光电子学复习题及答案

光电子学复习题（本答案以《光电子学教程》张继熊著为参考，老师说试卷就是这样，答题都是几选几）--306物理工作室一、名词解释1.受激辐射——处于激发态的发光原子在外来辐射场的作用下，向低能态或基态跃迁时，辐射光子的现象。受激辐射发出的光子和外来光子的频率、位相、传播方向以及偏振状态全相同。受激辐射是产生激光的必要条件。2.自发辐射——原子在真空场作用下发生的跃迁。空间中即使没有人为施加的辐射场，也会自发地存在零点场，即辐射场模n=0的真空场，在这种辐射场的作用下，原子就会自发地从上能级跃迁到下能级，同时向辐射场发射一个能量为h的光子。是不受外界辐射场影响的自发过程，各个原子在自发跃迁过程中是彼此无关的，不同原子产生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性。3.增益系数——如有一段长度为L的增益介质，一束强度为I0的光自端面（z=0）入射。设光在介质中任意位置Z处的光强为I(z)，在z+dz处光强为I(z+dz)=I(z)+dI(z)，则介质对光的增益系数定义为，增益系数定义为光通过单位长度增益介质后光强增加的相对值，用G(v)表示，它是频率的函数；4.谱线宽度—一般将强度下降到最大值一半时所对应的波长范围称为谱线宽度，用Δλ表示。5.光电子技术——由光子技术和电子技术结合而成的新技术，涉及光显示、光存储、激光等领域，是未来信息产业的核心技术。6.TM波——简称横磁场波TM（TransverseMagnetic），入射波的电场矢量E与入射面平行，波的磁场垂直于入射面。也被称为平行极化波或垂直极化波。7.光电子学——由光学和电子学结合形成的技术学科8.光电导效应——又称光电效应、光敏效应，光照变化引起半导体材料电导变化的现象。即光电导效应是光照射到某些物体上后，引起其电性能变化的一类光致电改变现象的总称。9.子午线——在光纤中传播时，始终在同一个包含光纤轴线的平面内的光线称子午线。10.泵浦——泵，泵浦，抽运；11.辐射模——包层模和衬底模通称为辐射模。12.光纤——工作在光频的一种介质波导，其形状通常呈圆柱形，它将光波约束在其内部，并引导光沿着与轴平行的方向前进。13.导模——光在介质中传播时在上下表面都发生全反射的模式。14.噪声——对信号起干扰作用的成分统称为噪声。二、问答题1．形成激光必要条件？在激光器工作物质内某些能级间实现粒子数反转分布；激光器须满足阈值条件；2．为什么四能级系统比三能级系统更易实现粒子数反转（作图说明）？对实际工作物质分析发现，四能级系统的存在，有利于E3与E2能级之间实现粒子的反转，而S21越大，越能更快地将E2能级上的粒子转移到基态；同时又有利于E4能级上的粒子转移到E3能级，且在E3能级停留的时间较长。综合：四能级系统更有利于实现粒子数的反转。P71,733．为什么二能级系统不能产生激光？没有亚稳态能级，不能实现粒子数反转；4．“没有绝对的单一波长的光波存在”这句话如何从能级跃迁的角度给以说明？经典物理观点：跃迁发出的电磁波不是单色波，是分布在中心附近的一小范围的单色波组合，谱图上表现为一定宽度。量子力学观点：测不准关系，某时刻，粒子处能级不确定，能级不单一，跃迁结果相当发出多种不同光子，形成谱线宽度。自发辐射过程这种增宽效益不可避免，是谱线宽度能达到最低值，不存在线宽为0情况，不可能发出绝对单色光。没有绝对单一光波存在。5.激光理论基础是什么？受激辐射理论6.你怎样理解：随着高功率激光器件发展，非稳腔受到更多重视？答；由于稳定腔具有逸出光线少，易于形成振荡等缺点，非稳腔虽损耗大，但具有稳定腔不具备的特点：（1）具有较大的模体积；（2）具有较好的选模能力；（3）能实现光束的侧向耦合输出；以上特点有利于较大能量的输出，因此高增益、大功率激光器常采用非稳腔来产生激光。7.为什么说光波是电磁波?三、论述题1.试比较直接跃迁与间接跃迁的异同点（作图说明）；答：图：略。同：满足能量、动量守恒定律；异：（1）光子波士K：直接跃迁K相同，间接跃迁K不同；（2）直接跃迁只产生光子，间接跃迁除了产生光子还产生声子；2.受激辐射与自发辐射的区别；答：两者都是从高能级跃迁到低能级并发出光子的过程。区别在于光辐射的相干性，自发辐射光子频率、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、振动方向上都与激发光子高度一致，即具有高度简并性。3.比较不同类型的光电效应的产生原理及主要特点；①外光电效应：受到光辐射的作用后，产生电子发射的现象。其特点是要求光电子能够从材料逸出，入射光子的能量必须大于光电子发射的逸出功。②内光电效应（光电导效应与光伏效应）：光电导效应—当光入射到半导体光电材料时，会在材料的内部激发出新的载流子。光伏效应—用光照射半导体的PN结就可能出现这种效应。由于光照而在PN结两端出现的电动势为光生电动势。4.简述：谐振腔在激光器中的作用使激光有很好方向性；使激光有极好单色性（频率选择器）；5.用射线分析方法讨论阶跃光纤中导波成立条件1020nknk所代表的意义。P916.分别画出平板波导中导模、包层模、衬底模的几何光学模型；P857.什么是光波导?平面介质光波导中几类模式各有何特点？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？P79四、计算题1.估计厚度为d=4m，工作波长0=0.8m的对称平板波导TE0模式单模传输时，对折射率差的要求是多少？P129已知导模介质方程：）（bnnnnnn724)arctan(22212322231'13）（824)('130212221mdknn/20k2.一光信号在光纤中行进了500m以后，它的功率损失了85%，问以“dB/km”为单位，这根光纤的损耗有多大？已知损耗表示式：(习题4-7题)3．请给出光纤数值孔径定义的证明：，n1，n2分别为纤芯和包层得折射率，n0为光纤周围媒质的折射率。P102L)(lg10dBPPzaOi222100sinnnncc00nn11nn22nn004.试求不同角度入射的子午光线在光纤中的最大时延差；P1025.给出激光产生的阈值条件，根据激光器的损耗计算粒子数密度差值的阈值；P526.试证明对于TE波的光线在非均匀介质中发生弯曲的拐点处的相位为/2；P817.如图示，从是否受到外来光的照射两种情况，计算三能级系统E2和E1能级粒子数密度的差值。P36