光电子考试简答题答案 (2)

作业1

三、简答题：

1、简述激光产生的条件、激光器的组成及各组成部分的作用。

[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 )

2、简述光子的基本特性。

[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）E=hv= ω

（2）m=

2

2

c hv c E =，光子具有运动质量，但静止质量为零； （3）k P =； （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。

作业2

判断题中的第5小题：

在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个λ/4波片，波片的轴向如何设置最好？若旋转λ/4波片，它所提供的直流偏置有何变化？ 答：在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个?/4波片， 波片的轴向取向为快慢轴与晶体的主轴x 成45°角时最好，从而使 E x′ 和 E y′ 两个分量之间产生π/2 的固定相位差。若旋转λ/4波片，它所提供的直流偏置

，得到直流偏值随偏振改变而改变。

三 简答题

1、何为大气窗口，试分析光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素。 答：对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为大气窗口。 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. 何为大气湍流效应，大气湍流对光束的传播产生哪些影响？

答：是一种无规则的漩涡流动，流体质点的运动轨迹十分复杂，既有横向运动，又有纵向 运动， 空间每一点的运动速度围绕某一平均值随机起伏。 这种湍流状态将使激光辐射在传播 过程中随机地改变其光波参量， 使光束质量受到严重影响， 出现所谓光束截面内的强度闪烁、 光束的弯曲和漂移（亦称方向抖动）、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，统称为大气湍流效应。

大气湍流 运动使大气折射率引起的这种起伏的性质， 使光波参量 （振幅和相位）产生随机起伏，造成光束的闪烁、弯曲、分裂、扩展、空间相干性降 低、偏振状态起伏等。

3、何为电光晶体的半波电压？半波电压由晶体的那些参数决定？

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π）时所需要加的

电压，称为半波电压。半波电压

6332r n V o λπ=

主要由光波长λ、O 光折射率o n 和电光系数63r 共

同决定。

4、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。

5、简述光束调制的基本原理。

[答]：（1）以激光为载体，将信息加载到激光的过程，称为调制或光束调制。

（2）光束具有振幅、频率、相位、强度和偏振等参量，可以应用某些物理

的方法，使其参量之一按照调制信号的规律变化，实现光束的调制，所以光束的 调制可以分为调幅、调相、调频和强度调制等。

（3）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 制和外调制两种。

（4）具体的激光光束的调制方法，常见的有光电调制、声光调制、磁光调 制、直接调制等。

6、简述光纤通信中激光器直接调制的定义、用途和特点。

答：直接调制：即直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电流的大小，改变激光器输出光波的强弱，又称为内调制。传统的PDH 和2.5Gbit/s 速率以下的SDH 系统使用的LED 或LD 光源基本上采用的都是这种调制方式。直接调制方式的特点是，输出功率正比于调制电流，简单、损耗小、成本低。一般情况下，在常规G.652光纤上使用时，传输距离≤100km ，传输速率≤2.5Gbit/s 。

作业3

1、 简述以下概念：外光电效应、内光电效应。

答：外光电效应：是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。

内光电效应：是光电效应的一种，主要由于光量子作用，引发物质电化学性质变

化。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。

2、请比较光电二极管与光电池的异同？（此题答案有待补充，求高手指教！）

答：相同点：二者都是由PN结组成的半导体器件，都能把光信号转换成电信号。

不同点：光电二极管是在反向电压作用下工作的，而光电池是工作在光照零偏条件下的。

3、说明光电倍增管的原理。

答：当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。

4、说明光敏电阻的敏感机理。

答：光敏电阻阻值对光照特别敏感，是一种典型的利用光电导效应制成的光电探测器件。当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，导致材料电导率增大，此时材料电阻值将减小；即电阻值随入射光的强弱而变化，入射光强时电阻减小，入射光弱时电阻增大。

5、简述什么是光电导的弛豫现象以及响应时间。

答：光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的，同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这种现象即为光电导的弛豫现象；

光电导的响应时间又分上升时间和下降时间，是描述弛豫现象过程长短的物理量。上升时间表示光电导体受光照时光生载流子浓度从零增长到稳态值63%时所需的时间，下降时间表示从停光前稳态值衰减到37%时所需的时间。

6、简述光电池的工作原理。

答：光电池是一种直接把光能转换成电能的器件，它根据光生伏特效应原理，当P-N结受光照时激发出光生电子—空穴对而扩散进PN结，之后被内电场分离开而形成开路电压，此即光照零偏PN结产生开路电压的效应（即光伏效应）。

补充题

1. 辐射度量与光度量的根本区别是什么?

答：辐射度量适用于整个电磁波段，光度量适用于可见光波段。

2. 为什么光电探测器使用时大多要加偏置电路？画图说明光伏探测器的反向偏置电路。

答：加偏置电路，使光电探测器有合适的电流、电压工作点（提高灵敏度、频率响应，减小噪声）

光伏探测器的反向偏置电路：