光与现代科技讲座各章习题(完整版)

光与现代科技讲座各章习题第一章绪论第二章光源与激光器第三章光纤与光学传感技术第四章激光在现代医学中的应用第五章激光在军事技术中的应用第六章激光在现代工业和加工中的应用第七章光与信息技术第八章光通信技术与网络第一章概述1.什么是光？光波的频率和波长范围是多少？可见光的波长范围是什么？什么是电磁波波谱？光是电磁波谱中波长范围为1nm~1mm或者频率在3*1011Hz~3*1017Hz范围的电磁辐射，是能量与信息的载体。可见光是波长为380nm~780nm的电磁辐射，可见光刺激人眼产生人眼的视觉效应。真空中各种电磁波具有相同传播速度。将各种电磁波按照频率或波长的大小顺序排列起来，就形成了电磁波波谱。2.光的特性是什么？光也产生热效应，可以用主观和客观两种度量体制即辐射度学和光度学来度量光。光具有波动性和粒子性，利用光的波动性可以研究光在介质和自由空间以及光电系统中的传播规律，光的粒子性和材料的光电特性是光电信息转换器件的物理基础。3.什么是光的辐射功率，它与什么因素有关？单位时间内辐射的能量叫做辐射功率特点：辐射能量与频率的四次方成正比；辐射能量与距离的平方成反比，这是球面波的特点；有很强的方向性，在垂直于轴线方向上的辐射最强，而在沿轴线方向上没有辐射。4.什么是光的干涉、衍射、偏振？光干涉的条件是什么？两束光的相遇区域形成稳定的、有强有弱的光强分布（明、暗相间的条纹分布）的现象,称为光的干涉.波在传播过程中遇到障碍物，能够绕过障碍物的边缘而进入几何阴影传播,并且产生强弱不均的光强分布，这种偏离直线传播的现象称为衍射现象。偏振—研究光矢量在垂直于传播方向的平面内的振动状态(偏振态)。光的偏振性说明光波是横波光波是横(电磁)波。光波中光矢量(电场)的振动方向与光的传播方向垂直振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振性。相干条件①振动方向相同②振动频率相同③相位相同或相位差保持恒定5.什么是光的吸收、色散、散射？什么是选择性吸收，什么是普遍吸收？什么是瑞丽散射定律？什么是拉曼散射？光的吸收——光波在物质中传播时，其一部分能量被转变为物质的内能的现象。色散——光在物质中传播速度v随波长λ而改变的现象。光的散射——物质中存在的不均匀团块使进入物质的光偏离入射方向而向四面八方散开的现象。吸收与波长无关——普遍吸收；吸收与波长有关——选择吸收;瑞利散射——引起光散射的不均匀团块尺度不同，散射规律不一样。拉曼散射——在散射光中出现与入射光频率不同的散射光的现象。散射遵从瑞利散射定律，即散射光强与λ4成反比；6.光电信息技术在那些方面得到发展？光源和发光器件方面，最具里程碑意义的是20世纪60年代激光器的发明,近年来，激光已广泛用于通信、雷达、测距、定位、制导、遥感、工业生产和科学研究中，用以传递信息合各种测量与控制。光纤技术的发展起源于1966年:当年英籍华人高锟等提出实现低损耗光学纤维的可能性，1970年，美国研制出损耗为20dB/km的石英光纤和室温连续工作的激光二极管,使光纤通信成为现实可能。这一年被公认为“光纤通信元年”。光存储技术的历史较短，而发展很快。1972年，荷兰飞利浦公司演示了模拟式激光视盘。1982年，飞利浦公司同日本索尼公司合作，推出了第一台数字式激光唱机。板显示器技术以液晶显示器发展最快。1964年，美国RCA公司发现了液晶的多种光电效应：宾主效应、动态散射效应和相移存储效应，为液晶显示器、液晶光阀等器件的研制奠定了基础。7.为什么说21世纪被称为“光电子信息时代”？21世纪被称为“光电子信息时代”。一个世界性的“光谷”正在流行。不仅是国民经济和人们生活对光电信息技术的需求急剧增长，而且军事和国防对光电信息技术的需求显得更为突出。特别是全球范围内的利益追求，各国都把光电信息技术作为本国军事高新技术发展的关键技术来重视。不但要求信息的时效好，数量大，还要求质量高、成本低。这里从以下几个方面说明光电信息技术的地位和作用通信测绘、侦察与遥感精确测控科学研究诊断和医疗交通运输光电对抗和激光武器第二章光源与激光器1．什么是激光？其特点是什么？激光是受激辐射的光放大，是利用物质受激辐射原理和光放大过程产生出来的一种特殊光。特点：高方向性颜色极纯-单色性强高强度，高亮度；相干性强2．什么是自发辐射？受激辐射？受激吸收？他们分别与何器件相对应？自发辐射：电子自发地通过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶LED受激辐射：光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子自发吸收：电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶3．激光器由那三个部分组成？简述其工作原理。一台激光器是由工作物质、泵浦源和谐振腔组成工作原理(1)工作物质在激励能源激励下实现粒子数反转(2)由自发辐射产生的少数沿腔轴方向传播的光子在工作物质中引起受激辐射(3)光学谐振腔使受激辐射的光子在腔内往返振荡，不断得到放大(4)满足阈值条件下形成激光4.谐振腔的作用是什么？（1）产生和维持光振荡（2）确定激光方向（3）选频（4）选偏振5.激光器如何分类的？（按工作物质）按工作物质分类：固体（包括晶体和玻璃）气体（包括原子、离子、分子、准分子）液体（包括聚合物、无机液体和有机染料）半导体按波段范围分类：紫外、可见光、红外按泵浦源分类：电泵浦、热泵浦、光泵浦、化学泵浦、核泵浦、太阳泵浦等按激光输出特性分类：单横模、多横模、单纵模、多纵模等6.激光技术在科学研究领域有哪些应用？1.激光加工2.激光精密计量3.激光信息处理4.激光在科学实验上的应用由于激光具有优异的特性，激光技术已成为整个科学技术领域强有力的研究工具。20世纪80年代，激光冷却和捕陷原子在理论和实践上取得重大突破。第三章光纤与光学传感技术1.光纤由那几层构成，各层的主要作用是什么？1、纤芯，光信号的传输2、包层，限制光信号溢出3、一次涂敷层（预涂层），保护光纤增加韧性4、缓冲层，减少对光纤的压力5、二次涂敷层（套塑层），加强光纤的机械强度2.光纤是怎样分类的？1、从原材料分：石英系光纤:这种材料的光损耗比较小，在波长λ＝1.2μm时、最低损耗约为0.47dB/km。多组份玻璃光纤:用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，在波长λ＝0.84μm时，最低损耗为3.4dB/km。塑料光纤:用人工合成导光塑料制成，其损耗较大。当λ＝0.63μm时，损耗高达100～200dB/km；但重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。氟化物光纤液芯光纤掺杂光纤，如掺铒光纤2、按照光纤横截面上折射率分布特征n(r)分：阶跃型光纤，也称突变型光纤（常用SI表示—StepIndexfibber）纤芯与包层的折射率均为一常数，其界面处呈阶跃式变化。渐变型光纤，也称梯度光纤或自聚焦光纤（常用GI表示—GradedIndexfibber）纤芯折射率连续变化，包层的折射率则为一常数。W型光纤等3、按光纤内的导模数分多模光纤(MM—MultiModefiber)可传输多种模式，或允许多种场结构存在2a=50～75µm，2b=100-200µm（多模）单模光纤(SM—SingleModefiber)只传输一种模式4、按套塑的情况分松套紧套5、按工作波长分短波长光纤：0.8～0.9µm长波长光纤：1.0～1.7µm超长波长光纤：2µm6．按用途分类(1)通信光纤。(2)非通信光纤。3.光纤是如何传光的？4.光纤的制造主要有哪三个过程？光纤的制造工艺主要包括熔炼、拉丝和套塑三个主要过程。5.光纤色散产生的原因及危害是什么？模式色散—由传输模式引起的色散，只存在于多模光纤中。每一种传输模式到达光纤终端的时间先后不同，造成脉冲展宽，从而出现色散现象材料色散—由光纤材料引起的色散，光在光纤中传播速度v=c/n1(λ)，n1(λ)是光波波长的函数，即同一材料对不同波长的折射率不一样。当含有不同波长的光脉冲（非单色光）通过光纤传输时，其传输速度不一致，这时，光脉冲被展宽出现色散。波导色散—又称结构色散，是由光纤的几何结构决定的色散，光纤的横截面尺寸起主要作用。当波导结构不完整，除产生模交换外，还可能引起部分光纤进入包层，而这些光线的传播速度大于纤芯中的光脉冲传播速度，这样光脉冲被展宽。色散除与上述三种有关外，还与光源的频谱宽度有关。6.光纤损耗产生的原因及危害是什么？7.光纤的传输特性有哪三类？损耗（衰减）色散串扰8.光缆主要由哪几部分构成？光缆加强件的置放方式有哪三种？光缆的防潮措施有什么？光缆的结构：缆芯、加强件、外护层加强件有三种置放方式中心式：置于缆芯正中心分布式：分散地置于缆芯内铠装式：置于缆皮内防潮方法有：气体充填、固体充填、石油膏充填9.光缆按缆芯特征、敷设方式、结构设计原则、缆芯芯数是怎样分类的？按缆芯特征分：层绞式、束管式、叠带式、骨架式按敷设方式分：管道式、直埋式、架空、水底光缆、局内光缆按缆芯芯数分：单芯、多芯：2、4、6、8、12、…按结构设计原则分：紧结构光缆、松结构光缆10.什么是光纤传感器？它有那两种类型？有何区别？把待测量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器传光型，也称为非功能型光纤传感器；常使用多模光纤传感型，或称为功能型光纤传感器。常使用单模光纤。在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，仅起传光作用。对外界信息的“感觉”功能是依靠其它功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的，其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件。调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。传光型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数。11.光纤传感器有何优点？按调制原理可分为哪三种？12.光纤图像传感器（内窥镜）由哪几部分组成？简述其工作原理。传感器主要由物镜、传像束、传光束、目镜或图像显示器组成工作原理如图：光源发出的光通过传光束照射到待观测物体上，再由物镜对待观测物体成像，经传像束把待观测物体的各个像素传送到目镜或图像显示设备上，观察者便可对该图像进行分析处理。13.图像传感器主要功能是什么？分为哪三类？图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号分类电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice简称CCD)，MOS图象传感器，又称自扫描光电二极管列阵(SelfScannedPhotodiodeArray，简称SSPA)，电荷注入器件(ChargeInjectionDevice，简称CID)。14.激光传感器有哪些应用？15.红外辐射的基本特点是什么？主要应用有哪些？16.什么是红外传感器（探测器）？按照光学系统结构分为那两类？17.什么是超声波传感器？它具有何特性按振动辐射大小不同可分为哪两类？有何应用？18.核辐射传感器中常用哪三种技术来检测核辐射强度、分析气体、鉴别各种粒子？第四章激光在现代医学中的应用1、激光对生物体的作用有那几个方面?激光用于生物及医学上有什么优点?试举例予以说明。1.光热作用2.光音响作用（压电作用）3.光化学治疗优点：(1)一般情况下，激光治疗和测定对生物体的损害较少，与X射线相比，激光对生物体一般是无侵袭或低侵袭的。对生物体存在某种伤害可能的叫做有侵袭。(2)利用激光在大气中直线传播的特点，可非接触地对生物体作用，也可以利用光纤导入到生物体内部进行治疗。(3)激光的高聚光性能使微观的治疗和高空间分辨力的测定成为可能。2、试说明近视矫正的PRK(photorefractivekeratectomy)方法的原理。PRK方法矫正近视眼使用什么激光器?为什么要使用这种激光器?3、试论激光在皮肤科和整形外科的应用现状和优势。应用中要注意那些问题?请举例说明。4、激光碎石的机理使什么?什么部位的结石可以使用激光碎石的方法?目前在医学上应用于碎石的激光器有哪些?5、对良性前列腺增生症的激光治疗，目前有什么方法，试论它们分别的优缺点。6、试简述光动力学治疗的原理。光动力学治疗的优点是什么?当前还存在的问题、它的应用前景怎样?某些光敏感性物质具有肿瘤亲和性，因此给癌症患者静脉注射这种光