光电子器件考试试题答案

1．阐述激光的基本原理，怎样提高亮度？阐述激光的基本原理：在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的产生的想干光放大”，简称激光。光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。微观粒子都具有特定的一套能级（通常这些能级是分立的）。任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态（或者简单地表述为处在某一个能级上）。与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E，频率为ν=△E/h（h为普朗克常量）。1.受激吸收（简称吸收）处于较低能级的粒子在受到外界的激发（即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用，如与光子发生非弹性碰撞），吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收。2.自发辐射粒子受到激发而进入的激发态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率ν=（E2-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。众多原子以自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态、传播方向上的一致，是物理上所说的非相干光。3.受激辐射、激光1917年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为ν=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率ν=（E2-E1）/h的光子入射，从而激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子再激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。怎样提高亮度：采用气体激光器，光腔Q调制技术和激光放大器可使激光震荡时间压缩并将输出功率放大提高脉冲功率，采用锁模技术和脉宽压缩继续可进一步压缩脉宽时间2、说明雾和霾的构成，解析蓝天形成的原因，以及大气窗口。（20分）雾霭的构成：雾：雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统，是近地面层空气中水汽凝结(或凝华)的产物。雾的存在会降低空气透明度，使能见度恶化，如果目标物的水平能见度降低到1000米以内，就将悬浮在近地面空气中的水汽凝结(或凝华)物的天气现象称为雾(Fog)；而将目标物的水平能见度在1000-10000米的这种现象称为轻雾或霭(Mist)。霾:也称灰霾(烟霞)空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子也能使大气混浊，视野模糊并导致能见度恶化，如果水平能见度小于10000米时，将这种非水成物组成的气溶胶系统造成的视程障碍称为霾(Haze)或灰霾(Dust-haze)，香港天文台称烟霞(Haze)。（1）相对湿度：水分含量达到90％以上的叫雾，水分含量低于80％的叫霾。80％～90％之间的，是雾和霾的混合物，但主要成分是霾。（2）能见度：如果目标物的水平能见度降低到1千米以内，就是雾；水平能见度在1～10千米的，称为轻雾；水平能见度小于10千米，且是灰尘颗粒造成的，就是霾或灰霾。（3）厚度：雾的厚度只有几十米至200米，霾则有1～3千米。（4）颜色：雾的颜色是乳白色、青白色或纯白色，霾则是黄色、橙灰色。（5）边缘轮廓：雾的边界很清晰，过了“雾区”可能就是晴空万里，但是霾则与周围环境边界不明显。解析蓝天形成的原因：大气分子→极化→受迫振动→吸收。分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定。极性分子→电子运动\原子振动\转动。相应的共振吸收频率分别与光波的紫外和可见光、近红外和中红外以及远红外区相对应。因此分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率。大气中N2、O2→可见光和红外区几乎不表现吸收→远红外和微波吸收。大气中He，Ar，Xe，O3，Ne等→可见光和近红外有吸收谱线→大气中的含量甚微→不考虑吸收→在高空处，其余衰减因素都已很弱→吸收作用。大气中H2O和CO2分子，特别是H2O分子在近红外区有宽广的振动-转动及纯振动结构，因此是可见光和近红外区最重要的吸收分子。可见光和近红外区主要吸收谱线：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”。在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。目前常用的激光波长都处于这些窗口之内。由于分子散射波长的四次方成反比。波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。故可见光比红外光散射强烈，蓝光又比红光散射强烈。在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主要的，又因为蓝光散射最强烈，故明朗的天空呈现蓝色。3．根据所学的光电子器件知识，结合微电子电路知识，为校园设计一款节能环保的路灯（电路系统，路灯灯高15米，行人步行速度按每小时2千米，光电子器件以外的传感器不予考虑）。4．请展望光电子器件在未来的应用及其发展前景。5．阐述激光产生的物理基础及激光发射的过程，说明典型激光器及其应用。通常激光器包括三个基本部分:激光工作物质、激励能源和谐振腔。（1)激光工作物质是激光器中用于发射激光的物质。作为激光的工作介质，必须是激活介质，即在外界能源激励下，能在介质中形成粒子数反转（若介质在外界能源激励下破坏了热平衡，使高能级上的粒子数大于的能级上的粒子数，这种状态称为粒子数反转态。在这种状态下光通过介质后得到放大，这种情况称为有光增益，此时的介质为光增益介质。）红宝石激光器的工作物质为含铬离子的红宝石，氦氖激光器的工作物质是气体氖（氦为辅助工作物质），常见的氩离子激光器的工作物质是气体氩。（2）激励能源可将处于基态的粒子激发到所需要的激发态，以产生粒子数反转。红宝石激光器采用光激发方式，通常用脉冲氙灯作为激励光源。为了提高广能力用效率，通常将氙灯管和红宝石棒分别置于椭圆柱面聚光器的两条焦线上。氦氖激光器通常采用支流气体放电进行激励。（3)在增益介质两端各方一块反射镜，其中一块的反射率近似为1，为全反射镜；另一块的反射率小于1，为部分反射镜，激光将从部分反射镜这一端输出。一般要求把这两块反射镜调整到严格平行，并且垂直于增益介质的轴线。这样就组成了谐振腔。在激光工作物质产生的受激辐射光中，那些基本上沿激光工作物质轴线方向传播的光，将在谐振腔两个反射镜间来回反设不断放大，并有部分光从部分反射镜的一端射出，成为激光。谐振腔一方面能起到“延长”增益介质、提高光能密度的作用，同时还对输出光的传播方向起到控制作用。此外，只要恰当的选用反射镜片和谐振腔的长度，还能对激光输出波长进行选择。最后还应指出，光在增益介质中来回一次产生的增益应足以补偿它在这一来回中的各种损耗（包括介质吸收、衍射和激光的输出等），否则无法形成激光输出。其必须满足的条件称为阈值条件。说明激光在阶跃型光纤和梯度型光纤中的传播及应用。阐述光束在光纤波导中的衰减和色散特性。应用：渐变型光纤应用于多模光纤，梯度型是单模光纤折射率分布：阶跃折射率和梯度折射率光纤。7、应用太阳能电池、白光LED、激光二极管、光敏电阻、光电三极管等光电器件，并结合微电子电路、开关电源、蓄电池等设计一款节能环保的公路路灯系统。（40分）8．请说明光电子器件在现代生活中的应用以及对我们日常生活的改变。