第二版-朱京平-着-科学出版社-课后答案-慧知文库

1、光电子技术基础_第二版_(朱京平_著)_科学出版社_课后答案原文地址：/view/a74fa09039ebd657ff44a0e1d286f04d.html 第一章绪论1.光电子器件按功能分为哪几类？每类大致包括哪些器件？光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件。光源器件分为相干光源和非相干光源。相干光源主要包括激光和非线性光学器件等。非相干光源包括照明光源、显示光源和信息处理用光源等。光传输器件分为光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等等)、光波导和光纤等。光控制器件包括调制器、偏转器、光开关、光双稳器件、光路由器等。光探测器件分为光电导型探测器、光伏型探

2、测器、热伏型探测器、各种传感器等。光存储器件分为光盘(包括CD、VCD、DVD、LD等)、光驱、光盘塔等。20世纪70年代，光电子技术领域的标志性成果是低损耗光纤的实现，半导体激光器的20世纪80年代，出现了大功率量子阱阵列激光器；半导体光学双稳态功能器件的得到了迅速发展；也出现了保偏光纤、光纤传感器，光纤放大器和光纤激光器。20世纪90年代，掺铒光纤放大器(EDFA)问世，光电子技术在通信领域取得了极大成功，形成了光纤通信产业；。另外，光电子技术在光存储方面也取得了很大进展，光盘已成为计算机存储数据的重要手段。21世纪，我们正步入信息化社会，信息与信息交换量的爆炸性增长对信息的采集、传输、处

3、理、存储与显示都提出了严峻的挑战，国家经济与社会的发展，国防实力的增强等都更加依赖于信息的广度、深度和速度。举出几个你所知道的光电子技术应用实例。如：光纤通信，光盘存储，光电显示器、光纤传感器、光计算机等等。据你了解，继阴极射线管显示（CRT）之后，哪几类光电显示器件代表的技术有可能发展成为未来显示技术的主体？等离子体显示（PDP），液晶显示（LCD），场致发射显示（EL）。课后答成熟特别是量子阱激光器的问世以及CCD的问世。案网20世纪60年代，光电子技术领域最典型的成就是各种激光器的相继问世。w3谈谈光电子技术各个发展时期的情况。ww征，是一门新兴的综合性交叉学科。.k传输波导（光纤）化，

4、手段电子化，现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特hd光电子技术主要研究物质中的电子相互作用及能量相互转换的相关技术，以光源激光化，aw2谈谈你对光电子技术的理解。.com第二章光学基础知识与光场传播规律填空题应等。光波动性的典型体现有光的干涉、衍射、偏振等。两束光相长干涉的条件是=m(m=0,1,2,LL)两列同频平面简谐波振幅分别为E01、E02，位相差为，则其干涉光强为E01+E02+2E01E02cos，两列波干涉相长的条件为=2m(m=0,1,2,LL)22之多少？2nhn0nG2nh+(n)2sin20n0正=2nh0G2nh(n0+nG)2cos2+(+n)2sin20

5、n0(n0nG)2cos22nh0=3.57%2nh2nh(n0+nG)2cos2+(0G+n)2sin20n0(n0nG)2cos2有两个具有共轭复振幅的单色波，具有相同的频率，其复值分别为U(r)及U*(r)。比较它们的强度、波前和波前法线。以平面波U(r)=Aexp(jk(x+课后答00.75=0.153m4n41.225正入射时，反射率为h=案网n=1.225，正入射下相应的薄膜厚度最薄为n=1.5正入射时，当n=时，膜系起到全增透作用wwwkhd如紫外线(=0.42m)垂直照射至涂有该介质膜的玻璃上，反射功率占入射功率百分aw求该介质膜应有的介电常量及厚度。.c在玻璃(r=2.25,

6、r=1)上涂一种透明的介质膜以消除红外线(=0.75m)的反射。om波长的光经过孔径D的小孔在焦距f处的衍射爱里斑半径为1.22f。D与球面波U(r)=(Ar)exp(jkr)为例。平面波U(r)=Aexp(jk(x+的强度I=A2,因波前可以是任意的曲面，故它的波前即为波前函数U(r)，波前法线垂直于波前。它的共轭波U*(r)=Aexp(jk(x+前法线垂直于波前。球面波U(r)=(r)exp(jkr)的强度为I=(r)2，波前函数即该波表达式，波前法线垂直于波前。它的共轭波U*(r)=(r)exp(jkr)的强度为I=(r)2，波前函数即该波表达式，波前法线垂直于波前。光束垂直投射在无限大

7、不透明的环状小孔（半径为a和b，ab）上，发生夫琅和费衍射，求光强度dI的角分布。见物理光学的强度I=A2，波前函数同样是该波的表达式，波由n1sin1=nsin2得sin2=wn2=1+2=3衰减系数r=k(0.6)=的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层才能使镜面反射系数大于99.5？课输出波长632.8nm的He-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和ThF2形成后设玻璃的折射率nG1.5由题意：2.52P1.521(52P0.9975即0.0025()1.51.99752.52P1.5231+()1.51.55(2P532.72P=12.3P7故至

8、少涂覆7个双层。3有m个相距为d的平行反射平面。一束光以倾角投射反射面。设每一反射平面仅反射n=ww此光波在介质中的方向（折射角）。光波在介质中的衰减系数。2=2n0.6=1.3107答.khd一束波长为0.5m的光波以450角从空气入射到电极化率为2j0.6的介质表面上，求正，0nH2Pn(0nL=nH2Pn+(0nL2nHnG2nHnG0.995，即2一小部分光，大部分光投射过去；又设各层的反射波幅值相等。证明sin=反射波强度达到最大值，这一角度称为Braggdd时，合成的课2(0E+P)JsE000t2tt后答J2DE0s(E)E020ttt2案网在电介质中，一般有M=0,从而=0，B

9、=0H，于是上式可化为wwwJ2DE=0200s0(M)tttt.khd=0D+(EJMsttaw.cd因各辐射波的反射波幅值相等，当它们反射波叠加，相位依次相差2的整数倍时，合成的反射波强度达到最大值，最简单情况下，相位相差2。2如图所示：k2dsin=2即时，反射波强度达到最大值。2dsin=2故当sin=d从麦克斯韦通式（228）出发，推导波动方程（244）。B对该式取旋度左边(E)=(E)2EE=t(B)右边（由B=0H+0M）=0(H+M)ttDD由H=J+上式=E+Js+ttom第三章激光原理与技术1填空最早的电光源是炭弧光灯，最早的激光器是1960年由美国家的梅曼制作的红宝石激光

10、器。光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示色散与频率的关系，虚部表示物质吸收与频率的关系。激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。激光产生的充分条件是阈值条件和增益饱和效应，必要条件包括粒子数反转分布和减少振荡模式数。今有一个球面谐振腔，r1=1.5m,r2=-1m,L=80cm,它属于稳定腔。2试简单说明以下光电子学术语的科学含义：受激辐射(画出二能级图)处于激发态E2上的原子，在频率为21的外界光信号作用下，从E2能级跃迁到E1能12课d(21)dI(21)g=(N21N1)B21h21dt0(21)I(21)g2后N1放大，为此，我们引入激活介质的增益系数G()式中，

11、dI()是传播距离dx时的光强的增量。这说明：介质的增益系数在数值上等于光束强度在传播单位长度的距离时，光强增加的百分数。由于dI()0，因而G()0，所以G()可以表示光在激活介质当中的放大特性。3.计算与推导0.5m时，什么温度下自发辐射率与受激辐射率相等？T=300K时，什么波长下，则答光束在激活介质中传播时，设入射端面处光强为I0(),距离x处光强为I()，且案网光子又可以去诱发其他发光粒子，产生更多状态相同的光子，这样，在一个入射光子作用下，就可以产生大量运动状态相同的光子，这一发射过程称为受激发射过程。谱线的多普勒加宽多普勒展宽是由于气体物质中作热运动的发光粒子所产生的辐射的多普勒

12、频移引起的。谱线的自然加宽自然加宽是由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上寿命有限所形成的。光放大www.khdG()=dI()I()dxaw级上，在跃迁过程中，原子辐射出能量为h21、与外界光信号处于同一状态的光子，这两个.c可见光强在激活介质中不断om自发辐射率相等？自发辐射率为A21，受激辐射率为W21。w21=B21(21)。33A218h21n由爱因斯坦关系式可知：=B21c3，338h21n1由普朗克公式可知：(21)=，3cexp(211kT3h21由题意A21W21，故exp()1=1，kT3ln2hc3ln26.631034(3108)30.6931h21T=7.

13、191033K32363kk1.3810(0.510)当T=300K时，3He-Ne激光器的反射镜间距为0.2m，求最靠近632.8nm跃迁谱线中心的纵模阶数、纵c3108纵模频率间隔q=7.5108Hz2nL210.2T1.5109实际振荡纵模总数q=+1=3+1=87.510q红宝石激光器的工作物质有特性：N2N1=5107/cm3、300K处，1=21011Hz，s=3103s，=4.3261014Hz，n=1.78,求其在中心频率处的增益g(0)系数G()。一维电子振荡器在电磁场E(t)作用下的运动方程如式（32），推导简谐电场与简谐振课后气体的折射率n1c由q=q得2nL2nL210

14、.25q=6.3210=632.8109答案网模频率间隔。如果增益曲线宽度为1.5109Hz,则可能引起的纵模总数是多少？www=1.442104M.khdhc3ln26.631034(3108)30.693112=2.99710=1.381023300kT%()的表达式。子条件下，复极化率d2xdx2电子运动方程为m2=m0 xmeE，在简谐电场和简谐振子条件下，则瞬时电dtdt场E(t)与位置偏移x(t)为x(t)=x()ejtE(t)=E()ejtE()、x()表示对应于频率的振幅值，将x(t)、E(t)代入运动方程，并求解得在平面光波场作用下，原子在光场作用下产生感应极化，形成电偶极振

15、子p=ex=Re(p()ejt)e2E()p()=2m(02)+jrP=Np=Re(P()ejt)又4简述题简述激光的特点。激光的特点主要表现在以下四个方面：激光具有激光极好的方向性激光的单色性非常好激光的相干性好激光具有极高的亮度和单色亮度。信息光电子技术中所用的光源，着重单色性、高速脉冲性、方向性、可调谐性和高能量密度等。激光正是满足这些条件的最好的光源。分析单色辐射场与连续辐射场与粒子体系相互作用情况。单色辐射场与粒子体系的相互作用如图38所示，粒子线型函数为g()，中心频率为0，谱线宽度为，辐射场的中心频率为0，带宽为。单色辐射场与粒子体系相互作用过程，要求粒子体系的展宽要课Ne21(

16、)=2m(02)+jr后Ne2E()P()=2=()0E()m(02)+jr()()P()=()0E()=j0E答案网www.k设单位体积中原子数为N，则介质极化强度x()=eE()2m(02)+jr远大于辐射场宽度，即与间满足公式，很小，于是dN(21)st=N2B21g()()d中被积函数只有在0附近一个很窄的范围内不为零。且在dt内g()可以认为不便，于是单色辐射场能量密度可表示为+()=()()dN(21)st=N2B21g()()()d=N2B21g()()=N2W21()dt223AcIIAc2121W21()=B21g()()=g()()=g()=g()式中，332338nh8n

17、h8nhs+0时，受激跃迁概率最大。这种相互作用不仅与、B21有关，而且还与W21越大，当0g()有关。当连续辐射光场与粒子体系相互作用时（图39），满足条件，于是dN(21)st=N2B21g()()d中被积函数只有在0附近很小的范围内（量级）才不为零，dt且内可以认为()近似为常量(0)，于是+课后dN(21)st=N2B21g()()d=N2B21(0)g()d=N2B21(0)=N2W21dt式中，(0)为连续辐射光场在粒子线型函数中心频率0处的单色能量密度。可见，连续辐射场中只有频率等于粒子体系中心频率0的那部分辐射场才能引发粒子体系受激辐射，其他部分实际上被粒子体系所散射。+答案网

18、w率的大小取决于单色光场中心频率0相对于线型函数中心频率0的位置，00越小，则ww+确位于g()的中心频率0处才能产生受激辐射，而是在0附近一定频率范围内均可，跃迁概.khd上式表明由于谱线宽度，和粒子体系产生相互作用的单色光场的频率0并不一定要精awc()（单位：W2）为光辐射强度。I=试推导爱因斯坦关系式。设一个原子系统有两特定能级E1、E2，（E1 N12=B12(21)N1式中，(21)表示热平衡状态下光辐射场的能量密度。处于E2上的原子，可以通过自发辐射与受激辐射两种途径跃迁至E1上，单位时间内，E2E1的原子数N21为又由于在热平衡状态下，N1、N2按照玻尔兹曼分布1式中，K为玻尔

19、兹曼常量。于是有(21)=A211B21B12g1exp(h211B21g2kT在热平衡条件下，光辐射的能量密度(21)又可由普朗克公式给出338h21n1(21)=c3exp(211kT式中，c为真空光速，于是比较上述两式，可知B12g1=B21g2课g1后g2=exp(E2E1h)=exp(21)KTKT答N2案网w因而有N2(21)B12=N1A21+(21)B21(21)B12N1=A21+(21)B21N2ww.khd由于系统处于热平衡状态，则应有以下关系式成立N21=N12即awN21=A21+(21)B21N33A218h21n=B21c3这即为爱因斯坦关系式。为什么二能级系统不

20、能产生激光？（画出二能级图）当外界激励能量作用于二能级体系物质时，首先建立起自发辐射，在体系中有了初始光辐射之后，一方面物质吸收光，使N1减少、N2增加；另一方面由于物质中存在辐射过程，使N2减小、N1增加，两种过程同时存在，最终达到N1N2状态，光吸收和受激发射相等，二能级系统不再吸收光，达到所谓的自发辐射状态，这种状态下N2不再继续增加；即便采用强光照射，共振吸收和受激发射以相同的概率发生，也不能实现粒子数反转。激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源、和光学谐振腔。激光工作物质提供形成激光的能级结构体系，是激光产生的内因。要产生激光，工作物质只有高能态（激发态）和低能态（基态）是不够的，

21、还至少需要有这样一个能级，它可以使得粒子在该能级上具有较长得停留时间或较小得自发辐射概率，从而实现其与低能级之间得粒子数反转分布，这样得能级称为亚稳态能级。这样，激光工作物质应至少具备三个能级。（画三能级图）如图所示，其中E1是基态，E2是亚稳态，E3是激发态。外界激发作用使粒子从E1能级跃迁到E3能级。由于E3的寿命很短（1.0E-9s量级），因而不允许粒子停留，跃迁到E3的粒子很快通过非辐射迟豫过程跃迁到E2能级。由于E2能级是亚稳态，寿命较长（1.0E-3s量级），因而允许粒子停留。于是，随着E1的粒子不断被抽运到E3，又很快转到E2，因而粒子在E2能级上大量积聚起来，当把一半以上的粒子

22、抽运到E2，就实现了粒子数反转分布，此时若有光子能量为hE2E1的入射光，则将产生光的受激辐射，发射h的光，从而实现光放大。泵浦源提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因。由于在一般情况下介质都处于粒子数正常分布状态，即处于非激活状态，故欲建立粒子数反转分布状态，就必须用外界能量来激励工作物质。我们把将粒子从低能态抽运到高能态的装置称为泵浦源或激励源。事实上，激光器不过是一个能量转换器件，它将泵浦源输入的能量转变成激光能量。主要有以下几种泵浦方式：光激励方式气体辉光放电或高频放电方式直接电子注入方式化学反应方式。光学谐振腔为激光器提供反馈放大机构，使受激发射的强度、方向性、单色性进一步提高。不

23、论哪种光学谐振腔，它们都有一个共同特性，那就是都是开腔，即侧面没有边界的腔，这使偏轴模不断耗散，以保证激光定向输出。谐振腔分为稳态腔（低损耗腔）和非稳定腔（高耗散腔）两大类。分析四能级与三能级激光器相比所具有的优点。（画四能级图）四能级系统能级结构如图所示，由于E4到E3、E2到E1的无辐射跃迁课后答案网www.khdaw以一个三能级原子系统为例，说明激光器的基本组成和产生激光的基本原理。.com概率都很大，而E3到E2、E3到E1的自发跃迁概率都很小，这样，外界激发使E1上的粒子不断被抽运到E4，又很快转到亚稳态E3，而E2留不住粒子，因而E2、E3很容易形成粒子数反转，产生hE3E2受激辐

24、射。四能级结构使粒子数反转很容易实现，激光阈值很低。分析激光产生的条件。激光产生的两个必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数，要形成稳定的激光输出还要满足起振和稳定振荡两个充分条件。粒子数反转分布指能级上的粒子数分布满足条件N2N1，相应地有d(21)0，表示g2g12I4=I0R1R2GL如果I4I0，则随着振荡的不断进行，光强逐渐加强，形成有效的激光振荡。课件，形成激光振荡的条件为I4I02于是，激光振荡必须满足的最起码条件为R1R2GL=1由之可得增益的阈值为1G()th=lnR1R22L又课G()th=(N2后为振荡阈值条件。往返一次光束强度变化过程为I1=I0GL,I2=I1R2,

25、I3=I2GL,I4=I3R1，于是g1N1)Kg()g2答质总还存在着西都、散射等损失，因而只有光的增益能超过这些损失时，光波才能被放大，从而在腔内振荡起来，这就是说，记挂更年期必须满足某个条件才能“起振”，称这个条件案网www光束在粒子数反转分布状态下的工作物质中的工作物质中传播时，光能密度将不断增加。我们称这种状态的物质为激活介质。要想得到方向性很好、单色性很好的激光，仅有激活介质时不够的，这是因为：第一：在反转分布能级间的受激发射可以沿各个方向产生，且传播一定的距离后就射出工作物质，难以形成极强的光束；第二，激发处的光可以有很多频率，对应很多模式，每一模式的光都将携带能量，难以形成单色

26、亮度很强的激光。欲使光束进一步加强，就必须使光束来回往复地通过激活介质，使之不断地沿某一方向得到放大，并减少振荡模式数目。由于光束在腔内多次的来回反射，极少频率的光满足干涉相长条件，光强得到加强，频率得到筛选，特别是在谐振腔轴线方向，可以形成光强最强、模式数目最少的激光振荡，而和轴线有较大夹角的光束，则由侧面逸出激活介质，不能形成激光振荡。光在谐振腔内传播时，由于R20g2g1当外加光强出现时，感应了E2E1的受激发射和E1E2的受激吸收，两种过程的概获得的增益恰好等于在激光腔内的损耗，就建立了稳态的振荡，形成了稳定的激光输出。简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线型函数的类型。一般来讲，谱

27、线展宽分均匀展宽与非均匀展宽两大类。均匀展宽的特点是：引起均匀展宽的机制对于每一粒子而言都是相同的。任一粒子对谱线展宽的贡献都是一样的，不可能把线型函数某一特定频率与某些特定粒子相联系起来，每个发光粒子都以洛伦兹线型发射。均匀展宽又包括自然展宽、碰撞展宽和热振动展宽等。自然展宽是由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上寿命有限所形成的。由于它是粒子本身固有性质决定的，自然存在的，因课后答案网而称为自然展宽。gN()=反转的减少就越严重，因而随着往返振荡，I()不断增大，使得G()不断减小，知道光所www1s2.k14(0)+()22s2碰撞展宽是由于气体中大量粒子无规则运动而产生的碰

28、撞引起的谱线展宽。碰撞展宽分为两种情况。一种是当处于激发态的粒子与其他粒子和器壁发生非弹性碰撞，从而将自己的能量传送出去回到基态。另一种是粒子发射的波列发生无规则相位突变而引起展宽。但此时粒子能量并不发生明显变化，这种碰撞称消相碰撞。由于碰撞的随机性，我们用平均碰撞时间来表征碰撞过程，其线型函数也如同由随机自发跃迁所引起的自然展宽那样，具有形式c。热振动展宽是由晶格热振动引起的谱线展宽，gc()=2(0)2+(c)2hd结果使新平衡下的反转粒子数NN0，G()变小；由于外加光场I()越强，造成粒子数aw率相等（W21=W12）,由于N112，因而E2E1的粒子数大于E1E2的粒子数，其可见gN

29、()表达式具有洛伦兹型。.com在固体激光物质中其量级远大于前两者，晶格原子的热振动使发光粒子处于随时间周期变化的晶格场中，引起能级振动，导致谱线展宽，这种展宽与温度关系最大，但其线型函数解析式很难求，常用实验来测知。非均匀展宽的特点使粒子体系中粒子的发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献，可以区分为线型函数的某一频率范围是由哪些粒子发光所引起的。这种展宽主要包括多普勒展宽与残余应力展宽。多普勒展宽是由于气体物质中作热运动的发光粒子所产生的辐射的多普勒频移引起的。多普勒展宽的线型函数gD()=cm()e02KT12mc20)22KT0残余应力展宽是固体激光物质内部残余应力引起的，其中一种

30、是晶格缺陷所致，非均匀分布的缺陷引起不同位置粒子0不同；另一种是由物质本身原子无规则排列构成的。这类展宽的解析形式难以求证，常用实验测定。激光器按激光工作介质来划分可分为几类？各举出一个典型激光器，并给出其典型波长、转换效率、典型特点。按激光工作物质的类型有如下划分：气体激光器根据气体激光工作物质的能级跃迁类型，又可将之分为原子、离子、分子、准分子型气体激光器。原子气体激光器最常见的是He-Ne激光器，它发出的有0.6328m的红光和3.39m、1.15m两种红外光，He-Ne激光器输出功率较小（几mW到100mW），能量转化效率较低（0.01），氮气单色性好，谱线宽度很窄，频率稳定度高，方向

31、性好，发散角小，相干长度可达几十公里。离子气体激光器典型的有Ar+激光器，它输出多种波长，最强的是0.488m的蓝光和课后质折射率n2=式中；而光与物质谐振相互作用使变成。D=(0+n0)E+r0E=E+r0E=(1+答可见，光与物质的非谐振相互作用产生光的散射，引起0变成，即散射过程造成了物案网=0(1+n)，()=1+0r()www0r)E=()E.khd而由于极化机制不同，包括谐振分量r与非谐振分量n，于是awD=0E+P=0E+0E=(1+)0E.c简述光与物质的非共振与共振相互作用过程对介电常量的影响。om0.5145m的绿光，输出功率可达500MW/cm2,最大功率可达150W，能

32、量转换效率为千分之几，其所需泵浦功率高，需耗散很多热量。分子气体激光器中最具代表性的是CO2激光器，输出为10.6m的红外线，其效率高达30，输出功率近似与管子长度成正比。CO2激光器的特点是：效率高、功率强、工作稳定、单色性好、波长适于光通信等。准分子激光器的工作物质为稀有气体与卤素气体的混合气体，这是一类工作在紫外波长段的高效脉冲激光器。稀有气体与卤素气体的不同组合所得激光波长不同。通常采用He、Ne将由数千帕的稀有气体合压力数百帕的卤素气体组成的混和气体稀释成数百千帕的混和气体作为激光工作物质，所形成的激光器输出能量为数百微焦耳，发光效率1，重复频率数千赫兹。液体激光器这种激光器又可分为

33、无机液体激光器和有机液体激光器。其中最重要的一类是染料激光器，其主要优点是：波长连续可调（调谐范围从紫外直到红外）、价格低、增益高、输出功率可与固体和气体激光器相比、效率较高、激光均匀性耗、制备容易、可以循环操作、利于冷却、典型的是若丹明6G染料激光器。它在脉冲工作时的波长是590nm，平均功率是100W，效率为0.5。固体激光器典型的例子有Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激光器）。该类激光器可以脉冲工作，也可以连续工作，产生的跃迁中以1.06m的激光为最强。这类激光器的最大有点是受激辐射跃迁概率大、泵浦阈值低、容易实现连续发射，近几年向二极管激光器泵浦的全固态小型化方向发展，转换效率可达10。

34、半导体激光器同质结半导体激光器的激光工作物质为由半导体材料构成的有源区：族化合物，如GaAs，InP为直接带隙结构。具有输入您那过量最低，效率最高，体积最小，重量最轻，可以直接调制，结构简单，具有集成电路生产的全部优点，价格低廉，可靠性高，寿命长。异质结半导体激光器由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs和AlGaAs所组成。与同质结半导体激光器相比，异质结半导体激光器具有有源层厚度薄，阈值电流密度低、内部损耗低、电光转换量子效率高、可通过改变混晶比调节输出波长等一系列优点。量子阱半导体激光器功耗更低、输出功率更高、发射光谱更纯、响应速度更快、波长覆盖范围更宽、更容易阵列化。AlGaAs/G

35、aAs量子阱激光器的波长是980nm，平均功率为0.2W，转化效率为2030。AlGaAs/GaAs量子阱阵列激光器的波长为808nm，平均功率为100W。分析同质结半导体激光器与发光二极管的区别与联系。同质结半导体与发光二极管的联系：正向偏压下，大量电子和空穴分别通过耗尽层注入到p侧和n侧，于是导带中存在电子而价带中不存在电子，形成粒子数反转分布；同质结半导体与发光二极管的区别：发光二极管的结构公差不严格，而半导体激光器需要精确控制制造工艺，以保证两个端面形成极为光滑平整且互相平行的光学谐振腔。当低于激光阈值时，注入式激光器就像一个发光二极管，无规律地发光；当注入芯片的电流增大到某一量值时，

36、就会发生粒子数反转，这时受激原子数目多于低能态原子；从某些激发态原子自发地发出的光子与p-n结的激发态电子相碰撞，出发更多的光子发射出来，形成受激发射。课后答案网简述尖峰振荡效应过程。不加任何特殊装置的固体脉冲激光器，在一次输出中，激光脉冲的宽度大约时ms数量级。这个脉冲并不是平滑的，而是包含宽度更窄的短脉冲系列，其中每一个短脉冲宽度只在s数量级，并且激励越强，短脉冲的时间间隔越小。这种现象称作迟豫振荡效应或尖峰振荡效应。一个短脉冲的形成和消失，可以由激光系统反转粒子数密度N=N2N1的增减变化来g2g1解释。以氙灯泵浦为例，光泵浦使系统N增加，且增加速率在一个短脉冲周期内可看成不便；受激复试

37、使N减小，且减少速率因腔内光子数密度的多少而变化。这样，可将一个短脉冲的形成过程分为四个阶段，如图327所示：受激辐射造成的N减少速率也继续增大，超过泵浦引起的增长率，N开始减小，直到第三阶段（t3t4），t3之后，N0，即受激辐射大于零，因而N继续减少，但减少速率便小，直到t=t4时刻，增加速率等于减小速率，N达到极小值。第四阶段（t4=t5），t4之后，N的增加率再次占优势，直到t5时刻，再次达到阈值Nth，将开始下一轮振荡。在整个氙灯泵浦时间内，以上四个阶段不断重复，形成了依稀类的尖峰结构，而且，泵浦越强，尖峰形成越快，尖峰时间间隔越小。激光调Q技术于锁模技术的脉宽分别在哪个量级？调Q技

38、术可以产生脉宽107109s量级、峰值功率MW量级的巨脉冲，锁模技术可以产生10121013s量级的超短脉冲。常见的调Q方法有哪几种？分别简述之。转镜调Q技术将激光器光学谐振腔两个反射镜之一安装在一个旋转轴上，使其在每一转动周期中，只有当两个反射镜面平行时损耗最小，因而通过控制转镜，从而控制光腔的反射损耗可达到课后答案网t2=t3时刻，N又回到阈值NNth。www第二阶段（t2t3），NNth仍成立，激光继续产生，腔内光子数密度仍急剧增加，.khd直到t=t2时刻，二者速率相等，N达到极值。awN仍在增加，减少速率也逐渐便快，但只要泵浦引起的增长率大于受激辐射引起的减小率，.c达到阈值条件NN

39、th而产生激光，使激光器内光子数密度急剧增加；受激辐射使Nom第一阶段（t0t1t2），从t0时刻光泵浦开始，N的增长率占优势；直到t1时刻N分别简述几种常见的激光锁模实现方法。激光器一般有多个不同的振荡模式，他们本身是不关联、非相干的，起振幅与相位彼此独立；如果能使得各个独立模式在时间上同步、振荡相位一致，则总光场是各个模式光场得相干叠加，输出为一超短脉冲，且残余相干得模越多，不均于分布越尖锐，则脉宽越窄、峰值功率越高。这种通过把激光中所有的模耦合在一起并把各个模的彼此相位关系锁定得方法称为锁模，相应得技术称为锁模技术。实现锁模的方法有很多，大致分为一下几类：主动锁模是一种内调制锁模，通过在

40、腔内插入一个电光或声光调制起实现模式锁定，要求调制频率精确地等于激光器的纵模间隔，从而使所有参与振荡的模式相位同步的锁模技术。被动锁模类似染料被动开关，把很薄的可饱和吸收染料盒插入自由运转的环形腔结构激光器谐振腔环路中点，使相反方向的两个脉冲精确同步地到达吸收体，发生碰撞，产生相干叠加效应，从而获得有效锁模的碰撞锁模方式。自锁模这是一种通过增益调制来实现锁模的方法。用一台锁模激光器的序列脉冲输出泵浦另一台激光器，在两个激光器光腔长度相等的情况下，激光器的增益收到调制，在最大增益时形成一个脉冲更窄的序列脉冲输出，这就是自锁模技术，或称同步锁模技术。激光选模技术分哪几类？采取某些手段限制参与振荡的

41、模式数目，有关技术称为激光选模技术，一般分为四类：一是激光谱线选择，二是激光偏振选择，第三类时压缩振荡激光束的发散角、从而改善其方向性的横模选择技术，第四类是用于限制振荡激光频数目的纵模选择技术。课后答案网www.khd调Q目的。染料调Q技术利用染料对光的吸收系数随光强度变化的特性来调Q的方法称为染料调Q技术，这种调Q开关的延迟时间是由材料本身的特性决定的，不直接受人控制，属于被动调Q技术。染料对该激光器振荡波长的光有强烈的吸收作用，且吸收系数随入射光的增强而不断减小。当染料盒插入谐振腔内时，激光器开始泵浦此时腔内光强还很弱，因而染料对光吸收强烈，腔损耗很大，Q值很低，不能形成激光；随着泵浦的

42、继续，亚稳态上离子越积越多，腔内光强逐渐增大，吸收逐渐减小，Q值不断增大；泵浦光大到一定值时，染料对该波长的光变为透明，称为染料漂白，此时Q值达到最大，相当于Q开关开启，于是激光器输出一个强的激光脉冲。电光调Q技术某些晶体经过特殊方向的切割后，如果在某个方向上加电压，就可以使通过它的偏光改变振动方向，且外加电压的数值与振动放下嘎那的改变之间有一定的函数关系，再辅以其他光学元件，就可以构成一个快速光开关，达到调Q目的。声光调Q技术如图331所示，声光器件在腔内按布拉格条件放置。当外加高频振荡的超声信号时，光束沿布拉格角偏折，从而偏离了谐振腔的轴向，此时腔损耗严重，Q值很低，不能形成激光振荡；但这

43、一阶段，光泵浦使激光工作物质亚稳态上的粒子大量积累，一定史家后，瞬间撤销超高频振荡声场，光无偏折地通过晶体，Q值突然增大，从而产生一个强的激光脉冲输出。第四章光波导技术基础某光纤传输的波段为0.80.9m。若每一路电话带宽为4kHz，每套彩电节目带宽10MHz，则该光纤理论上可传送多少路电话或多少套彩电节目？c光纤传输的频率f=,故它传输波段为3.33310143.751014，f=0.4171014,0.4171014能传播的电话数目N1=1.04101034100.41710146能传播的彩电数目N2=4.171010106什么是光波导？平面介质光波导中几类模式各有何特点？光波导就是能使光

44、低损耗传输的通道，它将光限制在一定路径中向前传播，减少了光的耗散，便于光的调制、耦合等，为光学系统的固体化、小型化、集成化打下了基础。定的场分布称为导波模式，简称导模。这说明：并未满足c12c13n1的所有角入射的光c13c12在n1、n3界面反射，n1、n2界面投射，光线向衬底n2辐射，不再形成导波，称为衬底辐射模c12）才能形成导波，且m越大，m越小，即小的入射角度相答场均可形成导波，对于一定波长的光波，只有满足上式的角入射的光波才可形成导波。即案网m的不同取值对应于横向驻波波节数，每一个m值对应一个稳定的横向分布，这种波导中稳w2k0n1dcos1213=m2(m=0,1,2,L)ww此

45、时，上、下界面均满足全反射条件。在满足相位匹配方程：.kc12c13hd如图41和42所示：推导三层平板波导TM模本征方程。由于H(r,t)=H(x,y)ej(tz)，D=jEt将场的横向分量用纵向分量表示得由麦克斯韦方程H=Hx=1EzHzjHz(jj)=2222kyxkx1EzHzjEz(j+j)=k22yxk22xHy=对于横磁波，即Hz=0的波，可得Hx=02Hy+(k2n22)Hy=0波导层衬底层2222H+(kn)Hy=0y022x22Hy+(k02n32)Hy=02x课2Hy+(k02n122)Hy=02x后答由于H(x,y)仅有Hy分量，因而波动方程简化为：案网w由此可见，TM

46、波只有唯一的横向磁场分量Hy。对TM波仅需求解波动方程覆盖层于是其满足导波条件(k0n20)Hy(x)=Acos(hx)(q)sin(hx)(dx0)p(x+d)q)sin(hx)(xd)cos()(eAhx+式中h=q=p=光纤由传导光的纤芯（折射率n1）和外层的包层（折射率n2）两同心圆形的双层结构组成，且n1n2。外面再包以一次涂覆护套和二次涂覆护套。单独的纤芯不能作为光波导，光波导由纤芯和包层共同组成。包层对纤芯起保护作用，包括增加光纤的机械强度，避免纤芯接触到污染物，以及减少纤芯表面上由于过大的不连续性（即界面两边的折射率差别过大）而引起的散射损耗率。光波在光纤中传播有3种模式，导模

47、（传输模），漏模（泄漏模）和辐射模。导模是光功率限制在纤芯内传播的光波场，又称芯模。其存在条件是n2k0n2n3n4）。hd推导四层平板波导TE模场分布表达式及其本征方程（设厚衬底层2上生长波导层1，1aw.ch(p+q)p+q=h2pqh(1h2此式即为TM模的本征方程。且有omtan(hd)=n设有一平面介质波导，各层折射率分别为n1=2.21,n2=2.1,3=1,波导层厚度d=4.6m。32若总反射相移为，则当入射光波长为1.31m时，波导中能传输的模式总数是多少？要想传输单漠，波导层厚度应如何设计？若要传输1.55m的入射激光，重复、的计算。归一化频率传播模数2d24.6106V=4

48、.8356601.3110d归一化频率传播模数d波长为1.3m的光射入单模阶跃折射率光纤，其芯区与包层折射率分别为n1=1.52，n2=1.42若将其至于空气（折射率为1）中，则其数值孔径、最大入射角及芯径分别为多少？若将其置于水（折射率为1.33）中呢？数值孔径N.A.=0.542N.A.=n0sinmaxmax=arcsin0.542=32.820后+11(V1213)=(4.08690.75)=3.33692故传播模式总数为4。+1由题意得(V1213)1m12V1.75得m=1.970m得答案网w2d24.6106V=4.0869601.5510ww.k=1.665mhdaw+11(V

49、1213)=(4.83560.75)=4.08562故传播模式总数为5。+1由题意得(V1213)1m12V1.75得由于是单模传播，故V2.4052.40502a2.4050=1.836mN.A.=0.542数值孔径N.A.=n0sinmaxmax=arcsin得0.542=24.0501.33由于是单模传播，故V2.405纤中，求若包层折射率n2=1.448，求其数值孔径与最大入射角。包层折射率应在何范围内方能维持单模传输？包层折射率为n2=1.453时的模式有效折射率。最大入射角课数值孔径N.A.=0.17由n0sinmax=0.17得max=arcsin0.17=9.8150由归一化频

50、率V=1.450由归一化传播常量在弱导条件n1n22aN.A.2.4050得出答案网www波长1.55m的光从空气中射入纤芯直径8m、纤芯折射率n1=1.458的单模阶跃折射率光222neffn2(1b)V22k02n2b=22=22和=k0n11222得出22n1n2k0n1k0n2k0n1a0.5k0n1故.khd2a2.4050=1.836maw.c0.1s）、中余辉（1ms0.1s）、短余辉（4m）、大屏幕（14m）、中屏幕22（0.21m）、小屏幕（2）耦合器以及树形（1N，N2）耦合器等；从工作带宽的角度划分，它分为单工作窗口的窄带耦合器、单工作窗口的宽带耦合器合双窗口的宽带耦合器

51、；由于传导光模式的不同，它又有多模耦合器合单模耦合器之分；从结构上又可分为分立元件组合型、全光纤型、平面波导型等类。熔融拉锥型全光纤耦合器熔融拉锥法就是将两根或两根以上除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。波导型光耦合器波导型光耦合器是指利用平面介质光波导工艺制作的一类光光耦合器件，往往是在铌酸锂（LiNbO3）等衬底材料上，以薄膜沉积、光刻、扩散等工艺将所需的波导结构制成芯片；芯片与单模光纤的耦合则具有端面直接耦合合通过迅衰场的表面耦合等基本方法。10.光耦合器的性能指标有哪几类？分别如何定义？插入

52、损耗的减少值指以分贝表示的第i个输出端口的光功率Pout相对全部输入光功率PINi课ILi=10lg后附加损耗EL=10lgPOUTi所有输出端口的光功率综合相对于输入光功率以分贝表示的减小值PIN(dB)答POUTiPIN案网（dB）www.khd9.光耦合器主要分哪几类？简述各类的基本工作原理。44分光比示指耦合器各输出口的输出功率的比值，常用相对输出总功率的百分比来表CR=PoutPOUTi100%i方向性方向性是光耦合器所特有的衡量器件定向传输特性的参数。以标准X形耦合器为例，方向性定义为在耦合器正常工作时输入侧非注光端的输出光功率与全部注入光功率比值的分贝数DL=10lgPIN2PI

53、N1式中，PIN1为注入光功率，PIN2代表输入侧非注光端的输出光功率。均匀性用来衡量均分型光耦合器“不均匀程度”的参数。定义为在器件的工作带宽范围内各输出端口光功率的最大变化量偏振相关损耗衡量器件性能对传输光信号偏振态敏感程度的参数，速称偏振灵敏度。是指当传输光信号的偏振态发生360o变化时，器件各输出端光功率的最大变化量隔离度到的其他光路信号的功率值。12.光波分复用器的性能指标有哪些？分别如何定义？波分复用器的光学特性参数主要有以下几个：中心波长（或通带）1、2、L、n它由设计、制造者根据相应国际、国家标准或实际应用要求来选定。中心波长工作范围1、2、L、n指每一工作通道允许的中心波长变

54、化范围，常以平均信道间隔的10%表示。它限定了选用光源（LED或LD）的谱线宽度及中心波长位置。中心波长对应的最小插入损耗IL1、IL2、L、ILn指器件输入端和对应的输出端光功率以分贝表示的减小值。相邻信道隔离度（最大串扰）I12、I23、L、I(n1)n45课参照教材附表后11.光波分复用器主要分哪几类？简述各类的基本工作原理。答案网一光路对其他光路中光信号的隔离能力wwwI=10lgPtPinmax(POUTi)用于反映WDM器件对不同波长信号分离能力的参数，指光纤耦合器某式中，Pt是某一光路输出端测.kPDLi=10lgmin(POUTi)hdaw.cmax(POUTi)omFL=10

55、lgmin(POUT)指器件输出端口的光进入非指定输出端口光能量大小。光回波损耗RL指光信号从指定端口输入时，由于器件引起反相回传的光能量。偏振相关损耗PDL指光信号以不同的偏振状态输入时（如线偏振、圆偏振、椭圆偏振），对应输出端口插入损耗最大变化量。最大光功率Pmax指器件允许通过的最大光功率值，以mW表示。13.光隔离器主要分哪几类？简述各类的基本工作原理。根据光隔离器的偏振特性可将偏振器分为偏振相关型和偏振无关型两种；根据隔离器的内部结构可分为块状型、光纤型、波导型等；根据其外部结构可分为尾纤型、连接器端口型和微型化型，尾纤型和连接器端口型也称在线型。反向隔离度入射时，输入端反向出射光功

56、率Pr与入射光功率P的比值，它表征隔离器对反向传输光的衰减能力PrIso=10lgP光隔离器的回波损耗也是一个相当重要的指标，它指正向入射导隔离回波损耗器中的光功率Pi与沿输入路径返回隔离器输入端口的光功率Pr之比PrRL=10lgPi偏振相关损耗PDL指当输入光偏振态发生变化而其他参数不变时，器件插入损耗的最大变化量，是衡量器件插入损耗受偏振态影响程度的指标，主要产生在折射率发生突变的界面上。30dB隔离度带宽指以30dB带宽表示的光隔离器能够覆盖的工作波长范围。46课后距。Wedge型偏振无关光隔离器的插损为偏振相关光隔离器的插入损耗表达式为反向隔离度是隔离器最重要的指标之一，定义为当光从

57、隔离器输出端答式中，n0为自聚焦透镜折射率，A为自聚焦透镜聚焦参数，h为出射o光与e光的间案网L=10lgexp2www.kIL=10lgcos2()0hd插入损耗插入损耗是隔离器性能的重要技术指标。主要来源与偏振起、法拉第旋转器和光纤准直器的插入损耗。aw14.光隔离器的性能指标有哪些？分别如何定义？.com偏振模色散PMD指通过器件的信号光不同偏振态之间的相位延迟。15.光开关主要分哪几类？简述各类的基本工作原理。根据工作原理可分为机械式、MEMS式和集成光波导式三大类。机械式光开关靠光纤或光学元件移动使光路发生改变。MEMS型光开关就是利用MEMS技术制作的微型化的自由空间光学平台，它能

58、够将光束从一根光纤转移到另一根光纤。集成光波导型光开关则依靠光电效应、磁光效应、声光效应以及热光效应来改变波导折射率，使光路发生改变。16.光开关的性能指标有哪些？分别如何定义？光开关的光学特性参数主要指插入损耗、回波损耗、隔离度、工作波长、消光比、开关时间等。插入损耗输入和输出端口之间以分贝数表示的光功率的减少IL=10lg回波损耗（也称为反射损耗或反射率）值，以分贝表示远端串扰近端串扰光功率之比。消光比ERnm=ILnmIL0nm课入时n端口的输出光功率，Pim是光从i端口输入时在m端口测得的光功率。两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。式中，ILnm为n、m端口导通时的插入损耗，I

59、L0nm为非导通时的插入损耗。开关时间开关端口从某一初始态转为通或断所需的时间，开关时间从在开关上施加或撤去转换能量的时刻起测量。后光开关接通端口的输出光功率与串入另一端口的输出光功率的比值。当其他端口接匹配终端，连接的端口与另一个名义上是隔离的端口的答In,m=10lgPinPim式中，m，n为光的两个隔离端口（nm）；Pin是光从i端口输案网到的返回光功率。隔离度两个相隔输出端口以分贝数表示的光功率的比值RL=10lgwPrPo式中，P0为进入输入端的光功率；Pr是输入端口收ww.k从输入端返回的光功率与输入光功率的比hd式中，P0为进入输入端光功率；POUT为输出端光功率。awPOUTP

60、47第九章光盘与光存储技术1.光盘记录有什么优点？光盘有一下优点：存储密度高数据传输速率高存储寿命长信息位价低更换容易2.光盘发展经历了哪几代？每一代的特点是什么？激光、通过一次动作就擦除掉旧信息并录入新信息。如图9-1，9-2所示将事先记录在主磁带上的视频或音频信息通过信号发生器、前置放大器去驱动电光或声光调制器，使经过调制的激光束以不同的功率密度聚焦在甩有光刻胶的玻璃衬盘上，使光刻胶曝光，之后经过显影、刻蚀，制成主盘（又称母盘，master），再经喷镀、电镀等工序制成副盘（又称印模,stamper），然后再经过“2P”注塑形成ROM光盘。4.简述ROM光盘的形成过程。ROM光盘的主盘与副盘