光与现代科技讲座各章重点习题及解答(云大宗老师版)

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？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2.光的特性是什么？波动性粒子性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。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？光的干涉：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。衍射：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的现象。偏振：光矢量的振动方向总是与光的传播方向垂直的，即光矢量的横向振动状态,相对于传播方向不具有对称性。光的偏振性说明光波是横波相干条件：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。选择吸收:吸收与波长有关普遍吸收:吸收与波长无关瑞丽散射定律:散射光强与λ4成反比拉曼散射:在散射光中出现与入射光频率不同的散射光的现象。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：电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶受激辐射：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。受激吸收:处于低能级的原子（El），受到外来光子的激励下，在满足能量恰好等于低、高两能级之差（△E）时，该原子就吸收这部分能量，跃迁到高能级自发辐射——受激辐射——半导体激光器受激吸收——光电检测器3．激光器由那三个部分组成？简述其工作原理。（1）工作物质（2）泵浦源（3）谐振腔泵浦源，用一定的方法去激励原子体系，使具有一定的能级结构的工作物质出现粒子数反转，谐振腔实现产生和维持光振荡，确定激光方向，选频，选偏振。5.激光器如何分类的？（按工作物质）固体、气体、半导体、化学、染料等激光器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？按材料可分为：石英系光纤、多组份玻璃光纤、塑料光纤、氟化物光纤、液芯光纤、掺杂光纤，如掺铒光纤。按照光纤横截面上折射率分布特征分为：阶跃型光纤、渐变型光纤、W型光纤按光纤内的导模数分：多模光纤、单模光纤。按套塑的情况分：松套、紧套按工作波长分：短波长光纤：0.8～0.9µm；长波长光纤：1.0～1.7µm；超长波长光纤：2µm按用途分类：通信光纤、非通信光纤4.光纤的制造主要有哪三个过程？熔炼、拉丝和套塑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，局内光缆缆芯芯数：单芯，多芯：2、4、6、8、12、…10.什么是光纤传感器？它有那两种类型？有何区别？利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性(强度、相位、偏振态、频率、波长)改变的传感器。传光型：1）光纤仅作为传播光的介质，仅起传光作用。2）传感器中的光纤是不连续的传感型：1）光纤不仅起传光的作用，同时利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，使其某些光学特性发生变化。2）传感器中的光纤是连续的。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。由物镜、传像束、传光束、目镜或图像显示器组成。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？图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号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。光热作用、光音响（压电）作用、光化学作用(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。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?某些光敏感性物质具有肿瘤亲和性，容易聚留在生物体内的肿瘤处。癌症患者静脉注射了这种光敏感性物质，经一定时间后，就可显示出病变部位，再照射激光，可以有选择地破坏癌细胞，1）创伤小避免手术造成的创伤和痛苦。2）毒性低微进入组织的光动力药物，只有达到一定浓度并受到足量光辐照，才会引发光毒反应杀伤病灶细胞3）选择性好光动力治疗的主要攻击目标是光照区的病变组织4）可重复治疗病变细胞如HPV感染的细胞、癌细胞对光敏药物无耐药性，病人也不会因多次光动力治疗而增加毒性反应，因此可以重复治疗第五章激光在军事技术中的应用1.激光在军事上的主要应用是什么？举例说明。激光测距；激光雷达；激光制导和导航；光电对抗4.制导控制系统是如何分类的？制导控制系统通常可分为自主制导系统、非自主制导系统和复合制导系统。5.什么是惯性制导系统(INS)？惯性导航系统(InertialNavigationSystem，INS)是自主式的空间基准保持系统6.什么是GPS？其作用是什么？该系统由哪几部分组成？全球定位系统的全称是导航全球定位系统。它是用导航卫星来进行计时和测距，从而确定用户准确位置的定位系统。也就是说，它是利用一组发布时间信息和轨道数据的人造卫星，对地球上任一时刻的任一地点进行连续定位的导航定位系统。(1)空间部分(导航卫星)(2)地面支撑系统(地面监控系统)(3)GPS接收机：8.什么是光电对抗？按波段、平台和技术类型上它们如何分类？光电对抗武器装备的种类有那些？光电对抗是指敌我双方在光波段利用光电设备、器材或其他设施进行的电磁斗争。按波段分类，是指敌我双方在紫外线、可见光、红外光波段上，利用各种光电设备及采取多种措施进行的侦察与反侦察、干扰与反干扰、摧毁与反摧毁的斗争。按平台分类，包括车载光电对抗装备、机载光电对抗装备、舰载光电对抗装备和星载光电对抗装备等按技术类型分类：(1)光电隐身技术。(2)光电干扰模拟和仿真技术。武器种类：光电侦察（被动、主动）光电干扰（无源、有源）光电反侦察光电反干扰9.什么是光电干扰技术？常见的有那两种技术？光电干扰技术是通过光电手段，对敌方作战的光电武器与装备实施有效干扰的技术。技术：红外干扰技术；激光有源干扰技术第六章激光在现代工业和加工中的应用1.激光加工技术是二十一世纪的先进加工技术之一。什么是激光加工的特点？激光加工作为一种非接触、无污染、低噪声、节省材料的绿色加工技术还具有信息时代的特点，便于实现智能控制，实现加工技术的高度柔性化和模块化，实现各种先进加工技术的集成。2.激光热加工中，激光束与金属表面之间会产生何种相互作用过程，产生那些物理现象？产生的物理现象：1.材料对激光的吸收2.材料的加热3.材料的熔化与气化4.激光等离子体屏蔽现象4.激光切割一般可以分为那几类（按机理分）？激光切割按其机理可分为气化切割、熔化切割、激光氧气切割和控制断裂切割。6.激光快速成型是激光加工技术的新发展，采用逐渐增加材料的方法(如凝固、胶接、焊接、激光烧结、聚合或其他的化学反应)来形成所需的零件形状，故也称为增材制造法7.激光清洗的机理是什么？。采用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、颗粒、锈斑或者涂层等附着物发生瞬间蒸发或者剥离、从而达到洁净化的工艺过程。第七章光与信息技术中的应用1.激光在信息技术中有那些应用？（1）激光扫描器(2)激光打印机(3)激光存储技术3.激光打印机的基本组成是什么？其工作原理是什么？除了以上主要组件外，还要有电源系统和机械系统的密切配合，才能完成整个打印过程。激光打印机的基本原理是：将数据转换为数字信号，再调制激光束在感光鼓上扫描，感光鼓将吸附的墨粉转印到纸上，通过控制激光束的开与关使感光鼓吸与不吸墨粉，感光鼓在纸上滚动从而形成文字。5.激光存储的基本原理是什么？(1)激光存储是利用材料的某种性质对光敏感(2)带有信息的光照射材料时，该性质发生改变，且能够在材料中记录这种改变，这就实现了光信息的存储。(3)用激光对存储材料读取信息时，读出光的性质随存储材料性质的改变而发生相应的变化，从而实现已存储光信息的读取。6.激光存储如何分类？(1)按数据存取方式可分为光打点式存储和页面并行存储；(2)按存储介质的厚度可分为二维存储和三维存储；(3)按鉴别存储数据的方式可分为位置选择存储和频率选择存储等等。7.光存储技术与传统的磁存储技术相比有何特点？(1)．数据存储密度高、容量大。理论估计光储存的面密度为1／λ2。(其中入是用于光存储的波长)的数量级，存储的体密度可达1／λ3。(2)．寿命长。磁存储的信息一般只能保留2—3年。而光存储只要其介质稳定，寿命一般在10年以上。(3)．非接触式读／写和擦。用光读／写不会磨损和划伤存储介质，这不仅延长了存储寿命，而且使存储介质易于更换、移动，从而更易实现海量存储。(4)．信息位价格低。由于光存储密度高，其信息位价格可比磁记录的低几十倍。8.激光光盘有那些类型？按读写功能划分:(1)只读存储(Readonlymemory)光盘(2)一次写入光盘(3)可擦重写光盘(4)直接重写光盘第八章光通信技术与网络3、什么是光纤通信？光纤通信有哪些优缺点？光纤通信:以光波为载波，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。优点：一、传输频带宽、通信容量大；二、传输损耗低，无中继距离长，且误码小；三、抗电磁干扰能力强，抗化学腐蚀四、光纤通信串话小，保密性强，使用安全；五、重量轻，体积小，便于运输与敷设；六、节约有色金属和能源，原材料资源丰富；缺点：1、光纤弯曲半径不宜过小2、光纤的切断和连接操作技术要求十分娴熟3、分路、耦合操作繁琐4、光纤通信使用的波长和频率在什么范围？光纤通信采用的三个窗口是那三个？波长范围是在近红外区内，即波长λ为:0.8~1.8μm；频率f为:(3.75~1.67)×1014Hz三个窗口：短波长段：0.85μm，长波长段：1.31μm和1.55μm5、激光的特点是什么？1、能量高度集中2、频率单一3、方向性好4、相干性好（频率、相位、偏振方向、传播方向一致）6、光纤通信系统主要由哪几部分组成？简述各部分的主要作用。1、电发射机：A/D，合并多个用户信号，进行复用。方法：脉冲编码调制(PCM)方式，即进行抽样、量化、编码，抽样频率2Δf(模拟信号的频带宽度)。2、光发射机：E/O,将电发射机送来的电信号转变成适合于光纤传输的光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。3、光纤线路：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的崎变（失真）和衰减传输到光接收机.4、光中继器：也称光放大器，对光纤传送的光信号进行放大处理。5、光接收机：O/E,将光纤传送来的光信号转变成电信号，送入电接收机进行信号处理。6、电接收机：D/A，将信号送给各用户。7、辅助系统：包括监控管理系统、告警处理系统、电源供给系统、公务通信系统、区间通信系统、自动倒