光电子学整理1-4

1、光电子学1、什么是光电子学?2、光电效应3、谈谈你所了解的光电子学与光电子技术涉及的范围 4、为什么说光波是电磁波? 4、为什么说光波是电磁波? 5、你对世界上最伟大的十个公式中麦克斯韦方程组排在第一的理解 6、谈谈你对麦克斯韦方程组的物理意义认识1.谈谈你对激光器的发明带来了世界巨大进步的认识激光是20世纪的四项重大的发明之一,2.受激辐射3.激光理论的基础4.请解释粒子数反转和负温度的概念以及在激光起重器的作用5.受激辐射与自发辐射的区别第一种答案5.受激辐射与自发辐射的区别第二种答案6.激光单色性好原因？ 受激发射光子 与入射光子 相同7.什么是粒子数反转?8.介质实现能级间粒子数反转条

2、件p 三能级激光器效率不高，三能级激光器效率不高，因因抽运前粒子基态，激励源强抽运快，抽运前粒子基态，激励源强抽运快，N2N1，粒子数反转；，粒子数反转； p 四能级四能级E2，E1间粒子数反转。间粒子数反转。 p 低能级低能级E1激发态，粒子极少，激发态，粒子极少，E2粒子积累，易粒子积累，易N2N1，粒子反转，粒子反转，能级能级E2，E1间产生激光，间产生激光， p E3粒子向粒子向E2跃迁，跃迁，E1粒子向粒子向E0过渡，易连续反转，过渡，易连续反转， p 四能级比三能级系统效率高。四能级比三能级系统效率高。 2-1粒子数反转分布粒子数反转分布 2-2光在介质中小信号增益 2-3介子中增

3、益饱和与烧孔效应 一、激发态能级寿命 二、粒子数密度的差值 三、三能级系统与四能级系统三、三能级系统与四能级系统 光照光照 寿命寿命nsms 1. 三能级系统 2. 四能级系统四能级系统 克服三能级缺点，易粒子反转。 问题：为什么四能级比三能级易粒子数反转？ E0基态，E1, E2, E3激发态，激励，基态粒子跃到E3, E3停短t， 无辐射跃E2，E2粒子积累。 p E1，热平衡粒子少； 2-1粒子数反转分布粒子数反转分布 2-2光在介质中小信号增益 2-3介子中增益饱和与烧孔效应 1. 三能级系统 2. 四能级系统四能级系统 一、激发态能级寿命 二、粒子数密度的差值 三、三能级系统与四能级

4、系统三、三能级系统与四能级系统 p E2稍积累，E2和E1间粒子数反转。 p E3粒子向E2转移快，E1粒子向E0过渡快，E1，易反转；p 比三能级系统，激励能量要求不高。克服三能级缺点易粒子数反转（激活介质）。 第三章复习思考题(10) 10.产生激光的必要、充分条件分别是什么?（7）分析激光产生的条件。 第三章复习思考题(11) （7）分析激光产生的条件。 11.已知氢原子第一激发态能量为 E2= -3.40eV，基态能量 E1= -13.60eV，请说明为什么可见室温下处于热平衡状态氢原子几乎处于基态? 在物质处于热平衡状态时，各能级上的原子数（或称集居数）服从玻尔兹曼统计分布：得出结果

5、约为零，不能发生粒子数反转，故在室温下处于热平衡状态氢原子几乎处于基态12.根据半导体激光器的材料与结构特点，说明半导体激光器产生的原理。（P191-193) 答：在半导体晶体中，能带分为价带和导带它们之间是禁带。通常情况下，电子大部分处于价带，而导带中只有少量电子。若有一束平行光入射，在导带里的能级和价带中的能级之间就会造成受激吸收与受激辐射。受激吸收和受激辐射都会导致价带中的电子跃迁到导带上，从而实现了粒子数的反转分布。此时在PN结两边加正向电流，使增益大于损耗值，就能形成激光震动，产生激光。03电子科学与技术Company Logo好好学习，天天上上量子级联激光器的工作原理与通常的半导体

6、激光器截然不同，它打破了传统p-n结型半导体激光器的电子-空穴复合受激辐射机制，其发光波长由半导体能隙来决定。QCL受激辐射过程只有电子参与，其激射方案是利用在半导体异质结薄层内由量子限制效应引起的分离电子态之间产生粒子数反转，从而实现单电子注入的多光子输出，并且可以轻松得通过改变量子阱层的厚度来改变发光波长。量子级联激光器比其它激光器的优势在于它的级联过程，电子从高能级跳跃到低能级过程中，不但没有损失，还可以注入到下一个过程再次发光。这个级联过程使这些电子“循环”起来，从而造就了一种令人惊叹的激光器。13.谈谈新型激光器量子级联激光器（QCLs）的工作原理 14.实现光放大的必要条件是什么，

7、负温度状态的概念是什么？实现光放大的必要条件是什么，负温度状态的概念是什么？ （2）负温度： 不是描述宏观物体状态的概念， 它是描述微观粒子能量反转状态的数学表述。 与粒子数反转相对应等效温度为负温度。与粒子数反转相对应等效温度为负温度。 答1（1）产生光放大必要条件：粒子数反转分布状态即，受激辐射受激吸收； G 0，介质对光有放大作用； 负温度含义：负温度含义：不是表示比绝对零度绝对零度低温度， 表示大于正无穷温度 负温度，能量比正温度负温度，能量比正温度高状态高状态。 答 2：粒子数反转是得到光放大必要条件（见书 P39）。出现粒子数反转时，如在形式上使用热平衡分布公式， 得到负温度状态概

8、念。与粒子数反转相对应等效温度：0ln2112gNgNkhvTeq15.激光产生的物理过程。激光产生的物理过程。 第三章 思考与练习（答案） 激励能源激励能源 激活介质激活介质 光学谐振腔光学谐振腔全反射全反射 R100%部分反射部分反射 R 为为 80%90% 使入射光得使入射光得到放大，是到放大，是核心核心 供给工作物供给工作物质能量质能量 只让与反射镜轴向平行光只让与反射镜轴向平行光束能在激活介质中来回反束能在激活介质中来回反射，连锁式放大。最后形射，连锁式放大。最后形成稳定激光输出。成稳定激光输出。 光抽运光抽运 激光束激光束 通过受激辐射起主要作用从而产生激光，必需要有提供放大作用的

9、增益介质和造成粒子数反转条件的激励源，另外通常要有一个光学谐振腔，像电子线路种的正反馈那样，使光在放大器中反复放大而形成振荡；现代所用的半导体激光器，通常采用激光二极管，它的原理与普通的二极管极为相似，如都有一对 PN 结，当电压和电流加到激光二极管上时，P 型半导体材料中的空穴和 N 型材料中的自由电子产生相对运动，PN 结处载流子的密度增加非常大，自由电子和空穴重新复合，因而产生受激辐射，释放出具有激光特性的光子，由激光器谐振腔内的反射镜反射，透过激光孔和孔内聚焦镜，射出激光束。 15.激光产生的物理过程。激光产生的物理过程。第三章 思考与练习（答案） 如何理解？只有从面积小于 的光源面上

10、发出的光，才能保证张角在 之内的双缝具有相干性。2从物理光学证明：具有明显相干性的条件是：RxLx光源相干面积22x2232)(ccVcs相干体积：具有频带宽度为的光，具有相干性的条件是限定在Vcs 之内16.简述经典理论和量子理论对光的相干性是如何描述的，两者的结论是否一致？ 属于同一光波模式的光以及同一光子态的光子在三维的空间坐标系中所占的体积是相等的，等于光源的相干体积从光子观点出发：根据动量测不准原理， Px= Py = h/cPz= h/c cszyxVcPPPhzyx2233)(同一个光子态的光子所占的体积为： 属于同一光波模式的光波或同一光子态的光子是相干的，属于不同光波模式的光

11、波或不同光子态的光子是不相干的17.激光的四个特性中，空间相干性与相什么联系，时间相干性与什么相联系激光的四个特性中，空间相干性与相什么联系，时间相干性与什么相联系 答：答：间相干间相干和方向性方向性联系（ ），），激光激光束发散角小，空间相干性高束发散角小，空间相干性高时间相干性和单色性联系，单色性高 小，时间相干性高光源频率宽度越窄，相干时间越长，相干体积越长。光源频率宽度越窄，相干时间越长，相干体积越长。 1 平板波导内光的传播特性为什么要用波动理论讨论？2 平板波导有哪几种的模式？请简述几种模式的特点。 导模和辐射模，辐射模包含衬底膜和包层模。所谓衬底模是由衬底模入射到薄膜内的光波，在

12、上界面经全反射和折射，又回到衬底中。包层模指由衬底或包层射入到薄膜内的光波在上下界面都不发生全反射。而导模是指射入薄膜内的光波在上下界面发生全反射。导模在薄膜内形成沿x方向的驻波，在包层和衬底内形成沿x方向指数衰减的消失场。 包层模在薄膜、衬底、包层中均形成x方向的驻波。 衬底模在薄膜、衬底中均形成x方向的驻波。 示意图为：3 平板波导内传播特性谈谈你理解的集成光学的概念 研究媒质薄膜光学现象及光学元件集成学科。4 矩形波导，为什么要研究矩形波导？渐变型光纤6材料n 随自由载流子浓度 而 原因？7.为什么弱导光纤是实用光纤？ 弱导光纤是指纤芯的折射率和均匀包层折射率之差很小的光纤。采用弱导光纤

13、主要的好处是光线在芯部传播时，由全反射时折射率公式知，两者折射率越小，光线与芯层与包层界面的角度就越小。故传播相同长度，光走的路程就越少，光损耗就越少。故实用光纤多采用弱导光纤。8 子午线9 导模 导模是指入射到薄膜内的光波在上下界面发生全反射。对应的电磁波称为导模。10 时延差 同点出发不同角度光线达轴线另一点t不等，时延差11 脉冲展宽12 辐射模 辐射模包含衬底膜和包层模。所谓衬底模是由衬底模入射到薄膜内的光波，在上界面经全反射和折射，又回到衬底中。包层模指由衬底或包层射入到薄膜内的光波在上下界面都不发生全反射。13 简述导波模成立条件14 为什么多模光纤，射线方法与实际近似？ 多模光纤

14、是指在给定的工作波长上传输多种模式的光纤。15 为什么光纤的曲率半径R 小到一定程度（弯曲严重），原直部产生全反射子午光线，到弯部从弯曲部分逸出，甚至发生子午光线只在外表面反射现象？16 讨论导波成立的条件与导波截止条件，给出相应的依据17 光纤的色散包括哪几部分？单模光纤和多模光纤分别以哪几种色散为主？18 费马原理19 导膜截止 导模截至条件为20nk20 用射线分析方法讨论阶跃光纤中导波成立条件所代表的意义。21、阶跃型光纤主要弱点是什么？产生的原因是什么？用什么办法克服？克服办法：渐变型光纤22、为什么要采用复杂的电磁波模式理论研究光纤？ 光是一种电磁波，采用波动光学的方法，把光作为电

15、磁波处理，研究电磁波在光纤中的传输规律，得到光纤中的传播模式、场结构、传输常数及截止条件。23、形成波导，在半导体材料中要形成怎样的折射率分布？改变半导体折射率分布有哪几种方法？载流子浓度越小折射率n越大改变半导体折射率分布的方法：自由载流子效应、改变成分影响、电场效应、形变效应24、光纤的色散主要由什么原因引起？共有哪几种色散？不同的光纤各以哪种色散为主？不同的色散主要由什么决定？25、一光信号入射到光纤的功率为200uW，在经过1km的传播后，输出光功率为100uW. 在继续传播一段距离后，输出光功率只有25uW，求这段距离的长度。26一光信号在光纤中行进了500m以后，它的功率损失了85

16、 %，问以“dB/km”为单位，这根光纤的损耗有多大？27. 设光纤纤芯的半径为25m，折射率为n1=1.46，n2=1.45，光纤的工作波长为0.85m，求归一化频率及传播的模式数。如果工作波长为1.3m，传播的模式有多少？22221201221.46,1.45,2.5,0.8553)Vnn k annaamm1221）根据据题意，将nn代入即可求得V3.15V2）对多模阶跃光纤，导模数M=2解法见上述1）、2）28、一光电阴极在波长为520nm的光照射下，光电子的最大动能为0.67eV，求出光电阴极的逸出功。29、光纤的色散30、渐变型光纤31、远离截止状态 远离截止：光波频率较高的光波在传输过程中，纤芯与包层界面入射角远大于临界角，大部分能量集中在纤芯中传播，该模式称处在远离截止状态；32、为什么要研究折射率渐变型分布的光纤？33、光纤端面倾斜、斜光线的传播、渐变型光纤的射线分析等讨论涉及的中心问题是什么？该量的物理意义？有几种表示方式？34、光纤的色散包括哪几部分？单模和多模光纤分别以哪几种色散为主？光纤的色散有哪几种？哪些属于模内色散？哪些属于模间色散？单模光纤与多模光纤分别由什么为主？35、什么是光波导？什么是波导的传播模式？模式的阶数与什么有关？