光电子器件概念总结.doc

1.光的基本属性：光的波粒二象性。2.激光的特性：方向性好、单色性好、亮度高、相干性好。3.玻尔假说：定态假设和跃迁假设。定态假设：原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的能量只能采取某些分立的值，而不能采取其它值。跃迁假设：只有当原子从较高能量的定态跃迁到较低能量的定态时，才能发射一个能量为hn的光子。4.光与物质的共振相互作用的三种过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射。 5.自发辐射跃迁几率的意义：在单位时间内，E2能级上N2个粒子数中自发跃迁的粒子数与N2的比值；也可以理解为每一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生自发跃迁的几率。6.自发辐射跃迁寿命：粒子在E2 能级上停留的平均时间称为粒子在该能级上的平均寿命，简称寿命。 =1/A21 7.亚稳态：寿命特别长的激发态称为亚稳态。8.受激辐射的光子性质：放出光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致。9.受激吸收和受激辐射这两个过程的关系及其宏观表现：在外来光束照射下，两能级间受激吸收和受激辐射这两个过程总是同时存在，相互竞争。当吸收过程比受激辐射过程强时，宏观看来光强逐渐减弱；反之，当吸收过程比受激辐射过程弱时，宏观看来光强逐渐加强。10.受激辐射与自发辐射的区别：最重要的区别在于光辐射的相干性，由自发辐射所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一定的任意性，而受激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激发的光子高度一致，即有高度的简并性。11.光谱线加宽现象:实际上光强分布总在一个有限宽度的频率范围内,每一条谱线都有一定的宽度, v = v0只是谱线的中心频率.这种现象称为光谱线加宽。12.谱线加宽的原因:由于能级有一定的宽度。13.谱线加宽的物理机制分为哪两大类？它们的区别？可以根据谱线加宽的物理机制，将谱线加宽分为均匀加宽和非均匀加宽。均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的。发光粒子的光谱因物理因素加宽后中心频率不变,由它们迭加成的光源光谱形状与发光粒子相同。主要包括自然加宽、碰撞加宽和热振动加宽等。谱线形状是洛伦兹形的。非均匀加宽：引起谱线加宽的物理因素对介质中的每个发光原子不一定相同，每个发光原子所发的光只对谱线内某些确定的频率。发光粒子的光谱因物理因素使得中心频率发生变化,由它们迭加成的光源光谱形状与发光粒子不同。主要包括多普勒加宽和残余应力加宽。谱线形状是高斯形的。14.谱线加宽对原子与准单色光辐射场相互作用的影响:由于发光粒子的谱线加宽，与它相互作用的单色光频率不一定精确等于粒子中心频率时才发生受激跃迁。而在v=v0附近范围内，都能产生受激跃迁。当v=v0时跃迁几率最大， v 偏离v0跃迁几率急剧下降。15参与普通光源的发光的光与物质共振相互作用过程:受激吸收和自发辐射。16.激光产生的必要条件和充分条件:必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式；充分条件：起振和稳定振荡。17.激光器的基本结构及其各部分的作用:激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔。泵浦源：实现粒子数反转分布状态。光学谐振腔：减少振荡模式数。18.增益饱和现象:当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定时，增益系数将减小，这种现象称为增益饱和现象19.二能级系统为什么不能充当激光工作物质？光抽运可以将粒子从低能级抽运到高能级。在二能级系统中，由于发生受激吸收和受激辐射的几率是相同的（B12=B21），最终只有达到两个能级的粒子数相等而使系统趋向稳定。20.三能级和四能级系统如何实现粒子数反转？为什么四能级系统比三能级系统的效率高？E1为基态，E2、E3 为激发态，中间能级E2为亚稳态。在泵浦作用下，基态E1的粒子被抽运到激发态E3上，E1上的粒子数N1随之减少。但由于E3能级的寿命很短，粒子通过碰撞很快地以无辐射跃迁的方式转移到亚稳态E2上。由于E2态寿命长，其上就累积了大量的粒子，即N2大于N1，于是实现了亚稳态E2与基态E1间的粒子数反转分布。四能级系统是使系统在两个激发态E2、E1之间实现粒子数反转。因为这时低能级E1 不是基态而是激发态，其上的粒子数本来就极少，所以只要亚稳态E2上的粒子数稍有积累，就容易达到N2 大于N1，实现粒子数反转分布，在能级E2 、E1 之间产生激光。于是，E3 上的粒子数向E2 跃迁， E1上的粒子数向E0 过渡，整个过程容易形成连续反转，因而四能级系统比三能级系统的效率高。21.激光的纵模和横模:光场沿轴向传播的振动模式称为纵模；激光腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布称为激光的横模。 22.激光横模形成的主要因素:激光横模形成的主要因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用。 23.激活离子:为产生激光发射作用而掺入的离子。24.固体激光器的基本构成:工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统。25.红宝石激光器的激活离子和能级系统:Cr3+ 三能级系统。26.Nd3+:YAG的能级系统:四能级系统。27.He-Ne激光器的基本结构？其中激光管主要包括哪三部分？激光管和激光电源。放电管、电极和光学谐振腔。28.在He-Ne激光器中，为保证632.8nm谱线起振并提高其输出功率, 设法抑制3.39m谱线的振荡所采取的方法？棱镜色散法；腔内放置甲烷吸收盒；外加非均匀磁场法29.双简并半导体的能带特点：半导体中存在两个费米能级。两个费米能级使得导带中有自由电子；价带中有空穴。30.pn结如何形成双简并能带结构：当给PN 结加以正向电压V时，原来的自建场将被削弱，势垒降低，破坏了原来的平衡，引起多数载流子流入对方，使得两边的少数载流子比平衡时增加了，这些增加的少数载流子称为“非平衡载流子”。这种现象叫做“载流子注入”。此时结区的统一费米能级不复存在，形成结区的两个费米能级EF+和EF-，称为准费米能级。它们分别描述空穴和电子的分布。在结区的一个很薄的作用区，形成了双简并能带结构。31.同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 ：单向导电性32.从提高双异质结型半导体激光器的性能要求出发,对异质结两侧的材料的技术要求：(1)要求两种材料的晶格常数尽可能相等,若在结合的界面处有缺陷,载流子将在界面处复合掉,不能起到有效的注入、放大和发光的作用;(2)为了获得较高的发光效率,要求材料是直接跃迁型的;(3)为了获得高势垒,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。33.双异质结型半导体激光器结构：双异质结（DH)LD由三层不同类型的半导体材料构成，不同材料发不同的波长。结构中间一层窄带隙P型半导体为有源层，两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体是限制层，三层半导体置于基片上，前后两个晶体解理面为反射镜构成谐振腔。光从有源层沿垂直于PN结的方向射出。34.光波导的分类：（1）平板波导、（2）矩形波导、（3）圆柱形波导35.以非对称型平板介质波导为例，平板介质中可能存在的模式？以及相应的入射角与全反射角的关系？包层模、衬底模和导模1c13c12， c131c12， c13c12136.从平板介质波导中的导波的特征方程，入射角与模序数的关系：由特征方程还可以看出，在其他条件不变的情况下，若1减小，则m增大，因而表明高次模是由入射角1较小的平面波构成的。37.截止波长是的定义：当1=c12 时处于截止的临界状态，导波转化为辐射模，此时的波长就是该模式的截止波长。38.在非对称型平板介质波导所有模式中，截止波长最长的模式？以及单模传输的条件？TE0模的截止波长最长。 c(TM0)0c(TE0) 39.在对称型的平板介质波导中的两种特殊的现象：当TEm模出现时TMm模也伴随出现的兼并现象和没有截止现象。40.光纤的基本结构：由折射较高的纤芯和折射率较低的包层组成。41.光纤涂覆层的作用：涂覆层的作用则是隔离杂散光、提高光纤强度和保护光纤等。42.光纤是否为单模传输与什么有关：与光纤自身的结构参数和光纤中传输的光波长有关。43.渐变型光纤与阶跃型光纤的区别：渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的增加而递减直到等于包层的折射率44.光调制：光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上45.这些参数包括：光波的振幅、位相、频率、偏振、波长等。46.什么是内调制，什么是外调制：振幅内调制是将要传输的信号直接加载于光源，改变光源的输出特性来实现调制。外调制是在光源外的光路上放置调制器，将要传输的信号加载于调制器上，当光通过调制器时，透过光的物理性质将发生改变，实现信号的调制。47.调制的波形特点：调幅波的振幅（包络）变化规律与调制信号波形一致；调幅度ma反映了调幅的强弱程度48.电光效应：某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变49.KDP晶体在外加电场时，折射率椭球体的变化：KDP晶体沿 z（主）轴加电场时，由单轴晶变成了双轴晶体，折射率椭球的主轴绕z轴旋转了45o角，此转角与外加电场的大小无关，其折射率变化与电场成正比。50.什么是纵向电光效应，什么是横向电光效应？电场方向与通光方向一致, 称为纵向电光效应; 电场与通光方向相垂直, 称为横向电光效应。51.半波电压：当光波的两个垂直分量Ex , Ey 的光程差为半个波长(相应的相位差为)时所需要加的电压，称为“半波电压”。52.电光强度调制器件的器件组成及工作原理：起偏器、电光晶体、检偏器、1/4波片。当一束线偏振光沿着 z 轴方向入射晶体, 且 E 矢量沿 x 方向，进入晶体 (z=0) 后即分解为沿 x 和 y方向的两个垂直偏振分量。由于二者的折射率不同, 则沿x 方向振动的光传播速度快, 而沿 y 方向振动的光传播速度慢, 当它们经过长度 L 后所走的光程分别为 nxL 和nyL, 这样, 两偏振分量产生相位延迟，这个相位差作用就会改变出射光束的偏振态。如果在晶体的输出端放置一个与入射光偏振方向相垂直的偏振器，当晶体上所加的电压变化时。从检偏器输出的光只是椭圆偏振光的Y向分量，因而可以把偏振态的变化变换成光强度的变化53.电光开关原理：电光开关的基本结构与电光调制器类似。在晶体前后放置两块通光方向相互垂直的偏振片，根据晶体性质，在两端加上相应的半波电压，使得进入晶体的偏振光在经过晶体后的偏振方向改变了p /2，正好与检偏器的通光方向一致，因而光波能完全通过，相当于开关接通的情况；如果不加电压，使得从晶体中出射光的偏振方向与检偏器的通光方向垂直，光波完全被阻挡，相当于开关断开的情况。54.声光效应：声波在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。超声场作用的这部分如同一个光学的“相位光栅”，该光栅间距(光栅常数)等于声波波长ls。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。55.光相互作用的两种类型及其区别：拉曼纳斯衍射：超声波频率较低。布拉格衍射：声波频率较高。56.声光体调制器的组成：声光介质、电声换能器、吸声(或反射)装置及驱动电源等。57.声光调制的工作过程：根据声光调制器的工作过程，首先是由电声换能器把电振荡转换成超声振动，再通过换能器和声光介质间的粘合层把振动传到介质中形成超声波，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。58磁光调制的工作过程：磁光调制是电信号先转换成与之对应的交变磁场，由磁光效应改变在介质中传输的光波的偏振态，从而达到改变光强度等参量的目的。59.光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件。60.光电探测的物理效应的三大类：光电效应、光热效应、波扰动效应。61.光电效应：光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生电动势，这些因光照引起物体电学特性改变的现象，统称为光电效应。62.光热效应：器件吸收入射辐射功率产生温升，温升引起材料某种有赖于温度的参量的变化，检测该变化，可以探知辐射的存在和强弱。63.内光电效应以及包括的两类效应：光子激发的载流子(电子或空穴)将保留在材料内部，主要包括光电导效应和光伏效应。64.光电导效应：光电导效应是光照变化引起半导体材料电导变化的现象65.光伏效应：光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。66.光生伏特效应过程：当光照射pn结时，只要光子能量大于禁带宽度，无论p区、n区或结区都会产生少数载流子。那些在结附近n区中产生的少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，总有一定概率扩散到结界面处，它们一旦到达pn结界面处，就会在结电场作用下被拉向p区。同样，如果在结附近p区中产生的少数载流子扩散到结界面处，也会被结电场迅速拉向n区。结内产生的电子-空穴对在结电场作用下分别被移向n区和p区。如果电路处于开路状态，光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区