光电子技术总复习

第一章光辐射与发光源(0.25)1.辐射量、光度量及其单位1）了解辐射量、光度量的定义及其单位（辐射通量、光通量、发光强度、亮度）2）掌握视见函数的定义和规律辐射度量:只与辐射客体有关,适用于电磁波全波段。基本量:辐射通量(即辐射功率）基本单位:瓦特(W)光度量:反映人眼对不同波长电磁波的视觉灵敏度，只适用于可见光波段。基本量:发光强度基本单位:坎德拉(cd)用下标“e”表示辐射度量，下标“v”表示光度量。辐射通量（辐射功率）:单位：瓦特（W）含义：为单位时间内流过某面积的辐射能量光通量:d=Id单位：lm=cdsr发光强度：I(基本量)单位：cd(光)亮度：L=dI/(dScos)单位：nt=cd/m2光视效率(视见函数)V：是归一化的光视效能:＝555nm的单色光视效率V=1,为最大值.光通量(lm)与辐射通量(辐射功率,W)的换算：)()/(683)(,,WWlmVlme例题：点光源均匀发光(=500nm),发光强度Iν=100cd,则总光通量ν=,总辐射功率为e,=解：总光通量ν=Iνd=4Iν=400(lm),总辐射功率e,=ν,/683V=400/(6830.3)=6.1(W)2.光源的分类了解光源器件的分类，相干光源与非相干光源的区别（激发机制与特点）。光源器件的分类：3大类热辐射光源（卤钨灯）；气体放电光源（低压和高压,自吸收）；电致发光源（LED）3.热辐射描述与热辐射光源（1）掌握黑体辐射特点，色温与相关色温的概念（2）了解常用热光源，掌握卤钨灯结构、工作原理（卤钨循环）与特点。黑体辐射特点：⑴单峰结构,由温度唯一确定单色辐射出射度Me的光谱分布.⑵辐射出射度Me随温度的升高而增大：Meb(T)=T4=(5.6710-8)T4(SI)(斯忒藩-玻尔兹曼定律)⑶单色辐射出射度Me的峰值随温度的升高向短波方向移动mT=a=2898mK(维恩位移定律)用黑体的温度来标度普通热辐射源所发出光的光色性质，单位为K。色温度是指在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。dtdQee683KKKVm例如:规定两波长为2和3,若热辐射光源的辐射比:则热辐射光源的色温为T.定性理解：如果热辐射体的光色与温度为T的黑体的光色相同或相近，则称该热辐射体的色温为T。一般来说，色温高代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙、红光的成分多些。常用热辐射光源：白炽灯，卤钨灯卤钨循环:在玻璃壳附近，温度较低，生成挥发性卤钨化合物WX，阻止钨沉积在玻璃壳上。当WX扩散至灯丝附近温度较高的区域时,分解释放出的W又沉积在灯丝上.优点：抑制了钨损耗，延长了钨丝的寿命,同时防止玻璃壳变黑,保持了光通量.卤钨灯特点（相对于白炽灯）：（1）体积小（不到同功率白炽灯体积的1/10）；（2）光通量稳定（寿终时光通量为开始时的95%,而白炽灯仅为60%）；（3）光效率高(达20-30lm/W，白炽灯约为10lm/W)（4）色温高（达3300K，而白炽灯约为2300-3000K）（5）寿命长（达2000小时，而白炽灯750-1000小时）4.气体放电光源（1）了解气体放电的伏安特性（2）掌握气体放电灯的结构和工作过程，电子发射的两种形式（热电子发射产生C-G段弧光放电；正离子轰击发射产生G-H段辉光放电）（3）掌握低、高气压气体放电灯的光谱特点，自吸收效应对光谱的影响（4）了解常见的低、高气体放电光源气体放电的伏安特性：ABC-非自持放电，导电电子来源于外界催离作用，电流较小，气体不发光。CH-自持放电，当触发元件(启动器)产生瞬时高压Vz(着火电压，远高于220伏),气体被碰撞、电离、激发,电流增大，放电自持并伴随发光。气体放电灯结构：放电气体(或金属蒸气)、阴极C、阳极A和玻璃罩。气体放电发光的工作过程：①、初始电子被加速.②、加速电子与气体分子碰撞，能量传给气体分子，使其激发、跃迁到高能级.③、受激发分子返回低能态时，发射光子。电子发射的两种形式：①、热电子发射：使阴极温度升高，部分电子得到足够能量，克服金属的逸出功，逸出金属表面。热电子发射是弧光放电的主要形式之一,产生电流较强.②、正离子轰击发射(冷阴极发射)：利用高动能的正离子轰击阴极，使阴极发射电子.冷阴极发射是辉光放电的主要形式，产生电流较弱。)()(3,2,3,2,TMTMMMebebee低、高气压气体放电灯的光谱特点：低压灯发射线状光谱，带有明显的特征颜色，显色性不好，发光效率较低。高压灯的线状光谱展宽，有较强的连续成分，再加上自吸收效应，可见光成分加强，显色性变好，发光效率随压力增加而提高。自吸收主要在紫外区，所以最终是使得紫外辐射大大减弱，可见成分加强,显色性变好，发光效率也提高.低压气体放电光源：低压汞灯；低压钠灯；氢灯、氪灯、氢弧灯、原子光谱灯高压气体放电光源：高压汞灯、超高压汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯和脉冲氙灯5.常用激光光源(1)掌握热平衡下爱因斯坦关系及其意义(2)熟练掌握连续激光器工作原理1)产生的条件（反转、减模与选模、阈值、增益饱和）2）激光器结构（工质、谐振腔、泵浦源）;激活物质的三、四能级体系的反转特点.(3)了解常见激光光源（气体、液体、固体、半导体激光器）的原理与特点1）气体激光器：以气体为工质；泵浦方式:气体放电。包括原子、离子、分子、准分子气体激光器四种。2）液体激光器——以液体为工质，泵浦方式：光泵浦。3）固体激光器——以晶体(掺杂)为工质.泵浦方式:光泵浦.常用椭圆聚光腔提高泵浦效率。4）半导体激光器——以半导体材料为工作物质。泵浦方式：电流注入爱因斯坦关系——热平衡下B12、A21和B21之间关系结论：热平衡下，大量粒子受激吸收至高能级，而通过受激发射返回低能级的粒子数很少。结论：热平衡下,受激辐射概率(或粒子数)远小于自发辐射概率(或粒子数)。激光器产生的三个基本条件：①实现粒子数反转,使受激辐射优于受激吸收;②提高光子简并度,使受激辐射优于自发辐射;③增益不小于损耗,实现光放大.一个激光器应包括三个部分(产生激光的措施)122112ggBB3321218chBA①泵浦源——为激光物质提供能量，实现粒子数反转，并使增益优于损耗.②增益介质——是实现粒子数反转的物质。③光学谐振腔——选模、反馈放大。三能级体系：泵浦使原子从基态E1受激跃迁到E3能级，E3通过无辐射转移到E2能级，E2能级的寿命较长，称为亚稳能级，且E3向E2的转移速率较大，则在能级E2和E1之间可以实现粒子数反转。四能级体系：E3能级为亚稳能级，光激发使E3与E2之间实现反转。问：三能级体系与四能级体系相比，何者实现反转更容易？答：四能级更容易(下能级较空)第二章光辐射的传播(0.12)1．光波在大气中的传播了解大气分子与气溶胶对光的吸收和散射大气分子的吸收：分子的吸收特性强烈依赖于光波的频率和分子的结构。H2O和CO2分子是可见光和近红外区最重要的吸收分子，是晴天大气光学衰减的主要因素。大气分子的散射:可见光和近红外光远大于大气分子的线度(1A0)，大气分子对光产生瑞利散射。瑞利散射光强与波长的四次方成反比。可见光中蓝光散射最强,故晴朗的天空呈现蓝色(晴朗天空中其他微粒少，以瑞利散射为主)。大气气溶胶的衰减：光的波长相当于或小于气溶胶微粒尺寸，气溶胶对光产生米氏散射。2．光波在电光晶体中的传播理解电光晶体的纵向、横向电光效应，掌握电光相位差和半波电压的计算1纵向应用：光束的传播方向与电场方向平行。电光相位差：VnLEnLnnzxy63306330''22)(2半波电压：相位差为△=（光程差为/2）时所需要加的电压，通常以V或V/2表示。半波电压：6330)(2nV纵对应相位差)(纵VV2横向应用：光束的传播方向与电场方向垂直。电光相位差：VdLnLEnLnnze)()(26330063300令第二项电光效应相位差为，得横向运用半波电压:)(2)(6330)(LdVLdnV纵横对应相位差)(0横VV3．光波在声光晶体中的传播了解拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射的条件与特点，掌握布拉格角的计算1拉曼-纳斯衍射(低声频,薄光栅,光垂直入射)L满足如下条件才能发生拉曼-纳斯多级衍射。22120snLL2、布拉格衍射(高声频,厚光栅,光斜入射)2022snLL布拉格条件:sBn2sin4．光波在磁光介质中的传播了解磁光效应与天然旋光效应的区别①磁光效应旋转方向由磁场方向决定，而天然旋光效应旋转方向由介质性质决定。②磁场方向不变时，光往返两次通过介质,磁光偏转角加倍,而天然旋光效应的往返总偏转角为零.5．光波在水中的传播了解水中的传播规律性，克服后向散射的措施传播光束的衰减特性：单色平行光束在水中传播的功率衰减也近似服从指数规律0/00LllePePP蓝绿光的衰减最小，故常称该波段为“水下窗口后向散射克服措施：⑴适当地选择滤光片和检偏器，以分辨无规则偏振的后向散射和有规则偏振的目标反射.⑵尽量分开发射光源和接收器.⑶采用距离选通技术。第三章光调制与偏转技术(0.30)1．激光调制一般原理.了解激光调制的分类.激光内调制与外调制的含义。激光调制分类：1按与激光器的关系分,有内调制和外调制。2按照激光载波受调制参数分类，可分为:调幅、调频、调相和强度调制。3按激光载波的能量分布形式分类：连续调制和脉冲调制。4按调制信号的能量分布形式分类：模拟调制和数字调制。内调制：又称直接调制，指直接调制激光振荡器的参数，使输出的激光束的某个参数随调制信号而变化。(如将调制信号作为泵浦电流,多用于半导体激光器;在腔内插入调制器).外调制：指调制激光器输出的稳定光束的某个参数，使其随调制信号而变化。应用广泛。2.电光调制与扫描（1）掌握纵、横向电光强度调制的原理（折射率椭球表达式、电光晶体双折射相位差公式、半波电压公式、光强或透过率表达式）及特性（曲线），实现线性调制的措施。(2)了解电光连续扫描原理，掌握数字式电光偏转器原理设通过起偏器P1后的偏振光振幅为Ex,刚进入晶体（z=0）被分解为沿x和y方向的两个分量，其振幅和相位都相同，分别为:titixtioxxcccAeeEeEE245cos)0(titixtioxycccAeeEeEE245sin)0(入射光强度为两个垂直分量的强度的代数和：222*2)0()0(AEEEEIyxi通过长度为L的晶体之后，和两个分量之间产生了一相位差，则有:tiitiytixccceAeAeLEAeLE)()()()(''通过检偏器P2的总电场强度是和在y方向的投影之和，复振幅为：)1(245sin45cos)()()(22iooixyoyeAAAePEPEE输出光强为:2sin2sin2)1)(1(2])()[(2222*iiioyoyoIAeeAEEI纵向电光效应的相位延迟:VV得调制器的透过率：VVIITio2sin2sin22光强调制特性曲线:线性调制措施1:加固定偏压V/2，即所加的电压为：tVVVmmsin2/透过率变为：)]sinsin(1[21tTmm线性调制的判据rad1VVmm表示成线性关系：)]sin221)]sin1[21tVVtIITmmmmio但这种加半波偏压方法会增加电路的复杂性，而且工作点的稳定性也差。线性调制措施2:在检偏器前插入一/4波片，其快慢轴与晶体的主轴x成45角，即波片快慢轴平行于x׳和y׳,从而使xE和yE两个分量之间产生/2的固定相位差。于是总相位差为：2调制的