光电子技术答案市公开课特等奖市赛课微课一等奖

1）光电子技术含义及其特点光电子技术是研究从红外波、可见光、紫外光、X射线至γ射线波段范围内光波电子技术，是研究利用光子和电子特征，经过一定媒介实现信息与能量转换、传递、处理及应用科学。它是以光电子学为理论基础，以光电子元器件为主体、综合利用光学、电学、机械学、计算机和材料技术，以实现含有一定功效、实用仪器、设备系统。频谱宽、信息容量大、传输速度快、抗电磁干扰能力强光电子技术特点第1页2）空间相干性定义；光相干性能好差程度分别用什么衡量？在不一样空间点、不一样时刻光波场一些特征（如光波场相位）之间关系。光相干性空间相干性在同一时刻、垂直于光传输方向上两个空间点上光波场之间相干性；第2页2、光源到双缝距离R（R越大，干涉条纹越含糊why？R大，变小，A0变小，光空间相干性变差）相干性条件越大，光源越小，越趋近于点光源，干涉效果越好1、光源大小（光源尺寸大，干涉效应差why？不一样地方受激发原子发出光是不相干）第3页3）波长λ视见函数定义；在整个电磁波谱范围内，视见函数不等于0区域？视见函数等于1波长？视见函数小于1区域？假如已知某个波长辐射视见函数Vλ，则辐射功率为dPλ所对应光通量dPv与Vλ、dPλ之间关系？定义

在引发相同视觉响应条件下，若在λ附近所需要光谱辐射功率为dPλ，而对λ＝555nm所需要光谱辐射功率为dP555非可见区域视见函数等于零，波长为555nm光视见函数为1，可见区域除555nm光外都小于1。第4页1）用三能级模型说明怎样实现粒子分布反转状态？为何说三能级系统实现能态集居数分布反转要比四能级系统困难？第5页泵浦Vp大量能带组成能级E3E2E1亚稳态（寿命较长）基态VG热平衡状态N1≥N2

氙灯激励红宝石棒

能带E3受激吸收跃迁N1降低

亚稳态E2E3寿命短

S32N2＞N1

泵浦

集居数反转

E2上粒子到E1

产生激光第6页

E1是基态，E2是含有较长寿命能级，称为亚稳态，E3是由大量能级组成能带。在热平衡状态下，处于基态E1上集居数N1比处于亚稳态E2上集居数N2大得多，即N1≥N2，（实际上N2约为0）。当氙灯激励红宝石棒时，大量基态离子受激吸收跃迁抵达能带E3内，因而E1上粒子数N1降低，但Cr3+离子在E3上寿命很短，它们很快经过非辐射驰豫过程（用S表示）跃迁到寿命较长亚稳态E2上，其上就积累了大量粒子，即N2不停增多，并在此寿命时间内暂时使N2偏离热平衡波耳兹曼分布，此过程称为氙灯抽运（泵浦）过程。只有当氙灯光强强到一定程度时，有可能暂时N2＞N1，即抵达集居数反转状态，这么，E2上粒子跃迁回到E1时，便产生受激辐射，从而产生激光。

第7页四能级产生激光能级是激发态E3和E2能级，在泵浦作用使大量基态E1Nd3+离子受激吸收跃迁抵达能带E4内，但Nd3+离子在E4上寿命极短，很快经过非辐射驰豫过程（用曲线箭头S43表示）跃迁到寿命较长亚稳态E3上。而能级E2寿命又很短，进入该能态粒子又很快非辐射跃迁（又S21表示）到基态，所以N2约为0，这么N3≥N2，在能态E3和能态E2间实现了集居数分布反转。三能级模型与四能级模型相比，在实现集居数分布反转上，要比四能级困难。第8页2）工作物质能实现能态集居数反转分布条条件？上述条件是必要条件还是充分条件？为何？要求泵浦光足够强（Vp＞VG）

内部条件泵浦吸收带寿命较长亚稳态三能级E3四能级E4产生激光上能级外部条件还必须使激活介质（实现能态集居数分布反转工作介质）置于由两个反射镜（能够是平面或球面）所组成谐振腔内，腔镜作用是提供反馈。第9页3）自发辐射与受激辐射根本差异？

自发辐射跃迁与受激辐射跃迁过程是两个不一样物理过程，它们所产生辐射性质也不一样，对于自发辐射来说，它是原子在不受外界辐射场影响下产生，而单个原子自发辐射相位是随机，所以大量自发辐射是不相干。而与自发辐射不一样是，受激辐射是在外界辐射场作用下产生，受激辐射光子与激励光子含有相同频率、相位、波矢和偏振状态，也就是说受激辐射光子与入射光子属于同一态光子，所以受激辐射是相干。第10页4）何为增益饱和效应？当某一频率为光束经过激活介质时，光通量取得放大，即光强越强，意味着单位时间内从亚稳态向下跃迁粒子数就越多，从而造成反转程度减弱，从而使增益系数变小

第11页5）激光器阈值条件？阈值泵浦功率和阈值泵浦能量振荡器阈值条件

阈值泵浦能Eth把激光器维持在阈值条件下所需最小泵浦功率阈值泵浦功率Pth把激光器维持在阈值条件下所需最小泵浦能量第12页6）三能级系统所需阈值能量要比四能级系统所需大得多？四能级系统激光下能级在基态之上，n2=0，只须将个粒子激发到能级E3上就能使增益克服腔损耗而产生激光；而在三能级系统中，激光下能级是基态，所以最少须将个粒子激发到能级E2上才能使增益克服腔损耗而产生激光,而,所以三能级系统阈值能量或阈值功率要比四能级系统大得多。第13页7）光学谐振腔作用？（两种）①选择激光模式，提升激光相干性。②提供光正反馈，实现光受激辐射放大。第14页8）光学谐振腔有稳定腔和非稳腔之分，非稳腔是不是指工作状态不稳定腔？为何？

所谓腔稳定性，只是指傍轴光线能否在腔内往返无限次而不致于横向逸出，也就是腔内傍轴光束损耗高低问题。稳定腔是指腔几何损耗低，因而对增益不太高工作物质来说，用这种几何损耗低就比较轻易起振。但对损耗高非稳腔来说，假如工作物质增益比较高，一样能够起振，而且到达稳定工作。第15页9）激光四大特征激光四性单色性相干性方向性高亮度第16页1）激光调制与无线电波调制异同点；概念相同：相位调制、频率调制、振幅调制、脉冲调制结构不一样：激光调制属于高频调制无线电波调制属于低频调制共同点：利用非线性效应调制，即无线电波调制是利用放大器非线性效应进行调制，而激光非线性效应调制方式很多，有电光效应、声光效应、磁光效应等第17页2）喇曼-乃斯衍射、布拉格衍射特点及产生条件？产生喇曼-乃斯衍射条件：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度L较短时，在光波经过介质时间内，折射率改变能够忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止“平面相位栅”。

喇曼-乃斯衍射特点：由出射波阵面上各子波源发出次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布多级衍射光，强度递减（why？）第18页声波频率较高，声光作用长度L较大，光束与声波波面间以一定角度斜入射，介质含有“体光栅”性质。

布喇格衍射特点：衍射光各高级次衍射光将相互抵消，只出现0级和+1级（或

1级）衍射光。产生布喇格衍射条件第19页3）声光调制器组成及其功效；阐述其工作原理；3声光介质1驱动电源2电声换能器4吸收器入射光工作原理驱动电源产生高频功率信号，由电极加到电声变能器两端，电声变能器将电功率信号转换成超声波，经过耦合层耦合到声光介质中，介质在超声波作用下，折射率发生改变，形成相位光栅，从而对入射光进行调制。第20页（3）声光介质：声光介质是声光互作用场所。（2）电声变能器：它是利用一些晶体反压电效应，在外加电场作用下产生机械振动而形成超声波，它起着将调制电信号转换成声信号作用。（1）驱动电源：它用以产生调制电信号施加于电声换能器两端电极上，驱动声光调制器(换能器)工作。（4）吸声器：用以吸收经过介质声波，确保器件工作状态正常。第21页4）数字式偏转器原理图；阐述其工作原理；图是一个由电光晶体和双折射晶体组合而成数字式偏转器，其中双折射晶体能够将线偏光入射分解成两束平行出射振动方向正交分离光束，其分离度为d。第22页当电光晶体未加电压时，线偏振光（如o光）经过它时候，偏振状态保持不变，仍以o光状态射出晶体，其后经过双折射晶体方向保持不变；当电光晶体加上半波电压，线偏振光经过它时候，偏转面旋转90度变成e光，因为双折射晶体双折射特征，e光线在晶体内将以与表面法线成α角方向传输，抵达晶体输出面，偏移间距d，然后以平行原光路方向出射。第23页5）调Q技术基本思想，电光调Q基本依据；利用电光调Q激光器原理图，说明其工作原理；当激光上能级积累反转粒子数不多时，人为地控制阈值使其很高，因为阈值很高，激光输出变得困难，从而抑制激光振荡产生，不过，光泵不停地激励，从而使激光上能级将不停积累粒子数，当反转粒子数到达最大值时，突然降低激光器阈值，因为此时反转粒子数大大超出激光器阈值反转粒子数，所以，在腔内以极快速度建立极强激光振荡，在很短时间内大量抽闲激光上能级粒子数，同时输出一个极强尖锐脉冲——调Q技术。第24页依据：放在谐振腔内电光晶体在外加电场作用下，使入射偏振光振动方向发生改变，人为在腔内引入可控等效反射损耗。透反镜全反镜电光晶体偏振器YAGXe灯电光调Q激光器原理图第25页YAG晶体在Xe灯激励下产生无规则偏振自然光，该自然光经过偏振器后，变成线偏振光（如X方向线偏振光），若调Q晶体未加电压，该光沿轴线方向（光轴）经过晶体，其偏振状态不发生改变，经全反射镜反射后，将再次无改变地经过调Q晶体和偏振器，电光Q开关处于“打开”状态。电光调Q激光器工作原理第26页假设调Q晶体施加电压时，自然光经偏振器变成线偏振光，线偏振光经电光晶体、全反镜、电光晶体后，因电光效应，会在对应感应主轴x’、y’方向上产生新相位差，从晶体再次出射时，总相位差就为，合振动会变成线偏振光，但它振动方向会与原起偏方向垂直，此偏振光不能经过偏振器，电光Q处于“关闭”状态。第27页所以，在Xe灯刚开始点燃时，在调Q晶体上施加电压，使谐振腔处于“关闭”状态低Q状态，将阻断激光振动形成；在Xe灯不停激励下，YAG上能级反转粒子数不停积累，当到达最大时，将调Q晶体外加电压瞬间撤去，此时，谐振腔处于“打开”高Q状态，阈值反转粒子数很小，，即可雪崩式地产生激光巨脉冲。第28页电光调Q激光器关键技术：准确地确保调Q晶体上加入电压时，Q开关处于“关闭”状态；准确地控制退掉调Q晶体上所加电压时间。第29页6）利用声光调Q激光器原理图，说明其工作原理？第30页当声光介质中经过超声波时，因为超声光栅作用，使光束衍射偏开腔外，激光器损耗大，Q值极低，不能形成激光振荡；在此情况下，工作物质在光泵浦激励下，激光上能级粒子数不停积累，并实现粒子数反转，当反转粒子数到达最大时，突然撤去超声场，衍射效应突然消失，光路通畅，Q值猛增，快速形成激光振荡，并由输出镜输出。6）声光调Q激光器工作原理第31页7）声光调Q和声光调制器区分？相同点：声光调Q和声光调制器都是利用晶体声光效应原理，以声光相互作用原理为基础。声光介质在超声波作用下，折射率发生周期性改变，使介质变成正弦相位光栅，当光经过这么介质时，发生衍射。第32页（2）声光调制器是利用连续改变调制信号控制加在换能器上超声功率，使超声波受到振幅调制，使相位延迟周期性改变，使输出光强发生对应周期性改变；声光Q开关在换能器上加一阶跃式调制信号实现调Q。（1）声光调制器采取两种衍射方式，喇曼奈斯衍射和布拉格衍射；声光调Q考虑效率问题，只采取布拉格衍射。喇曼奈斯衍射产生多级衍射光，各级光衍射效率比较低，不易实现调Q。（当前也有这种衍射Q开关）。不一样点：第33页8）横模选择技术物理基础和选横模两个基本标准不一样横模有不一样衍射损耗，控制衍射损耗选横模选横模物理基础须尽可能增大高阶横模和基横模损耗比必须尽可能减小激活介质内部损耗及镜面损耗，对应增大在总损耗中重；选横模两个基本标准第34页9）选纵模基本思想？怎样使其工作区域内只含有一个纵模？纵模选择方法？选纵模基本思想在增益曲线阈值以上区域内，只包含一个纵模1）设计谐振腔，增大纵模间隔Δq，使得在增益曲线阈值以上区域只有一个纵模可振荡；2）增益曲线变窄，使其阈值以上区域只包含一个纵模第35页纵模选择方法色散腔法短腔法法布里-珀罗标准具法第36页10）频率漂移、稳定度和再现度定义因为内部和外部条件改变，谐振腔频率依然会在增益曲线内移动，从而使输出频率发生改变。频率漂移激光器在连续工作期间，它频率改变量与振荡频率之比稳定度第37页再现度一样设计、一样方法制成激光器，在一样条件下使用时，相互之间频率偏差，或者是在完全不一样设计和不一样条件下，用相同能级跃迁所制成激光器，其振荡频率与原子跃迁中心频率偏差之比第38页11）被动式稳频、主动式稳频实质？主动式稳频技术主要思想？利用兰姆凹陷原理图说明其工作原理？实质是尽可能将激光器与改变外界环境隔离开来，减小外界环境对激光器扰动，确保激光器稳定工作。被动式稳频主动式稳频实质是再外界环境改变情况下，仍保持谐振腔光程腔长稳定不变，包含兰姆凹陷稳频法，无源腔稳频法，饱和吸收法。第39页主动式稳频技术主要思想选取一个稳定参考频率，当外界条件改变影响到激光器，使其频率偏离这个特定标准频率时，设法进行判别，同时产生出一个反应这个偏差误差信号，该误差信号不但能指明偏离标准频率大小，而且还能指明是偏大还是偏小，然后将误差信号转变成执行信号，反馈给激光器伺服机构，经过控制系统自动调整腔长，使激光工作频率稳定地在这特定标准频率上运转。第40页

当激光振荡频率V=V0时，调制电压使激光在V0附近改变，激光输出频率将以两倍频率周期性改变，如图O点处；经选频放大器后输出为0，此时附加电压输送到压电陶瓷上，因而激光器继续工作于V0；当V大于V0时，即如图中B点，激光输出功率与调制信号同频同相，经选频放大器后输至相敏检波器，相敏检波器输出负直流电压，经放大后作用于压电陶瓷外表面，压电陶瓷将缩短，腔长变长（V变小），从而振荡频率V被拉回到V0。

第41页当V小于V0时，即图中A点，激光输出功率与调制信号同频反相，从相敏检波器输出正直流电压，它使压电陶瓷伸长，腔长变短，V变大，因而激光器振荡频率又被自动拉回到V0。总而言之，基本方法是以增益曲线中心频率V0为参考标准频率，当激光器V偏离V0时，电子伺服系统经过压电陶瓷控制腔长，使激光振荡频率自动锁定在兰姆凹陷中心处。

第42页1、光栅与F-P标准具分光性能比较1）色散本事通常情况下，，因为光栅级次不高，比要大得多。所以，F-P标准具角色散要比光栅大得多。第43页二者分辨率都很高，光栅分辨本事是由光栅总刻痕数决定，F-P标准具分辨本事则依靠大干涉级次。2）分辨本事光栅和F-P标准具分辨本事A=mN对于光栅，N是光栅总刻痕数；对于F-P标准具，N是表征透射谱线锐度条纹精细度第44页总而言之，光栅和F-P标准具是两种不一样类型分光元件，前者利用波段宽，不过所得光谱线宽，不能作精细分析。后者只能用于极窄波段范围，所得谱线也窄，可在小范围内作谱线精细分析。3）自由光谱范围自由光谱范围可表示为：因为光栅是在低级次利用，所以G很大，而F-P标准具是在高级次使用，G较小，只能在很窄光谱区内使用。第45页2、一个15cm宽光栅，每毫米内有600个衍射单元，在可见光波段中段（=5500埃），求1级谱线中两条谱线位置，光栅角色散，光栅分辨本事以及光栅能分辨最小波长差。解：光栅缝间距离第46页光栅角色散本事：光栅总刻痕数：光栅分辨本事：光栅分辨最小波长差：第47页3、增透膜、增反膜定义镀制低折射率λ/4膜（n0<n1<n2），可使R变小，到达增加透射光强目标。增透膜镀制高折射率λ/4膜，使得n0<n1＞n2，使得R变大，到达增加反射光强目标。增反膜第48页4、多层介质膜为何能实现所需反射率？介质膜层数愈多，反射率R愈大？利用薄膜中多光束干涉效应，经过改变介质材料和膜层数，从而改变光学元件反射率和透射光强百分比。第49页在光学玻璃上镀介质膜，层数愈多，反射率R愈大从物理上来看，这种结构之所以使R大增，是因为在各界面面镀制不一样折射率介质膜，当光入射各界面时，在各界面上反射波相位交替改变，使得入射面上各个反射波总是相干加强。第50页5、利用偏振器怎样使两束线偏振光分散角度增大？1）把含有双折射晶体或棱镜组合使用，从而增大两束偏振光分开角度，方便取得两束线偏振光。2）利用两束线偏振光折射差异，使其中一束由偏振器反射掉，另一束发生折射，从而取得一束线偏振光。第51页1）光电探测器物理效应及其特点？光电探测器物理效应光子效应光热效应光子效应特点对光波频率表现出选择性，响应速度普通比较快。标准上对光波频率没有选择性，响应速度普通比较慢。光热效应特点第52页2）光电导效应、光伏效应定义？光电导效应当半导体材料被光照时，因为对光子吸收随载流子浓度增大而增大，因而造成电导率增大。光照零偏pn结产生开路电压效应光伏效应（光生伏特效应）第53页3）光电发射效应定义？能量关系及物理意义？产生光电发射效应条件?

在光照下，物体向表面以外空间发射电子（即光电子）现象。光电发射效应能量关系可由著