当光介质的两端所加外加电场较强时，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。-----电光效应。此外，这种效应迟豫时间很短，仅有 量级，外加电场地施加或撤销导致地折射变化或恢复瞬间即可完成。
泵浦源提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因。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。我们把将粒子从低能态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
⒁常见的调Q方法有哪几种？分别简述之。
⒈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。
⒉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
料对该激光器振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，亚稳态上离子越积越多，腔内
①自然展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。由于它是粒子本身固有性质决定的，自然存在的，因而称为自然展宽。
②碰撞展宽是由于气体中大量粒子无规则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。
异质结半导体激光器由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs和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，阈值电流密度低、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。
光传感技术与器件考试
激光原理部分（有30~40分）
1.填空题
⑴最早的电光源是炭弧光灯，最早的激光器是1960年由美国家的梅曼制作的红宝石激光
器。
⑵光在各向同性介质中传播时，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.
⑶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
长、转换效率、典型特点。
按激光工作物质的类型有如下划分：
⒈气体激光器
根据气体激光工作物质的能级跃迁类型，又可将之分为原子、离子、分子、准分子型气体激光器。
原子气体激光器最常见的是He-Ne激光器，它发出的有0.6328µm的红光和3.39µm、1.15µm两种红外光，He-Ne激光器输出功率较小（几mW到100mW），能量转化效率较低（0.01％），氮气单色性好，谱线宽度很窄，频率稳定度高，方向性好，发散角小，相干长度可达几十公里。
耗散腔）两大类。
⑹分析四能级与三能级激光器相比所具有的优点。
（画四能级图）
四能级系统能级结构如图所示，由于E4到E3、E2到E1的无辐射跃迁概率都很大，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被抽运到E4，又很快转到亚稳态E3，而留不住粒子,因而E2、E3很容易形成粒子数反转，产生hυ＝E3-E2受激辐射。四能级结构使粒子数反转很容易实现，激光阈值很低。
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，使受激发射的强度、方向性、单色性进一步提
高。不论哪种光学谐振腔，它们都有一个共同特性，那就是都是开腔，即侧面没有边界的腔，
这使偏轴模不断耗散，以保证激光定向输出。谐振腔分为稳态腔（低损耗腔）和非稳定腔（高
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。
⒊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放下嘎那的改变之间有一定的函数关系，再辅以其
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。
2.试简单说明以下光电子学术语的科学含义：
⑵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。
⑶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。
⑷为什么二能级系统不能产生激光？
⑸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。
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。
激光工作物质提供形成激光的能级结构体系，是激光产生的内因。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，还至少需要有这样一个能级，它可以
使得粒子在该能级上具有较长得停留时间或较小得自发辐射概率，从而实现其与低能级之间
简述光谱线展宽的分类，每类的特点
一般来讲，谱线展宽分均匀展宽与非均匀展宽两大类。
（1）均匀展宽的特点是：引起均匀展宽的机制对于每一粒子而言都是相同的。任一粒子
对谱线展宽的贡献都是一样的，不可能把线型函数某一特定频率与某些特定粒子相联系起来，每个发光粒子都以洛伦兹线型发射。
均匀展宽又包括自然展宽、碰撞展宽和热振动展宽等。Ⅰ
准分子激光器的工作物质为稀有气体与卤素气体的混合气体，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激光波长不同。通常采用He、Ne将由数千帕的稀有气体合压力数百帕的卤素气体组成的混和气体稀释成数百千帕的混和气体作为激光工作物质，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。、
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％。AlGaAs/GaAs量子阱阵列激光器的波长为808nm，平均功率为100W。