玉林师院光电子学期末复习

玉林师院光电子学期末复习第一章1.为了衡量光源和光电探测器的性能，需要对光辐射进行定量描述，故引入辐射度学与光度学。2.光谱光视效率或视见函数:人眼对各种光波长的相对灵敏度.3.人眼只能感知波长在0.38—0.78μm之间的辐射，故称这个波段的光为可见光。（对绿光最灵敏，红光、蓝光次之）。4.光通量v：单位时间内通过某截面的所右光波长的光能称为光通量，单位为lm(流明)。5.发光强度vI：ddIvv，单位为cd（坎德拉），1cd=1Im/sr。发光强度Iv是光度量中最基本的单位。6.（简）卤钨循环的过程：卤钨灯点燃后，高温下卤族元素的化合物释放出溴或碘蒸气，灯丝蒸发出的钨分子在温度较低的泡壳附近与溴或碘化合，形成的卤化钨在灯泡内扩散。当扩散到高温灯丝附近，又分解，使钨分子又有很高的机率重新粘在灯丝上。7.（简）气体放电原理：气体在电场作用下激励出电子和离子，成为导电体。离子向阴极、电子向阳极运动，从电场中得到能量，它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子，也会使气体原子受激，内层电子跃迁到高能级。受激电子返回基态时，就辐射出光子来。8.（选）（1）．低压汞灯：主要辐射253.7nm的紫外光，用作紫外光源。当在其管壳外再加一个管壳，壳内壁涂以合适的荧光粉时，253.7nm紫外光激发荧光粉发出可见光，这就是荧光灯。照明用的日光灯就是荧光灯中的一种。（2）．高压汞灯：汞蒸气气压为(1~10)x105Pa。由于气体密度大，除了受激原子的辐射发光，还有电子与离子的复合发光，激发原子与正常原子的碰撞发光；因而，可见区的辐射明显加强，呈带状光谱，红外区出现弱的连续光谱。在高压汞灯外再加一个荧光壳，就成为高效照明光源。（3）．球形超高压汞灯：汞蒸气气压为1-20MPa，电子与离子复合发光、激发原子与正常原子碰撞发光更加强烈。光谱线较宽，形成连续背景，可见区偏蓝，红外辐射增强。球形超高压汞灯中，两电极相距在毫米量级，如图1.9所示。球形超高压汞灯亮度高，是很好的点光源。（4）．氙灯：氙灯的发光材料是惰性气体——氙。高压和超高压的惰性气体放电，气体原子被激发到很高的能级并大量电离。复合发光和电子减速发光大大加强，在可见区形成很强的连续光谱。光谱分布与日光最为接近，色温6000K，亮度高，被称为“小太阳”，寿命可达1000h。氙灯可分为长弧氙灯（电极间距为15~130cm，细管形，工作气压为105Pa）、短弧氙灯（电极间距在数毫米量级，工作气压为1~2MPa，是很好的日光色点光源，常用于电影放映、彩色摄影、照相制版、模拟日光等场合。）和脉冲氙灯（管内气压在100Pa以下，由高压电脉冲激发产生光脉冲，在极短的时间（10-9~10-12s）内发出很强的光。脉冲氙灯广泛用于固体激光器的光泵、照相制版、高速摄影和光信号源等。）。9.激光器一般是由工作物质、谐振腔和泵浦源组成的。10.激光器特点：高亮度、高方向性、高单色性和高度的时间空间相干性。11.(重点)光和原子的三级跃迁：（1）.受激吸收：处于低能级E1的原子受到外来光子（能量12EEhv）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程。受激吸收特点：处于低能级E1的原子受到外来光子的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程（2）.自发辐射：高能级的原子自发地从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为12EEhv的光子自发辐射的特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。下图表示自发辐射的过程（3）.受激辐射：当受到外来的能量12EEhv的光照射时，高能级E2上的原子受到外来光的激励作用向低能级E1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。受激辐射的特点：当外来激励光子能量为高低两能级能量差时，才能发生受激辐射。受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同，12.产生激光的条件：1）合适的工作物质（能实现粒子数反转；具有合适的能级结构（亚稳态能级））2）具有外界泵浦（外界激励）3）需要激光谐振腔4）起振条件——阈值条件GG05）稳定振荡条件——增益饱和效应13.染料激光器的主要优点是：输出激光波长可以在很宽范围内调谐；有极好的光束质量；激光谱线宽度很窄，可达10-50MHz线宽。14.（空）电子共有化运动：原来围绕一个原子运动的电子，现在可能转移到邻近原子的同一轨道上去。15.（空）能带：共有化运动使得本来处于同一能量的电子发生了能量的微小差异。它们的势能具有晶格的周期性。因此，晶体的能谱在原子能级的基础上分裂成能带。16.（选）（1）N型半导体:掺人施主杂质的半导体材料中，自由电子的浓度将高于空穴的浓度。（2）P型半导体:掺入受主杂质的半导体材料中，空穴的浓度将高于自由电子的浓度。17.PN结加上正向电压时，正向电压基本上加在结区，使势垒降低。18.LED（发光二极管）与LD（半导体激光器）的根本区别在于：LED没有谐振腔，它的发光基于自发辐射，发出的荧光，是非相干光；而LD的发光基于受激辐射，发出的是相干光——激光。1.4一支H。-Ne激光器（波长为632.8nm）发出激光的功率为2mW。该激光束的平面发散角为1mrad，激光器的放电毛细管直径为1mm。①求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。②若激光束投射在10m远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的反射比为0.85，求该屏上的光亮度。222'''2'22'''''252211252232155285.0cos85.0cos85.085.085.021061.40005.0362.01046.10coscoscos1015.1)001.0cos1(2362.0)cos1(2cos122362.0102265.0683:10005.0101解：mcdlrLddMdSddBlrLdSdEMmlmdSdMMmcdrISIdSdIBBcdIRRhRSddIIlmlmVKrmlmradvvvvvvvvvvvvvvvvvemvvvvvvvvv）据反射比定义，可得（：光出射度：光亮度其中：发光强度光通量可得）根据光度学量定义，（，，已知：1.7分别说明热辐射光源和气体放电光源的发光机理。二者的主要区别是什么？答：热辐射光源是使发光物体升温到足够高而发光的光源，这类光源在辐射过程中不改变自身的原子、分子的内部状态，辐射光谱是连续光谱。气体放电光源是气体在电场作用下激励出电子和离子，离子向阴极、电子向阳极运动，从电场中得到能量，它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子，也会使气体原子受激，内层电子跃迁到高能级。受激电子返回基态时，就辐射出光子来。二者的区别：热辐射光源在辐射过程中不改变自身的原子、分子的内部状态；气体放电光源是气体在电场作用下激励出电子和离子，受激电子从高能态返回基态时辐射出光子。1.8激光有哪些特点？激光器的基本结构如何？答：激光的特点：高亮度、高方向性、高单色性、光度的时间空间相干性。激光器一般是由工作物质、谐振腔和泵浦源组成。1.9试叙述半导体发光二极管和半导体激光器在结构上的差异，以及各自特性上的差异。答：LED与半导体激光器LD的主要区别：LED没有谐振腔，它的发光基于自发辐射，发出的是荧光；而LD的发光基于受激辐射，发出的是相干光。二者特性的主要区别：LDLED光谱特性激光；谱线宽度在nm量级荧光；谱线宽度几十nmP-I特性有阈值电流没有阈值电流调制特性调制频率到10GHz调制频率50-140MHz第二章光辐射的调剂1.光辐射调制是用数字或模拟信号（调制信号）改变光波波形的幅度、频率或相位，使其按调制信号规律变化的过程，可以比非调制光具有更高的抗干扰能力。2.光辐射的调制方法有内调制和外调制。外调制器，比较成熟的有电光调制、声光调制、磁光调制等。3.（选）（1）.电光效应：在外加强电场的作用下，本来是各向同性的介质也可以产生双折射现象，而本来有双折射性质的晶体，它的双折射性质也要发生变化。（2）.线性电光效应（一次电光效应）或泡克尔斯效应(Pockels)：折射率的改变与所加外电场的大小成正比的电光效应。（3）.二次电光效应或克尔(Kerr)效应：在强电场作用下会变成光学各向异性体，且外加电场引起的折射率的改变与电场强度的平方成正比的电光效应。3.（空）63产生纵向电光效应时，半波电压：633022nU，0n为KDP负单轴晶体的光折射率，63为电光系数。4.（空）63产生横向电光效应时，半波电压：LdnU633022，0n为KDP负单轴晶体的光折射率，63为电光系数。5.因为光强与光的振幅平方成正比例，所以电光强度调制也称为电光振幅调制。6.光波导通过在电光材料（通常是铌酸锂）衬底上扩散折射指数较高的一种材料（通常是钛）构成波导。在波导两边做上电极，调制电压即通过电极加到光波导上。由于光波导宽度极窄，远小于长度L，所以半波电压很小，可为几伏。这种调制器的频率可达100GHz。在波导的输入、输出端，光通过单模光纤与波导耦合。7.超声波是一种纵向机械应力波（弹性波），它在声光介质中传输时会引起介质密度发生疏密交替的变化，这就使得介质折射率也发生相应的变化。8.声光效应：受超声波作用的介质相当于一个衍射光栅，光栅的间距等于声波波长λs。当光波通过此介质时，将被光栅衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随超声场变化。9.声光效应分为两种类型：拉曼一奈斯(Raman-Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射。10.磁光效应主要有法拉第效应和克尔效应。11.法拉第效应是光波通过磁光介质、平行于磁场方向传播时，线偏振光的偏振面发生旋转的现象，称为磁致旋光。12.（填）磁致旋光的方向决定于磁场方向，而与光的传播方向无关，称为非互易性。以顺着磁场方向为基准，光矢顺时针旋转的叫右旋(K0)，对应介质称为正旋体；光矢逆时针旋转的叫左旋(K0)，对应介质为负旋体。13.法拉第效应非互易性的直接应用是光隔离器，是光通信系统中必不可少的器件。14.法拉第旋转决定于轴向电流磁场。因而，控制高频线圈电流，改变轴向信号磁场强度，就可控制光振动面的旋转角，使通过Ⅳ：的光振幅随口角的变化而变化，从而实现光强调制。第三章光探测器1.(空)光探测器是将光信号转转变为电信号的关键器件。2.(空)光探测器的物理效应主要是光热效应和光电效应。3.(空)光热探测器对光辐射的响应由两个过程：首先，器件吸收光辐射能量而自身的温度发生变化；然后器件再在依赖某种温度敏感特性把辐射能引起的温度变化转换为相应的电信号，从而达到光辐射探测的目的。4.（空）光热探测器的特点：在很宽的波长范围（从紫外到40µm以上）内，其相应灵敏度与光波波长无关。5.光电效应分为光电导效应、光伏效应、光电发射效应等。6.本征半导体吸收光子能量使价带中的电子激发到导带，这一过程称为本征吸收。此时总的载流子浓度就比热平衡下的载流子浓度要大，增加的载流子称为光生载流子.本征吸收只决定于半导体本身的性质。产生本征吸收的条件是，入射光子的能量至少要等于材料的禁带宽度，即ggEhEhvc或，式中，h是普朗克常数，c是光速，λ是光波波长。最小光子能量为：gccEhhvc，c为长波限。7.掺有杂质的半导体在光照下，中性施主的束缚电子可以吸收光子而跃迁到导带，同样，中性受主的束缚空穴亦可以吸收光子而跃迁到价带，这种吸收称为杂质吸收.8.光照时多子浓度几乎不变，少子浓度却大大增强，故一切半导体光电器件对光的响应是少子的行为.9.载流子复合的过程分为直接复合和间接复合两种。10.光电导效应：当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的变化，因而导致材料电导率的变化的现象。11.（空）无光照时，材料具有一定的电导，称为暗电导；相应地，有光照时的电导为亮电导。如果外电压为U