山东大学2013应用光电期末试题答案

山东大学《应用光电I》课程考查试卷1，从光学的发展过程出发谈谈你对光的认识。（10分）2，简述自发辐射、受激吸收和受激辐射的基本原理及在激光产生过程中的作用。（15分）3，激光的特性有哪些？激光器由哪几个部分构成？各有什么作用？实现其稳定运转的条件是什么？（20分）4，什么是光电效应？内光电效应和外光电效应的特性及对应的应用光电器件有哪些？（15分）5，光电探测器的功能是什么？常用的光电探测器有哪几种类型，试阐述其中一种类型的光电探测器的工作原理。（20分）6，试选用一种合适的光电探测器件实现照明灯自动控制功能，画出电路图，并具体阐述其工作原理。(20分)应用光电期末试题7，从光学的发展过程出发谈谈你对光的认识。（15分）人类对光的认识经历了漫长的发展过程。从公元前5世纪起，就有记载表明人对光的特性的探索，例如光的反射、折射特性等。近代以来，光学逐渐作为一门学科被系统化的建立起来，并随着人们不断的探索和相关科学技术的推动蓬勃发展。17世纪，英国科学家牛顿提出了光的微粒说，认为光是发光体所射出的微小粒子，所以是沿直线传播的，微粒说虽然解释了光沿直线传播以及反射、折射等现象，但却不能解释如干涉、衍射和偏振等较为复杂的光现象。而与之抗衡的光的波动说，随着科学家不断的研究和探索，逐步取得突破性的进展，并最终在微粒说和波动说的争斗中取胜。波动说起先认为光是一种类似声波、水波的机械波，解释了光的反射、折射现象。托马斯·杨通过著名的“杨氏双缝干涉实验”阐释了光的干涉现象，菲涅尔以波动说为基础解释了衍射现象，进一步巩固了波动说的地位。19世纪，麦克斯韦进一步提出光是一种电磁波而非机械波的构想，最终被赫兹用实验证明，光的波动说理论得以完善并被广泛接受。随着科学认知的深入，人们发现光的波动说不能很好的解释黑体辐射能谱与康普顿效应等现象。普朗克于1900年提出了能量子假说，认为各种频率的电磁波只能以一定的能量子方式从振子发射，能量子是不连续的，其大小只能是电磁波（或光）的频率与普朗克常数的整数倍，即E=hν。1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念，认为光子的能量与光的频率成正比，并通过光电效应实验证实了光的粒子性，即光具有波粒二象性。从20世纪60年代起，特别是激光问世以后，由于光学与许多科学技术精密结合、相互渗透，光学再度焕发了青春，以空前的规模和速度飞速发展，它已成为现代物理学和现代科学中一块重要的前沿阵地，同时又派生出许多崭新的分支学科。通过光的发展过程，我认识到光不仅具有直线传播、反射、折射的特性，而且具有波的通性，如干涉、衍射等性质，是一种电磁波。同时，光也具有粒子性，并且粒子特性可以在很多领域中得到应用，如利用光电效应，制作的各种光电探测器已经应用到生活的方方面面。从光的发展过程可以看出，科学是不断进步和发展的，科学理论也是不断完善的，通过一步一步的对光的本性的探索，我们对光这种最普遍的自然现象有了更加深入的认识，并积极的加以利用，如激光技术、光纤通信等，对人类的生活质量的提高、国防安全的提升等方面做出了举世瞩目的贡献。如今，光学已经和多个学科有所交叉，依旧就有强大的发展潜力和创造力，相信未来光将作为一个重要的领域持续焕发生机。8，激光的特性有哪些？（10分）激光具有单色性、相干性、方向性和高亮度的特性，这4个特性都可以归结为激光具有很高的光子简并度，即激光可以在很大的相干积内有很高的相干光强。1、方向性激光发散角小，可达mrad量级，接近于衍射极限。2、单色性激光的谱线宽度很窄，单色性很好。3、高亮度激光的发光面小，发散角小，线宽窄，所以有很高的光谱辐亮度。4、相干性激光的发散角小，线宽窄，所以空间和时间相干性都很好。例如，稳频的He-Ne激光器线宽可达Δv＝10kHz，相干长度达Lc=c/Δv=30km。9，激光器由哪几个部分构成？各有什么作用？实现其稳定运转的条件是什么？（15分）1、激光器构成：激光器由3部分构成，分别是激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。2、各部分作用：激光工作物质：是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。对激光工作物质的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。因此应该具有三能级或四能级结构，使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。泵浦源：要产生激光必须用外界能量来激励工作物质，建立粒子数反转分布状态。泵浦源是将粒子从低能级抽运到高能级态的装置，是激光形成的外因。激光器将泵浦源产生的能量转换为激光能量。光学谐振腔：限制输出模式，同时还对激光频率、功率、光束发散角及相干性都有影响。主要作用有：使激光具有极好的方向性，即沿轴线方向、增强光放大作用，延长工作物质、使激光具有极好的单色性，使之可以用于选频。3、激光器稳定运转的条件：激光产生的必要条件有实现粒子数反转分布、减少振荡模式；充分条件为能够起振并实现稳定振荡来形成稳定激光。其中利用增益饱和效应实现稳定振荡。激光强度将随传播距离的增加而呈指数关系上升，但是激光强度不会无限制的增大。当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定时，增益系数将减小，即激活介质的)(G),(IG增益系数应写成，这种现象称为增益饱和现象。当外加光强出现时，感应了E2--E1的受激发射和E1--E2的受激吸收，两种跃迁的过程概率相等，由于，因此E2--E1粒子数大于E1--E2粒子数，其结果使新平衡反转粒子数，E1--E2变小；由于越强，造成反转粒子数的减少越严重，因而随着往返振荡，不断增大，使得不断减小，直到光所获得的增益恰好等于激光腔内的损耗，就建立了稳态的振荡，形成稳定的输出。10，什么是光电效应？内光电效应和外光电效应的特性及对应的应用器件有哪些？（15）1、光电效应：物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质中电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导效应、光生伏特效应和光电子发射等现象。2、内光电效应与外光电效应的特性：内光电效应:受光照而激发的电子在物质内部参与导电，电子并不逸出光敏物质表面，这种效应多发生于半导体内。内光电效应具有光电导效应、光生伏特效应、丹倍效应和光磁电效应等特性，同时具有对光波频率的选择性，响应速度一般比较快。外光电效应:物质受光照后而激发的电子逸出物质的表面，在外电场作用下形成真空中的光电子流，这种效应多发生于金属和金属氧化物。外光电效应光电子发射的特性，具有同时具有对光波频率的选择性，响应速度一般比较快。3、内光电效应与外光电效应的应用：内光电效应：光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管等。外光电效应：光电管、光电倍增管、像增强管等。11，光电探测器的功能是什么？常用的光电探测器有哪几种类型，试阐述其中一种类型的光电探测器的工作原理。（20分）1、光电探测器的功能：光电探测器以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通过光电2211gNgN0NN)(G)(vI)(vI)(G检测器件接收光辐射，将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，实现各类检测。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。2、光电探测器的类型：光电探测器有多种分类方式，最常用的是根据光电探测工作时所依据的各种物理效应进行分类。所依据的物理效应主要有：光电效应、光热效应、波相互作用效应。常用的光探测器主要有光电导型探测器（光敏电阻、光电管、光电二极管等）、光伏型探测器（光电池等）、热电型探测器（热敏电阻、热电偶等）。3、光敏电阻光电探测器工作原理：光敏电阻在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。本征型光敏电阻：当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时，激发一个电子－空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。用于可见光波段。杂质型光敏电阻：对于Ｎ型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能ΔＥ时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流。用于红外波段。12，本课程开设了哪些实验？阐述其中一个实验的实验原理，步骤，在实验中应注意的问题。（25分）1、开设实验：He-Ne激光器的纵模与横模分析实验、重复频率脉冲激光调Q实验、PbS光敏电阻的光谱响应的测量实验、线性CCD的使用——尺寸测量实验、光电探测器响应时间测试实验。2、光电探测器响应时间测试实验内容分析：实验原理：通常，光电探测器输出的电信号在时间上都要落后于作用于其上的光信号，此特性可用响应时间来描述。表示时间特性的方法主要有两种，一种是脉冲响应特性法，另一种是幅频特性法。1．脉冲响应响应落后于作用信号的现象称为弛豫。对于信号开始作用时的弛豫称为上升弛豫和起始弛豫；信号停止作用时的弛豫称为衰减弛豫。弛豫时间的具体定义如下：如用阶跃信号作用于器件，则起始弛豫定义为探测器的响应从零上升为稳定值的63％时所需的时间；衰减弛豫定义为信号撤去后，探测器的响应下降到稳定值的37%所需的时间。这类探测器有光电池、光敏电阻及热电探测器等。另一种定义弛豫时间的方法是：起始弛豫为响应值从稳态值的10%上升到90%所用的时间；衰减弛豫为响应从稳定值的90%下降到10%所需时间。这种定义多用于响应速度很快的器件，如光电二极管、雪崩二极管和光电倍增管等。2.幅频特性光电探测器的响应度不仅与入射辐射的波长有关，而且还是入射辐射调制频率的函数。这种函数关系还与入射光强信号的波形有关。通常定义光电探测器对正弦光信号的响应幅值同调制频率间的关系为它的幅频特性，表达式定义如下：2/122)1(1)(A式中，)(A表示归一化后的幅频特性；f2为调制圆频率；f为调制频率；τ为响应时间。在实验中可以测得探测器的输出电压)(V为2/1220)1()(VV式中为探测器在入射光调制频率为零时的输出电压。这样，如果测得调制频率为f1时的输出信号电压V1和调制频率f2时的输出信号电压V2，就可由下式确定响应时间：oV211222222121fVfVVV为减小误差，V1与V2的取值应相差10％以上。为了更方便的表示这种特性，引出截止频率cf，其定义为当输出信号功率降至超低频一半时，即信号电压降至超低频信号电压的70.7％时的调制频率，其表达式为：21cf实验步骤：1．用脉冲法测量光电二极管的响应时间（1）将“波形选择”开关拨至脉冲档，调节“频率调节”旋钮，分别测量频率在5k,10k,15kHz下负载分别为10k,50k,100k时的响应时间，记录结果。（2）根据21122