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光电子技术期末考试试卷（A卷）一、选择题（20分，2分/题）1、光电子技术在当今信息时代的应用主要有（ abcd ） A.信息通信 B.宇宙探测 C.军事国防 D.灾害救援2、激光器的构成一般由（ a ）组成A.激励能源、谐振腔和工作物质 B.固体激光器、液体激光器和气体激光器C.半导体材料、金属半导体材料和PN结材料 D. 电子、载流子和光子3、光波在大气中传播时，引起的能量衰减与（ abcd ）有关A.分子及气溶胶的吸收和散射 B.空气折射率不均匀C.光波与气体分子相互作用 D.空气中分子组成和含量4、2009年10月6日授予华人高锟诺贝尔物理学奖，提到光纤以SiO2为材料的主要是由于（ a ）A.传输损耗低 B.可实现任何光传输 C.不出现瑞利散射 D.空间相干性好5、激光调制器主要有（ abc ）A.电光调制器 B.声光调制器 C.磁光调制器 D.压光调制器6、电光晶体的非线性电光效应主要与（ ac ）有关A.外加电场 B.激光波长 C.晶体性质 D.晶体折射率变化量7、激光调制按其调制的性质有（ cd ）A.连续调制 B.脉冲调制 C.相位调制 D.光强调制8、光电探测器有（ abc ）A.光电导探测器 B.光伏探测器 C.光磁电探测器 D.热电探测元件9、CCD 摄像器件的信息是靠（ b ）存储A.载流子 B.电荷 C.电子 D.声子10、LCD显示器，可以分为（ abcd ）A. TN型 B. STN型 C. TFT型 D. DSTN型 西南科技大学20092010学年第1学期 光电子技术期末考试试卷（A）二、判断题（20分，2分/题，对用“”、错用“”标记）11、世界上第一台激光器是固体激光器。 ( T ) 12、在辐射度学中，辐射能量Q是基本的能量单位，用J(焦耳)来度量。 ( T )13、在声光晶体中，超声场作用像一个光学的“相位光栅”，其光栅常数等于光波波长l。 hehe ( F )14、在磁光晶体中，当磁化强度较弱时，旋光率a 与外加磁场强度是成正比关系。( T )15、为了获得线性电光调制，通过引入一个固定相位延迟，一般该调制器的电压偏置在T50的工作点上。 ( T )16、在磁光调制中的磁性膜表面用光刻方法制作一条金属蛇形线路，主要为了实现交替变化的磁场。 ( T )17、探测器的量子效率就是在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。 ( T )18、二代像增强器以纤维光学面板作为输入、输出窗三级级联耦合的像增强器。( F )19、阴极射线管的电子枪的作用是产生辉亮信号和彩色显示。 ( F )20、等离子体显示主要是通过电流激发气体，使其发出肉眼看不见的紫外光碰击后面的玻璃上的红、绿、蓝三色荧光体，它们再发出我们在显示器上所看到的可见光。( T )三、填空题（10分，1分/题）21、红外辐射其波长范围在 0.761000um 。22、光纤通信中常用的光源波长为 850 1310 1550um 。23、在中，对于半导体而言，起主要作用是 。24、激光光束在光纤波导中的传播遵循 费马 原理。这份卷子是02级光信的期中测试题，题目的深度和广度都是有的。我们做出了参考答案，均用颜色标注出来。希望大家能够好好复习，对这门课不可以掉以轻心姓名: 学号: 专业: 2008年1月7日题号一二三四总分得分得分评卷人 一、单项选择题（本大题共9小题，每题只有一个正确答案，答对一题得 3 分，共27 分） 1、在热平衡条件下，处于各能级上的原子数目是一定的，且原子数目按能级的分布服从： ( A )（A）玻尔斯曼分布律（B） 高斯分布律（C） 以上都不是2、泵浦源的作用是 ( A )（A）低能级上的粒子抽运到高能级上去。（B）减少模式数。（C）调制光强度。3、某一半导体的禁带宽度为2.35eV ，它的本征吸收光波长：（A）(A) 0.52766微米(B) 5.2766微米(C) 5276.6 微米4、以下那一组是全部内光电效应为基础的光电器件: （B）（A）光敏电阻，光敏二极管，光电倍增光管。 （B）光敏电阻，光敏二极管，光电池。（C）光敏电阻，光敏二极管，光电管。 5、 热电检测器件最大特点是（A）响应波长范围宽，无选择性。（B）对光波长有选择性，灵敏度高。（C）响应快。6.由光电转换定律可知：一个光电探测器可视为一个 （A）（A）电流源（B）光源（C）以上都不是7.P-N结加正向偏压时，通过P-N 结的电流主要是由 (B)A.多子飘移运动形成的B.多子扩散运动形成的C.少子扩散运动形成的8.光电倍增管的量子效率一般为 (A)A.1 B.1 C.19.光电耦合器由A.一个光敏二极管和一个光敏电阻组成的B. 一个光敏二极管和一个发光二极管组成的C一个光敏二极管和一个电阻组成的得分评卷人 二、填空题(本大题共 25小空，每空 2分,共 50 分。)6、CCD 的基本功能是通过电荷的（ 储存 ）与电荷的（转移 ）来实现光电信号的转换和检测。10光与物质原子共振相互作用有三种基本过程：（自发辐射 ），（受激吸收 ），（ 受激辐射 ）。11、发光二极管工作时，加( 正向 ) 电压，它输出的光强由 ( 电流 大小 ) 决定. 光敏二级 管工作时，加( 负 )电压。12、半导体器件主要由以下5种基本模块构成，它们是：（P-N结 ），（ MOS）,( 异质结 )，（金属-半导体接触），（超晶格）。13、光电检测器件是利用物质的（ 光电 ）效应把（光信号）转换成（电信号）的器件.14、 目前，应用较广的三中显示技术是（ 阴极射线显示技术 ），（液晶显示技术），（等离子体显示技术）。15、P N结的内部载流子的基本运动形式（ 扩散 ） 和（ 漂移 ）16. 光敏电阻在（受光照射）时的电阻称为亮电阻, 此时流过的电流称为（亮电流），亮电流与（暗电流）之差称为光电流。 17. 光敏电阻的相对光敏灵敏度与（入射光波长）的关系称为光谱特性， 亦称为光谱响应。习 题44.1 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。值得注意的是，以后将要介绍一种所谓热释电效应是响应于材料的温度变化率，比其他光热效应的响应速度要快得多，并已获得日益广泛的应用。4.2 总结选用光电探测器的一般原则。答：用于测光的光源光谱特性必须与光电探测器的光谱响应特性匹配；考虑时间响应特性；考虑光电探测器的线性特性等。光电子技术中期测试试题一 填空题1光度学的基本量是光强，其单位是坎德拉。一个光度学基本量单位定义为坎德拉是某一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为Hz的单色辐射，且再次方向上的辐射强度为1/683瓦每球面度（W/sr）。2按照热辐射体的光谱辐射出射度分布形式，热辐射体可类分为黑体、灰体和选择辐射体。3某光源的相对色温为T1意指该光源的光色于温度为T1的黑体的光色最接近。光源的色温为T2意指该光源的光色于温度为T2的黑体的光色完全一样。红色光源的色温比蓝色光源的色温低4卤钨灯玻壳内充有卤素气体。卤钨灯比通常的白炽灯寿命长，是由于卤钨循环减慢了钨的损耗。5要实现粒子数反转，激光增益介质的能级数至少为三能级。其中寿命较长的激光能级称为亚稳态。光学谐振腔的作用是选频，选方向，正反馈。二能级准分子能够实现受激辐射放大是因为基态上的粒子数基本为空6气体放电灯的工作原理为阴极产生初始电子，然后初始电子加速与气体分子碰撞，能量传给气体分子，使其激发、跃迁到高能级。然后受激发分子返回基态时，发射光子，即发光。根据阴极电子的发射形式，气体放电可分为弧光放电和辉光放电两类7直流气体放电灯使用电阻型镇流器；低频交流气体放电灯使用电感型镇流器；高频气体放电灯使用电容型镇流器。8P型半导体是向本征半导体中参入低价元素形成的。P型半导体中的导电粒子为空穴。本征半导体的费米能级位于导带与禁带的中间。费米能级的位置随电子浓度的增加而升高。9激光调Q技术中的Q定义为腔内存储的能量与每秒钟损耗的能量值比，即。调Q的实质是调节损耗率。激光的模包括横模和纵模。激光锁模技术中所指的模为纵模。锁模指使各纵模的初始位相差为恒定值。10一束线偏振光射入双折射晶体，通常会产生两束折射光。当一束线偏振光通过双折射晶体后，若只有一束折射光，则可能的原因有沿光轴垂直入射，沿光轴平行入射和偏振方向刚好和o光或e光方向平行。11线性电光效应又称为普克尔效应；克尔效应属二阶电光效应。声光衍射可分为拉曼奈斯衍射和布拉格衍射，其中布拉格的衍射效率高。横向电光调制指所加调制电场方向与光波矢量方向垂直12异质p-n结指p端与n端为不同材料形成的p-n结13光束在非均匀介质中传播时，光束的传播路径为曲线。光束总是向折射率增加的方向弯曲。激光束的偏转可分为连续偏转和脉冲偏转。若用8位A/D数字化调制信号，然后，用脉冲编码强度调制传输此数字化电信号。接受端应使用8个脉冲信号来恢复原始模拟电信号。14激光锁模技术包括主动锁模、被动锁模和自锁模三类。15染料激光器中的激光猝灭指由于S1S0的发射能量与T1T2的吸收能量接近，所以，如果有大量染料分子积累在T1态上，发出的激光就会被T1态吸收。消除此现象的方法是使溶液富含氧，T1态能量通过氧迅速泄放返回基态S0。二 简答题1、简述布拉格衍射声光偏转器的布拉格角自动跟踪原理？根据布拉格衍射条件：改变声波波长ls，则可改变布拉格衍射角qB。所以，可通过控制超声波长来控制光束的偏转。通常入射光的方向是不变的，当声波频率改变时，要保持布拉格条件，就必须改变超声波的传播方向，以实现对布拉格角的跟踪。通常采用列阵换能器，总的超声波为各阵列元产生的超声波的迭加形成。通过控制各阵列元间的位相差，就能控制合成超声波前的传播方向，实现布拉格角随频率的跟踪。2、简述正弦型损耗调制的锁模过程？ 正弦型损耗调制的透射率表示为：电场通过调制器后表示为：上式表示三个频率分别为wc-wm，wc，wc+ wm的平面波的迭加，即一个调幅平面波可以分解为三个平面波的迭加。而调制新产生的两个频率wc-wm和wc+ wm刚好是谐振腔允许的两个纵模的频率，所以它们能维持振荡。而三个纵模中相邻两纵模间的初始位相差恒为j2。这表明损耗调制实现了锁模。3、简述腔倒空（PTM）调Q技术比端镜耦合输出调Q能获得更高脉冲峰功率原理。脉冲透射式Q开关（PTM）又称腔倒空。发展腔倒空技术是为了进一步压缩Q开关脉冲和输出更高的脉冲能量。可以将将腔内全部能量在一个振荡周期内倒出，提高脉冲峰功率一个数量级。激光是在高Q状态振荡输出的，至少要振荡几个周期，才能有好的相干性、好的方向性和足够的增益。Q开关脉冲宽度为m2L/c。激光端镜耦合输出通常只有10%左右，剩余的90%左右的能量在腔内没有输出。4、简述氦氖激光器的能级结构，泵浦激发过程和激光发射过程氦氖激光器的工作物质为氦气（1乇）加氖气（0.1乇）的混合气体，其激活介质:氖原子。它的能级结构为四能级系统，泵浦方式为气体辉光放电激励，氦原子共振能量转移。发射方式为3s-3p跃迁，产生增益最高的3.39um的激光。3s-2p对应0.6328um，2s-2p对应1.15nm。三 （10分）绘出如下单异质P-N结的能带图。(a)图是接触前的P,N型半导体的能带图。在(b)图中绘出解除后的平衡态能带图，并标注关键参数光电技术总复习第一章 光辐射 1.1电磁波谱与光辐射1. 电磁波谱 波长范围（10-10-1014mm波段）。2. 光辐射 波长在10-2103mm（10nm1mm），或频率在31016Hz31011Hz范围内。光辐射分成三部分：可见光，波长在390770nm范围。紫外辐射，波长范围是1390nm。红外辐射，波长在0.771000mm。1.2辐射度单位和光度单位两套不同的体系在辐射度单位体系，基本量，适用波段，哪些量，单位。光度单位体系，基本量，其基本单位是坎德拉，哪些量。辐射度物理量对应的光度量物理量名称符号定义或定义式单位物理量名称符号定义或定义式单位辐射能辐射通量辐射出射度辐射强度辐射亮度辐射照度QeFeMeIeLeEeFedQe/dtMe=dFedSIe=dFe/dWLe=dIe/(dScosq)Ee=dFe/dAJWW/m2W/srW/m2srW/m2光量光通量光出射度发光强度(光)亮度(光)照度QvFvMvIvLvEvQv=Fv dtFv=Iv dWMv=dFv/dS基本量Lv=dIv/(dScosq)Ev=dFv/dAlmslmlm/m2cdcd/m2lx 光视效能： Km=683lm/W。 (1.2-11)单色光视效率： (1.2-12)1.3热辐射基本定律1. 单色吸收比和单色反射比。2. 基尔霍夫辐射定律 (1.3-2)3. 普朗克公式 (1.3-3)不同温度条件下黑体的单色辐射出射度（辐射亮度）随波长的变化曲线的物理意义。4.瑞利-琼斯公式5.维恩公式6.维恩位移定律 7.斯忒藩-玻尔兹曼定律第二章 光辐射的传播2.1 光辐射的电磁理论1. 光辐射的波动方程2. 光辐射场的亥姆霍兹方程 3. 均匀介质中的平面波平面波解的一般形式为2.2 光波在大气中的传播大气衰减的朗伯定律 (2.2-2)大气窗口：根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为“大气窗口”。 瑞利散射：在可见光和近红外波段，辐射波长总是远大于分子的线度，这一条件下的散射为瑞利散射。瑞利散射光的强度与波长的四次方成反比。经验公式为 (2.2-5)米氏散射：当光的波长相当于或小于散射粒子尺寸时，即产生米氏散射。米氏散射则主要依赖于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性，与波长的关系远不如瑞利散射强烈。 晴朗、霾、雾、雨和雪的大气的衰减：雨的衰减系数比雾小两个数量级以上。激光在雪中的衰减与在雨中相似，但就同样的含水量而言，雪的衰减比雨的大，比雾的小。2.3光波在电光晶体中的传播 1.电光效应：泡克耳（Pockels）效应； 克尔（Kerr）效应 2.电光效应的分析折射率椭球体的方法： 当晶体施加电场后，其折射率椭球就发生“变形”，椭球方程变为 (2.3-3)变化量可定义为 (2.3-4)式中gij称为线性电光系数；i取值1，6；j取值1，2，3。 (2.3-5)对常用的KDP（KH2PO4）晶体：有nx=ny=no，nz=ne，none，只有，而且。感应主轴坐标系中地椭球方程为 (2.3-8)主折射率变为 (2.3-9)3电光相位延迟纵向应用（KDP） 当这两个光波穿过晶体后将产生一个相位差 (2.3-11) 当Ex，Ey的光程差为半个波长（相应的相位差为p）时所需要加的电压，称为“半波电压”， (2.3-12)于是 (2.3-13) 横向应用 (2.3-18)2.4 光波在声光晶体中的传播1. 相位栅2. 声光衍射(1)拉曼-纳斯衍射产生拉曼-纳斯衍射的条件：拉曼-纳斯衍射现象：拉曼-纳斯衍射的特点：拉曼-纳斯衍射判据。(2)布喇格衍射产生布喇格衍射条件：布喇格衍射的特点， 布喇格方程 (2.4-11) 布喇格衍射衍射效率 (2.4-13)2.5光波在磁光介质中的传播磁光效应：法拉第旋转效应： 沿x方向偏振的入射光经过长度为L的磁光介质后将偏转一个角度a 为磁致旋光率。当磁化强度较弱，B与H为线性关系， 2.6光波在光纤波导中的传播1. 光纤波导的结构2光纤波导的弱导条件和基本含义。3阶跃光纤中光波的传播特性子午光线 斜射光线4. 平方率梯度光纤中光波的传播特性 平方律梯度光纤中的光线轨迹平方律折射率分布光纤中光线的群迟延和最大群迟延差 2.7光波在非线性介质中的传播 非线性光学介质中感应极化强度展开为外光场的幂级数形式，即 (2.7-l)1. 非线性电极化率及物理意义 (2.7-6)2. 耦合波方程。 (2.7-7)3.三波耦合方程 (2.7-8)2.8 光波在水中的传播1.传播光束的衰减特性 近似服从指数规律: (2.8-1)水下窗口:2. 前向散射3. 后向散射第三章 光束的调制和扫描3.1光束调制原理调制，调制器,载波，调制信号。 1.振幅调制调幅波的表达式和频谱 (3.1-3) (3.1-4)2.频率调制和相位调制 (3.1-5)调频波的表达式为 (3.1-6)调相波的表达式为 (3.1-8)3. 强度调制强度调制的光强可表示为 (3.1-12) 4. 脉冲调制脉冲调制是先用模拟调制信号对一电脉冲序列的某参量(幅度、宽度、频率、位置等)进行电调制，使之按调制信号规律变化，成为已调脉冲序列。然后再用这已调电脉冲序列对光载波进行强度调制，就可以得到相应变化的光脉冲序列。5.脉冲编码调制这种调制是把模拟信号先变成电脉冲序列，进而变成代表信号信息的二进制编码，再对光载波进行强度调制。要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：抽样、量化和编码。3.2电光调制以KDP电光晶体为例讨论电光调制的基本原理和电光调制器的结构。1. 电光强度调制纵向电光调制器及其工作原理输出光强为 （3.2-2)调制器的透过率 (3.2-3)光强调制特性曲线如图5所示。获得线性调制的方法。 横向电光调制晶体出射两光波的相位差为 (3.2-9)在实际应用中，常用的补偿方法。2. 电光相位调制电光相位调制的原理及结构。3.3声光调制1. 布喇格声光调制器的工作原理2. 调制带宽3. 声光调制器的衍