光电子技术总结

为了方便同学们当习，我们将网上课件的每一章后面的复习提要总结出来汇总，估计填空题

和简答题90%会从这里出题。这门考试考察范围非常之广，因此可以说下面的都是重点。当

然，认为大题考的可能性比较大的有发光强度的参数的计算，异质p-n结的平衡态，电光延

迟量的计算和半波电压的推导，电光调制中行波调制器的带宽，倍频匹配角的推导等等。另

有一份期中考试卷子供大家参考。

本份总结5,6,7章由李一伦同学编写，16,17,18,19由蔡海霞

同学编写，，20,21,22由王力同学编写，23,24与作业题由刘远

致同学编写，其余由钟宇君同学编写。有疑问请大家指出。

光电子技术总结

第一章

1.辐射度量定义、单位、辐射度量学的基本量？

辐射度量学描述整个电磁波谱范围的电磁辐射，以辐射能量或辐射

功率为基本量。辐射能量的单位为焦耳，辐射功率的单位为瓦特。

2.单色辐射度量定义与其与复色辐射度量的关系？

任一光谱辐射度量Xe(l)与其对应的复色辐射度量Xe之间通过积分

关系连接：

8

0

3.光视效能与光视效率的意义？

人眼对不同波长的单位辐射通量的响应，称为光视效能，用K(l)表

示，其最大值为Km=683(流明/瓦)(Im/W)。归一化光视效能称为光

视效率，记为V(1),显然，

V(1)=K(l)/Km

4,光度量定义、单位、光度学的基本量？

所谓光度量指描述人眼可见电磁波段范围的电磁辐射的量。光度学中

的基本量选为发光光强，其单位为坎德拉，简称坎，符号为Cd。

5、光度量与辐射度量间的转换？

光度量与辐射度量之间通过光视效能联系起来。

6.一个发光强度单位的国际定义？

一“坎德拉”定义为：点发光源向给定方向发出Hz或555nm的电

磁辐射，其辐射强度为1/683W/Sro

第二章

1.人造光源的发光效率与理想光效？

发光效率是对人造光源而言的，指光源所发出的光通量与输入的功

率之比。理想光效则表示可见光谱范围的辐射功率转换为光通量的效

率。

2.发射本领、吸收本领与基尔霍夫定律？

辐射本领：描述物体热辐射能力，物体的辐射本领用它的光谱辐射出

射度表示：

dA

吸收本领：描述物体吸收幅射的能力，定义为物体吸收的在I到l+dl范围的辐射通量与入射

的同一光谱范围的辐射通晟之比：

基尔霍夫定律：任何物体的发射本领与其吸收本领之比是一个与物

体性质无关的普适函数，这个普适函数只依赖1和T两个变量。即：

M/Z7）=/（■」=普适函数

a（4,T）

3.黑体概念、黑体辐射分布特点？

黑体指吸收本领a（LT）恒为1的热辐射体。

黑体辐射性质：（1）单峰结构；（2）辐射能量随温度增加，存在关

系Meb（T）=sT4；（3）峰值波长随温度升高蓝移，存在关系

1mT=a=2898mmKo

4.热辐射体分类、色温与相关色温？

热辐射体分类：分为黑体、灰体和选择辐射体

色温：如果热辐射体的光色与温度为T的黑体的光色完全一样，则

称该热辐射体的色温为T；

相关色温：如果热辐射体的光色与温度为T的黑体的光色最接近，则

称T为该黑体的相关色温。

5.卤鸨灯结构、卤鸨循环原理与卤鸨灯特点？

在白炽灯中改充卤素元素气体，如Br2,12等，卤素与鸨反应：

W+X2Tl=WX（气态）

灯丝附近温度高，铝蒸汽压高，抑制鸨蒸发。在玻璃壳附近，温度较

低，形成WX,阻止铝沉积在玻璃壳上而损耗。所以，卤鸨反应抑制

了铛损耗，延长了铝丝的寿命。

与白炽灯比较，卤鸨灯特点：（1）体积小；（2）光通量稳定。（3）光

效率高，20-30流明/瓦；（4）色温高，达3300K；（5）寿命长。

6、标准照明体、标准光源、A、B、C标准照明体？

标准照明体指特定的光谱功率分布。

标准光源指实现标准照明体的发光源。

标准照明体A:温度为2856K的黑体所发出的光谱

标准照明体B:相关色温约为4874K的直射阳光的光谱

标准照明体C:相关色温为6774K的平均日光的光谱

7、气体放电发光的工作原理、初始电子的发射方式、弧光与辉光放

电？

气体放电指电流通过气体媒质时产生的放电现象。其原理为阴极产生

初始电子，然后初始电子加速与气体分子碰撞，能量传给气体分子,

使其激发、跃迁到高能级。然后受激发分子返回基态时，发射光子,

即发光。

阴极发射方式主要有三种：热电子发射、正离子轰击发射和场致发射

弧光放电：热电子发射是弧光放电的主要形式之一。加热阴极以后,

部分电子得到足够能量，克服金属的逸出功，逸出金属表面。

辉光放电：正离子轰击是辉光放电的主要方式，即利用高动能的正离

子轰击阴极，使阴极发射电子

8、气体放电光源的优点与放电伏安特性？

气体放电光源的优点：（1）可获得高色温，不像热辐射光源色温受灯

丝熔点限制。（2）辐射光谱可选择性好，只要选择适当的发光材料即

可；（3）发光效率远比热辐射的高；（4）寿命长，寿命期内光通量稳

定。

气体放电伏安特性:

V

Fig.5气体放电的伏•安特性曲线

ABCD•非自持阶段，即启动阶段，放电靠外触发维持。

ED•自持阶段，放电激发与发射平衡。

GH-负阻区，容易引起过流而烧毁元件。

9、直流、低频和高频放电灯的稳流方式？

直流供电用电组稳流、低频交流供电用电感、高频交流用电容稳流

第三章

1,低气压气体放电灯的光谱特点？常见低气压灯？

低气压气体放电灯：气压在毛的气体光源。其光谱特点是表现为工

作原子或分子的发射谱线，即线状光谱，带有明显的特征颜色，显

色性不好。

常见低气压灯：低压汞灯、低压钠灯、氢灯、氯灯、氢弧灯、原子光

谱灯等。

2.高气压气体放电灯的光谱特点？自吸收效应增强？常见高

气压灯？脉冲值灯的特点？

高气压气体放电光源：气压大于一个大气，其光谱特征为工作气体的

原子或分子谱线展宽，并迭加在较强的连续背景光谱上。显色性较

好。通常发光效率随压力增加而提高。

自吸收增强：在光源中，孤层处于基态的同类原子较多，这些低能

态同类原子能够通过吸收高能态原子发射出来的光产生吸收光谱。光

谱中谱线自吸收的程度，与原子蒸汽云厚度有关，孤层越厚，孤焰

中被测元素原子浓度越大，自吸收现象越强。会使发射光谱强度减弱,

形成双线结构。

常见高气压灯：高压汞灯、超高压汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯和

脉冲氤灯等。

脉冲氤灯脉冲放电可获得短脉冲、高通量和高亮度。其工作原理为利

用电容先将能量存起来，然后，通过触发，使次灯瞬间放电，电容

上的储能瞬间释放给何灯，发出高亮度的光。

3.光源的显色性与显色指数？

CTE规定用普朗克辐射体或标准照明体D（高色温标准照明体）作参

考照明，并将其显色指数定义为100。规定3000K色温的标准荧光灯

的显色指数为50o

定义标准颜色样品在参照光源和待测光源照明下的色差为DE,待测

光源对该颜色样品的显色指数称为特殊显色指数，记为Ri,计算公

式为：

/?.=100-4.6AE

4.受激吸收与发射、自发发射？

原子从低能态跃迁到高能态，必须吸收光子，这称为受激吸收，而

处于高能级的原子会随机发射出光子而叵到低能态，这称为自发辐

射。处于高能态的原子，在一个与发射光子能量相同的光子的作用下,

辐射出与作用光子相同状态的光子而回到低能态，这种辐射称为受

激辐射。

5.实现受激辐射放大的必要条件？

对简并度为1,即gl=g2=l的原子体系，必须实现粒子布居数反转。

这是实现受激辐射放大的必要条件。

6.粒子数反转与能级结构？

二能级体系不可能实现粒子数反转，至少要三能级体系，并有一个

亚稳激发态存在。粒子数反转在亚稳激发态与比其低的能态间实现。

7、光学正反馈、放大和泵浦阈值？

在激光器中通过谐振腔来实现光学正反馈。Ml为全反射镜，M2为高

反射低透射耦合输出镜。光在腔内往反一次仅输出一部分，当输出加

损耗与增益达到平衡时，激光器就输出稳定的光束。

泵浦阈值：刚好能使激光器维持稳定输出的最小泵浦功率。

第四章

1.产生激光的充要条件？

(1)必要条件：至少为三能级体系，能够实现粒子数反转。

(2)充分条件：光学正反馈和大于阈值的泵浦功率。

2、激光的纵、横模？如何选择纵、横模？

横模指光束横截面上的能量分布。纵模指激光器振荡的一个频率

或该频率电磁波在谐振腔内形成的驻波的能量分布模式。它是由于谐

振腔的选频作用引起的。

出现高阶横模通常是因为激光器的增益太高，所以可以通过降低增

益或增加损耗实现单横模运转。常用在激光器中设置小孔，增加高阶

横模的损耗，而使高阶横模得到抑制。实现选横模。

多纵模是由于激光增益带宽太宽引起的，所以通过限制纵模的增益

来抑制不需要的纵模。常用的方法是使用输出标准具代替通常的耦合

输出镜，标准具器作窄带滤光片的作用，可以只让某一单一纵模运

转，而抑制其它纵模。

3、红宝石激光器的能级结构、泵浦方式，工作特性，偏振特性，输

出波长？

一、工作原理

工作物质：AlO,+OQ5%Cr（重量比）

性质：弱双折射，负单轴晶体，ne=L761,nO=L769

能级结构：Cr的三能级系统，如图

干/E产E,=-A2,

E.为亚稳能级，寿命约3毫秒

0.42u

输出波长：弓优先线起振，输出波长,55R

6943唉彳出

能级结构：三能级结构

泵浦方式：光泵浦，由于吸收峰在蓝、绿区，用脉冲急灯泵浦，光谱

匹配较好。

工作特性：低重复率使用时不需要冷却，自然散热。较高重复率使用

时，灯和激光棒都需要水冷。为了提高泵浦效率，通常需要椭圆聚光

腔，灯和激光棒分别位于椭圆腔的焦线上。若需大功率，多灯泵浦,

可用双椭圆腔。

偏振特性：若激光不是沿光轴方向，则输出为线偏振，垂直光轴，0

光。

输出波长：6943

4.YAG激光器的能级结构、泵浦方式，工作特性，偏振特性，输出波

长？

工作物质：YAG=Y3Al5012+L0-1.2%Nd203（原子百分比）

能级结构：Nd3+的四能级

泵浦方式：吸收光谱在近红外波段，通常用氮灯泵浦，并用椭圆聚光

腔提高泵浦效率。

工作特性：由于Nd:YAG的阈值低，冲放电快，所以可以高重复率调

Q运转，并使用预燃电路，使氮灯处于点燃装态，免去高压触发c可

以延长灯的寿命。

输出波长：L064um

5、被玻璃激光器的能级结构、泵浦方式，工作特性，偏振特性，输

出波长？

工作物质：各向同性玻璃+Nd203(1-5%重量比)

能级结构：Nd3+的四能级

泵浦:氮灯

输出波长:最强辐射1.0627微米

6.氮-就激光器的能级结构，泵浦方式工作特性，偏振特性，输出波

长？

工作物质：氨气「1毛)+颊气(0.1毛)混合气体

激活介质：覆原子

能级结构：四能级系统

发射波长：3.39mm(a),0.6328mm(b)1.15mm(c).其中3.39mm的增益

最高，通常用玻璃窗抑制3.39mm发射或加轴向非均匀磁场。

泵浦：气体辉光放电激励，氢原子共振能量转移。

第五讲

L氮-敏激光器的工作物质、增益介质、泵浦方式、发射波长与其选

择，谐振腔结构，稳频，偏振性？

工作物质：氮气「1毛)+血气(0.1毛)混合气体

增益介质：笳原子

泵浦方式：气体辉光放电激励，氮原子共振能量转移。

发射波长：3.39mm(a),0.6328mm(b)1.15mm(c).其中3.39mm的增益

最高，通常用玻璃窗抑制3.39mm发射或加轴向非均匀磁场。我们在

实验室看见的红光激光器，大多都是氢敏激光器，工作波长为632.8

纳米

谐振腔有三种结构：内腔式、外腔式和半内腔式。

主要用于小功率短腔结构。特点：使用方便，输出激光为非偏振。

外腔式He-Ne激光器

玻璃管两端用布儒斯特窗玻璃封装，谐振腔的两端镜外加，可以独

立调节。特点：输出线偏振光，功率大，但需要经常维护。

半内腔式He-Ne激光器

谐振腔的一个端镜与玻璃壳焊接在一起，而另一个端镜可自由调节。

特点：输出线偏振较好，适合中等功率，维护较容易。

稳频：通常控制腔的几何长度。腔长的补偿：利用压电陶瓷控制腔的

全反射端镜微位移。位

移量由频率漂移量确定。

2.C02激光器的工作物质、增益介质、泵浦方式、能级结构，波长，谐

振腔结构？

工作物质:C02：N2：He=3:2:5的混合气体，总压强10汽

增益介质：C02

能级结构：四能级

波长10.61mm

泵浦方式：纵向激励：电场方向平行于光束方向，适用于中小功率；

横向激励：电场方向垂直于光束方向，适用于高气压（400毛）大功

率

谐振腔结构：内腔式：适用于小型或波导型。半内腔式：适用于中等

功率。外腔型：适用于大功率。无论哪种腔结构，端镜均镀金反射膜。

3.氢离子激光器的工作物质、增益介质、泵浦方式，能级结构，发

射波长，谐振腔结构，输出偏振，放电管结构？

工作物质：惰性气体氧气，增益介质：氮离子。

能级结构：四能级，4p4s发射10条谱线，其中5145和4889唉两

条谱线增益最大，优先起振.

泵浦：低压大电流弧光放电使氨原子电离，离子-离子，离子-电子碰

撞，激发过程可能是一步，也可能是两步或多步过程.

等离子管结构：由放电管、磁场组成。其中放电管要求具有优良的传

热性能，目前，中小功率激光器的放电管使用石墨，而大功率激光

器的放电管则使用氧化镀陶瓷，但这种材料粉末有毒，加工困难,

所以价格贵。放电管的直径约2-6毫米。轴向磁场的作用，磁约束

Ar+在放电管轴心，不要碰放电管壁而去激发。

4.准分子概念，增益介质，能级结构，与传统激光相比的特点，

泵浦方式，发射波段？

所谓准分子指处于激发态的复合分子，而在基态寿命很短。

工作物质：惰性气体或惰性气体、卤素元素混合物或金属、卤素元素

混合物。

激活介质：准分子，如Xe2（®）,KrF（氟化氟）,HgBr（浪化汞）

能级结构：四能级系统

泵浦：（1）高能电子束，（2）电子束控制放电，（3）快放电由于激

光上能级寿命短，要求快速泵浦。

输出波长：带宽较宽

特点：高效率，大能量，已获得350J/脉冲输出。

第六讲

L半导体能带，P、N型掺杂，P、N型半导体，P-N结，费米能级，辐

射放大条件，必要条件，P-N结能带图绘制？

固体中由于大量原子紧密结合，使得单原子的能级分裂为宽的能带,

能带由相距很小的精细能级组成。电子在能带中的分布形式决定了固

体材料的导电性能,（详细情况，可以参看固体物理课本，或者任意

版本的半导体物理教程。实在不行了，找一找光纤通讯课本，谈到

LED和LD都会讲一讲的）

P型掺杂：用低价元素掺杂本征半导体。P型半导体：P掺杂形成的

半导体。以空穴导电，费米能级降低。

N型掺杂：用高价元素掺杂本征半导体。N型半导体：N掺杂形成的

半导体，以电子导电，费米能级升高。

由于N型半导体中有富裕的自由电子，而P型半导体中有富裕的自由

的空穴，所以当P型和N型半导体接触时，P型半导体中的空穴就会

向N型中扩散，而N型半导体中的电子向P型中扩散，结果是P型端

带负电，而N型端带正电。因而会形成内建电场，内建电场的方向从

N型端指向P型端，从而又阻止电子和空穴的扩散。最后，依靠电子

和空穴浓度梯度的扩散和内建电场的电作用达到平衡，在接触面附

近形成一个耗尽层，即p-n结。

指绝对零度时全满电子态与全空电子态的能量分界面。或绝对零度时

电子占据的最高能态的能量，用符号EF表示。

辐射放大条件：必须能够实现粒子数反转。

必要条件：四能级系统，重掺杂，使发射能量小于激发所需能量

2、同质、异质P-N结，能带图绘制，半导体激光器的特点，同质、

单异质和双异质P-N结激光器的特点？

同质结：由同种半导体材料组成的pn结；异质结：由……（能带图

见赖大树ppt）

阈值电流正比于温度的立方，所以只能在低温（液氮）下

同质结激光器的特点：连续工作，室温下只能脉冲工作，寿命较短。

单异质结

激光器比同质结激光器具有更高的效率，低的阈值电流。由于双异质

结构的高效率约束，使双异质结激光器的效率大为提高，阈值电流

大为降低，可在室温下连续工作。

没有找到明确的半导体激光器的特点。

3.重掺杂，为何需要重掺杂，产生受激辐射放大的必要条件、充分条

件？

重掺杂：由于费米能级随掺杂浓度而变化，所以使用重掺杂使P型

半导体的费米能级进入价带，而使N型半导体的费米能级进入导带,

这样在p-n结耗尽层中就形成等价的四能级结构

必要条件：重掺杂，使发射能量小于激发所需能量

充分条件：粒子数反转

这两个概念，存疑。希望各位指点迷津。

第七讲

1•异质P-N结，能带图绘制，半导体激光器的特点，同质、单异质和

双异质P-N结激光器的性能比较?

能带图如下：

明确的半导体激光器的特点我没找到。请各位大侠出手相助。

同质结激光器的特点：连续工作，室温下只能脉冲工作，寿命较短。

单异质结激光器比同质结激光器具有更高的效率，低的阈值电

流。由于双异质结构的高效率约束，使双异质结激光器的效率大为提

高，阈值电流大为降低，可在室温下连续工作。

2.掺钛蓝宝石激光器的工作物质、增益介质，能级结构，增益线宽，

泵浦方式，非线性效应，谐振腔结构？

工作物质：A1203+Ti203C5%),激活介质：Ti3+

能级结构：四能级系统

泵浦方式：光激发，通常用激光激发

输出波长:700T100nm连续可调。

掺钛蓝宝石具有很强的三阶非线性，利隹这一特性可以实现激光的

相位调节-自相位调节，锁定不同纵模间的位相，实现锁模运转。

由于自相位调节是一种非线性效应，需要强的光功率密度，所以钛

宝石激光谐振强设计中要考虑提高宝石棒中的光功率密度，需要加

一对聚焦亚腔，使激光聚焦通过钛宝石棒，获得强的光功率密度,

进而强的自相位调节。

3.激光器Q值定义，机械调Q的特点，常见结构，加速原理？

Q指谐振腔的品质因素，它定义为腔内存储的能量与每秒中损耗的能

量之比

w

。二2/一

Z

机械调Q特点：将全反射镜替换为一个转动的棱镜。转镜调Q属慢开

关型，机械转动引起振动，开关时间通常在百纳秒量级。结构可以参

考老师的PPt,比较简单，略去。

加速原理：采用光学加速方法来压缩开关角，缩短脉冲宽度。方法有

二，折叠腔式和冷静直角式。预计考到的概率很小，具体方法参看

PPT

第八章

1.机械调Q的原理，最佳转速，开关角，转镜加速原理？

机械调Q激光器结构如图所示，它是将全反射镜替换为一个转动的

棱镜。设直角棱镜的角平分线与激光束的交角为q,则损耗率d~q曲

线随棱镜的转动方式而变化。

转动棱镜调Q

当棱镜沿x轴转动时，就可以灵敏地调节谐振腔的损耗率，因为q变

化能灵敏地破坏谐振条件，开关角小，能获得窄脉冲。

最佳转速：转速越快，开关时间越短，脉冲越短，然而，峰功率为脉

冲能量与时间之比，转速太快，可能脉冲能量太低，峰功率也低。应

调节转速，使峰功率最大，而不是只追求脉冲宽度窄。

转镜由电机驱动，转速约3000转/分，开关时间约为100ns,这离最

佳转速还有一定的距离。冉提高电机转速也有困难，所以采用光学加

速方法来压缩开关角，缩短脉冲宽度。可以采用折叠式腔和棱镜直角

腔来压缩脉冲。

2.电光调Q的原理，电光Q开关的典型结构，工作过程，升压式，降

压式电光Q开关的优缺点，普克尔效应，克尔效应？

电光调Q利用电光晶体的各向异性线性电光效应，控制光的偏振态

变化，达到控制谐振腔的损耗目的。电光调制器的典型结构是用电光

晶体制造的一个电压控制的1/4或1/2波片。控制通过它的光束的偏

振态的变化。

电光Q开关的工作过程是当入射光束被分解为。光和e光后，经过电

光晶体时，若电光晶体突然退压，则光线方向偏离原来入射方向，Q

值突然增加，由此达到调Q目的。

退压Q开关的缺点是脉冲前沿不陡。

普克尔效应即一次电光效应，折射率的变化与电场成线性变化；克尔

效应是二次电光效应。

3.端镜耦合输出调Q和腔倒空调Q技术的比较？

脉冲透射式Q开关(PTM)又称腔倒空。发展腔倒空技术是为了进一

步压缩Q开关脉冲和输出更高的脉冲能量。可以将将腔内全部能量在

一个振荡周期内倒出，提高脉冲峰功率一个数量级。

激光是在高Q状态振荡输出的，至少要振荡几个周期，才能有好的

相干性、好的方向性和足够的增益。Q开关脉冲宽度为m2L/c。激光

端镜耦合输出通常只有10%左右，剩余的90%左右的能量在腔内没有

输出。

第九章

1.声光调制器的工作原理，行波性，驻波性声光Q开关的特点，

声光Q开关的调Q原理，布拉格和拉曼-奈斯衍射的特点。声光调Q

的优点？腔倒空声光调Q的倒出效率？

声波是纵波，在介质中传播时会引起介质的密度随声波周期性变

化，进而折射率周期性变化，形成折射率光栅。光通过这种折射率光

栅后，位相会受到调制而产生衍射，即声-光衍射。声-光衍射可分为

拉曼奈斯衍射和布拉格衍射，后者的衍射效率高，所以，声光调Q

通常采用布拉格衍射调Q。

声-光调制器可以设计成行波型和驻波型两种结构。行波型即

超声波沿光栅单方向传播，而驻波型则可以看作沿两个相反方向传

播的超声波在光栅上的叠加。驻波型的驱动功率比行波型低，但驻波

超声场在声光介质中不易迅速消除，因而开关时间较长，故实际使

用中多采用行波型。

声光调Q是利用超声波在弹性介质中传播引起的折射率光栅对光

的衍射实现谐振腔的Q值调节的。

拉曼奈斯衍射是多级衍射，每一级的衍射效率低；布拉格衍射仅有正

或负一级衍射，衍射效率比较高。

声光调Q的优点：易于实现高重复率调Q,从数10K-数MHz。

腔倒空声光调Q采用共焦腔提高倒出效率。倒出效率为：最

大值为50%当h=50%

2.染料调Q的原理，优缺点？属于什么类型调Q技术？

可饱和吸收体主要有染料、利用染料的非线性吸收特性实现调Qe

在光强强度比较低时，染料对激光的吸收大于损耗，激光不振荡，

处于粒子数反转积累阶段。当积累到增益大于损耗时，脉冲开始

振荡，在振荡过程中，由于脉冲前后沿的强度较低，所以吸收

大于中心处，反过来，就是脉冲中心〔峰）处的增益大于前后沿,

所以，振荡放大的结果是脉冲越来约窄。

优点:Q开关结构简单,没有电干扰,可获得峰值功率几兆瓦，脉宽

十几纳秒的巨脉冲；

缺点:产生Q脉冲的时刻有一定的随机性,不能人为控制；染料易

变质，需经常更换.

机械，声光，电光调Q属于主动调Q,染料调Q属于被动调Q

3,调Q技术的分类，主、被动型？

常见的调Q技术包括机械调Q、电光调Q、声光调Q和染料调Q四种

技术。其中前三种技术属主动调Q技术，而染料调Q属被动调①

4、何谓锁模？锁模技术的分类？锁模的前提？锁模脉冲宽度、峰功

率，脉冲重复率？

锁模实质上就是锁各个纵模间的初始位相。使它们之间保持恒定差。

锁模技术包括主动、被动和自锁三种。主动锁模包括损耗调制和位相

调制。染料锁模是被动锁模的一种。能实现自锁模的激光器是钛宝石

激光器。

锁模的前提：多纵模输出

锁模脉冲宽度为，其中N为允许起振的纵模的个数，调制脉冲周

期为。其峰功率为未锁模时的N倍。脉冲的间隔时间为2L/C,为

脉冲在谐振腔来回一次的时间，脉冲的重复率即为脉冲的间隔时间

的倒数。

5.损耗调制的锁模原理？相位调制的锁模原理?

损耗调制即在谐振腔内放置一损耗调制器，表示为

未受调制的电场表示为E(t)=E0sin(o/+〃.)

则经过调制后，可以表示为

e(t)=E(t)T(t)=EJTJj+ATsin(。/+科)卜访(①/+〃.)

=[1+msin(comt+)1sin(coj+(pc)

mE°”mE(To

二E()7；)sin(0j+g.HsinK4-S”+8c-%]+sin[(@.+%)f+e,+%]

22

上式表明，正弦调幅波可以用频率分别为wO,wO-wm,wO+wm的三个

平面波的迭加合成。由于这三个平面波位相相同，所以它们相干叠加

可以输出一个巨脉冲。

相位调制是指激光的初始相位受到调制信号的调制而随信号变化，

具体过程见下题。

第十章

1.位相调制锁模原理，锁模启动过程？

位相调制是指激光的初始相位受到调制信号的调制而随信号变化。

设初始相位受到一相位增量调制:

%⑺=〃％sin3

则相位调制信号为

该式可以用贝塞尔函数展开成多级，若vvl,则最后可以简化为

\tn

e(t)=4cos(6yz++(p}]一一^cos[(6y-69„)r+^)]

0()J0z0

上式类似于调频的结果，弱调相只产生一级上下边频，强调相可产

生多级高阶上下边频。

锁模启动的过程即：当强激光受到调制时，先产生上下边频的起振,

然后激光继续振荡，不断激发更多的高阶边频起振，最后谐振腔内

所允许的所有频率都起振，它们相干叠加，形成窄的巨脉冲输出。

用频率fi驱动放在共振腔内的那只主动调制器工作，同时让最

靠近增益峰值频率vm的模开始激光振荡.受调制器的作用，这个模

的电磁场通过调制器之后将形成频率分别为vm+fi和vm-fi的边带.

如果驱动频率fi等于两个纵模的频率间隔(数值等于c/21,c为光

速，1为共振腔腔长)，那么，vm带将通过两个边带的“搭桥”与和

它相邻近的两个模发生耦合，三者建立了振荡相位关系.当频率vm

±fi的边带通过调制器时，又产生频率vm±2fi的新边带，它们又

把vm与和它相隔频率2fi的模耦合起来，建立激光振荡相位关系.

辐射在腔内来回通过调制器传播，与vm建立振荡相位关系的模越来

越多，最后使在激光增益线宽范围内全部的纵模都耦合起来.我们

说，振荡模此时已被锁定，激光器进入锁模状态.

2、相位锁模调制器的调制频率为何要等于相邻纵模间的频率

差？锁模器为何要放置在尽量靠近端镜，放在远离端镜的位置行

否？

锁模实质上就是锁各个纵模间的初始位相。使它们之间保持恒定

差。调制频率要等于相邻纵模间的频率差是为了保证每一次加载调制

信号的时候，都刚好加载在可能起振的纵模的频率上，使得最后起

振的都是谐振腔所允许的频率，然后这些纵模相干叠加才能产生极

大值。

锁模器要尽量靠近端镜是为了保证光束的调制频率为纵模间频率差,

如果远离端镜，假设放在谐振腔中部，则相当于每次光要走到中部

才能受到激励，这是受到激励的频率就不是c/21而变成了c/1

3.染料被动锁模的原理，物理上它是属于损耗调制或是相位调制？

染料锁模可以定性地理解为周期性损耗调制锁模，但每次损耗调制

的调制度不同，所以数学处理更复杂。通常把染料锁模分成三个阶

段。

(1)线性吸收阶段。此阶段主要是增益积累。

(2)非线性吸收阶段。高增益模开始振荡，受到染料的调制。

(3)非线性放大阶段。脉冲被压缩，频谱展宽，更多纵模被激发，又

进一步压缩脉冲。

4、何谓自锁模？自锁模原理，如何激发纵模的？自锁模的典型激光

器是什么？

自锁模指由激光增益介质自身产生的锁模。

自锁模原理主要是由增益介质的非线性效应引起的。当强的激光通过

时，就会引起增益介质的折射率变化：

n(I)-〃()+〃2,

进而调制激光的相位

A^=—A,zL=—/:./

Z2-

这种由光脉冲强度引起的自己的相位变化，称为自相位调制。

自相位调制会引起频谱展宽，展宽量为：

((

A.。=d——\b-=2-T-IL4一II

dtA-dt

所以，自相位调制使光波的频谱展宽为一个连续带，而连续带中仅

有与谐振腔允许的纵模频率相同的谱线能够维持振荡，其它谱带消

失。激发起的多纵模迭加，使脉冲变得更窄，dl/dt更大，频谱展宽

更大，激发起更多的纵模。更多的纵模迭加产生更窄的脉冲，进而更

大dl/dt,这种正反馈过程继续，直至达到一个稳定锁模状态。

5.激光内、外调制？连续、脉冲调制？调幅、调频、调相和

强度调制？

内调制：指直接调制激光振荡器的参数，使输出的激光束:的某个参

数随调制信号而变化。

外调制：指调制激光器输出的稳定光束的某个参数，使其随调制信号

而变化。外调制是目前广泛使用的调制方法。

按照激光束的受调制参数分类，激光调制可分为调幅、调频、调相和

强度调制。

按激光载波的能量分布形式分类：连续调制和脉冲调制。其中脉冲调

制又分模拟调制和数字调制。

调幅、调频、调相和强度调制即使激光束的偏振电场振幅，频率，相

位，强度随调制信号而变化。

第十一章

1.脉冲调制技术，物理意义与调制信号的数学表示？

脉冲调制指激光载波为脉冲串。根据采样定理，只要对连续信号的采

样频率大于被采样信号带宽的2倍，就可以根据采样脉冲系列恢复

连续信号。基于这一原理，没有必要传输连续信号的所有信息，所以

发展了脉冲调制。使用脉冲调制可以节约传输带宽和发射功率。

2,脉冲编码调制？量化、编码的物理意义？

脉冲编码调制（PCM）首先通过A/D转换器将模拟信号转换为某一字

长的数字信号。然后再逐位调制光载波的某个参数，实现信息光传

输。显然，PCM中的每个脉冲只代表一数字化信号中的一个位，而一

个位可能为0或1,所以只要用“强”或“弱”脉冲分别表示1或0

即可，而脉冲幅度在容许范围内的变化并不具有实际意义，这就是

PCM能抗噪声干扰的原因。

然而，PCM的强抗干扰能力是以牺牲传输速率为代价的。例如A/D为

8位，那么就要8个脉冲才能代表一个状态。同样传输带宽的有效数

据传输速率就只有模拟传输的1/8,或者反过来，要保持两者相同的

有效数据传输率、PCM传输的带宽就要增至模拟带宽的8倍。为了既

保持PCM的强抗干扰能力，又保持有效传输带宽不减少，所以采用

数据编码和压缩技术。

3.脉冲编码技术？脉冲编码调制的优点，缺点？

连续调制和脉冲调制均为模拟调制，通过使光束的某一个参数随信

号变化实现信号的调制与传输。如果噪声也使被调制参数发生变化,

接受者就不能区分这种变化是信号或是噪声，所以，模拟调制的抗

干扰能力差。为此，发展脉冲编码调制技术，它是数字调制。具有强

的抗噪声干扰能力。但是，它的强抗干扰能力是以牺牲传输速率为代

价的。

4.双折射现象、主平面、主截面？0、e光的偏振态？

双折射现象：当一束光折射进某些物质中产生两束折射光束的现象。

一束光称为寻常光（。光），另一束光称为非寻常光（e光）。

主平面：由光线与光轴组成的平面。

主截面：e光主平面与o光主平面重合的平面。

。光：折射率与传播方向无关的光束，即各向同性光束。其偏振方向

与主截面垂直。

e光：折射率随传播方向变化，即各向异性光。其偏振方向与主截面

平行。

5、折射率椭球与其物理意义？如何依据折射率椭球确定光的偏振

态？

折射率椭球

在各向异性晶体中，电位移矢量与电场矢量之间通过电介张量联系起来，即：

D=t^］E

通过选择适当的坐标系XYZ,可以实现电介张量［eij］的对角化，即

与=0⑴a=j）

og）

称这样的XYZ坐标轴为介电主轴。在介电主轴坐标系中，光率体为一

椭球，椭球方程为:

£\£2

2

F=fX），2z2

因'一'，所以，密率盥止萨1

上式即为在主坐标系中的双折射晶体的折射率椭球方程。nx,ny,

nz分别为沿X,Y,Z方向的主折射率。

双折射晶体中，任一波矢量对应两个相互正交偏振的电位移分量D1

和D2,过折射率椭球中心做与垂直的平面，此平面与椭球相交

形成一椭圆，则

（1）、D1与D2分别平行于相交椭圆的长、短轴方向。

（2）、沿D1和D2偏振的两个分量的折射率分别等于对应的椭圆主轴

的半长度。

6.线性电光效应与其计算？

线性电光效应指晶体的折射率随外加电场一阶变化的效应。计算见下

题

第十二章

1.线性电光效应的计算，电光调制器设计，半波电压、1/4波长电压,

纵、横向电光调制？

线性电光效应的计算：

a首先先确定折射率椭球的表达式

b然后确定该晶体的电光张量和外加电场情况

c然后写出在主轴坐标系下，外加电场下的折射率椭球方程

d合并同类项，再将新的折射率椭球方程写成未加电场时的折射率椭

球的形式，从而导出新的折射率表达式

e根据题目给定的电场方向，求出位相差，进而可得半波电压。

电光调制器的设计

调制应该随外电场的变化比较明显，一般沿光轴方向施加电压，纵

向应用无自然双折射引起的相位延迟，而横向应用有自然双折射引

起的相位延迟。

半波电压即与光波传播方向垂直的两个偏振态产生的相位差为.，时

所对应的电压

1/4波长电压即与光波传播方向垂直的诙个偏振态产生的相位差为

万/2时所对应的电压

纵，横向电光调制即当光波传播方向与加电压的方向一致时为纵向

调制，垂直时为横向调制。

2.KDP晶体电光调制器如何应用最有效？

沿光轴方向施加电压，纵向应用无自然双折射引起的相位延迟，而

横向应用有自然双折射引起的相位延迟。

3.电光强度、相位调制器？线性工作点的设置？

强度调制器是在电光晶体前后放置起偏器和检偏器，通过对电光晶

体施加电压，然后改变出射光的偏振方向，从而改变从检偏器射出

的光强的大小，至比达到了强度调制。

而相位调制器则只有起偏器，且起偏器的方向与调制器容许的偏振

方向一致，透射光的相位调制正比于偏振方向的光的折射率的变化。

4.电光调制器的渡越时间和带宽，高撅电光调制的阻抗匹配？

电光调制器的度越时间是指光通过晶体所需要的时间，调制器的最

高工作频率为，其带宽的量级为GHz。

高频电光调制的阻抗匹配：电光晶体可以等效为一个电容和电阻的并

联，其阻抗为。当须率为高频时，其阻抗值近似为,小于信号源

内阻，则大部分功率将消耗在无用的地方。因此需要并联一个电感

L,其阻抗变为，取时，阻抗最大，从而调制功率能有效的加载

到晶体上。

第十三章

1.行波调制器结构，提高带宽的原理与带宽？

行波调制器采用横向调制，行波电场沿电极传播，尽量与光波的传

播匹配，这样就不会受到度越时间的限制，从而极大的增加了行波

调制器的带宽。其带宽为，为非行波型的倍

2.声光衍射原理，声光栅的形成，行波型和驻波型拉曼-奈斯声光衍

射的异同？

原理：超声波在介质上传输时，将造成折射率的分布随声波的强度变

化。当光照射在介质上时就会发生衍射，由此形成声光栅。

行波型即超声波在光栅上单方向传播，进行行波调制，衍射光的强

度极大值随时间变化；而驻波型可以分解为两个相反方向的行波的叠

加，衍射光强极大值不随时间变化。

3.光栅衍射类型的判定，G参数和Lo参数定义，判断值？

当光栅厚度较薄时，一般发生拉曼奈斯衍射，即声光衍射是多级的；

而当光栅较厚时，满足布拉格衍射条件则发生布拉格衍射，即声光

衍射仅有正或负一级。他们主要通过参数G和来区分，其中，

当GWp时，为拉曼-奈斯衍射

当G24P时，为布拉格衍射

若G处于两值之间，则属于混合型，既有拉曼衍射，又有布拉格衍

射。

当LW/2,为拉曼奈斯衍射

当L22,为布拉格衍射

若L处于两值之间，则属于混合型，既有拉曼衍射，又有布拉格衍

射。

4.磁光效应，物理起因？磁光旋光的特点，双折射波片的旋光的

异同？

磁光效应起源于电子自旋与磁场作用，产生塞曼分裂，使得原来简

并的能级分裂。自旋分裂后，材料的消光系数对左右旋圆偏振光的吸

收峰分裂，从而引起折射率的变化。所以左右旋圆偏振光的折射率不

同，此效应为圆二色性。当线偏振光通过具有圆二色性的晶体以后,

左右旋圆偏振光的相位不同，合成的光为一个偏振面发生旋转的线

偏振光。

磁光旋光的特点是偏振面旋转方向与光传播方向无关，只与磁场强

度方向有关。磁场方向不变时，光往返两次通过磁光调制器，偏振面

转角加倍。

双折射波片的旋光？

第十四章

1.激光束偏转，模拟与数字偏转？

激光束偏转技术主要有机械偏转，电光偏转和声光偏转。

模拟偏转即：光束连续偏转，能达到偏转轨迹上的任何点，主要用十

显示技术。

数字偏转即：光束只能到达偏转轨迹上的某些离散点，主要用于光存

储。

2.机械偏转技术的原理、特点？

机械偏转利用反射镜或棱镜等光学元件的旋转或振动，改变反射光

或折射光的方向而实现光束偏转。它的优点是偏转角大，光谱范围宽,

光损耗小，温度影响小；其缺点为扫描速度慢。

3.电光偏转技术的原理、特点？典型模拟和数字偏转期结构？

电光偏转是基于晶体的电光效应引起的折射率梯度变化，使光线发

生弯曲，其中光线的偏转角正比于折射率睇度。模拟：两块楔形KDP

晶体组成，偏转角不仅与调制电压有关，而且与调制器的几何结构

有关。数字：一块调制器和一块检偏器组成一位数字偏转器。不在调

制器上加电压时，光线为。光，在经过检编器时不发生弯曲；在调制

器上加电压时，光线为e光，经过检偏器时发生弯曲，从而达到了

通过加电压与否控制光束位置的0,1状态的效果。

4.声光偏转技术的原理、特点？声光偏转器的结构，如何实现布拉

格角的自动调制？分辨点数？

原理：根据布拉格衍射条件：

可以通过改变声波波长，来改变布拉格衍射角。所以可以通过控

制超声波长来控制光束的偏转。

结构：

自动调制：通常入射光的方向是不变的，当声波频率改变时，要保

持布拉格条件就必须改变超声波的传播方向，以实现对布拉格角的

跟踪。通常采用列阵换能器，总的超声波为各列阵元产生的超声波的

叠加。通过控制各列阵元间的位相差，就能控制合成超声波前的传播

方向，实现布拉格角随频率的跟踪。

分辨点数：分辨点数即用扫描角除以光束的发散角。

5.光探测方法分类？光热法，光压法的测量原理？

光探测法可分为光压法，光热法和光电法。光压法利用光的量子特性,

当光子打在测量器表面上时，由于它具有动量和动能，因此会对表

面产生一定的压力，测量器通过测量光冲力引起的转角的变化来测

量光能量。光热法是利用物体吸收光能后，温度升高或温度升高而引

起物质的某个参数变化来探测光能量的。

6.热释电探测器的材料结构、极化原理？光谱和时间响应特点？

热释电探测器材料是一种铁电材料，由大量的极性分子组成，每个

极性分子都具有偶极矩。通常大量的极性分子是随机取向，各向同性

的，所以不显示出宏观偶极矩。然而，铁电晶体具有相变记忆特性，

利用这一特性，能够极化铁电晶体，使其产生各向异性，出现宏观

偶极矩。在与耦极矩垂直的表面上出现束缚电荷，进而产生电势差。

在低于居里温度范围内，极化强度是温度的递减函数，当此晶体吸

收光能量，温度升高时，电势差减小。因此，只要定标电势差与光能

量间的关系，就能通过测量电势差获得光能量。

第十五章

1.内、外光电效应？红限波长？

内光电效应即物质中的电子吸收光子能量后，跃迁到较高能量状态,

但不能挣脱物质势能场的束缚，只是改变物质的导电特性。

外光电效应即光子能量被电子吸收后，电子挣脱势能场的束缚，飞

离开原物质的效应。

红限波长即能够产生外光电效应的最长波长。

2.真空光电管的结构，光电阴极材料的要求？常见光电阴极材料,

与其标记方法？

真空光电管由光电阴极、阳极和真空罩组成。

图78、真空光电管的结构

光电阴极材料的条件：a）光吸收系数大b）光电子的逸出深度大c）电

子亲和势小，使表面逸出机率大

常见光电阴极：a）紫外光电阴极，大多数金属b）可见光谱光电阴极:

镐铜光阴极，灵敏度高，量子效率高20-30%,制作工艺简单，应用

较多。c）镐钾钠钠多碱光阴极：灵敏度很高，热发射电流很小，可见

光谱范围光谱响应均匀。d）三五族半导体化合物负电子亲和势光阴极

不仅灵敏度高，而且长波阈值延伸到了红外，很好地满足了夜视技

术的发展需要。

标记方法：把负电子亲和势发现以前的所有光电阴极按出现的先后顺

序和窗口材料以“S-数字”的形式编号，如S-1表示镀在玻璃上的银

氧葩光阴极，S-25表示镀在玻璃上的睇钾钠葩光阴极材料。

3.描述真空光电管的参数与其意义？

灵敏度：一般用量子效率或光阴极灵敏度表示。量子效率：光阴极发

射的光电子数与入射到阴极上的光子数之比。光阴极灵敏度：单位光

通量照射在光阴极所产生的光电流的大小。

光谱响应特性：指光电管的单色光照灵敏度随波长的变化关系，与

阴极类型，厚度，衬底材料有关。

光电线性性：保持光谱和阳极电压不变时，光电流随光通量的变化

关系。影响线性的主要因素：a）阴极发射过程产生光电疲劳，底层补

充电子有困难b）阳极不饱和吸收。即不能接受来自阴极的所有电子

4、二次电子发射与二次电子发射体？光电倍增管的结构，工作原理,

描述参数与其意义，工作电路？

二次电子发射是指光从阴极上打出的电子打在打拿极上，又继续产

生二次电子，该过程就是二次电子的发射。二次电子发射体即能具有

二次电子发射能力的物体。

图79、光电倍噌管结构.K为光电阴极；D.-D4为倍噌电极，A

为阳极，收集来自D4倍噌极的电子.vD1<vD2<vD3<vD4<vA

光电倍增管由光电阴极，输入系统，倍增系统和输出系统组成。

工作原理：光照射在光阴极上，电子从阴极上飞出，进入放大系统,

逐次打在各个倍增极上，每个倍增极上被打出更多的电子，最后全

部被阳极收集，形成电流输出。

参数：a）灵敏度：阴极灵敏度即单位光通量产生的光电流；阳极灵敏

度即阳极输出电流与入射到阴极的光通量之比

b）放大倍数：一定工作电压下，光电倍增管阳极电流与阴极

电流的比值

c）暗电流：无光照时，加上工作电压，阳极输出电流的直流成

分，它决定了光电倍增管可探测的最小光通量。主要由热电子发射引

起，降低温度可减少暗电流的影响。

d）等效噪声能当量：暗电流中的交流和脉冲成分构成了管子木

底噪声，此本底噪声决定了管子在闪烁技术中能够测量的最小辐射

能量。

5.倍增系统的结构？

倍增系统是光电倍增管的放大系统，由多极组成。即上图中的

D1,D2,D3,D4四个电极，它们的排列如图所示，其中加在各电极的电

压按照DI,D2,D3,D4的顺序依次升高。

第16章

复习题：

1.通道式光电倍增管（CEM）的结构、工作原理，增益饱和效应？

答：图1所示为CEM,管内壁涂109W的导电层，并具有d〉3的二次

发射系数。电子或光子从低电压端入射到管壁产生电子，在均匀电场

的加速下，电子与管内壁多次碰撞，产生倍增电子，在高压端输出

可达到108的增益。CEM的增益可表示为：

式中A为二次发射体的物质常数，一般为0.2-0.25,V0为垂直管壁

方向的二次电子的平均发射电位，约为1-2V,a=L/d为CEM的长度、

直径比，V为加速电压。

CEM的增益饱和效应：当输出脉冲电子数约为3x108个时，增益就

趋于饱和。引起饱和的物理原因是输出端的负空间电荷场排斥来自管

壁的二次电子，使其不能获得足够的动能再次碰撞管壁产生二次电

子。当a=L/d>60时，饱和输出电流约为管壁传导电流的1/10,小于

微安量级。

Fig.81通道式光电倍增管

2.MCP的结构，MCP图象加密、解密器原理？（MCP即微通道板

式光电倍增器）

答：MCP倍增器是由多根CEM并在一起形成的二维倍增器件。每平方

厘米中就有多于105根CEM,所以，分辨率很高，主要用于微弱图象

的亮度增强。

MCP图象加密、解密器原理，即MCP的图象编码与解码原理：

如果并CEM时，每杈CEM的出入位置不一一对应，则MCP的输出图象

就是混乱的，即图象编码。要恢复原始图象，可使用另一个排列完全

一样的MCP,但反向使用，即出入口颠倒，则可恢复图象，实现图象

解码。

3.光电导探测的原理，增益效应，特性参数，常见光电导材料？

答：光电导探测器是基于内光电效应，即电子从价带激发到导带，使

光电导的电导率发生变化，即光敏电阻。

光电导增益原理：起源于“电荷放大”效应，半导体中的杂质能级（位

于禁带中）会捕获少数载流子，如N型（P型）光电导的空穴（电子）

会被杂质能级捕获，使光电导带正电（负电），而吸引负极（正极）

的电子（空穴）进入光电导，在电场作用下漂移到正极（负极），这

就相当于增加了电子（空穴）的产生率一

特性参数：a、光谱光电灵敏度，单位光功率产生的光电流随光波长

的变化关系；b、噪声，光电导探测器的噪声主要有三类：热噪声、

产生-复合噪声、散粒噪声。热噪生起源于电子空穴的热激发，通过

降低温度可以减小热噪声；产生-复合噪声引起的电流波动的均方根

值为：

散粒噪声又称1/f噪声，存在于大多数半导体器件中，可能起源于

电子的漂移速率的涨落，散粒噪声电流的沟方根值为：

常见光电导材料：a、CdS和CdSe,低成本可见光光电导材料，光电

导增益G=103-104,响应时间较长，工作波段在紫、蓝、绿短波区。

b、PbS,近红外灵敏光电导材料，光谱范围在1-3.4um,如m处最灵

敏，响应时间约200usoc、InSb,近红外灵敏光电导材料，响应峰

波长约5um,热噪声较大。d^蹄镉汞(Hgl-xCdxTe),中红外灵敏

光电导，峰值波长10um左右，通过调节Hg和Cd的相对比例可以改

变禁带宽度，从而改变灵敏波长，通常需要制冷，热噪声大。

4.光电池结构、工作原理，等效模型，特性参数，工作电路？

答：光电池的结构是一个较大面积的半导体PN结，工作原理即是光

生伏特效应，当负载接入PN两极后即得到功率输出。

工作原理：当p-n结耗尽层受到光照后，会产生电子空穴对，在内

建电场的作用下，电子漂向n端，而空穴漂向p端，结果n端电势降

低，P端电势升高，即p-n产生附加光生电势差，记为DE。P端为光

生电动势的正极。

光电池可以等效为恒电流源与反向二极管并联，如图2所示：

I】d

图2光电池等效电路

特性参数：（1）光照特性，指光电池的光生电动势或光电流与光照

度的关系。光生电流与光照度成线性关系，而光生电动势与光照度成

非线性关系。（2）光电转换效率，指光电池的最大输出功率与输入光

功率的比值，即。

工作电路：

5.单晶硅、多晶硅光电池的典型转换效率？

答：（1）单晶硅光电池：转换效率通常在10%左右，高的可达15-20%,

价格较贵。（2）多晶硅光电池：价格便宜，转换效率4-7%,制造容

易，可制成大面积的光电池。

第17章

复习题：

1.太阳能装置的组成，太阳能电池串、并联要求、电压变换？

答：太阳能装置的组成通常是将很多光电池通过串、并联组成光电池

组，并与畜电池组装在一起。实现24小时昼夜工作。通过串联提高

电压，通过并联多个相同串联组获得大的输出电流。

太阳能电池串、并联要求：（1）串联组中各片的面积要相等，并联的

各组中的所串联的光电池片数应相同。（2）在畜电池充电电路中应设

置防逆流二极管，阻止畜电池向光电池组放电。（3）畜电池应有较长

寿命，漏电小，价格低，维护简单。

电压变换：通过倍压升压和通过直流-交流-升压-整流-滤波-高压直

流输出。

2.p-n结型光电二极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管的结构、

性能改进，特征？

答：p-n结型光电二极管的结构实际上与光电池完全相同，只是反向

响应而已。如图3所示，光电二极管被反偏置，即工作在伏安特性曲

线的第三象限，而光电池工作在第四象限。

一N三三P

I

图3光电二极管反向偏置

PIN型光电二极管的结构如图4所示，它由P、N型半导体间夹一本

征半导体层，而P、N端的厚度很薄。所以，反偏置电压近似均匀分

布在整个PIN结上，电子在电场作用下快速漂移运动，减小了电子

的渡越时间，提高了响应速度。响应时间在10-9s量级。

国

图4PIN型光电二极管的结构

雪崩二极管的结构和普通二极管的类似，只是在p-n结区增加了一

个保护环，以提高p-n结的反向击穿电压。雪崩二极管的工作原理:

施加接近反向击穿电压的反向偏置电压，使耗尽区的电场强度达105

伏/厘米，光生电子在强电场加速下，获得高的动能，当与晶格发生

碰撞时，使晶格电离形成二次电子。二次电子再被强电场加速，再次

与晶格碰撞，使其电离产生二次电子，这个过程继续下去，称为雪

崩过程，雪崩过程使电子数剧增，产生大的增益。

雪崩型光电二极管，它既响应快，又具有高的增益。所以具有高的光

电灵敏度，接近光电倍增管。

3.四象限探测器、肖特基二极管的结构、特性？

答：四象限探测器由四个性能完全相同的光电二极管拼在一起，用于

精确定位和跟踪，结构如图5所示：

图5四象限探测器结构

肖特基二极管即金属-半导体二极管。由于金属的电子浓度很高，所

以肖特基二极管的耗尽层主要在半导体一侧，如图6所示，肖特基

二极管通常通过金属端受光，所以，受光面大。

图6M-P和M-N型肖特基二极管的能带图

4.p-n结型光电二极管的特性参数？

答：a、光电灵敏度，在给定波长光照下，单位辐射功率产生的光电

流，单位uA/W；即

ob、伏安特性，。c、最高工作电压Vmax,无光照时光电二极管中反向电流不超过规定

值前提下管子上所允许的最高反向电压。d、暗电流，即无光照，加一定的反偏电压时，一极

管的反向漏电流。e、光谱响应特性，指光电二极管的光电灵敏度随光波长的变化关系。f、

频率特性，指二极管响应随脉冲光的重复频率的变化关系。度量二极管的时间响应特性。影

响频率特性的因素：

（1）结电容。同样条件下减小负载电阻可提高响应频率。

（2）光生载流子的扩散和漂移时间。

5.光电三极管的结构、特性？

答：光电三极管的结构多种多样，最简单的一种就是p-n-p+结构：p+

端做集电极，将n-p+集电结作为光敏结。或n-p-n+结构，将n+端做

集电极，p-n+结作为光敏结。

光电三极管组合了光电二极管的光敏性和三极管的电放大能力，所

以，光电三极管是具有增益的光敏器件。

6.何谓变