光电子期末考试参考资料

1-1光电子器件按功能分为哪几类？每类大致包括哪些器件？

光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件、光显示器件。

光源器件分为相干光源和非相干光源。相干光源主要包括激光器和非线性光学器件等。非相干光源包括照明光源、显示光源和信息处理用光源等。

光传输器件分光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等等)、光波导和光纤等。 光控制器件包括调制器、偏转器、光开关、光双稳器件、光路由器等。

光探测器件分光电导型探测器、光伏型探测器、热伏型探测器、各种传感器等。 光存储器件分为光盘(包括CD 、VCD 、DVD 、LD 等)、光驱、光盘塔等。 光显示器件包括CRT 、液晶显示器、等离子显示器、LED 显示。

1-2谈谈你对光电子技术的理解

光电子技术主要研究物质中的电子相互作用及能量相互转换的相关技术，以光源激光化，传输波导（光纤）化，手段电子化，现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特征，是一门新兴的综合性交叉学科。

1-5据你了解，继阴极射线管显示（CRT ）之后，哪几类光电显示器件代表的技术有可能发展成为未来显示技术的主体？

等离子体显示（PDP ），液晶显示（LCD ），场致发射显示（EL ），LED 显示。

第二章光学基础知识与光场传播规律

2-1填空题

⑴ 光的基本属性是光具有波粒二象性，光粒子性的典型现象有光的吸收、发射以及光电效应等；光波动性的典型体现有光的干涉、衍射、偏振等。

⑵ 两束光相干的条件是频率相同、振幅方向相同、相位差恒定；最典型的干涉装置有杨氏双缝干涉、迈克耳孙干涉仪；两束光相长干涉的条件是

(0,1,2,

)m m δλ==±±，δ

为光程差。

⑶两列同频平面简谐波振幅分别为

01E 、02E ，位相差为

φ，则其

干涉光强为

22

010201022cos E

E E E φ

++，两列波干涉相长的条件为

2(0,1,2,

)

m m φπ==±± ⑷波长

λ

的光经过孔径D 的小孔在焦距f 处的衍射爱里斑半径为

1.22

f

D

λ

。

2-2在玻璃

( 2.25,1)r r εμ==上涂一种透明的介质膜以消除红外线

(0.75)m λμ=的反射。

⑴求该介质膜应有的介电常量及厚度。⑵如紫外线(0.42)m λ

μ=垂直照射至

涂有该介质膜的玻璃上，反射功率占入射功率百分之多少？ ⑴ 1.5

正入射时，当n ，膜系起到全增透作用

1.225

n

00.75

0.15344 1.225

h m

n

λμ=

=

=⨯

⑵ 正入

射时，

反

射率

为

22

22

0000

2222

0000

22()cos (

)sin 22()cos ()sin G G G G n n nh

nh

n n n n n n nh nh

n n n n ππλλρππλλ-+-=

+++正

22

00

22

22000

2()cos 3.57%

22()cos (

)sin G G G nh

n n n n nh

nh

n n n n πλππ-

=

=+++

2-5一束波长为0.5 m μ的光波以045角从空气入射到电极化率为20.6

j ＋的介质表面上，求

⑴此光波在介质中的方向（折射角）

。⑵光波在介质中的衰减系数。

⑴

2123n =+

=n 由

112

sin sin n n θθ=得

2sin θ2θ=⑵衰减系数

7

2(0.6)0.6 1.310n

r k πλ

=-⨯-=

⨯=⨯

2-6输出波长

λ

＝632.8

nm 的He-Ne 激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂

覆ZnS 和2

ThF 形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层才能使镜面反射系数大于99.5％？ 设玻璃的折射率G

n ＝1.5 由题意：

2

2

20220()

0.995()

P

H H L

G P H H L G n n n n n n n n n n λ

ρ⎡⎤-⎢⎥

⎢

⎥=≥⎢

⎥+⎢⎥⎣⎦

正，，

即

9975

.0)

5.1/5.2()5.1/5.2(1)

5.1/5.2()5.1/5.2(12

2≤+-p 即

745

.1910025

.0167.49975

.15.15.22=⋅≥

⎪⎭

⎫ ⎝⎛p

15

.529.102≈⇒=p p 故至少涂覆6个双层。

745

.1910025

.0167.49975

.15.15.22=⋅≥⎪⎭

⎫ ⎝⎛p

15.529.102≈⇒=p p 故至少涂覆6个双层。

第三章激光原理与技术

3-1填空

⑴ 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。

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。

⑷ 今有一个球面谐振腔，r1=1.5m ，r2=-1m ，L=80cm ，它属于稳定腔。

3-2试简单说明以下光电子学术语的科学含义：

⑴ 受激辐射

处于激发态E2上的原子，在频率为υ21的外界光信号作用下，从E2能级跃迁到E1能级上，在跃迁过程中，原子辐射出能量为21

h υ、与外界光信号处于同一状态的

光子，这两个光子又可以去诱发其他发光粒子，产生更多状态相同的光子，这样，

在一个入射光子作用下，就可以产生大量运动状态相同的光子，这一发射过程称为受激发射过程。

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谱线加宽。 ⑷ 光放大

光束在激活介质中传播时，设入射端面处光强为0()

I υ，距离x 处光强为

()I υ，且，则2121121212121212

()()()0()()d dI g N N B h dt I g ρυυυρυυ==->可见光强在激活介质中不断放大。为此，引入激活介质的增益系数G(v)

G(v)=dI(v)/I(v)dx

式中，dI(v)是传播距离dx 时的光强的增量。这说明：介质的增益系数在数值上等于光束强度在传播单位长度的距离时，光强增加的百分数。由于dI(v)>0，因而G(v)>0，所以G(v)可以表示光在激活介质当中的放大特性。

3-3计算与推导

（1）λ＝0.5μm 时，什么温度下自发辐射率与受激辐射率相等？T=300K 时，什么波长下自发辐射率相等？

自发辐射率为A21，受激辐射率为W21。21

2121()w

B ρυ=。由

爱因斯坦关系式可知：

33

21213218A h n B c

πυ=，

由普朗克公式可知：33

21213

21

81

()exp()1

h n

h c

kT

πυρυυ=

- ，

（a ）由题意A21＝W21，故

3

21

exp(

)11h kT

υ-=， 333483332132363

ln 2ln 2 6.6310(310)0.6931

7.19101.3810(0.510)h hc T K k k υλ---⨯⨯⨯⨯=

===⨯⨯⨯⨯

（b ）当T=300K 时，

33483312

23

ln 2 6.6310(310)0.6931

2.997101.3810300

hc kT λ--⨯⨯⨯⨯=

==⨯⨯⨯ 41.44210M λ=⨯

（2）He-Ne 激光器的反射镜间距为0.2m ，求最靠近632.8nm 跃迁谱线中心的纵模阶数、纵模频率间隔。如果增益曲线宽度为9

1.510⨯Hz,则可能引

起的纵模总数是多少？

解

：

气

体

的

折

射

率1

n ≈，由

2q c

q nL

υ=

得 5

9

2210.2

6.3210632.810nL

q λ

-⨯⨯=

=

=⨯⨯

纵模频率间隔

8

83107.5102210.2

q c Hz nL υ⨯=

==⨯⨯⨯ 实际振荡纵模总数

9 1.5101137.510T q q υυ⎡⎤⎡⎤

⨯=+=+=⎢⎥⎢⎥

⨯⎢⎥⎣⎦⎣⎦

（3）红宝石激光器的工作物质有特性：732

1510/N N cm -=⨯、300K

处，

1101

210()

Hz g υυ≈

=⨯，3310s

s τ-=⨯，144.32610Hz υ=⨯，

n=1.78，求其在中心频率处的增益系数G(v)。

解： 因为

12212121212128)2/(1

)2/(g

g A N g g N K N g g N G m λ∆⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=∆⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=

ν

λτn c

g g A =

==，，212211 所以

：

()cm

v n c N N G m /1046.9)1036.4(78.1102410910541122

1421122072222212-⋅=⋅⋅⋅⋅⋅⋅='∆-=πτνπ3-4简述题

⑴ 简述激光的特点。

激光的特点主要表现在以下四个方面：①激光具有激光极好的方向性②

激光的单色性非常好③激光的相干性好④激光具有极高的亮度和单色亮度。信息光电子技术中所用的光源，着重单色性、高速脉冲性、方向性、可调谐性和高能量密度等。激光正是满足这些条件的最好的光源。

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。

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。把将粒子从低能态抽运到高能态的装置称为泵浦源或激励源.

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。而且，谐振腔具有选频作用，只有满足相干条件（即来回一趟相位差改变量是2π的整数倍）的频率的光才有可能产生振荡，从而从自发发射的光谱中选出纵模。

⑺ 分析激光产生的条件。

激光产生的两个必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数，要形成稳定的激光输出还要满足起振和稳定振荡两个充分条件。

粒子数反转分布指能级上的粒子数分布满足条件（N2/g2）>(N1/g1)，相应地有dp(v21)>0，表示光束在粒子数反转分布状态下的工作物质中的工作物质中传播时， 光密度将不断增加。称这种状态的物质为激活介质。

要想得到方向性很好、单色性很好的激光，仅有激活介质时不够的，这是因为：第一：在反转分布能级间的受激发射可以沿各个方向产生，且传播一定的距离后就射出工作物质，难以形成极强的光束；第二，激发处的光可以有很多频率，对应很多模式，每一模式的光都将携带能量，难以形成单色亮度很强的激光。欲使光束进一步加强，就必须使光束来回往复地通过激活介质，使之不断地沿某一方向得到放大，并减少振荡模式数目。由于光束在腔内多次的来回反射，极少频率的光满足干涉相长条件，光强得到加强，频率得到筛选，特别是在谐振腔轴线方向，可以形成光强最强、模式数目最少的激光振荡，而和轴线有较大夹角的光束，则由侧面逸出激活介质，不能形成激光振荡。

理论和时间结果表明：当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定成都时，增益系数将随光强的增大而减小，即G(v)应写为G(v,I)。这种G(v,I)随着I 的增大而减小的现象，称为增益饱和效应。它是激光器建立稳态振荡过程的稳定振荡条件。

⑻ 简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线型函数的类型。

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，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。

（a ）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

2

2

01

()14()()

2s

N s

g τυπυυ=

-+可见()

N g υ表达式具有洛伦兹型。

（b ）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。 （c ）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。 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。Ⅰ （a ）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。多普勒展宽的线型函数

2

2

020

1

()220()()2mc KT D c

m g e KT

υυυυυπ--=

（b ）残余应力展宽是固体激光物质内部残余应力引起的，其中一种是晶格缺陷所

致，非均匀分布的缺陷引起不同位置粒子V0不同；另一种是由物质本身原子无规则排列构成的。这类展宽的解析形式难以求证，常用实验测定。

（10）激光器按激光工作介质来划分可分为几类？

按激光工作物质的类型有如下划分：

⒈气体激光器 液体激光器 ⒊固体激光器 ⒋半导体激光器

⑾ 分析同质结半导体激光器与发光二极管的区别与联系。

同质结半导体与发光二极管的联系：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；

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。 ⑿ 简述尖峰振荡效应过程。

不加任何特殊装置的固体脉冲激光器，在一次输出中，激光脉冲的宽度大约时ms 数量级。这个脉冲并不是平滑的，而是包含宽度更窄的短脉冲系列，其中每一个短脉冲宽度只在uS 数量级，并且激励越强，短脉冲的时间间隔越小。这种现象称作迟豫振荡效应或尖峰振荡效应。

⒀ 激光调Q 技术于锁模技术的脉宽分别在哪个量级？

调Q 技术可以产生脉宽纳秒量级、峰值功率MW 量级的巨脉冲，锁模技术可以产生皮秒至飞秒量级的超短脉冲。 ⒁ 常见的调Q 方法有哪几种？

⒈转镜调Q 技术 ⒉染料调Q 技术 ⒊电光调Q 技术 ⒋声光调Q 技术

⒂ 分别简述几种常见的激光锁模实现方法。

激光器一般有多个不同的振荡模式，他们本身是不关联、非相干的，起振幅与相位彼此独立；如果能使得各个独立模式在时间上同步、振荡相位一致，则总光场是各个模式光场得相干叠加，输出为一超短脉冲，且残余相干得模越多，不均于分布越尖锐，则脉宽越窄、峰值功率越高。这种通过把激光中所有的模耦合在一起并把各个模的彼此相位关系锁定得方法称为锁模，相应得技术称为锁模技术。 实现锁模的方法有很多，大致分为一下几类： ⒈主动锁模

是一种内调制锁模，通过在腔内插入一个电光或声光调制起实现模式锁定，要求调制频率精确地等于激光器的纵模间隔，从而使所有参与振荡的模式相位同步的锁模技术。 ⒉被动锁模

类似染料被动开关，把很薄的可饱和吸收染料盒插入自由运转的环形腔结构激光器谐振腔环路中点，使相反方向的两个脉冲精确同步地到达吸收体 ，发生碰撞，产生相干叠加效应，从而获得有效锁模的碰撞锁模方式。 ⒊自锁模

这是一种通过增益调制来实现锁模的方法。用一台锁模激光器的序列脉冲输出泵浦另一台激光器，在两个激光器光腔长度相等的情况下，激光器的增益收到调制，在最大增益时形成一个脉冲更窄的序列脉冲输出，这就是自锁模技术，或称同步锁模技术。

第四章光波导技术基础

4-1某光纤传输的波段为0.8:0.9um 。若每一路电话带宽为4KHz ，每套彩电节目带宽10MHz ，则该光纤理论上可传送多少路电话或多少套彩电节目？

光纤传输的频率f=c /λ,故它传输波段为

333*10^14 : 3.75*10^14 Vf=0.417*10^14

能传播的电话数目N1=(0.417*10^14) / (1.04*10^3)=1.04*10^10 能传播的彩电数目N1=(0.417*10^14) / (10*10^6)=4.17*10^6

4-6光纤的基本结构是什么？单独的纤芯可否作为光波导？包层的作用是什么？光纤传输光的基本原理是什么？什么是传输模、辐射模和消逝模？

光纤由传导光的纤芯（折射率n1）和外层的包层（折射率n2）两同心圆形的双层结构组成，且 n1>n2 。外面再包以一次涂覆护套和二次涂覆护套。 单独的纤芯不能作为光波导，光波导由纤芯和包层共同组成。

包层对纤芯起保护作用，包括增加光纤的机械强度，避免纤芯接触到污染物，以及减少纤芯表面上由于过大的不连续性（即界面两边的折射率差别过大）而引起的散射损耗率。

光波在光纤中传播有3种模式，导模（传输模），漏模（泄漏模）和辐射模。 导模是光功率限制在纤芯内传播的光波场，又称芯模。其存在条件是n2k0<β

形成振荡形式，但其振幅很小，传输损耗也很小。

辐射模在纤芯和包层中均为传输场，其存在条件是β

4-8波长为1.3um 的光射入单模阶跃折射率光纤，其芯区与包层折射率分别为n1=1.52，n2=1.42⑴若将其至于空气（折射率为1）中，则其数值孔径、最大入射角及芯径分别为多少？⑵若将其置于水（折射率为1.33）中呢？

解： ⑴数值孔径

..0.542N A

N.A=n0sin φmax , φ° 由于是单模传播，故 V<2.405， 2.405

22

2 1.836

a n n =-m μ

⑵数值孔径

..0.542

N A

Φmax=arcsin(0.542/1.33)=24.05° 由于是单模传播，故 V<2.405，

2.405

<

022

12

2.4052 1.836

a n n λπ

<

=

-m μ

4-9波长1.55um 8um 、纤芯折射率n1=1.458的单模阶跃折射率光纤中，求

⑴若包层折射率n2=1.448，求其数值孔径与最大入射角。 ⑵包层折射率应在何范围内方能维持单模传输？ ⑶包层折射率为n2=1.453时的模式有效折射率。

解： ⑴ 数值孔径 ..0.17N A

最

大

入

射

角

由

0max sin 0.17

n ϕ=得

0max arcsin0.179.815ϕ==

⑵ 由归一化频率 02..

a

V N A πλ=<2.405 2.405 得出 n2>1.450 4-10将50uW 光功率注入到500m 长的光纤中，若末端收到功率为38uW ，则