2025年大学《物理学》专业题库- 光子晶体在光电子学中的应用

2025年大学《物理学》专业题库——光子晶体在光电子学中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题1.下列哪个结构不属于光子晶体？A.折射率沿一个方向周期性变化的结构B.折射率沿两个正交方向周期性变化的结构C.折射率随机分布的结构D.上述都不对2.光子带隙的形成是由于：A.光的色散B.光的干涉C.光的衍射D.上述都有关3.一维光子晶体通常由哪两种不同折射率的材料交替构成？A.金属和绝缘体B.半导体和绝缘体C.透明介质和金属D.透明介质和半导体4.光子晶体光纤与普通光纤相比，主要优点是什么？A.传输损耗更低B.可以实现奇异的光学现象C.制造成本更低D.以上都不对5.光子晶体谐振器的主要功能是什么？A.滤波B.调制C.产生相干光D.以上都不对6.光子晶体滤波器的主要应用领域是什么？A.通信B.传感C.激光器D.以上都不对7.自组装技术制备光子晶体的主要优点是什么？A.成本低B.可控性强C.适用于大规模生产D.以上都不对8.光子晶体传感器的主要原理是什么？A.光的干涉B.光的衍射C.光的吸收D.以上都有关9.光子晶体激光器的主要优势是什么？A.输出功率高B.光束质量好C.可调谐范围宽D.以上都不对10.光子晶体在光电子学中的未来发展前景如何？A.应用领域有限B.技术发展缓慢C.具有巨大的潜力和广阔的应用前景D.以上都不对二、填空题1.光子晶体是指具有__________的周期性结构介质。2.光子带隙是指光子晶体中__________传播的频率范围。3.光子晶体光纤的色散特性与普通光纤相比，具有__________的特点。4.光子晶体波导是利用光子带隙效应实现__________的光波导。5.光子晶体谐振器的品质因数越高，其选模特性__________。6.光子晶体滤波器可以根据需要设计成__________、__________等多种类型。7.常见的制备光子晶体的微纳加工技术包括__________、__________等。8.光子晶体传感器利用光子晶体对__________的敏感特性来实现对物质的检测。9.光子晶体激光器可以实现__________、__________等输出模式。10.光子晶体在光电子学中的应用领域包括光纤通信、__________、__________等。三、简答题1.简述光子晶体实现光子带隙的物理机制。2.与传统光纤相比，光子晶体光纤有哪些独特的光学特性？3.简述光子晶体滤波器的工作原理。4.简述自组装技术制备光子晶体的基本过程。5.简述光子晶体传感器的基本原理。四、计算题假设一个一维光子晶体由折射率为n1和n2两种材料交替构成，周期为a，求该光子晶体在正常入射条件下的光子带隙范围。五、论述题论述光子晶体在光电子学中的潜在应用前景，并举例说明其在某个具体领域的应用。试卷答案一、选择题1.C2.B3.A4.B5.C6.A7.A8.D9.B10.C二、填空题1.一维空间折射率分布周期性2.能量不能传播3.可调控性强4.光子带隙中5.越好6.带通式；带阻式7.光刻；电子束刻蚀8.物理量9.单频；多频10.光子传感；光通信三、简答题1.解析：光子晶体由于具有周期性结构，会对光波的传播产生散射。当光波入射到光子晶体时，会发生多次散射，形成布洛赫波。在特定频率范围内，布洛赫波的波矢k无法满足布里渊区边界条件，导致光波无法传播，形成光子带隙。2.解析：光子晶体光纤具有独特的色散特性，可以实现负色散、零色散等。此外，光子晶体光纤还可以实现多芯、多模传输，以及特殊的光学效应，如非线性光学效应、光子带隙效应等。3.解析：光子晶体滤波器利用光子带隙效应，可以实现对特定波长光的滤波。当光波入射到光子晶体滤波器时，只有处于光子带隙之外的波长才能通过，而处于光子带隙内的波长则被阻止。4.解析：自组装技术制备光子晶体的基本过程包括：首先制备种子层，然后在种子层上通过化学反应或物理过程生长出周期性结构。自组装技术具有成本低、易于制备复杂结构等优点。5.解析：光子晶体传感器利用光子晶体对物理量或化学量的敏感特性来实现对物质的检测。当被测物质与光子晶体相互作用时，会引起光子晶体光学特性的变化，如光子带隙的位置、宽度等，通过检测这些变化可以实现对被测物质的检测。四、计算题解析：对于一维光子晶体，假设两种材料的折射率分别为n1和n2，周期为a。根据布拉格条件，光子带隙范围满足：\[\frac{2\pi}{\lambda}\cdot\sqrt{n_1^2\sin^2\theta+n_2^2\cos^2\theta}=m\pi,\quadm=1,2,3,\ldots\]对于正常入射，\(\theta=0\)，上式简化为：\[\frac{2\pi}{\lambda}\cdotn_{eff}=m\pi\]其中，\(n_{eff}\)为有效折射率，满足：\[\frac{2\pi}{\lambda}\cdot\sqrt{n_1^2+n_2^2}=m\pi\]解得有效折射率：\[n_{eff}=\sqrt{n_1^2+n_2^2}\]光子带隙范围：\[\lambda=\frac{2a}{m}\sqrt{n_1^2+n_2^2},\quadm=1,2,3,\ldots\]五、论述题解析：光子晶体在光电子学中具有巨大的潜力和广阔的应用前景。例如，在光纤通信领域，光子晶体光纤可以实现低损耗、高带宽的传输，以及特殊的光学效应，如非线性光学效应、光子带隙效应等，可以用于构建新型光纤通信系统。在光子