光电子重点

1.光学发展的几个阶段光的本性,波粒二像性,光子的特性答:几何光学,波动光学,光子学,光子具有极高的信息容量和效率,光子具有极快的响应能力,光子系统具有极强的互连能力与并行能力,光子具有极大的存储能力。2.了解平面波的表示形式及性质，了解球面波、发散波的特点答：描述了一个在无穷大均匀介质中沿z方向传播的单色的平面行波。性质：Ｅ与Ｈ相互正交，且垂直波矢k。传输无发散，同一个波阵面上电场的幅度、相位、振动方向相同，波阵面为无限延展的平面，具有无限的能量（理想模型）。球面波特点：由点源发出，振幅随传输距离的增加而减小，波阵面为球面，等相面随传输距离的增加而增大，任意一点的波矢垂直于的波阵面，且是发散的。发散波特点：有限大的波源，有限的能量，波阵面有一定的弯曲，但波矢始终与波阵面垂直。3.理解群速度的定义及物理意义和光波波前的传播方向的矢量表示、能量的传播方向的矢量表示答：群速度：波包的传输速度，能量或信息的传输速度。物理意义：，光波波前的传播方向矢量表示：能量的传播方向的矢量表示：4.理解描述反射和折射的菲涅尔公式的物理意义，掌握垂直入射情况下的反射率和透射率的计算公式和布儒斯特角答：反射：透射：垂直入射：2121//nnnnrr，布儒斯特角：121tannnp反射率（垂直入射）：反射光强与入射光强之比：透射率（垂直入射）：透射光强与入射光强之比：5.理解全反射情况下导引波和倏逝波的形成和特点，了解古斯-汉森位移。答：导引波：均匀平面波在界面上全反射时，在第一种介质空间的由入射光和反射光叠加而成。特点：等相面（z=常数）垂直于界面，而等幅面（y＝常数）平行于界面，二者相互垂直。所以，合成波是非均匀平面波；由于合成光场沿y方向是不随时间变化的稳定驻波场，所以沿y方向无能量传播；合成光波场沿z方向是行波，传播的相速度是倏逝波：沿z方向透射光场是行波场，相速度与第一介质中的一样。光场集中在y的很小范围内，好象贴着界面传播，故称为表面波，也称倏逝波，沿y方向，透射光场的振幅随穿透到第二种介质中的距离y呈指数衰减。而等幅面（y＝常)cos(00kztEEkvgiiiiitittoroiiiititiioronnnnnnnnnnnnEErnnnnnnnnEErcos)(]sin)[(cos)(]sin)[(coscoscoscos]sin)[(cos]sin)[(coscoscoscoscos2122/122122122/122122121//,//,//2/122122/122122121,,2/1221221212//0//0//2/1221200]sin)[(coscos2]sin)[(coscos2iiiitiiiitnnnnnnEEtnnEEt）（，，，，trtnnr11//12//ipncvsin122121//)(nnnnRRR22112//)(4nnnnTTT数）平行于界面，等相面（z=常数）垂直于界面，二者相互垂直。所以，它是非均匀平面波。反射光与入射光在实际界面上的相对位移称为古斯-汉森位移，移动的距离为6.掌握光波相干条件。理解薄膜干涉的物理机制和增透膜、增反膜的形成条件。答：相干光（波）的条件：频率相同、振动方向相同、相位差保持恒定。物理机制：一束单色光入射到薄膜上，一部分在界面1上反射，另一部分透过界面1在界面2上反射，然后再透过1面而射出。E1、E2平行（因1与2平行），由透镜会聚观察。增透膜：薄膜的光学厚度nd是四分之一波长的奇数倍。增反膜：单层膜适当选择其厚度可以提高反射率，但R不能很高。如果用折射率交替变化的多层介质膜构成介质堆则可以制成反射率极高的高反膜。7.FP腔的特点和模式谱宽同反射镜反射率之间的关系。答：特点：2mL腔长是半波长的整数倍mLm2腔的谐振波长fmLcmc2＝腔的谐振频率Lcf2为基模频率Lcfmm21－＝＋两相邻模式的频率间隔，自由光谱区每个模式的光谱与镜面反射率有关，反射率高时，曲线尖锐，谱宽小；反射率低时，部分能量溢出腔外，使曲线比较平滑，谱宽增大。8.了解衍射现象产生条件，理解波动光学处理光的衍射的基本方法。了解单缝、矩形空、圆孔的衍射图案特征和弗朗和费多缝光栅、衍射光栅、闪耀光栅的特点。答：波前上任何一个未被阻挡的点均被视为次级球面子波(wavelet)的波源，空间某点光场的振幅是所有子波产生的光场的叠加（下一时刻的波前实际上是由上一时刻次波的包络面所构成）。可以利用该原理解释光的衍射现象。矩形空：22021)sin()sin(),(II1sin21xkd2sin21ykddx，dy为矩形空的长，宽。圆孔：如果是圆孔衍射，屏上形成圆形衍射图案，称为爱里环(Airyrings)，中间的亮点叫做爱里斑(Airydisk)，其半径是第一级暗条纹的半径。爱里斑的角半径D22.1sin，d为直径。单缝衍射：中央主最大条纹的角宽度是其余衍射条纹角宽度的两倍。夫琅和费衍射条纹的角宽度只与缝宽a以及波长λ有关。缝越小，衍射角宽度越大，衍射现象也越明显；波长越长，衍射角宽度越大，衍射现象也越明显；如果白光入射，则将得到彩色条纹。夫琅和费多缝光栅：多缝衍射实际上包含有N个狭缝之间的干涉效应，因此，多缝衍射的光能量实际上是集中在单缝衍射主瓣范围内的几条对应的干涉主最大上。干涉主最大的方向与波长呈线性关系。可以利用此现象分光。会出现缺级现象。当某一级干涉主最大方向正好与单缝衍射极小的方向重合，则会产生缺级现象。衍射光栅：由透光和不透光的栅条周期性排列构成的平行狭缝，或透光材料的折iioinnztan)sin(tan22/122221射率周期性变化。闪耀光栅：单缝衍射的中央最大在刻槽面的反射方向上，而多缝干涉的极大值位置不受刻槽形状影响，所以可以将单缝衍射的中央极大从没有色散的多缝干涉零级光谱干涉主极大转移到其它有色散的光谱级上，从而达到对特定的干涉级次和特定的波长进行闪耀的目的，使其光强增强。9.理解光学系统的分辨本领的决定因素。什么是瑞利判据？理想光学系统所能分辨的角距离公式。答：光学系统所能分辨的两物点的最小角度，实际上取决于它分辨像平面上两衍射光斑的能力。瑞利判据：当一个点的衍射主极大与另一个点的衍射第一极小重合时，我们就认为这两点恰好能分辨。对于孔径光阑直径为D的理想光学系统来说，如果物点发出光的波长为λ0。那么它能分辨的角距离(angularseparation)为1．了解光波导的结构特征和分类，理解平面波导导模形成条件，会利用一种方法推导平面介质波导的导波条件（特征方程），截止状态的特点。答：介质光波导三要素：(1)“芯/包”结构(2)凸形折射率分布，n1n2(3)低传输损耗。按照结构分类：薄膜波导（平板/平面波导）矩形波导（条形波导）圆柱波导（光纤）。导波在薄膜的上下两个界面上全反射，沿锯齿形路径传输。但是满足全反射条件不一定能形成导波（因上下界面形成的导行波可能相干相消），还必须满足谐振条件（入射与反射）。推导方式：mBCABk222)(13121＝＝（波导条件）cosdBC，2cosBCAB，cos2]1)1cos2[(2dBCBCAB得：mdnk222cos2131210，波导条件特征方程为：mdn13121cos2截止状态特征方程：13122212tgmnnd。波导中不再存在导模而成为衬底辐射模。2．理解光纤色散的概念。掌握材料色散、波导色散、颜色色散、剖面色散、偏振模色散的特点及形成原因。答：光纤的色散就是由于光纤中光信号包含不同频率成分或不同的模式，在光D022.1纤中传输时，由于速度的不同而使得传播时间不同，因此造成光信号中的不同频率成分或不同模式到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象。模式色散（模间色散）：当波导中能够传输多个模式时，低阶模与高阶模的群速度不同。最低阶模的群速度最小。最高阶模的群速度最大。这是因为高阶模渗透到包层中的能量较多，而包层的折射率小，因此高阶模传输快。材料色散：材料色散是由于光纤材料本身的折射率随频率而变化，使得信号各频率成分的群速度不同，引起的色散称为材料色散。波导色散：群速度与角频率ω或波长λ有关，波长越长，渗透到包层中的能量越多，传输速度越快，因此引起的色散。颜色色散：由于光源存在着一定的线宽Δλ（谱宽）造成的色散称为色度色散。剖面色散：也叫折射率分布色散。是由射率差Δ随波长变化而引起的色散。偏振模色散：在理想的单模光纤中，基模（LP01）是由两个相互垂直的简并偏振模组成。如果由于某种因素使这两个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散。即使光源是标准的单色光，由于光纤的各向异性也会造成偏振模色散。3．了解阶跃折射率光纤的分析方法及相关参数的物理意义答：阶跃折射率光纤实际上可以看成一个柱状介质波导，内芯的折射率n1要大于包层的折射率n2。子午光线引起的导模为TE模或TM模。TE模的电场或TM模的磁场在z方向分量为零，而且场分量沿圆周方向没有变化。螺旋光线引起导模的电场或磁场在z方向上有分量，因而不是TE模或TM模。这些导模称为混合模（用HE和EH来表示）。m：从光纤芯中心算起，沿径向出现最大光场的次数。它和入射角有关。2l：沿圆周方向出现最大光场的次数。l还可看成螺旋光对模式的贡献量，对于基模（LP01），l为0。l为贝塞尔函数的阶数，m为贝塞尔函数根的序号。LP0m的简并度为2，得LPνm(ν≠０）的简并度为4。每个模式具有不同的场模分布和传输速度（即传输常数）。4．掌握光纤中的损耗的成因及分类，掌握损耗的描述和计算答：单模光纤损耗包括吸收损耗：是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质（水等）引起的吸收产生的。散射损耗：主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射（固有损耗）和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。弯曲损耗分为微弯曲损耗和宏弯曲损耗。微弯曲损耗是指光纤局部的急剧弯曲，该局部弯曲会导致波导的几何形状以及截面的折射率分布的变化，从而导致光波的泄漏。宏弯曲损耗：光纤在铺设以及使用的过程中，由于光纤弯曲所形成的应力会导致光纤折射率的微小变化，从而影响了模场直径，使得光泄漏到包层。二者区别在于弯曲量大小。5．了解G.651、G.652、G.653、G.654、G.655、色散补偿光纤的特点,熟悉G.652的主要参数.答：包层直径：125μm模场直径：9~10μm（1300nm）截止波长：1100~1280nm弯曲损耗（1550nm）：小于1dB（传输100个直径为7.5cm的光纤圈）色散：在1300nm波段（1285~1330nm）色散量小于3.5ps/(nm.km)。在1550nm附近的色散量应小于20ps/(nm.km)。色散量随波长的变化速率：应小于0.095ps/(nm2.km)G.652光纤存在的问题：有零色散点1310nm（波导色散和材料色散相互抵消）。目前大部分长距离光纤通信仍采用1310nm波段，但损耗较大。第三章1．了解pn结的空间电荷区的形成、掌握pn结动态热平衡的物理意义。在无外激发因素（光照、加热、电场作用）时，PN结内部的扩散与漂移运动最终会达到动态平衡，扩散电流ID=漂移电流IT，但方向相反，故此时PN结中无电流通过，形成一定的宽度的耗尽层（空间电荷区）。2．了解pn结外加正向偏压和外加反向偏压时的特性（空间电荷区、势垒以及载流子的变化规律）。pn结加正向偏压V时，正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方向相反的电场，因而减弱了势垒区中的电场强度，故势垒区的宽度也减小，同时势垒高度从qV0下降为q（V0-V）。势垒区电场减弱，使扩散电流