光电子技术复习总结

光电子技术复习题总结（2012.6.1）

第一章：光的基础知识及发光源

1. 光的基本属性？光具有波动和粒子的双重性质，即具有波粒二象性。

2. 激光的特性？

（1）方向性好（2）单色性好（3）亮度高（4）相干性好

3. 玻尔假说：定态假设和跃迁假设？（1）定态假设；原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的能量只能采取某些分立的值E1、E2 、⋯⋯、En ，而不能采取其它值。

（2）跃迁假设；只有当原子从较高能量En的定态跃迁到较低能量Em的定态时，才能发射一个能量为h 的光子。

4. 光与物质的共振相互作用的三种过程？受激吸收、自发辐射、受激辐射

5. 亚稳态？自发辐射的过程较慢时，粒子在E2 能级上的寿命就长，原子处在这种状态就比较稳定。寿命特别长的激发态称为亚稳态。其寿命可达10-3~1s ，而一般激发态寿命仅有10-8s 。

6. 受激辐射的光子性质？受激辐射的光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致。

7. 受激吸收和受激辐射这两个过程的关系？宏观表现？两能级间受激吸收和受激辐射这两个相反的过程总是同时存在，相互竞争，其宏观效果是二者之差。当吸收过程比受激辐射过程强时，宏观看来光强逐渐减弱；反之，当吸收过程比受激辐射过程弱时，宏观看来光强逐渐加强。

8. 受激辐射与自发辐射的区别？

最重要的区别在于光辐射的相干性，由自发辐射所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一定的任意性，而受激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激发的光子高度一致，即有高度的简并性。

9. 光谱线加宽现象？由于各种因素影响，自发辐射所释放的光谱并非单色，而是占据一定的频率宽度，分布在中心频率v0 附近一个有限的频率范围内，自发辐射的这种现象称为光谱线加宽。

10. 谱线加宽的原因？由于能级有一定的宽度，所以当原子在能级之间自发发射时，它的频率也有一个变化范围△ vn.

11. 谱线加宽的物理机制分为哪两大类？它们的区别？分为均匀加宽和非均匀加宽两大类。均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的。发光粒子的光谱因物理因素加宽后中心频率不变, 由它们迭加成的光源光谱形状与发光粒子相同。

非均匀加宽：引起谱线加宽的物理因素对介质中的每个发光原子不一定相同，每个发光原子所发的光只对谱线内某些确定的频率。发光粒子的光谱因物理因素使得中心频率发生变化, 由它们迭加成的光源光谱形状与发光粒子不同。

12. 谱线加宽对原子与准单色光辐射场相互作用的影响？由于发光粒子的谱线加宽，与它相互作用的单色光频率不一定精确等于粒子中心频率时才发生受激跃迁。而在v'=v0 附近范围内，都能产生受激跃迁。当v ‘ =v0 时跃迁几率最大，v ' 偏离v0 跃迁几率急剧下降。

13. 参与普通光源的发光的光与物质共振相互作用过程？常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2）的电子寿命很短（一般为10－8～10－9 秒），

在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为h υ=E2-E1。

14. 激光产生的必要条件和充分条件？

必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式充分条件：起振和稳定振荡（形成稳定激光）

15. 激光器的基本结构及其各部分的作用？激光工作物质: 这种介质可以实现粒子数反

转，以制造获得激光的必要条件。泵浦源：将粒子从低能级抽运到高能级态的装置，称为泵浦源。提供能量来激励工作物质，建立粒子数反转分布状态。

谐振腔：作用是限制输出模式，同时还对激光频率、功率、光束发散角及相干性都有影响。

16. 增益饱和现象？二能级系统为什么不能充当激光工作物质？

在二能级系统中，由于发生受激吸收和受激辐射的几率是相同的（B12=B21），最终只有达到两个能级的粒子数相等而使系统趋向稳定，不能实现粒子数反转，因而不能充当工作物质。

17. 三能级和四能级系统如何实现粒子数反转？为什么四能级系统比三能级系统的效率高？

三能及系统：E1 为基态，E2、E3 为激发态，中间能级E2为亚稳态。在泵浦作用下，基态E1 的粒子被抽运到激发态E3 上，E1上的粒子数N1随之减少。但由于E3 能级的寿命很短，粒子通过碰撞很快地以无辐射跃迁的方式转移到亚稳态E2上。由于

E2 态寿命长，其上就累积了大量的粒子，即N2大于N1，于是实现了亚稳态E2与基态E1 间的粒子数反转分布。

三能级激光器的效率不高，原因是抽运前几乎全部粒子都处于基态，只有激励源很强而且抽运很快，才可使N2 > N1 ，实现粒子数反转。

四能级系统：是使系统在两个激发态E2、E1之间实现粒子数反转。因为这时低能级E1 不是基态而是激发态，其上的粒子数本来就极少，所以只要亚稳态E2 上的粒子数稍有积累，就容易达到N2 大于N1，实现粒子数反转分布，在能级E2 、E1 之间产生激光。于是，E3 上的粒子数向E2 跃迁，E1 上的粒子数向E0 过渡，整个过程容易形成连续反转，因而四能级系统比三能级系统的效率高。

18. 激光的纵模和横模？

激光的纵模：光场沿轴向传播的振动模式称为纵模。

激光的横模：激光腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布称为激光的横模。19. 激光横模形成的主要因素？

主要因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用。

20. 双简并半导体的能带特点？双简并半导体：半导体中存在两个费米能级; 两个费米能级使得导带中有自由电子；价带中有空穴。

21. pn 结如何形成双简并能带结构？

当给P－N 结加以正向电压V 时，原来的自建场将被削弱，势垒降低，破坏了原来的平衡，引起多数载流子流入对方，使得两边的少数载流子比平衡时增加了，（这些增加的少数载流子称为“非平衡载流子”。这种现象叫做“载流子注入”。）此时结区的统一费米能级不复存在，形成结区的两个费米能级EF+和EF-，称为准费米能级。它们分别描述空穴和电子的分布。在结区的一个很薄的作用区，形成了双简并能带结构。

22. 同质结砷化镓激光器的特性？