光电子学与光子学的原理及应用s.o.kasa chapter4课后答案
《光电子技术》第四章课后练习题
《光电子技术》第四章课后练习题《光电子技术》第四章课后练习题一、选择题（20分，2分/题）1、2017年诺贝尔奖物理学奖颁给LIGO科学合作组织的三名主要成员：雷纳·韦斯（Rainer Weiss）, 巴里·巴瑞希（Barry Barish）, 基普·索恩（Kip Thorne），以表彰他们直接探测到了引力波。
LIGO 的全称是激光干涉仪引力波天文台，它的基本原理就是迈克尔逊干涉仪。
当引力波经过时，干涉仪的双臂长度会有微小的改变，导致产生光程差，科学家们再通过精密测量技术，在各种（）中将微弱的信号捕捉出来。
A. 噪声B. 周期C. 振动D. 振幅2、利用外界因素对于光纤中光波相位的变化来探测各种物理量的探测器，称为（）。
A. 相位调制型探测器B. 相位结合型探测器C. 相位振动型探测器D. 相位干涉型探测器3、半导体激光发光是由（）之间的电子-空穴对复合产生的，激励过程是使半导体中的载流子从平衡状态激发到非平衡状态的激发态。
A.原子B.分子C.离子D.能带4、固体激光器是以固体为工作物质的激光器，也就是以掺杂的离子型（）和玻璃作为工作物质的激光器。
A. 石英晶体.B. 高纯硅C. 绝缘晶体D. 压电晶体5、光探测器是光纤传感器构成的一个重要部分，它的性能指标将直接影响传感器的性能。
光纤传感器对光探测器的要求包括以下那几个？（）A. 线行好，按比例地将光信号转换为电信号B. 灵敏度高，能敏度微小的输入光信号C. 产品结构简单，易维护D. 性能稳定，噪声小6、光纤传感器中常用的光探测器有以下哪几种？（）A. 光电二极管B. 光电倍增管C. 光敏电阻D. 固体激光器7、红外探测器的性能参数是衡量其性能好坏的依据。
其中响应波长范围（或称光谱响应），是表示探测器的（）相应率与入射的红外辐射波长之间的关系。
A. 电流B. 电压C. 功率D. 电阻8、光子探测是利用某些半导体材料在入射光的照下，产生（）。
光电子技术课后答案
习 题11. 设在半径为R c 的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l 0处有一个辐射强度为I e 的点源S ，如图所示。
试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。
ΩΦd d e e I =， 202πd l R c =Ω 202e πd d l R I I c e e ==ΩΦ2. 如图所示，设小面源的面积为∆A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0的夹角为θs ；被照面的面积为∆A c ，到面源∆A s 的距离为l 0。
若θc 为辐射在被照面∆A c 的入射角，试计算小面源在∆A c 上产生的辐射照度。
用定义r r ee A dI L θ∆cos =和A E e e d d Φ=求解。
4. 霓虹灯发的光是热辐射吗？不是热辐射。
6. 从黑体辐射曲线图可以看出，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长λm 随温度T 的升高而减小。
试由普朗克热辐射公式导出常数=T m λ。
这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为2.898⨯10-3m ∙K 。
普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0，即可求的。
9. 常用的彩色胶卷一般分为日光型和灯光型。
你知道这是按什么区分的吗？按色温区分。
习 题21. 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。
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。
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？ l 0 SR c 第1题图L e∆A s ∆A c l 0 θs θc第2题图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。
光电子课后习题答案
光电⼦课后习题答案第⼀章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。
光传输器件分为光学元件(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。
光探测器件分为光电导型探测器、光伏型探测器、热伏型探测器等。
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。
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。
⒌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⒈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、振动⽅向相同、相位差恒定；最典型的⼲涉装臵有杨⽒双缝⼲涉、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22010201022cos 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1.22fDλ。
光电子技术课后答案
第二章:⒉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 λμ=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？⑴1.5n = 正入射时，当n =时，膜系起到全增透作用5 1.225n ==，正入射下相应的薄膜厚度最薄为 00.750.15344 1.225h m nλμ===⨯⑵正入射时，反射率为222200002222000022()cos ()sin 22()cos ()sin G G G G n n nhnhn n n n n n nh nhn n n n ππλλρππλλ-+-=+++正220022220002()cos 3.57%22()cos ()sin G G G nhn n n n nhnhn n n n πλππλλ-==+++⒌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20.6j ＋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。
⑴2123n =+=n = 由112sin sin n n θθ=得2sin 6θ=2arcsin 6θ= ⑵衰减系数72(0.6)0.6 1.310nr k πλ=-⨯-=⨯=⨯⒍输出波长λ＝632.8nm 的He-Ne 激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS 和2ThF 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： 02220220()0.995()P H H LG P H H L Gn n n n n n n n n n λρ⎡⎤-⎢⎥⎢⎥=≥⎢⎥+⎢⎥⎣⎦正，，即22222.5 1.51()1.5 1.50.99752.5 1.51()1.5 1.5P P -≤-+ 即 250.0025() 1.5 1.99753P ⨯⨯≥25()532.73P≥ 212.3P = 7P ≈ 故至少涂覆7个双层。
第二版《光电子技术》课后习题答案
1.1可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少？ 波长：380~780nm 400~760nm 频率：385T~790THz 400T~750THz 能量：1.6~3.2eV1.2辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？ 为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。
辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。
根本区别在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。
因为光度参数只适用于0.38~0.78um 的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。
而量子流是在整个电磁辐射，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量.光源在给定波长λ处，将λ～λ+d λ范围内发射的辐射通量 d Φe ，除以该波长λ的光子能量h ν，就得到光源在λ处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。
1.3一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m 的高处，用照度计测得正下方地面的照度为30lx ，求出该灯的光通量。
Φ=L*4πR^2=30*4*3.14*1.5^2=848.23lx1.4一支氦-氖激光器（波长为632.8nm ）发出激光的功率为2mW 。
该激光束的平面发散角为1mrad,激光器的放电毛细管为1mm 。
求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。
若激光束投射在10m 远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为0.85，求该屏上的光亮度。
32251122()()()6830.2652100.362()()22(1cos )()0.3621.15102(1cos )2(1cos 0.001)1.4610/cos cos cos 0()0.3v m e v v v v v v v vv v v K V lm d I d S RhR R I cddI I I L cd m dS S r d M dS λλλλλππθλπθπθθπλ-Φ=Φ=⨯⨯⨯=Φ∆Φ==Ω∆Ω∆∆Ω===-∆Φ===⨯--∆∆====⨯∆Φ==522624.610/0.0005lm m π=⨯⨯'2'''222''2'2'100.0005(6)0.850.850.85cos 0.85155/cos 2v vvv v v v v l m r mP d r M E L dS lr L d dM l L cd m d dS d πθπθπ=>>=Φ===⋅⋅Φ====ΩΩ1.6从黑体辐射曲线图可以看书，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长随温度T 的升高而减小。
光电子技术课后答案
安毓英光电子技术教材课后习题答案详解习 题11. 设在半径为R c 的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l 0处有一个辐射强度为I e 的点源S ，如图所示。
试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。
2. 如图所示，设小面源的面积为∆A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0的夹角为θs ；被照面的面积为∆A c ，到面源∆A s 的距离为l 0。
若θc 为辐射在被照面∆A c 的入射角，试计算小面源在∆A c4. 霓虹灯发的光是热辐射吗？不是热辐射。
6. 从黑体辐射曲线图可以看出，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长λm 随温度T 的升高而减小。
试由普朗克热辐射公式导出常数=T m λ。
这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为2.898⨯10-3m •K 。
普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0，即可求的。
9. 常用的彩色胶卷一般分为日光型和灯光型。
你知道这是按什么区分的吗？按色温区分。
习 题21. 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。
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。
第1题图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？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。
5. 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？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。
7. 若取v s=616m/s，n=2.35，f s=10MHz，λ0=0.6328μm，试估算发生拉曼-纳斯衍射所允许的最大晶体长度L max=?10. 一束线偏振光经过长L=25cm，直径D=1cm的实心玻璃，玻璃外绕N=250匝导线，通有电流I=5A。
光电子学与光子学的原理及应用第二章-课后答案
光电子学与光子学的原理及应用第二章-课后答案1. 选择题1.1 题目一答案：C解析：光电效应是指物质受到光的照射后，吸收光能，将光能转化为电能的一种现象。
光电效应首先是由爱因斯坦在1905年提出的，他在描述光电效应时，引入了光子概念，假设光是由一组个别粒子组成的（即光量子），这些粒子就是后来被称为光子的电磁辐射量子。
1.2 题目二答案：A解析：光电倍增管是指通过光电效应，在光电面上光电发射物质外壳的钨丝和灯管之间加一个高达2000-3000伏的电压使其产生光电流，再对光电流进行电子倍增，最后输出检测的一种光电探测器。
光电倍增管的结构与普通的电子管相似，但是在各个电极和玻璃壳之间加入了紧密和高度真空的保护，同时在阳极和阳极网之间还添加了一个用直流电压加电的光电体。
当阳极对外加正电压使阳极电流开始增大时，就成为光电倍增管。
1.3 题目三答案：D解析：光电二极管是一种能够将光信号转化为电信号的器件。
光电二极管的基本原理是利用半导体材料的PN结在光照射下产生光电效应，使得PN结两端产生电荷，从而产生电压信号。
光电二极管的结构和普通二极管类似，主要由P型和N型的半导体材料组成，当光照射到光电二极管上时，光子能量被半导体材料所吸收，产生的热力激发电子，从而引起半导体PN结的载流子的复合和流动，产生感光电流。
光电二极管应用广泛，如光通信、光电测量、光谱分析等领域。
1.4 题目四答案：B解析：光导纤维是一种能够传输光信号的特殊纤维材料。
光导纤维的核心部分是由高折射率的材料构成，而外部由低折射率的材料构成。
当光线传输到光导纤维中时，会发生全反射现象，使得光线能够沿着光导纤维进行传输，最终到达目标地点。
光导纤维具有传输距离远、损耗小、带宽大、抗电磁干扰等优点，在通信、医疗、传感等领域得到广泛应用。
2. 填空题2.1 题目一答案：钠解析：钠具有低电离电势，激发电子的能量比较低，是光电电子极容易脱离的材料之一。
2.2 题目二答案：光电效应解析：光电效应是指物质受到光的照射后，吸收光能，将光能转化为电能的一种现象。
光电子技术课后答案期末考试
光电子技术课后答案期末考试一、简答题（共10题，每题2分）1.光电效应是指什么现象？请举例说明。
光电效应是指当光照射到金属表面时，金属中的自由电子被光子激发后脱离金属表面成为自由电子的现象。
例如，太阳能电池中的光电效应将太阳光转化为电能。
2.光纤通信的工作原理是什么？光纤通信是利用光纤作为传输介质，通过光的全反射来传输信号。
光信号被转换为光脉冲后，通过发射器发送到光纤中。
光脉冲沿着光纤传输，在传输过程中会发生衰减和色散，因此需要使用光纤放大器和补偿器来补偿这些损耗。
最后，光脉冲到达接收器，转换为电信号进行解析和处理。
3.请简述激光有哪些特点，并说明其应用领域。
激光具有单色性、方向性、相干性和高亮度等特点。
单色性指激光是单一频率的光束；方向性指激光具有非常狭窄的束发散角，能够聚焦在非常小的区域；相干性指激光光束的波长相位关系保持稳定；高亮度指激光具有很高的光功率密度。
激光的应用领域非常广泛，包括激光加工、医疗器械、通信、测量仪器等。
它在材料切割、焊接、打标、光刻等方面有重要应用；在医学领域，激光被用于手术切割、皮肤美容等；在通信领域，激光被用于高速光纤通信；在测量仪器中，激光被用于测距、测速等。
4.光栅的工作原理是什么？光栅是一种光学元件，可以通过光的干涉作用将入射光分解成多个不同波长的次级光波。
光栅的工作原理基于光的干涉，当入射光线通过光栅时，光栅上的间隙会产生光的干涉，使得光被分解成不同波长的光，从而形成光的光谱。
光栅的分辨本领取决于光栅的刻线数量和入射光的波长。
5.请简述光电二极管的结构和工作原理。
光电二极管是一种半导体器件，其结构由P型半导体和N型半导体组成。
当光线照射到P-N结上时，光子激发了半导体材料中的电子，使其跃迁到导带中，产生电子-空穴对。
这些电子-空穴对在电场的作用下会转移到两侧的电极上，产生电流。
6.光电二极管的特性曲线是什么样的？光电二极管的特性曲线呈现出光电流和反向饱和电流之间的关系。
高中物理选择性必修第三册课后习题 第4章 原子结构和波粒二象性 粒子的波动性和量子力学的建立
5 粒子的波动性和量子力学的建立课后·训练提升基础巩固一、单项选择题1.下列说法正确的是( )A.光子与光电子是同一种粒子B.光子与物质微粒发生相互作用时,不仅遵循能量守恒,还遵循动量守恒C.光具有粒子性又具有波动性,这种波不是电磁波D.宏观物体也有波动性,这种波就是机械波答案:B解析:光子是光,光电子是金属表面在光的照射下发射出来的电子,两者并不是同一种粒子,故选项A错误;能量守恒和动量守恒是自然界的基本规律,光子与物质微粒发生相互作用时也要遵循,故选项B正确;光子既具有粒子性又具有波动性,这种波是电磁波,故选项C错误;宏观物体也有波动性,这种波是物质波,故选项D错误。
2.波长为λ的光子与一静止电子发生碰撞,测得反弹后的光子波长增大了Δλ,普朗克常量为h,不考虑相对论效应,碰撞后电子的动量为( )A.hλ+hΔλB.hλ+hλ+ΔλC.hλ−hΔλD.-hλ−hλ+Δλ答案:B解析:根据动量和波长的关系λ=hp,设碰撞后电子的动量为p0,光子与电子碰撞过程满足动量守恒,因为光子碰撞后反弹,所以光子的动量为负,根据动量守恒定律hλ=-hλ+Δλ+p0,解得p0=hλ+hλ+Δλ,选项B正确。
3.法国物理学家德布罗意认为,任何一个运动着的物体,小到电子、质子,大到行星、太阳,都有一种波与它对应,波长λ=hp,人们把这种波称为物质波,也叫德布罗意波。
如果有两个电子的速度分别为v1和v2,且v1=2v2,则这两个电子对应的德布罗意波的波长关系为( )A.λ1∶λ2=1∶2B.λ1∶λ2=4∶1C.λ1∶λ2=2∶1D.λ1∶λ2=1∶4答案:A解析:两个电子的速度之比v1∶v2=2∶1,则两个电子的动量之比p1∶p2=2∶1,故由λ=hp可得两个电子的德布罗意波长为λ1∶λ2=1∶2,故选项A正确,B、C、D错误。
4.生活中会遇到各种波,以下关于波的说法正确的是( )A.声波可以发生多普勒效应B.Wi-Fi信号的传播需要介质C.电子衍射证实了电子具有粒子性D.月全食时的红月亮是红光在月球表面发生干涉所致答案:A解析:声波在声源和观察者相对位置发生变化时可以发生多普勒效应,故选项A正确;Wi-Fi信号是电磁波,它的传播不需要介质,故选项B错误;电子衍射证实了电子具有波动性,故选项C错误;月全食时的红月亮是因为地球大气层折射和散射,使观察者看到红月亮,故选项D错误。
第二版《光电子技术》课后习题答案
1・1可见光的波长.频率和光子的能量范围分别是多少？波长：380~780nm 400-760nm频率：385T~790THz 400T-750THz能量：l ・6~3・2cV1.2辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度 戢？为了泄量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特 性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的左量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参 数和量纲。
辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。
根本区別在于：前者是物 理（或客观）的讣量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐 射谱区，对辐射量进行物理的计量：后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看 见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。
因为光度参数只适用于 O.38~O.78um 的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何 意义。
而量子流是在整个电磁辐射，所以量子流速率的il •算公式中不能出现光度量.光源在 给定波长入处，将入〜X+dX 范囤内发射的辐射通M d<Pe,除以该波长入的光子能量h V,就得到光源在入处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。
1.3 -只白炽灯，假设齐向发光均匀，悬挂在离地而l ・5m 的髙处，用照度计测得正下方地 而的照度为301X,求出该灯的光通量。
0>=L*4 n R A 2=30*4*3.14* 1.5A 2=848.2引x1・4 一支氨■就激光器（波长为632.8nm ）发出激光的功率为2mW.该激光束的平而发散角 为lmrad,激光器的放电毛细管为1mm 。
求出该激光束的光通呈:、发光强度、光亮度、光出射度。
若激光束投射在10m 远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为0.85,求该屏 上的光亮度。
= 683x0.265x2x107 = 0.3 62/,77 "令・(>1) _ 0.362 7lS _ XO.OOO52 Z = 10/zz » r = O.OOO5ZZ7 (P6), d /• 2 A7 = O.85^v = 0.85——:——— = 0.85 ・疋厶 — v v as cose v /2c 如0.85 £厶,升 r —= =1 55cd / m dGdS cos 3 dG 2兀 1.6从黑体辐射曲线图可以看书，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长随温度T 的升2兀Rh s Q =-—— = 2兀(1 — cos △e、（几） 2兀（1 — cos &） 0.362 2兀(1 — cos 0.00 1) "40)= △e 。
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6.3 Solar cell driving a loada A Si solar cell of area 4 cm 2 is connected to drive a load R as in Figure 6.8 (a). It has the I-Vcharacteristics in Figure 6.8 (b) under an illumination of 600 W m -2. Suppose that the load is 20 Ω and it is used under a light intensity of 1 kW m -2. What are the current and voltage in the circuit? What is the power delivered to the load? What is the efficiency of the solar cell in this circuit?b What should the load be to obtain maximum power transfer from the solar cell to the load at 1 kW m -2 illumination. What is this load at 600 W m -2?c Consider using a number of such a solar cells to drive a calculator that needs a minimum of 3V and draws 3.0 mA at 3 - 4V. It is to be used indoors at a light intensity of about 400 W m -2. How many solar cells would you need and how would you connect them? At what light intensity would the calculator stop working?Solutiona The solar cell is used under an illumination of 1 kW m -2. The short circuit current has to be scale up by 1000/600 = 1.67. Figure 6Q3-2 shows the solar cell characteristics scaled by a factor 1.67 along the current axis. The load line for R = 20 W and its intersection with the solar cell I-V characteristics at P which is the operating point P . Thus,I¢ ≈ 22.5 mA and V¢ ≈ 0.45 VThe power delivered to the load isP out = I¢V¢ = (22.5×10-3)(0.45V) = 0.0101W, or 10.1 mW.This is not the maximum power available from the solar cell. The input sun-light power is P in = (Light Intensity)(Surface Area)= (1000 W m -2)(4 cm 2 ´ 10-4 m 2/cm 2) = 0.4 WThe efficiency is η=100P out P in =1000.0100.4=2.500 which is poor.b Point M on Figure 6Q3-2 is probably close to the maximum efficiency point, I¢ ≈ 23.5 mA and V¢ ≈ 0.44 V. The load should be R = 18.7 W, close to the 20 W load. At 600 W m -2 illumination, the load has to be about 30 W as in Figure 6.8 (b). Thus, the maximum efficiency requires the load R to be decreased as the light intensity is increased. The fill factor isFF =I m V m I sc V oc =(23.5 mA)(0.44 V)(27 mA)(0.50 V)≈ 0.78 c The solar cell is used under an illumination of 400 W m -2. The short circuit current has to be scale up by 400/600 = 0.67. Figure 6Q3-2 shows the solar cell characteristics scaled by a factor 0.67 along the current axis. Suppose we have N identical cells in series, and the voltage across the calculator is V calculator . The current taken by the calculator is 3 mA in the voltage range 3 to 4 V and the calculator stops working when V calculator < 3 V. The cells are in series so each has the same current and equal to 3 mA, marked as I¢ in Figure 6Q-2. The voltage across one cell will be V¢ = V calculator /N . which is marked in Figure 6Q3-2. V¢ = 0.46 V. Minimum number of solar cells in series = N = 3 / 0.46 = 6.5 or 7 cells , since you must choose the nearest higher integer.If we want the calculator continue to work under low intensity levels, then we can connect more cells in series until we reach about 4 V; N = 4 V / 0.46 V = 8.7 or 9 cells in series.The easiest estimate for the minimum required light intensity is the following: The calculator will stop working when the light intensity cannot provide energy for the solar cell to deliver the 3 mA calculator current. The short circuit current at 400 W m -2 is 11 mA in Figure 6Q3-2. ThusMinimum light intensity = 3 mA 11 mA 400 W m −2=109 W m -2 Figure 6Q3-1Figure 6Q3-26.4 Open circuit voltage A solar cell under an illumination of 100 W m -2 has a short circuit current I s c of 50 mA and an open circuit output voltage V oc , of 0.55V. What are the short circuit current and open circuit voltages when the light intensity is halved?SolutionThe short circuit current is the photocurrent so that atI sc 2=I sc 1I 2I 1 =50 mA ()50 W m −2100 W m −2 = 25 mAAssuming n = 1, the new open circuit voltage is V oc 2=V oc 1+nk B T e ln I 2I 1 =0.55+10.0259()ln 0.5()= 0.508 VAssuming n = 2, the new open circuit voltage isVI (mA)R = 20 ž-2.V -2.V oc2=Voc1+nkBTelnI2I1=0.55+20.0259()ln0.5()= 0.467 V6.7 Series connected solar cells Consider two odd solar cells. Cell 1 has I o1 = 25´10-6 mA, n1 = 1.5, R s1 = 10 W and cell 2 has I o2 = 1´10-7 mA, n2 = 1, R s2 = 50 W. The illumination is such that I ph1 = 10 mA and I ph2 = 15 ma. Plot the individual I-V characteristics and the I-V characteristics of the two cells in series. Find the maximum power that can be delivered by each cell and two cells in series. Find the corresponding voltages and currents at the maximum power point. What is your conclusions?SolutionThe equivalent circuit is shown in Figure 6Q7-1. The current through both the devices has to be the same. Thus, for cell 1I=−Iph1+Io1expVd1n1VT−1=−Iph1+Io1expV1−IRs1n1VT−1∴V1−IRs1n1VT=lnI+Iph1Io1−1∴V1=n1VTlnI+Iph1Io1−1+IRs1For cell 2I=−Iph1+Io2expVd2n2VT−1=−Iph2+Io2expV2−IRs2n2VT−1∴V2=n2VTlnI+Iph2Io2+1+IRs2But V = V1 + V2∴V=n1VTlnI+Iph1Io1+1+IRs1+n2VTlnI+Iph2Io2+1+IRs2I phTwo different solar cells in series I ph2We can now substitute I o 1 = 25´10-6 mA, n 1 = 1.5, R s 1 = 10 W, I o 2 = 1´10-7 mA, n 2 = 1, R s 2 = 50 W and then plot V vs. I (rather I vs. V since we can calculate V from I ) for each cell and the two cells in series as in Figure 6Q7-2. Notice that the short circuit is determined by the smallest I sc cell. The total open circuit voltage is the sum of the two.Figure 6Q7-26.9 Solar cell efficiency The fill factor FF of a solar cell is given by the empirical expression FF ≈v oc−ln(v oc +0.72)v oc +2 where v oc = V oc /(nk B T/e ) is the normalized open circuit voltage (normalized with respect to the thermaltemperature k B T/e ). The maximum power output from a solar cell isP =FF I sc V oc Taking V oc = 0.58 V and I sc = I ph = 35 mA cm -2, calculate the power available per unit area ofsolar cell at room temperature 20 °C, at -40 °C and at 40 °CSolutionThe open circuit voltage depends on the temperature whereas I sc has very little temperature dependence. Use ′ V oc =V oc ′ T T +E g e 1−′ T T (1)to calculate the V oc at different temperature given V oc at one temperature. Then calculate v oc using v oc = V oc /(nk B T/e ) (2) then FF using FF ≈v oc−ln(v oc +0.72)v oc +2 (3)and then P using P =FF I sc V oc (4) Cell 1VoltageCurrent (mA)Cell 2Cell 1 in series with 2as summarized in Table 6Q9-1.Table 6Q9-1 n = 1I sc mA/cm 2 V oc ; Eq. (1) v oc ; Eq. (2) FF; Eq. (3) P mW cm -2; Eq. (4) 20 °C 35 0.580 V 22.97 0.793 16.03 -40 °C 35 0.686 V 34.19 0.847 20.34 40 °C 35 0.545 20.19 0.773 14.73 n = 2I sc mA/cm 2 V oc ; Eq. (1) v oc ; Eq. (2) FF; Eq. (3) P mW cm -2; Eq. (4) 20 °C 35 0.580 V 11.49 0.666 13.52 -40 °C 35 0.686 V 17.10 0.744 17.90 40 °C 35 0.545 10.09 0.638 12.15Conclusions: n = 2 case has a lower FF and also lower power delivery.NOTE: The temperature dependence of the open circuit voltage V oc was derived in the text as′ V oc =V oc ′ T T +E g e 1−′ T T This expression is valid whether n is 1 or 2. Recall that n = 1 represents diffusion in the neutral regionsand n = 2 is recombination in the space charge layer. In the n = 1 case I o µ n i 2 and in the n = 2 case I o µ n i , thus in generalI o µ n i 2/n Consider the open circuit voltage, V oc =nk B T e ln K I I o or eV oc nk BT =ln K I I o At two different temperatures T 1 and T 2 but at the same illumination level, by subtraction,eV oc 2nk B T 2−eV oc 1nk B T 1=ln I o 1I o 2 ≈ln n i 12/n n i 22/n where the subscripts 1 and 2 refer to the temperatures T 1 or T 2 respectively.We can substitute n i 2/n = (N c N v )1/2exp(-E g /nk B T ) and neglect the temperature dependences of N c and N v compared with the exponential part to obtain,eV oc 2nk B T 2−eV oc 1nk B T 1=E g nk B 1T 2−1T 1Rearranging for V oc 2 in terms of other parameters we find,V oc 2=V oc 1T 2T 1 +E g e 1−T 2T 1。
光电子学与光子学 课后答案 4-6章
τ sp
ed
we have,
nth ≈
Jthτ sp
≈
(500 × 10 4 A m -2 )(10 × 10−9 s) ≈ 1.25×1024 m-3 or 1.2×1018 cm-3 −19 −6 (1.6 × 10 C)(0.25 × 10 m)
Now, the current density corresponding to I = 30 mA is J = I/(WL) = (0.05 A)/[10×60×10-610-6 m2)] = 833×104 A m-2. And, N ph ≈
2 2
αt = α +
c
The reflectance is
n − 1 3.5 − 1 R = = 3.5 + 1 = 0.309 n + 1
The total loss coefficient is 1 1 1 1 ln 2 = 1000 m −1 + ln = 2.06×104 m-1. − 6 − 1 0.3092 2L R 60 × 10 m n 3.5 -13 s (0.57 ps) = = 8 −1 8 − 1 = 5.7×10 c α t (3 × 10 m s )(2.06 × 10 m )
ηEDQE = ηEPE =
c
3 × 10 −3 − 2 × 10 −3 Js−1 e dPo (1.6 × 10 −19 C) = = 0.27 or 27%. Eg dI (1.85 eV × 1.6 × 10 −19 C) 82 × 10 −3 − 80 × 10−3 A
δυm =
υf
=
4.10
光子学与光电子学 原荣邱琪 习题题解
《光子学与光电子学》习题及题解原荣 邱琪 编著第1章 概述和理论基础1-10 计算每个脉冲包含的光载波数考虑工作在1 550 nm 波长的10 Gb/s RZ 数字系统，计算每个脉冲有多少个光载波振荡？ 解：已知λ = 1.550 μm ，所以光频是Hz 101.93514×==λc f ，光波的周期是1T f ==5.168×10−15 s 。
已知数字速率是10 Gb/s RZ 码，所以脉冲宽度是T = 1/(10×109) = 10−10 s ，所以在该脉冲宽度内的光周期数是19349015.168/101510ele =×==−−T T N1-11 计算LD 光的相干长度和相干时间单纵模LD 的发射波长是1550 nm ，频谱宽度是0.02 nm ，计算它发射光的相干时间和相干长度。
解：由题可知，λ = 1550×10−9 m ，Δλ = 0.02 × 10−9 m ，从式（3.1.18）可知()()Hz 102.5100155/1031020.0/929892×=××××=Δ=Δ−−λλc v于是，相干时间是 019104)102.5/(1/1−×=×=Δ≈Δv t s 或者 0.4 ns相干长度是12.010*******c =×××=Δ=−t c l m 或者 12 cm与LED 相比（见例1.3.4），LD 的相干长度是LED 的6.3×103倍。
第2章 光波在光纤波导中的传输2-14 平面电介质波导中的模数平面电介质波导宽为100 μm ，，490.11=n 084.12=n ，使用式（2.2.6）估算波长为1.55 μm 的自由空间光入射进该波导时，它能够支持的模数。
并把你的估算与下面的取整公式进行比较1π2Int +⎟⎠⎞⎜⎝⎛=V M 解：全反射的相位变化不能够大于π，所以φ /π 小于1。
光电子学与光子学的原理及应用s.o.kasa 课后答案
1.4 Antireflection coating
For light traveling in medium 1 incident on the 1-2 interface at normal incidence,
For SiO2 For TiO2
d = λ = 900 × 10−9 m = 0.15 µm
4 n2
4(1.5)
d = λ = 900 × 10−9 m = 0.10 µm
4n2
4(2.3)
1.8 Thin film coating and multiple reflections:
Assume that n1 < n2 < n3 and that the thickness of the coating is d. For simplicity, we will assume normal incidence. The phase change in traversing the coating thickness d is φ = (2π/λ)n2d where λ is the free space wavelength. The wave has to be multiplied by exp(−jφ) to account for this phase difference.
The phase change for wave B going through the coating of thickness d is 2k2d where k2 = n2ko and ko = wavevector in free space = 2π/λ. This should be 180° or π. Thus we need 2n2(2π/λ)d = π or
第二版《光电子技术》课后习题答案
1・1可见光的波长.频率和光子的能量范围分别是多少？波长：380~780nm 400-760nm频率：385T~790THz 400T-750THz能量：l ・6~3・2cV1.2辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度 戢？为了泄量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特 性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的左量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参 数和量纲。
辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。
根本区別在于：前者是物 理（或客观）的讣量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐 射谱区，对辐射量进行物理的计量：后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看 见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。
因为光度参数只适用于 O.38~O.78um 的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何 意义。
而量子流是在整个电磁辐射，所以量子流速率的il •算公式中不能出现光度量.光源在 给定波长入处，将入〜X+dX 范囤内发射的辐射通M d<Pe,除以该波长入的光子能量h V,就得到光源在入处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。
1.3 -只白炽灯，假设齐向发光均匀，悬挂在离地而l ・5m 的髙处，用照度计测得正下方地 而的照度为301X,求出该灯的光通量。
0>=L*4 n R A 2=30*4*3.14* 1.5A 2=848.2引x1・4 一支氨■就激光器（波长为632.8nm ）发出激光的功率为2mW.该激光束的平而发散角 为lmrad,激光器的放电毛细管为1mm 。
求出该激光束的光通呈:、发光强度、光亮度、光出射度。
若激光束投射在10m 远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为0.85,求该屏 上的光亮度。
= 683x0.265x2x107 = 0.3 62/,77 "令・(>1) _ 0.362 7lS _ XO.OOO52 Z = 10/zz » r = O.OOO5ZZ7 (P6), d /• 2 A7 = O.85^v = 0.85——:——— = 0.85 ・疋厶 — v v as cose v /2c 如0.85 £厶,升 r —= =1 55cd / m dGdS cos 3 dG 2兀 1.6从黑体辐射曲线图可以看书，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长随温度T 的升2兀Rh s Q =-—— = 2兀(1 — cos △e、（几） 2兀（1 — cos &） 0.362 2兀(1 — cos 0.00 1) "40)= △e 。
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(le3vpe1)lsarnedsuthlteinrgemfraoimninvgareioleucstrdoinffse(r2enp5t)vwaliutheisnoqfumanl atunmd mmsetchhaat nciacnalarsusilgesn.edNtoot
e all
sixth excited transitions to
spins parallel has a lower energy than that with opposite electron spins as indicated in Figure 4Q1. These
two He states can excite Ne atoms to either the 2p54s1 or 2p55s1. There is then a population inversion between these levels and the 2p53p1 and between 2p55s1 and 2p54p1 which leads to the above lasing
electron these
energy levels are allowed as photon emission requires quantum number selection rules to be obeyed.
a Table 4Q1, shows some typical commercial He-Ne laser characteristics (within 30-50%) for various wavelengths. Calculate the overall efficiencies of these lasers.
543.5
594.1
Green
Yellow
Optical output power (mW) 1.5
2
Typical current (mA)
6.5
6.5
Typical voltage
2750
2070
612 Orange 4 6.5 2070
632.8 Red 5 6.5 1910
1523 Infrared 1 6 3380
Solutions Manual for Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices S.O. Kasap
4.2
15 April 2002
He (1s12s1)
20.6 eV Collisions
(1s12s1)
19.8 eV
b The human eye is at least twice as sensitive to orange color light than for the red. Discuss typical applications where it is more desirable to use the orange laser.
same, energy transfer from excited He atoms to Ne atoms by atomic collisions in the gas discharge tube. There are two excited states for the He atom in the configuration 1s12s2. The configuration with electron
c
The 1523 nm emission has potential for use in optical communications by modulating the laser
beam externally . By considering the spectral line width (∆υ ≈ 1400 MHz), typical powers, stability,
Solutions Manual for Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices S.O. Kasap
4.1
15 April 2002
Chapter 4
4 . 1 The He-Ne Laser The He-Ne laser system energy levels can be quite complicated as shown in Figure 4Q1. There are a number of lasing emissions in the laser output in the red (632.8 nm), green
transitions. Generally, we do not have a single discrete level for the energy of a many-electron atom of
given n,l configuration. For example, the atomic configuration 2p53p1 has 10 closely spaced energy
(543.5 nm), orange (612 nm), yellow (594.1 nm), and in the infrared regions at 1.52 µm and 3.39 µm,
which give the He-Ne laser its versatility. The pumping mechanism for all these lasers operations is the
discuss the advantages and disadvantages of using a He-Ne laser over a semiconductor diode.
Table 4Q1
Typical commercial He-Ne laser characteristics
Wavelength (nm)