光电子技术基础_第二版_(朱京平_著)_科学出版社_课后答

1111第一章绪论1.1.1.1.光电子器件按功能分为哪几类？每类大致包括哪些器件？光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件。光源器件分为相干光源和非相干光源。相干光源主要包括激光和非线性光学器件等。非相干光源包括照明光源、显示光源和信息处理用光源等。光传输器件分为光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等等)、光波导和光纤等。光控制器件包括调制器、偏转器、光开关、光双稳器件、光路由器等。光探测器件分为光电导型探测器、光伏型探测器、热伏型探测器、各种传感器等。光存储器件分为光盘(包括CD、VCD、DVD、LD等)、光驱、光盘塔等。2222．谈谈你对光电子技术的理解。光电子技术主要研究物质中的电子相互作用及能量相互转换的相关技术，以光源激光化，传输波导（光纤）化，手段电子化，现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特征，是一门新兴的综合性交叉学科。3333．谈谈光电子技术各个发展时期的情况。20世纪60年代，光电子技术领域最典型的成就是各种激光器的相继问世。20世纪70年代，光电子技术领域的标志性成果是低损耗光纤的实现，半导体激光器的成熟特别是量子阱激光器的问世以及CCD的问世。20世纪80年代，出现了大功率量子阱阵列激光器；半导体光学双稳态功能器件的得到了迅速发展；也出现了保偏光纤、光纤传感器，光纤放大器和光纤激光器。20世纪90年代，掺铒光纤放大器(EDFA)问世，光电子技术在通信领域取得了极大成功，形成了光纤通信产业；。另外，光电子技术在光存储方面也取得了很大进展，光盘已成为计算机存储数据的重要手段。21世纪，我们正步入信息化社会，信息与信息交换量的爆炸性增长对信息的采集、传输、处理、存储与显示都提出了严峻的挑战，国家经济与社会的发展，国防实力的增强等都更加依赖于信息的广度、深度和速度。⒋举出几个你所知道的光电子技术应用实例。如：光纤通信，光盘存储，光电显示器、光纤传感器、光计算机等等。⒌据你了解，继阴极射线管显示（CRTCRTCRTCRT）之后，哪几类光电显示器件代表的技术有可能发展成为未来显示技术的主体？等离子体显示（PDP），液晶显示（LCD），场致发射显示（EL）。2222第二章光学基础知识与光场传播规律⒈填空题⑴光的基本属性是光具有波粒二象性，光粒子性的典型现象有光的吸收、发射以及光电效应等。光波动性的典型体现有光的干涉、衍射、偏振等。⑵两束光相干的条件是频率相同、振幅方向相同、相位差恒定，最典型的干涉装置有杨氏双缝干涉、迈克耳孙干涉仪。两束光相长干涉的条件是为光程差。(0,1,2,)mmδλ==±±LLδ⑶两列同频平面简谐波振幅分别为、，位相差为，则其干涉光强为01E02Eφ，两列波干涉相长的条件为22010201022cosEEEEφ++2(0,1,2,)mmφπ==±±LL⑷波长的光经过孔径D的小孔在焦距f处的衍射爱里斑半径为。λ1.22fDλ⒉在玻璃上涂一种透明的介质膜以消除红外线的反射。(2.25,1)rrεµ==(0.75)mλµ=⑴求该介质膜应有的介电常量及厚度。⑵如紫外线垂直照射至涂有该介质膜的玻璃上，反射功率占入射功率百分(0.42)mλµ=之多少？⑴正入射时，当时，膜系起到全增透作用1.5rnε==0Gnnn=，正入射下相应的薄膜厚度最薄为01.01.51.225Gnnn==×=00.750.153441.225hmnλµ===×⑵正入射时，反射率为222200002222000022()cos()sin22()cos()sinGGGGnnnhnhnnnnnnnhnhnnnnππλλρππλλ−+−=+++正2200222200002()cos3.57%22()cos()sinGGGnhnnnnnhnhnnnnπλππλλ−==+++⒊有两个具有共轭复振幅的单色波，具有相同的频率，其复值分别为及。比较它()Ur*()Ur们的强度、波前和波前法线。以平面波与球面波()()exp()2xyUrAjk+=−为例。()()exp()UrArjkr=−3333平面波的强度,因波前可以是任意的曲面，故它的波前()()exp()2xyUrAjk+=−2IA=即为波前函数，波前法线垂直于波前。()Ur它的共轭波的强度，波前函数同样是该波的表达式，波*()()exp()2xyUrAjk+=2IA=前法线垂直于波前。球面波的强度为，波前函数即该波表达式，波前法线垂()()exp()UrArjkr=−2()IAr=直于波前。它的共轭波的强度为，波前函数即该波表达式，波前法*()()exp()UrArjkr=2()IAr=线垂直于波前。⒋光束垂直投射在无限大不透明的环状小孔（半径为aaaa和bbbb，abababab）上，发生夫琅和费衍射，求光强度的角分布。dI见物理光学⒌一束波长为0.50.50.50.5的光波以角从空气入射到电极化率为的介质表面上，求mµ04520.6j＋⑴此光波在介质中的方向（折射角）。⑵光波在介质中的衰减系数。⑴2123n=+=3n=由得112sinsinnnθθ=26sin6θ=26arcsin6θ=⑵衰减系数72(0.6)0.61.310nrkπλ=−×−=×=×⒍输出波长＝632.8632.8632.8632.8的He-NeHe-NeHe-NeHe-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnSZnSZnSZnS和形成λnm2ThF的，这两种材料的折射率系数分别为1.51.51.51.5和2.52.52.52.5。问至少涂覆多少个双层才能使镜面反射系数大于99.599.599.599.5％？设玻璃的折射率＝1.5由题意：，即Gn02220220()0.995()PHHLGPHHLGnnnnnnnnnnλρ⎡⎤−⎢⎥⎢⎥=≥⎢⎥+⎢⎥⎣⎦正，即22222.51.51()1.51.50.99752.51.51()1.51.5PP−≤−+250.0025()1.51.99753P××≥故至少涂覆7个双层。25()532.73P≥212.3P=7P≈⒎有mmmm个相距为dddd的平行反射平面。一束光以倾角投射反射面。设每一反射平面仅反射θ4444一小部分光，大部分光投射过去；又设各层的反射波幅值相等。证明时，合成的sin2dλθ=反射波强度达到最大值，这一角度称为BraggBraggBraggBragg角。θdddddddd因各辐射波的反射波幅值相等，当它们反射波叠加，相位依次相差的整数倍时，合成2π的反射波强度达到最大值，最简单情况下，相位相差。2π如图所示：即故当时，反射波强度达到最大值。2sin2kdθπ=22sin2dπθπλ=sin2dλθ=⒏从麦克斯韦通式（2222－28282828）出发，推导波动方程（2222－44444444）。对该式取旋度左边＝BEt∂∇×=−∂2()()EEE∇×∇×=∇∇−∇右边＝（由）()Bt∂∇×−∂00BHMµµ=+0()HMtµ∂=−∇×+∂由上式sDDHJEJttσ∂∂∇×=+=++∂∂0()sDEJMttµσ∂∂⎡⎤=−+++∇×⎢⎥∂∂⎣⎦200002()sJDEMttttµµσµµ∂∂∂∂=−−−−∇×∂∂∂∂在电介质中，一般有,从而，，于是上式可化为0M=0µµ=0BHµ=＝2()EE∇∇−∇20002sJDEtttµµσµ∂∂∂−−−∂∂∂＝200002()sEPJEtttεµµσµ∂+∂∂−−−∂∂∂5555第三章激光原理与技术1111．填空⑴最早的电光源是炭弧光灯，最早的激光器是1960年由美国家的梅曼制作的红宝石激光器。⑵光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示色散与频率的关系，虚部表示物质吸收与频率的关系。⑶激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。激光产生的充分条件是阈值条件和增益饱和效应，必要条件包括粒子数反转分布和减少振荡模式数。⑷今有一个球面谐振腔，r1=1.5m,r2=-1m,L=80cm,它属于稳定腔。2222．试简单说明以下光电子学术语的科学含义：⑴受激辐射(画出二能级图)处于激发态E2上的原子，在频率为υ21的外界光信号作用下，从E2能级跃迁到E1能级上，在跃迁过程中，原子辐射出能量为、与外界光信号处于同一状态的光子，这两个21hυ光子又可以去诱发其他发光粒子，产生更多状态相同的光子，这样，在一个入射光子作用下，就可以产生大量运动状态相同的光子，这一发射过程称为受激发射过程。⑵谱线的多普勒加宽多普勒展宽是由于气体物质中作热运动的发光粒子所产生的辐射的多普勒频移引起的。⑶谱线的自然加宽自然加宽是由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上寿命有限所形成的。⑷光放大光束在激活介质中传播时，设入射端面处光强为,距离x处光强为，且0()Iυ()Iυ，则1212NNgg可见光强在激活介质中不断2121121212121212()()()0()()ddIgNNBhdtIgρυυυρυυ==−放大，为此，我们引入激活介质的增益系数()Gυ()()()dIGIdxυυυ=式中，是传播距离时的光强的增量。这说明：介质的增益系数在数值上等于光束强()dIυdx度在传播单位长度的距离时，光强增加的百分数。由于，因而，所以()0dIυ()0Gυ()Gυ可以表示光在激活介质当中的放大特性。3.3.3.3.计算与推导⑴λ＝0.50.50.50.5μmmmm时，什么温度下自发辐射率与受激辐射率相等？T=300KT=300KT=300KT=300K时，什么波长下6666自发辐射率相等？自发辐射率为A21，受激辐射率为W21。。212121()wBρυ=由爱因斯坦关系式可知：，3321213218AhnBcπυ=由普朗克公式可知：，33212132181()exp()1hnhckTπυρυυ=−由题意A21＝W21，故，321exp()11hkTυ−=333483332132363ln2ln26.6310(310)0.69317.19101.3810(0.510)hhcTKkkυλ−−−××××====××××当T=300K时，3348331223ln26.6310(310)0.69312.997101.3810300hckTλ−−××××===×××41.44210Mλ=×⑵He-Ne激光器的反射镜间距为0.2m，求最靠近632.8nm跃迁谱线中心的纵模阶数、纵模频率间隔。如果增益曲线宽度为Hz,则可能引起的纵模总数是多少？91.510×气体的折射率1n≈由得2qcqnLυ=592210.26.3210632.810nLqλ−××===××纵模频率间隔883107.5102210.2qcHznLυ×===×××实际振荡纵模总数981.5101137.510Tqqυυ⎡⎤⎡⎤×=+=+=⎢⎥⎢⎥×⎢⎥⎣⎦⎣⎦⑶红宝石激光器的工作物质有特性：、300K处，7321510/NNcm−=×，，，n=1.78,求其在中心频率处的增益1101210()Hzgυυ≈=×3310ssτ−=×144.32610Hzυ=×系数。()Gυ⑷一维电子振荡器在电磁场E(t)作用下的运动方程如式（3－2），推导简谐电场与简谐振7777子条件下，复极化率的表达式。()χω%电子运动方程为，在简谐电场和简谐振子条件下，则瞬时电2202dxdxmmxmeEdtdtωγ=−−−场与位置偏移为()Et()xt()()jtxtxeωω=()()jtEtEeωω=、表示对应于频率的振幅值，将、代入运动方程，并求解得()Eω()xωω()xt()Et220()()()eExmjrωωωωω=−−+在平面光波场作用下，原子在光场作用下产生感应极化，形成电偶极振子Re(())jtpexpeωω=−=设单位体积中原子数为N，则介质极化强度2220()()()eEpmjrωωωωω=−+Re(())jtPNpPeωω==20220()()()()()NeEPEmjrωωχωεωωωω==−+又'''00()()()()()PEjEωχωεωχωχωε⎡⎤==−⎣⎦22201()()Nemjrχωω