光电子期末考试重点.doc

1、比较光子和光热探测器在作用机理、性能及应用特点等异同。 光子效应是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。光子能量是，是普朗克常数, 是光波频率，所以，光子效应就对光波频率表现出选择性，在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。简述电荷耦合摄像器件的主要特性参数。 转移效率：电荷包在进行每一次转移中的效率；不均匀度：包括光敏元件的不均匀与CCD的不均匀. 暗电流：CCD在无光注入和无电注入情况下输出的电流信号；灵敏度：是指在一定光谱范围内，单位暴光量的输出信号电压（电流）；光谱响应：是指能量相对光谱响应，最大响应值归一化为100%，所对应的波长峰值波长，低于10%的响应点对应的波长称为截止波长；噪声：可以归纳为散粒噪声、转移噪声和热噪声；分辨率：是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力；动态范围和线性度：动态范围=光敏元件满阱信号/等效噪声信号，线性度是指在动态范围内，输出信号与暴光量的关系是否成直线关系。一、概念题 1、磁光效应包括法拉第旋转效应、克尔效应、磁双折射效应等。其中最主要的是法拉第旋转效应，它使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转。 2、自发跃迁是指处于高能级的一个原子自发地向低能级跃迁，并发出一个光子的过程。受激跃迁是指处于高能级态的一个原子在一定的辐射场作用下跃迁至低能级态，并辐射出一个与入射光子全同的光子的过程。 3、根据调制器与激光器的关系，光束的调制方法可以分为内调制和外调制两种。内调制是指加载信号是在激光振荡过程中进行的，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性以实现调制。 4、受激辐射下光谱线展宽的类型分为均匀展宽和非均匀展宽，其中均匀展宽主要有自然展宽、碰撞展宽、热振动展宽；非均匀展宽主要有多普勒展宽与残余应力展宽。6、激光与普通光源相比具有如下明显的特点：方向性好、单色性好、相干性好，强度大。 7、光纤色散的主要危害是使脉冲信号展宽，限制了光纤的带宽或传输容量；多模光纤的色散主要有模色散、材料色散、波导色散。 8、声波在声光晶体中传播会引起晶体中的质点按声波规律在平衡位置振动，按照声波频率的高低以及声波和光波作用的长度不同，声光相互作用可以分为拉曼-纳斯衍射和布喇格衍射两种类型。 9、光热效应是指探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。 10、磁光效应是指外加磁场作用引起材料光学各向异性的现象，法拉第磁光效应的规律（1）对于给定的介质,光振动面的旋转角与样品的长度和外加的磁感2 应强度成正比（2）光的传播方向反转时，法拉第旋转的左右方向互换。 11、色温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。其并非热辐射光源本身的温度。 12、光束调制按其调制的性质可分为调幅、调频、调相及强度调制。要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：抽样、量化和编码。 13、光是一种以光速运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有能量、动量和质量；其静止质量为零（0）。 14、光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。 15、电致折射率变化是指晶体介质的介电系数与晶体中的电荷分布有关，当晶体被施加电场后，将引起束缚电荷的重新分布，并导致离子晶格的微小形变，从而引起介电系数的变化，并最终导致晶体折射率变化的现象。 16、光电二极管按结构分有同质结与异质结光电二极管。 17、常见的固体激光器有红宝石激光器、钕激光器或钛宝石激光器（写出两种），常见的气体激光器有He-Ne激光器、CO2激光器或Ar+激光器（写出两种）。 18、光电二极管是指以光导模式工作的结型光伏探测器；常见的光电二极管有Si光电二极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管、肖特基势垒光电二极管光伏二极管等类型。 19、光波在大气中传播时，由于大气气体分子及气溶胶的吸收和散射会引起光束的能量衰减；由于空气折射率不均匀会引起光波的振幅和相位起伏。 20、光热探测器由热敏元件、热链回路、大热容量的散热器三部分构成，常见的光热探测器有热敏电阻、热释电探测器。 21、光束扫描根据其应用的目的来可以分为模拟式扫描和数字式扫描两种；前者主要应用各种显示，后者主要应用于光存储。 22、若超声频率为fs，那么光栅出现和消失的次数则为2 fs，因而光波通过该介质后所得到的调制光的调制频率将为声频率的2倍。 23、在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个l/4波片，波片的轴向取向为快慢轴与晶体的主轴x成45角时最好。 24、CCD的基本工作过程包括信号电荷的产生、存储、传输和检测。 25、本征型光敏电阻一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测；非本征型光敏电阻通常在低温条件下工作，常用于中、远红外辐射探测。 26、单片硅光电池的开路电压约为0.450.6V，短路电流密度约为150300A/m2.27、CCD的基本功能为电荷存储和电荷转移；CCD按结构可分为线阵CCD和面阵CCD。 28、等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除去固、液、气态外，物质存在的第四态。 29、固体摄像器件主要有三大类，它们是电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体图像传感器、电荷注入器件。 30、液晶分为两大类: 溶致液晶和热致液晶；作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。 31、光子效应是指指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。其主要特点有：对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。 32、液晶是液态晶体的简称；热致液晶可以分为近晶相、向列相和胆甾相三种。 二、问答题 1、简述光子的基本特性。 答：光是一种以光速运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有能量、动 量和质量。它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等）之间的关系满足：（1） （2） 光子具有运动质量，但静止质量为零（3） （4）、光子具有两种可能的独立偏振态，对应于光波场的两个独立偏振方向； （5）、光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，是玻色子。 2、简述光子效应和光热效应。 答：光子效应是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应；探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。 光热效应和光子效应完全不同，探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把其转化为晶格的热动能，引起探测元件温度上升，由此引起探测元件的电学性质或其它物理性质发生变化。 光子效应常见的有：光电发射效应、光电导效应、光伏效应、光电磁效应等。 光热效应常见的有：温差电效应、热释电效应等。 3、试说明充气二极管伏安特性中击穿电压和放电维持电压的概念。 答：曲线AC段属于非自持放电，在非自持放电时，参加导电的电子主要是由外界催离作用（如宇宙射线、放射线、光、热作用）造成的，当电压增加，电流也随之增加并趋于饱和，C点之前称为暗放电区，放电气体不发光。随着电压增加，到达C点后，放电变为自持放电，气体被击穿，电压迅速下降，变成稳定的自持放电（图中EF段），EF段被称为正常辉光放电区，放电在C点开始发光，不稳定的CD段是欠正常的辉光放电区，C点电压Vf，称为击穿电压或着火电压、起辉电压，EF段对应的电压VS称为放电维持电压。 4、声光相互作用可以分为拉曼-纳斯衍射和布喇格衍射两种类型。简述它们产生的条件和特征。 答：产生拉曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度L较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅”。 由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光，这就是拉曼-纳斯衍射的特点。 产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声光作用长度L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有“体光栅”的性质。衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级（或-1级）衍射光，这是布喇格衍射的特点。 5、试说明注入电致发光和高场电致发光的基本原理。 答：注入电致发光是在半导体PN结加正偏压时产生少数载流子注入，与多数载流子复合发光。 高场电致发光是将发光材料粉末与介质的混合体或单晶薄膜夹持于透明电极板 之间，外施电压，由电场直接激励电子与空穴复合而发光。 高场电致发光又分交流和直流两种，如粉末型交流电致发光与粉末型直流电致 发光。 6、简述带像增强器的CCD的特点。 答：带像增强器的CCD器件是将光图像聚焦在像增强器的光电阴极上，再经像增强器增强后耦合到电荷耦合器件（CCD）上实现微光摄像（简称ICCD）。 最好的ICCD是将像增强器荧光屏上产生的可见光图像通过光纤光锥直接耦合到普通CCD芯片上。像增强器内光子电子的多次转换过程使图像质量受到损失，光锥中光纤光栅干涉波纹、折断和耦合损失都将使ICCD输出噪声增加，对比度下降及动态范围减小，影响成像质量。灵敏度最高的ICCD摄像系统可工作在10-6lx靶面照度下。 7、概括光纤弱导条件的意义。 答：理论上讲，光纤的弱导特性是光纤与微波圆波导之间的重要差别之一. 实际使用的光纤，特别是单模光纤，其掺杂浓度都很小，使纤芯和包层只有很小的折射率差。弱导的基本含义是指很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构，其为制造提供了很大的方便。 8、简述电荷耦合摄像器件的主要特性参数。 答：转移效率：电荷包在进行每一次转移中的效率；不均匀度：包括光敏元件的不均匀与CCD的不均匀；暗电流：CCD在无光注入和无电注入情况下输出的电流信号；灵敏度：是指在一定光谱范围内，单位暴光量的输出信号电压（电流）；光谱响应：是指能量相对光谱响应，最大响应值归一化为100%，所对应的波长峰值波长，低于10%的响应点对应的波长称为截止波长，噪声：可以归纳为散粒噪声、转移噪声和热噪声；分辨率：是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力；动态范围和线性度：动态范围=光敏元件满阱信号/等效噪声信号，线性度是指在动态范围内，输出信号与暴光量的关系是否成直线关系。 9、简述激光产生的条件、激光器的组成及各组成部分的作用。 答：必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数。充分条件：起振阈值条件：激光在谐振腔内的增益要大于损耗。稳定振荡条件增益饱和效应（形成稳定激光）。组成：工作物质、泵浦源、谐振腔。作用：工作物质：在这种介质中可以实现粒子数反转。 泵浦源（激励源）：将粒子从低能级抽运到高能级态的装置。 谐振腔：(1) 使激光具有极好的方向性( 沿轴线)(2) 增强光放大作用( 延长了工作物质 ) (3) 使激光具有极好的单色性( 选频 ) 10、简述光束调制的基本原理。答：（1）以激光为载体，将信息加载到激光的过程，称为调制或光束调制。（2）光束具有振幅、频率、相位、强度和偏振等参量，可以应用某些物理的方法，使其参量之一按照调制信号的规律变化，实现光束的调制，所以光束的调制可以分为调幅、调相、调频和强度调制等。 （3）实现激光光束调制的方法根据调制器与激光器的关系，可以分为内调制和外调制两种。 （4）具体的激光光束的调制方法，常见的有光电调制、声光调制、磁光调制、直接调制等。 11、比较光子探测器和光热探测器在作用机理、性能及应用特点等方面的差异。 答：光子效应是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。因为，光子能量是h ，h是普朗克常数,是光波频率，所以，光子效应就对光波频率表现出选择性，在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量 h的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。 12、利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强度调制，纵向电光调制和横向电光调制各有什么优缺点？ 答：纵向电光调制器具有结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响等优点。其缺点是半波电压太高，特别是在调制频率较高时，功率损耗比较大。横向效应运用时，存在自然双折射产生的固有相位延迟，它们和外加电场无关。在没有外加电场时，入射光的两个偏振分量通过晶后其偏振面已转过了一个角度，这对光调制器等应用不利，应设法消除。 横向效应运用时，总的相位延迟不仅与所加电压成正比，而且与晶体的长宽比(L/d)有关。而纵向应用时相位差