2025年大学《物理学》专业题库- 光电子学的原理与技术

2025年大学《物理学》专业题库——光电子学的原理与技术考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（本题共5小题，每小题3分，共15分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的。）1.下列哪个物理量不是描述光波波特性的重要参数？A.频率B.振幅C.偏振态D.传播速度2.根据爱因斯坦的光电效应方程，光电子的最大初动能与入射光频率的关系是？A.线性关系，且通过原点B.线性关系，但不通过原点C.抛物线关系D.指数关系3.激光器产生激光的三个必要条件中，不包括以下哪一项？A.光学谐振腔B.原子系统的粒子数反转C.激光介质D.较高的光子能量4.在半导体PN结光电二极管中，为提高其内部量子效率，通常需要？A.增大PN结的面积B.减小PN结的厚度C.使用禁带宽度较小的半导体材料D.增加光照强度5.光纤通信中，导致信号传输衰减的主要因素之一是？A.傅里叶变换B.色散效应C.光的偏振D.激光相干性二、填空题（本题共5小题，每小题3分，共15分。）6.光的波粒二象性是指光既具有______，又具有______。7.处于激发态的原子，通过______或______跃迁到较低能级，并辐射光子。8.激光器谐振腔的稳定性条件通常用______来判断。9.光电倍增管利用______效应，将光电子倍增，从而实现高灵敏度的光电探测。10.光在光纤中传输时，由于光纤材料的折射率不均匀，会导致光的传播速度不同，这种现象称为______。三、简答题（本题共3小题，每小题5分，共15分。）11.简述受激辐射与自发辐射的区别。12.解释什么是光放大，并说明实现光放大的物理条件。13.简述CCD（电荷耦合器件）传感器的基本工作原理。四、计算题（本题共2小题，每小题10分，共20分。）14.设普朗克常数h=6.626x10⁻³⁴J·s，光速c=3.0x10⁸m/s。计算频率为5x10¹⁴Hz的光子的能量。15.某激光器谐振腔的长度L=0.5m，腔内介质的折射率n=1.5。若该激光器工作在基模，计算其相邻两个纵模的频率差。五、论述题（本题共1小题，共15分。）16.试述半导体激光二极管（LD）的主要结构、工作原理及其与普通发光二极管（LED）的主要区别。试卷答案一、选择题1.D2.A3.D4.B5.B二、填空题6.波动性；粒子性7.受激辐射；自发辐射8.谐振条件（或finesse参数表达式F=1/(4sin²(θ/2))或2Lcosθ=mλ）9.光电子倍增（或二次电子发射）10.色散三、简答题11.解析思路：对比自发辐射和受激辐射的发生条件。自发辐射是原子自发地从激发态跃迁到低能级，并随机辐射光子，与入射光无关。受激辐射是原子处于激发态时，若遇到一个与它跃迁能量相同（频率相同）的光子，则会被诱导辐射一个与入射光子特性完全相同（频率、相位、方向、偏振态）的光子。受激辐射的关键在于需要一个入射光子作为“触发”。12.解析思路：阐述光放大的定义和条件。光放大是指通过受激辐射过程，使得光强随着传播距离增加而增强的现象。实现光放大的物理条件包括：①存在粒子数反转分布（高能级粒子数多于低能级粒子数）；②光介质本身具有放大能力（工作物质能吸收特定频率的光并受激辐射）；③提供光学谐振腔以实现光子的有效往返和增益积累。13.解析思路：描述CCD的工作过程。CCD是一种电荷耦合器件，其核心是将光信号转换为电信号。当光照射到CCD的光敏元件（如MOS电容）上时，会产生光生载流子（电子）。这些电子被限制在势阱中。通过精确控制时钟信号，依次转移这些电荷包，形成电荷列队。最后，通过放大器将电荷信号转换为电压信号或数字信号输出，从而实现光电转换和信号读取。四、计算题14.解析思路：应用光子能量公式E=hν。将普朗克常数h和给定频率ν代入公式即可计算得到光子能量。注意单位统一。解：E=hν=(6.626x10⁻³⁴J·s)x(5x10¹⁴Hz)=3.313x10⁻¹⁹J15.解析思路：应用纵模频率公式ν_m=m(c/2nL)。计算相邻两个纵模（m和m+1）的频率差Δν=ν_(m+1)-ν_m。将L、n和c代入公式计算即可。解：ν_m=m(c/2nL)=m(3.0x10⁸m/s)/(2x1.5x0.5m)=m(2.0x10⁸)HzΔν=ν_(m+1)-ν_m=[(m+1)(2.0x10⁸)-m(2.0x10⁸)]Hz=(2.0x10⁸)HzΔν=2.0x10⁸Hz五、论述题16.解析思路：分点阐述LD和LED的结构、原理和区别。答：半导体激光二极管（LD）的主要结构与工作原理：结构：通常由一个具有粒子数反转分布的半导体材料（如GaAs/AlGaAs）构成有源区，两侧有透明导电层形成电极，并通过光学谐振腔（通常为法布里-珀罗谐振腔，由两个反射镜构成）实现光放大和输出。工作原理：当给LD施加足够大的正向偏压时，P-N结注入的载流子（电子和空穴）在有源区复合，若满足粒子数反转条件，通过受激辐射实现光放大。光学谐振腔选模，仅允许特定频率（波长）的光子获得最大增益并在腔内振荡输出，形成激光。其发光过程主要是受激辐射。LD与LED的主要区别：1.光谱特性：LD发射的是单一波长（或极窄谱带）的相干光，而LED发射的是宽光谱带的非相干光。2.方向性：LD具有很高的方向性，光束发散角小，而LED发出的光较为弥散。3.相干性：LD发出的光是相干