参考答案2011年光电子技术试题(本科生)

2010—2011学年第一学期第1页（共6页）中国科学技术大学2011—2012学年第一学期考试试卷(本科生)考试科目：光电子技术得分：学生所在系：姓名：学号：一、简答题。（30分）1.光纤激光器的谐振结构有哪几种？以下三种对输出激光的要求1)窄线宽；2）高能量；3）超短脉冲，分别需要什么技术来实现？解：谐振腔1)F-P腔2）环形谐振腔3）环路反射器（3分）激光技术1）光栅反射计或者福克斯-史密斯谐振腔方法2）调Q3）锁模（3分）2．分析影响单模光纤色散的各种因素，如何减少单模光纤中的色散。解：在单模光纤中，由于不存在模间色散，所以多模色散没有。主要是材料色散和波导色散。（1分）减少方法：选择合适的材料利用低双折射光纤来保偏高双折射单模光纤以某一方向为主导的光纤绝对单模光纤的应用同时减少周围环境如压力和弯曲的影响。（3分）3.简述受激拉曼散射和受激布里渊散射的区别解：在SRS中参与的是光学声子，而在SBS中参与的是声学声子。SBS后向斯托克斯波，SRS前后向，SBS泵浦脉宽1ms，域值1mW泵浦脉宽10ns，不产生SBS，而SRS阈值高，CW和脉冲泵浦都产生SRS效应（3分）4.光伏探测器和CCD探测器的主要工作原理和区别？解：光伏探测器:利用光生伏特效应制作的光电敏感器件称为光伏探测器,暗电流小、噪声低、响应速度快、光电特性的线性好、受温度影响小等优点。（3分）CCD探测器:ＣＣＤ的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。光谱响应宽（从x射线到红外线）、灵敏度高、线性好、动态范围大、体积小、重量轻、功耗低等优点。（3分）2010—2011学年第一学期第2页（共6页）5.试列举发光二极管(LED)三个优点解：高效、节能、环保、长寿命、抗震、抗冲击、易维护（3分）6..在斐索型自聚焦光纤传感实验装置中，偏振器P1，P2起什么作用？简述此类传感器的工作原理。解：利用光在介质表面反射时偏振特性的变化和光在多模光纤中传播的偏振特性，消除反射光对干涉测量的影响(3分)原理(5分)二、(a)单模光纤在zx平面内弯曲时产生应力双折射，对于石英光纤有2)(133.0Rannnyx，这里a为光纤芯半径，R为光纤弯曲半径，若用一个光纤圈构成21波片，0.85m，ma5.62时，R应为多大？（4分）(b)计算1km长，纤芯折射率为1.45，..0.40NA的多模阶跃折射率光纤传输带宽（只考虑多模色散）。比较多模阶跃光纤和自聚焦光纤的传输带宽大小，并说明原因。（7分）(c)已知自聚焦棒轴线折射率1.5，周期长48mm，用它制造超短焦距透镜作光纤耦合器，求该自聚焦透镜的长度和焦距。(4分)解2010—2011学年第一学期第3页（共6页）(a)对于21波片，nLk0，RL2，可得240.1337.7aRmm(4分)(b)2221..1.3937nnNA最大时延差11210.1951mLnnscn传输带宽15.1251mmBMHz(4分)自聚焦光纤的传输带宽比多模阶跃光纤要大很多。自聚焦光纤的纤芯折射率呈抛物线型变化，各个投射角的光线均有可能同时达到空间周期的整数倍的点处，所以信号传输的群时延差很小，或者说信号的畸变很小，传输带宽很宽。(3分)(c)因为48lmmA，所以24824Amm，要制成超短焦距透镜作光纤耦合器，则长度122zmmA，焦距01245.11.5fmmnA(4分)三、已知一阶跃光纤纤芯和包层折射率分别为1.50和1.48，纤芯直径d为50m，入射光波长0.98m。（25分）(a)计算光纤的数值孔径。给出光纤在水中(n=1.33)的最大入射角。(b)求光纤波导的归一化频率参量V和光纤传输总模数N。若想获得单模传输，光纤直径的范围应该为多少？(c)当光纤弯曲半径低于多少时，子午光线便不在内表面上反射？(设入射角M0，光线从直部入射到弯部的位置在光纤外表面上)(d)当入射端面有010倾角，出射端面仍垂直于轴线时，一子午光线在入射端面轴线处以20度入射角（与端面法线夹角）进入光纤，能否成为传导模？（分别在法线两侧的两种情况下讨论）解(a)221.51.480.244NA(2分)2010—2011学年第一学期第4页（共6页）0.183610.57MMNASinn(2分)(b)归一化频率参量2212239.1aVnn(2分)总模数217642NV(2分)41.222221nnaV单模传输要求,1.56aum亦即d=3.12um(2分)(c)当子午光纤不在内表面反射时，00sin/21sinxdR取x=d/2，2001sin0.9868nn当入射角最大时，为临界角，，进而，所以25(10.9868)3.7510.9868mRmm（5分）（d）021arcsin80.63nn临界＝011sin()sinn，1sin20arcsin()13.21.5（3分）上入射时：901086.81临界＋＝可以成为传导模式（2分）下入射时，901066.81临界-＝无法成为传导模式（2分）（用和法线同侧异侧表达更合适）四、图示一种相位型光纤温度传感器原理图，从两光纤末端输出的两光波在空间叠加形成明暗相间的杨氏条纹。当信号臂的温度发生变化时，输出端两光波的相位差发生改变（Δφ）表示，于是屏上条纹发生移动，观测条纹移动数便可求得温度的变化量，(1)试推导温度变化与相位变化的关系(2)如果光源λ=6328Å，光纤的折射率n=1.456,dn/dT=10×10-6/℃,α=ΔL/(L.ΔT)=5×10-7/℃,光纤长度L=1米，求对应一个条纹间隔(Δφ=π)变化时的温度的变化。（15分）解：2*nnLTLTLT2010—2011学年第一学期第5页（共6页）一个条纹间隔变化对应将题中相应数据代入算得：67o210*101.456*5*10*16328AT0.029TC五、将光纤分束器的同一端连在一起就构成Sagnac环形干涉仪，结构如下图所示：耦合器的传输矩阵为C=11ii，亦即3142AACAA，是只有1端输入时，3端输出功率所占的比例。L是光纤环的长度。光纤环的传输矩阵为D=224322340exp{2}exp{2}0iAALiAAL，亦即有'33'44AADAA。3A，4A分别是第一次耦合进光纤环的复振幅。假设从1端输入功率200PA。（过程中不考虑非线性效应）求：（1）此干涉仪的透射率表达式Ts（10分）（2）=0.5是透射率是多少？且在0.5附近，高功率输入时此干涉仪可以作为光开关，试求对于=0.45，L=100m，110/Wkm，此干涉仪的最小开关功率？（5分）解：（1）1020AAA，3142AACAA314211iAAAAi=01Ai所以，30AA，401AiA22'4330'224340exp{2}1exp{2}0iAALAAAiiAAL1L43耦合器20A反射透射2010—2011学年第一学期第6页（共6页）=2243022341exp{2}exp{2}iiAALAiAAL''13''2411iAAAAi所以有2222'2433401exp{2}exp{2}AiAALiAALA将401AiA，和30AA代入有：'2220001exp{1}exp{2}AiALiALA2'220sATA220022121211iALiALee220121cos(12)PL01211cos12PL（2）在高功率下，只需要满足=0.5时，sT=0；012(21)PLm当m=1时对应的是最小的开关功率。算出有：031PW