光电子技术安毓英版答案汇编

1、习题11 设在半径为Rc的圆盘中心法线上，距盘圆中心为I。处有一个辐射强度为le的点源S,如图所示。试计算该点源发射到盘圆的辐射 功率。第1题图解：led：=led2如图所示，设小面源的面积为As,辐射亮度为Le,面源法线与I。的夹角为被照面的面积为AC，至価源.:As的距离为I。若4为辐射在被照面Ac的入射角，试计算小面源在UAc上产生的辐射照度。第2题图d Id解：用定义Le 和Ee =求解。Mr cos9rdA3假设有一个按郎伯余弦定律发射辐射的大扩展源（如红外装置面对的天空背景），其各处的辐亮度Le均相同。试计算该扩展源在面积为Ad的探测器表面上产生的辐照度。解：辐射亮度定义为面辐射源

2、在某一给定方向上的辐射通量，因为余弦辐射体的辐射亮度为edS eo得到余弦辐射体的面元dS向半空间的辐射通量为d : :Le。二dS msd又因为在辐射接收面上的辐射照度Ee定义为照射在面元上的辐射通量de与该面元的面积dA之比，即EeedALndS2所以该扩展源在面积为Ad的探测器表面上产生的辐照度为Ee 单位是w/m2Ad4霓虹灯发的光是热辐射吗?学习好资料解：不是热辐射。5刚粉刷完的房间从房外远处看，它的窗口总显得特别黑暗，这是为什么？解：因为刚粉刷完的房间需要吸收光线，故从房外远处看 它的窗口总显得特别黑暗6.从黑体辐射曲线图可以看出，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长f随温度T

3、的升高而减小。试由普朗克热辐射公式导出mT二常数。这一矢系式称为维恩位移定律，其中常数为 2.898 103m水。解：普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0，即可求的。7黑体辐射曲线下的面积等于在相应温度下黑体的辐射出射度M。试由普朗克热辐射公式导出M与温度T的四次方成正比，即M二常数则上式可改写为将此式积分得4Pk(2)由1=和普朗克公式Me.bdS这一矢系式被称为斯忒藩一玻尔兹曼定律，其中常数为 5.67*10 8W( m解：黑体处于温度 T时，在波长处的单色辐射出射度有普朗克公式给出:2-hc2M eb -5r/i / i n式中h为普朗克常数，c为真空中光速，kB为玻尔兹曼常数。令0

4、=2二he G二晋CiM e b = 5 exp(C2/ T)-1 Meb二Mebd 二5dCT此即为斯忒藩一玻尔兹曼定律。eb oo3exp(hc/ , kB)-1=5.670 10$J / m2*k4为斯忒藩一玻尔兹曼常数。&宇宙大爆炸遗留在宇宙空间的均匀背景热辐射相当于3K黑体辐射。(1) 此辐射的单色辐射出射度在什么波长下有意义？(2) 地球表面接收到此辐射的功率是多大？解：答(1)由维恩位移定律rnT =2897.9(- im* k)得咤=965.97 j 4 R.5exp(C21/ T)1及地球面积$得出地球表面接收到此辐射的功率。9. 常用的彩色胶卷一般分为日光型和灯光型。你知道

5、这是按什么区分的吗？解：按色温区分。10. :?vdv为频率在vLI(v , dv)间黑体辐射的能量密度为波长在L d间黑体辐射能量密度。已知33;?v =8 二 hv/c exp( hv/kBT)-1 试求 匚。 KO。解：由 i vdv 二,d，得，二ii. 如果激光器和微波激射器分别在 =10m，生=50Onm和：二3000MHz输出iw连续功率，问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？解：EPh ch(i)1W*10m6.626*10 Js*3*108ms亦也 个1W*500nm6.626*10!, Js*3*108ms2-52*10 个(3)1W6.626*10A4Js*30

6、00MHz 5-03*10 个*.设一对激光能级为E?和Ei （ g2=gi），相应频率为u （波长为扎），各能级上的粒子数为口2和，求:(1)当3000MHz ,t=3ook时，门 2 =?/ rii(2)当 =1IT!，T=300K 时，加二？(3)当九=1 Am ,；八/ = 0 1时，温度T=?解：n22-E2-Ei一 e kT e kTn6.626* 10H*3000* 106“(1) z_234.8 10-TT-,48p化6埠二no $ e4討 01.4M0-1Ke- 1.38*10*300*1*101.38*10*300 en2 - he6 626*10*3*108k-23-6c

7、 彳Fei.38*io*rioT= 0.1： T6.3*10 K13试证明，由于自发辐射，原子在能级的平均寿命_ELR-L R2-l Ri R-L=0.25m2L -Ri L -R212f=0.5m16某高斯光束“o =1.2mm 求与束腰相距0.3m、10m、1000m远处的光斑的大小及波前曲率半径A.证明：自发辐射，一个原子由高能级E2自发跃迁到单位时间内能级E2减少的粒子数为:dn2 =dt自发跃迁几率dtspn2sp血 A. dt口2,e (t n20e A2it 二 n2eA 2114焦距f是共焦腔光束特性的重要参数，试以f表示Wo,Wz,Rz,V。由于f和Wo是对应的，因而也可以用

8、Wo作为表征共焦腔高斯光束的参数试以W0表示f , Wz,Rz,V （00解:1 (J,R =Z0丄7丄）1L2f 7今有一球面腔解：gi=1=0.47RiRi = 1 5m ， R2= _ 1 m，l二o.8m。试证明该腔为稳定腔；求出它的等价共焦腔的 参数。Lg2_1_18g2_0.846即：Ov gigaA?Hln 2/兀)19计算由下式表示的平面波电矢量的振动方向、传播方向、相位速度、振幅、频率和波长。E = (-2i +23府4费知込解：平面波电矢量的振动方向为X和丫轴面内arctan、3角度传播方向为与X和丫轴成arctan专角度负向传播(k传*k振=-1)相位速度(r)k n振幅

9、E=(2i2、3j) e3xy)i为复振幅频率用=6 108 ;波长冬=c/ 2兀20试确定下列各组光波表示式所代表的偏振态：(1) Ex = Eosin ( , t kz) , Ey = Eo cos ( , t kz)(2) Ex Eo cos ( , t kz) , Ey 二 Eo cos ( , t kz 二 /4)(3) Ex二 Eosin ( , t-kz) , EyZi-Eocos ( , t-kz)解：(1)中Ex和Ey二分量的相位差为0，此时为线偏振光。且光振动方向在I、川象限内。(2) 中相位差为2m二八:：(2 m 1)二为右旋椭圆偏振光兀E5(3) 中为相位差为且Ex=

10、Ey又由一=e 2所以为左旋圆偏振光。2Ex21已知冕玻璃对0.3988(1)波长光的折射率为n=1.52546, dn/d* -1.26 107口 求光波在该玻璃中的相速度和群速度。解：已知平面光波的想速度：(r) =c/ n，将n=1.52546代入即可求得平面光波的想速度。du相速度和群速度之间的矢系为：dkdu扌L dn(1)，即可求得光波在该玻璃中的群速度。d丸n d九22如图1-41所示，玻璃块周围介质(水)的折射率为1.33,若光束射向玻璃块的入射角为45。问玻璃块的折射率至少应为更多精品文档多人才能使透入光速发个金反射?n = 1.33解：设玻璃的折射率为no由折射定律得n s

11、in 45 = no sin日（式中日=90oc），且sin氏一时发生全反射，所以玻璃的折 n on，由此解得玻璃的折射率 n。no。nsin 45 射率 no满足 sin (90 -arc)n习题21何为大气窗口，试分析光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素。对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。光波几乎无法通过。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。2何为大气湍流效应，大气湍流对光束的传播产生哪些影响?是一种无规则的漩涡流动，流体质点的运动轨迹十分复杂，既有横向运动，又有纵向运动，空间每一点的运动速度围绕某一平均值随 机起伏。这种

12、湍流状态将使激光辐射在传播过程中随机地改变其光波参量，使光束质量受到严重影响，出现所谓光束截面内的强度闪烁、 光束的弯曲和漂移（亦称方向抖动）、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，统称为大气湍流效应。3对于3m晶体LiNbO 3，试求外场分别加在x、y和z轴方向的感应主折射率及相应的相位延迟。当晶体未加外电场时,主轴坐标系中折射率椭球由下方程描述222222nxriy riz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（占）农（丄）2（丄站 2 （2 ） 4yz 2 （A）sXZ2 （4）6yx=1nnnnnn1 ） 3由于外加电场的作用，折射率椭球各系数（$）随之发生线形变化，其

13、变化量定义为 I冷二送応式nIn。中j称为线性电光系数。nxM0 -2 n J 63Ez其新主轴的半长度分别为ny to十1 n3?6sEz 设光波沿z轴方向传播，当沿z方向加电场时为纵向应用，两偏振分量的相位延迟分别为n |_nk、0 63Ez)，九2朗 2 兀 2 兀 L 1 n3 ea x ynyL(n2 Ez)如果沿Z轴方向加电场，光束传播方向垂直于z轴并与y或x轴成45。，则其电光效应相位延迟为%(4 一块45 z切割的GaAs晶体，长度为L,电场沿Z方向。证明纵向运用时的相位延迟为厂3%EL。思路证明： 当沿z方向加电场时为纵向应用，两偏振分量的相位延迟分别为2兀 2兀L 13丫匚

14、、2 兀,2irL/nyLi 1 3虽厂、(n。n63Ez)因此这两个光穿过晶体后产生一个相位差 ： = wLri3 63Ez二丈:ri3 63V ,式中V二EzL是沿Z轴加的电压5何为电光晶体的半波电压？半波电压由晶体的那些参数决定？当光波的两个垂直分量Ex，Ey的光程差为半个波长（相应的相位差为二）时所需要加的电压，称为半波电压。6在电光晶体的纵向应用中，如果光波偏离晶体的一个小角度二（二1 ）传播，证明由于自然双折射引起的相位延迟为Fo （导户J式中L为晶体长度。2c ne和光波在晶体中的传播特1生及自然双折射原理7若取vs=616m/s n=2.35，fs=1OMHz ,0=0.632

15、8m，试估算发生拉曼纳斯衍射所允许的最大晶体长度Lmax=?由公式LL。计算。%8利用应变S与声强Is的尖系式S2证明一级衍射光强h与入射光强Io之比为111(7:)2 P2n61Io2iC0sJ -ss（取近似J ； C ）证明：当入射光强为I。时，布喇格声光衍射的1级衍射光强的表达式可写成h =lsi n2(J可以用声致折射率的变化厶n来表示，既：厶计L，且“ 心？：这样就有51(7 : L)2P引6|lo-2( oCOA/-2S9考虑熔融石英中的声光布喇格衍射若取h=o.6328Mm, n=1.46, Vs= 5.97”O” m/s, fs=1ooMHz，计算布喇格角乜。解：由公式sin

16、厲fs求得3为了降低电光调制器的半波电压，用4块Z切割的KD*P晶体连接(光路串联电路并联)成纵向串联式结构，试求：2nhs 2nus10. 一束线偏振光经过长 L=25cm，直径D=1cm的实心玻璃，玻璃外绕N=250匝导线，通有电流l=5A。取韦尔德常数为V=0.25 W5( )/cm T试计算光的旋转角卞由公式L和VH计算。11 概括光纤弱导条件的意义。从理论上讲，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。所以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，而且为制造提供了很大的方便

17、。12从光线方程式出发，证明均匀介质中光线的轨迹为直线，非均匀介质中光线一定向折射率高的地方偏斜。 证明：由折射定律折射角越小，光线一定向折射率高的地方偏斜n13今有一的自聚焦光纤，试画出一束平行光和会聚光线入射其端面时，光纤中和输出端面上的光线图，并说明为什么？解：平方律折射率分布光纤的n(r)可表示为n2(r)= n ； 1 -2厶(匸尸其中人=1 -(E)2 /2为工程上定义的纤a芯和包层间的相对折射率差。可见平方律梯度光纤具有自聚焦性质，又称自聚焦光纤。一段上/4长的自聚焦光纤与光学透镜作用类似，可以汇聚光线和成像。参见 P7314光纤色散、带宽和脉冲展宽之间有什么矢系？对光纤传输容量

18、产生什么影响？解：光钎的色散会使脉冲信号展宽，既限制了光钎的带 宽或传输容量。一般说来，单模光钎的脉冲展宽与色散有下列尖系一二dL ”,式中，d是总色散，L光钎长度，是光信号的谱线 宽度。光脉冲展宽与光钎带宽有一定 矣系，H(f)二丄2崙慘船#215.光波水下传输有哪些特殊问题？解：传播光束的衰减特,前向散射和后向散射。 习题31. 一纵向运用的KDP电光调制器，长为2cm，折射率n=2.5，工作频率为1000kHz。试求此时光在晶体中的渡越时间及引起的哀减。 解：渡越时间为： d=n L/C相位延迟因子：也(t)二竺=也 O (1 e J胡if眉曲2.在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制

19、器中插入一个74波片，波片的的轴向如何设置最好？若旋转74波片,它所提供的直流偏置有何变化？解：其快慢轴与晶体的主轴x成45角，从而使Ex和Ey两个分量之间产生7/2的固定相位差。12 为了使4块晶体的电光效应逐块叠加，各晶体的x和y轴应如何取向？( 2丿若=O628m, 63= 23.6 10- m/V ,计算其半波电压，并与单块晶体调制器比较。解：(1) 互成901.LL(2) V二(3)，其中括号内就是纵向电光效应的半波电压，即(V-J横=(V-J纵，减小d增加L可以减小半2rrA63dd波电压，与单块晶体调制器比较其半波电压减小了。4如果一个纵向电光调制器没有起偏器，入射的自然光能否得

20、到光强度调制？为什么？解：不能，因为没有了线偏振光通过晶体后，不能产生相位差。5 一个PbMoOq声光调制器，对He-Ne激光进行调制。已知声功率pA1w，声光相互作用长度L=1.8mm，换能器宽15 3度H -0.8mm, M A36.3 10 s / kg，试求PbMoO4声光调制器的布喇格衍射效率。h2L2胡 QOS% Hco/COSAbPs、由 Ps- 2M2（），可求得2COS B ，再代入ls 2M2L26一个驻波超声场会对布喇格衍射光场产生什么影响？给出它所造成的频移和衍射方向。解：对每个声频率，具有许多波矢方向不同的声波分量都能引起光波的衍射。于是相应于每一确定角度的入射光，就

21、有一束cA-L F/ TZ=：Z=zr /.、-：宀 宀r=1 Al 汨古如图m声波7.用PbMoO4晶休做成个声光打描器，取n=2.48, M2=37.75心0-1零他,换能器宽度H=0.5mm。声波沿光轴方向传播,声频 fs=150MHz，声速 vs=3.99 105cm/s，光束宽度 d=0.85cm，光波长=05 力。(1) 证明此扫描器只能产生正常布喇格衍射；(2) 为获得100%的衍射效率，声功Ps率应为多大？(3) 若布喇格带宽.：f=125MHz，衍射效率降低多(4) 求可分辨点数少？解：2 由公式L :Lo$证明不是拉曼纳斯衍射。4-o22.扎 cos bb2B ,Ps 二

22、HLIs2Ma2M2L2若布喇格带宽.f=125MHz 衍射效率降低多少?用公式N二二(CR)和N上计算。/4 Vs R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

23、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的大小没有直接矢系。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

24、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。4.3用光敏电阻设计路灯自动点亮器及AGC放大电路。答：CdS探测器和CdSe探测器是两种低造价的可见光辐射探测器，它们的特点是高可靠性和长寿命，因而广泛应用于自动化技术和摄影机中的光计量。这两种器件的光电导增益比较高(103LI104)，但相应时间比较长(大约50ms。故设计一种采用造价低高可靠性和长寿命的CdS探测器和CdSe探测器作为路灯自动点亮器及AGC放大电路的光敏电阻。4.4已知Si光电池光敏面积为5 10mm2 在1000W/ m2光照下，开路电压u : : = 0.55V，光电流i即二12mA。试求：2(1)在

25、(200700) w/m光照下，保证线性电压输出的负载电阻和电压变化值；(2) 如果取反偏压V=0.3V，求负载电阻和电压变化值；(3) 如果希望输出电压变化量为0.5V，怎么办？答：厂旦 1 n(吗，u二乩 1 n(P)+u乜即 un(R)+u七，皆 ?八e isoe Pp4.5如果Si光电二级管灵敏度为10”A/W,结电容为10pF,光照功率5W时，拐点电压为10V，偏压40V，光照信号功率 P(t) =5 2coswt( j W),试求;(1) 线性最大输岀功率条件下的负载电阻；(2) 线性最大输出功率；(3 )响应截止频率。S(P” Fo) 2quH答：(1) Gp2(V u”)RpGp2 Ph GlUhm212c. RlC j4.6证明ishv 1NEP e SNR证明：已知量子效率H二巴R，将探测器的通量阈Ph二乂，信噪比SNR二土，噪声等效功率NEP = Ph逐次代入即可证