光电子课后习题答案汇总

1第一章1.光电子器件按功能分为哪几类？每类大致包括哪些器件？光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件、光显示器件。光源器件分为相干光源和非相干光源。相干光源主要包括激光器和非线性光学器件等。非相干光源包括照明光源、显示光源和信息处理用光源等。光传输器件分为光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等等)、光波导和光纤等。光控制器件包括调制器、偏转器、光开关、光双稳器件、光路由器等。光探测器件分为光电导型探测器、光伏型探测器、热伏型探测器等。光存储器件分为光盘(包括CD、VCD、DVD、LD等)、光驱、光盘塔等。光显示器件包括CRT、液晶显示器、等离子显示器、LED显示。2．谈谈你对光电子技术的理解。光电子技术主要研究物质中的电子相互作用及能量相互转换的相关技术，以光源激光化，传输波导（光纤）化，手段电子化，现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特征，是一门新兴的综合性交叉学科。⒌据你了解，继阴极射线管显示（CRT）之后，哪几类光电显示器件代表的技术有可能发展成为未来显示技术的主体？等离子体显示（PDP），液晶显示（LCD），场致发射显示（EL），LED显示。2第二章：光学基础知识与光场传播规律⒈填空题⑴光的基本属性是光具有波粒二象性，光粒子性的典型现象有光的吸收、发射以及光电效应等；光波动性的典型体现有光的干涉、衍射、偏振等。⑵两束光相干的条件是频率相同、振动方向相同、相位差恒定；最典型的干涉装置有杨氏双缝干涉、迈克耳孙干涉仪；两束光相长干涉的条件是(0,1,2,)mm，为光程差。⑶两列同频平面简谐波振幅分别为01E、02E，位相差为，则其干涉光强为22010201022cosEEEE，两列波干涉相长的条件为2(0,1,2,)mm⑷波长的光经过孔径D的小孔在焦距f处的衍射爱里斑半径为1.22fD。⒉在玻璃(2.25,1)rr上涂一种透明的介质膜以消除红外线(0.75)m的反射。⑴求该介质膜应有的介电常量及厚度。⑵如紫外线(0.42)m垂直照射至涂有该介质膜的玻璃上，反射功率占入射功率百分之多少？⑴玻璃的折射率1.5rn，正入射时，当0Gnnn时，膜系起到全增透作用，所以01.01.51.225Gnnn，正入射下相应的薄膜厚度最薄为00.750.153441.225hmn⑵正入射时，反射率为222200002222000022()cos()sin22()cos()sinGGGGnnnhnhnnnnnnnhnhnnnn正2200222200002()cos3.57%22()cos()sinGGGnhnnnnnhnhnnnn3⒍输出波长＝632.8nm的He-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和MgF2形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层才能使镜面反射系数大于99.5％？设玻璃的折射率Gn＝1.5由题意：02220220()0.995()PHHLGPHHLGnnnnnnnnnn正，，即9975.0)5.1/5.2()5.1/5.2(1)5.1/5.2()5.1/5.2(12222pp即745.1910025.0167.49975.15.15.22p15.529.102pp故至少涂覆6个双层。第三章激光原理与技术1．填空⑴最早的电光源是炭弧光灯，最早的激光器是1960年由美国人梅曼制作的红宝石激光器。⑵光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示色散与频率的关系，虚部表示物质吸收与频率的关系。⑶激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。激光产生的充分条件是阈值条件和增益饱和效应，必要条件包括粒子数反转分布和减少振荡模式数。⑷今有一个球面谐振腔，r1=1.5m，r2=-1m，L=80cm，它属于稳定腔。2．试简单说明以下光电子学术语的科学含义：⑴受激辐射(画出二能级图)处于激发态E2上的原子，在频率满足1221EEhv的入射光作用下，从E2能级跃迁到E1能级，在跃迁过程中，原子辐射出能量为21h、与入射光处于同4一状态的光子，这两个光子又可以去诱发其他发光粒子，产生更多状态相同的光子，这一发射过程称为受激发射过程。⑵谱线的多普勒加宽多普勒展宽是由于气体物质中热运动速度不同的发光粒子发出的光的表观中心频率不同造成的谱线加宽。⑶谱线的自然加宽自然加宽是由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上寿命有限所形成的谱线加宽。⑷光放大引入激活介质的增益系数()G()()()dIGIdx式中，()dI是传播距离dx时的光强的增量。这说明：介质的增益系数在数值上等于光束强度在传播单位长度距离时，光强增加的百分数。由于()0dI，因而()0G，所以()G可以表示光在激活介质当中的放大特性。3.计算与推导（1）λ＝0.5μm时，什么温度下自发辐射率与受激辐射几率相等？T=300K时，什么波长下自发辐射与受激辐射几率相等？自发辐射率为A21，受激辐射率为W21。212121()wB。由爱因斯坦关系式可知：3321213218AhnBc，由普朗克公式可知：33212132181()exp()1hnhckT，5（a）由题意A21＝W21，故321exp()11hkT，333483332132363ln2ln26.6310(310)0.69317.19101.3810(0.510)hhcTKkk（b）当T=300K时，3348331223ln26.6310(310)0.69312.997101.3810300hckT41.44210M（2）He-Ne激光器的反射镜间距为0.2m，求最靠近632.8nm跃迁谱线中心的纵模阶数、纵模频率间隔。如果增益曲线宽度为91.510Hz,则可能引起的纵模总数是多少？解：气体的折射率1n，由2qcqnL得592210.26.3210632.810nLq纵模频率间隔883107.5102210.2qcHznL实际振荡纵模总数981.5101137.510Tqq（3）红宝石激光器的工作物质特性：7321510/NNcm、300K处，1101210()Hzg，3310ss，144.32610Hz，n=1.78，求其在中心频率处的增益系数()G。解：因为12212121212128)2/(1)2/(ggANggNKNggNGmncggA，，212211所以：cmvncNNGm/1046.9)1036.4(78.1102410910541122142112207222221264．简述题⑴简述激光的特点。激光的特点主要表现在以下四个方面：①激光的方向性很好；②激光的单色性很好；③激光的相干性很好；④激光具有极高的亮度和单色亮度。⑷为什么二能级系统不能产生激光？当外界激励能量作用于二能级体系物质时，首先建立起自发辐射，在体系中有了初始光辐射之后，一方面物质吸收光，使1N减少、2N增加；另一方面由于物质中存在辐射过程，使2N减小、1N增加，两种过程同时存在，最终达到1N＝2N状态，光吸收和受激发射相等，二能级系统不再吸收光，达到所谓的自发辐射状态，这种状态下2N不再继续增加；即便采用强光照射，共振吸收和受激发射以相同的概率发生，也不能实现粒子数反转。⑸以一个三能级原子系统为例，说明激光器的基本组成和产生激光的基本原理。激光工作物质提供形成激光的能级结构体系，是激光产生的内因。要产生激光，工作物质只有高能态（激发态）和低能态（基态）是不够的，还至少需要有一个亚稳态能级，它可以使得粒子在该能级上具有较长得停留时间或较小的自发辐射概率，从而实现其与低能级之间得粒子数反转分布。这样，激光工作物质应至少具备三个能级。设E1是基态，E2是亚稳态，E3是激发态。外界激发作用使粒子从E1能级跃迁到E3能级。由于E3的寿命很短（ns量级），因而不允许粒子停留，跃迁到E3的粒子很快通过非辐射迟豫过程跃迁到E2能级。当把一半以上的粒子抽运到E2，就实现了粒子数反转分布，此时若有光子能量为hυ＝E2－E1的入射光，则将产生光的受激辐射，发射hυ的光，从而实现光放大。7泵浦源提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因。主要有以下几种泵浦方式：①光激励方式②气体辉光放电或高频放电方式③直接电子注入方式④化学反应方式。光学谐振腔为激光器提供反馈放大机构，使受激发射的强度、方向性、单色性进一步提高。不论哪种光学谐振腔，它们都有一个共同特性，那就是都是开腔，即侧面没有边界的腔，这使偏轴模不断耗散，以保证激光定向输出。谐振腔还具有选频作用，即自发辐射荧光线宽内只有满足谐振条件的纵模能形成振荡输出。⑺分析激光产生的条件。激光产生的两个必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数；两个充分条件：阈值条件和增益饱和。粒子数反转使得受激辐射超过受激吸收，才能得到光放大。要想得到方向性很好、单色性很好的激光，还必须减少振荡模式数。这是因为：第一：受激发射可以沿各个方向产生，难以形成极强的光束；第二，受激辐射光有很多频率，对应很多模式，每一模式的光都将携带能量，难以形成单色亮度很强的激光。所以，必须采用谐振腔，使光束来回通过激活介质时，沿轴向得到放大，而和轴线有较大夹角的光束，则由侧面逸出激活介质，不能形成激光振荡；光束在腔内多次的来回反射，极少频率的光满足干涉相长条件，频率得到筛选，这样可以形成光强最强、模式数目最少的激光振荡。光在腔内传播时，存在着各种损耗，所以只有光的增益能超过这些损失时，光波才能被放大，从而在腔内振荡起来，称这个条件为振荡阈值条件。为了得到稳定的激光输出，当光强达到一定程度时，净增益（增益扣除损耗）必须为零，所以增益饱和是激光产生的充分条件。8⑻简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线型函数的类型。一般来讲，谱线展宽分均匀展宽与非均匀展宽两大类。（a）均匀展宽的特点是：引起均匀展宽的机制对于每一粒子而言都是相同的。任一粒子对谱线展宽的贡献都是一样的，每个发光粒子都以洛伦兹线型发射。均匀展宽又包括自然展宽、碰撞展宽和热振动展宽等。自然展宽是由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上寿命有限所形成的。它是粒子本身固有性质决定的，自然存在的。碰撞展宽是由于气体中大量粒子无规则运动而产生的碰撞导致波列缩短引起的谱线展宽。热振动展宽是由晶格原子的热振动使发光粒子处于随时间周期变化的晶格场中，引起的谱线展宽，在固体激光物质中其量级远大于前两者。（b）非均匀展宽的特点：不同粒子的发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献，可以区分为线型函数的某一频率范围是由哪些粒子发光所引起的。这种展宽主要包括多普勒展宽与残余应力展宽。多普勒展宽是由于气体物质中热运动速度不同的发光粒子所产生的辐射的多普勒频移不同引起的。残余应力展宽是固体激光物质内部残余应力引起的，其中一种是晶格缺陷所致，非均匀分布的缺陷引起不同位置粒子0不同；另一种是由物质本身原子无规则排列构成的。（10）激光器按激光工作介质来划分可分为几类？各举出一个典型激光器，并给出其典型波长、转换效率、典型特点。按激光工作物质的类型有如下划分：⒈气体激光器9根据气体激光工作物质的能级跃迁类型，又可将之分为原子、离子、分子、准分子型气体激光器。原子气体激光器最常见的是He-Ne激光器，它发出的有0.6328m的红光和3.39m、1.15m两种红外光，He-Ne激光器输出功率较小（几mW到100mW），能量转化效率较低（0.01％），氮气单色性好，谱线