光电子技术试题
1）某光纤传输的波段为0.8 0.9μm。若每一路电话带宽为4kHz ，每套彩电节目带宽10MHz，则该光纤理论上可传送多少路电话或多少套彩电节目？
2）波长为1.3μm 的光射入单模阶跃折射率光纤，其芯区与包层折射率分别为n1 =1.52 ，n2 =1.42⑴若将其至于空气（折射率1）中，则其数值孔径、最大入射角及芯径分别为多少？
3）PIN光电二极管，受波长为1.55μm 的12
6?个光子的照射，其间输出端
10
产生12
2?光子。计算量子效率和响应度。
10
4）内光电效应和外光电效应的差别
5）简单叙述下面纵向电光调制原理
6）简述p-n结电致发光原理
答案
1）某光纤传输的波段为0.8μm 0.9μm 。若每一路电话带宽为4kHz ，每套彩电节目带宽 10MHz ，则该光纤理论上可传送多少路电话或多少套彩电节目？ 光纤传输的频率 λ
c =
f ,故它传输波段为1410333.3?，141075.3?， 1410417.0f ?= 能传播的电话数目103141
1004.110410417.0?=??=N 能传播的彩电数目661411017.410
1010417.0?=??=N 2) 波长为1.3μm 的光射入单模阶跃折射率光纤，其芯区与包层折射率分别为n1 =1.52 ，n2 =1.42若将其至于空气（折射率1）中，则其数值孔径、最大入射角及芯径分别为多少？
数值孔径542.042.152.1n n .222221=-=-=A N
max 0sin n .?=A N 得
542.0arcsin max =?，由于是单模传输，V<2.405
m 836.1n n 1
405.2a 2222
10μπλ=-<
3) PIN 光电二极管，受波长为1.55μm 的 12106?个光子的照射，其间输出端产生12102?光子。计算量子效率和响应度。
由量子效率定义得：33.010
61021212
=??=η 由响应度定义式得：10
h N I P P V R C S υ== 再由 eP h I C υη=得出υηh eP I C = 405.2n n a
222210
<-λπ
代入上式得W V eN N N R 6121
210042.11e ?===η 4) 外光电效应是指发生在物质表面上的光电转换现象,主要包括光阴极直接向外部放出电子的现象，；内光电效应指发生在物质内部的光电转换现象， (1)内光电效应发生在物质内部，外光电效应发生在物质表面；(2)内光电效应主要体现为载流子的产生效应，外光电效应主要体现为表面电子发射现象；(3)内光电效应中的红限与半导体禁带宽度成反比，而外光电效应中的红限与表面逸出功成反比。
5）入射光经过一个平行于x 方向的起偏片使光沿x 方向起振，晶体折射率主轴与x ，y 成45角，光经过晶体后相位延迟2
π，再经过四分之一波片后，变成平行于y 轴的光，经后检偏器输出，于是出射光强度变为纵向电压的函数
6）P 型半导体和 n 型半导体接触时，在界面上形成 p-n 结，由于电子和空穴的扩散作用，在p-n 结接触面两侧形成空间电荷区，称为耗尽层，形成了一个势垒，阻碍电子和空穴的扩散。当在 p-n 结施加正向电压时，会使势垒高度降低，耗尽层减薄，能量交大的电子和空穴分别注入到 p 区或 n 区，同 p 区的空穴和 n 区的电子复合，同时以光的形式辐射出多余的能量。
光电子技术基础考试题及答案 一、选择题 1.光通量的单位是（ B ）. A.坎德拉 B.流明 C.熙提 D.勒克斯 2. 辐射通量φe的单位是（ B ） A 焦耳 (J) B 瓦特 (W) C每球面度 (W/Sr) D坎德拉(cd) 3.发光强度的单位是（ A ）. A.坎德拉 B.流明 C.熙提 D.勒克斯 4.光照度的单位是（ D ）. A.坎德拉 B.流明 C.熙提 D.勒克斯 5.激光器的构成一般由（ A ）组成 A.激励能源、谐振腔和工作物质 B.固体激光器、液体激光器和气体激光器 C.半导体材料、金属半导体材料和PN结材料 D. 电子、载流子和光子 6. 硅光二极管在适当偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且动态范围较大。适当偏置是（D） A 恒流 B 自偏置 C 零伏偏置 D 反向偏置 7.2009年10月6日授予华人高锟诺贝尔物理学奖，提到光纤以SiO2为材料的主要是由于（ A ） A.传输损耗低 B.可实现任何光传输 C.不出现瑞利散射 D.空间相干性好
8.下列哪个不属于激光调制器的是（ D ） A.电光调制器 B.声光调制器 C.磁光调制器 D.压光调制器 9.电光晶体的非线性电光效应主要与（ C ）有关 A.内加电场 B.激光波长 C.晶体性质 D.晶体折射率变化量 10.激光调制按其调制的性质有（ C ） A.连续调制 B.脉冲调制 C.相位调制 D.光伏调制 11.不属于光电探测器的是（ D ） A.光电导探测器 B.光伏探测器 C.光磁电探测器 D.热电探测元件 https://www.doczj.com/doc/9912975680.html,D 摄像器件的信息是靠（ B ）存储 A.载流子 B.电荷 C.电子 D.声子 13.LCD显示器，可以分为（ ABCD ） A. TN型 B. STN型 C. TFT型 D. DSTN型 14.掺杂型探测器是由（ D ）之间的电子-空穴对符合产生的，激励过程是使半导体中的载 流子从平衡状态激发到非平衡状态的激发态。 A.禁带 B.分子 C.粒子 D.能带 15.激光具有的优点为相干性好、亮度高及（ B ） A色性好 B单色性好 C 吸收性强 D吸收性弱 16.红外辐射的波长为（ D ）. A 100-280nm B 380-440 nm C 640-770 nm D 770-1000 nm 17.可见光的波长范围为（ C ）.
一、名词解释（25’） 1.双折射现象： 2.等离子体： 3.光无源器件： 4.光热效应： 5.光盘： 二、简答题(25’) 1.光的基本属性？ 2.什么是消逝波？ 3.什么叫磁光效应？ 4.简述光纤的基本结构？ 5.简述激光器的基本结构？ 三、论述题(20’) 1.论述液晶的特点及其应用? 2.论述根据什么现象可以检测出入射光的偏振态？ 3.论述光隔离器的基本结构与工作原理？ 4.论述光电子技术的发展历史？ 四、计算题(30’) 1.He-Ne 激光器的反射镜间距为0.2m ，求最靠近63 2.8nm 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9 105.1?Hz ，则可能引起的纵模总数是多少？ 2.设有一平面介质波导，各层折射率分别为1,1.2,21.2n 321===n n ，波导层厚度d=4.6μm 。若总反射相移为π2 3，则当入射光波长为1.31μm 时，问： （1）波导中能传输的模式总数是多少？ （2）要想传输单模，波导厚度应如何设计？
3.PIN 光电二极管，受波长为1.55μm 的12106?个光子的照射，其间输出端产生12 102?个光子，计算量子效率和响应度。 四、计算题(30’) 1.He-Ne 激光器的反射镜间距为0.2m ，求最靠近63 2.8nm 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9105.1?Hz ，则可能引起的纵模总数是多少？ 2.某抛物线分布光纤，1n =1.5，?=0.001，纤芯直径2a=50μm ，当用波长0λ=0.85μm 的光激励时，试求： （1）光纤的最大数值孔径; （2）光纤的截止波长。 解：（1）光纤的数值孔径067.0001.025.121=??=?= n NA （2）抛物线型
第一章 1. 设在半径为R c 的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l 0处有一个辐射强度为I e 的点源S ，如图所示。试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。 解：因为 ， 且 ()??? ? ??+- =-===Ω?22000212cos 12sin c R R l l d d r dS d c πθπ?θθ 所以??? ? ??+-=Ω=Φ220012c e e e R l l I d I π 2. 如图所示，设小面源的面积为?A s ，辐射亮度为L e ，面源法线 与l 0的夹角为θs ；被照面的面积为?A c ，到面源?A s 的距离为l 0。若θc 为辐射在被照面?A c 的入射角，试计算小面源在?A c 上产生的辐射照度。 解：亮度定义: 强度定义:Ω Φ =d d I e e 可得辐射通量：Ω?=Φd A L d s s e e θcos 在给定方向上立体角为：2 0cos l A d c c θ?= Ω 则在小面源在?A c 上辐射照度为：20 cos cos l A L dA d E c s s e e e θθ?=Φ= 3.假如有一个按朗伯余弦定律发射辐射的大扩展源（如红外装置面对的天空背景），其各处的辐亮度L e 均相同，试计算该扩展源在面积为A d 的探测器表面上产生的辐照度。 答：由θcos dA d d L e ΩΦ = 得θcos dA d L d e Ω=Φ，且() 2 2cos r l A d d +=Ωθ 则辐照度：()e e e L d r l rdr l L E πθπ =+=? ?∞ 20 0222 2 4. 霓虹灯发的光是热辐射吗？ ΩΦd d e e I = r r e e A dI L θ?cos = 第1.1题图 第1.2题图
西南科技大学2013-2014-2 学期 《光电子技术》本科期末考试试卷（ A 卷）课程代码 1 6 3 9 9 0 1 9 0 命题单位理学院：专业物理教研室 一、单选题（每题 2 分，共20 分） 1、光电子技术主要研究（）。 A. 光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的一门技术 B. 光电子材料制备的一门技术 C. 光信息转换成电信息的一门技术 D. 介绍光电器件的原理、结构和性能参数的一门科学 2、波长为0.78 μm的光子能量为（）。 A.3.2eV B.1.59eV C.1.24eV D.2.4eV 3、光波在大气中传播时，气体分子及气溶胶的（）会引起光束能量的衰减。 A. 折射和反射 B. 吸收和散射 C. 弯曲和漂移 D. 湍流和闪烁 4、将2012 年诺贝尔物理学奖授予法国科学家沙吉·哈罗彻（Serge Haroche ）与美国科学家大卫·温兰德（David J. Wineland ）。大卫·维因兰德是利用光或光子来捕捉、控制以及测量带电原子或者离子，而沙吉·哈罗彻通过发射原子穿过阱，控制并测量捕获的（）。 A. 光子或粒子 B. 电子 C.载流子 D.声子 5、光纤是一种能够传输光频电磁波的介质波导，其结构上由（）组成。 A. 纤芯、包层和护套 B.单模和多模 C. 塑料、晶体和硅 D. 阶跃和梯度光纤 6、直接调制是把要传递的信息转变为（）信号注入半导体光源，从而获得调制光信号。 A. 电流 B. 电压 C. 光脉冲 D. 正弦波7、以下基于光电导效应制成的光电器件是（）。 A. 光敏电阻 B.光电管 C.雪崩光敏二极管 D. 光电池 8、光电成像转换过程需要研究（）。 A. 能量、成像、噪声和传递 B. 产生、存储、转移和检测 C. 调制、探测、成像和显示 D. 共轭、放大、分辨和聚焦 9、微光光电成像系统的工作条件就是环境照度低于（）l x 。 A. 0.1 B. 0.01 C. 0.001 D. 0.0001 10、PDP 单元虽是脉冲放电，但在一个周期内它发光（）次，维持电压脉冲宽度通常5~10μs，幅度90V~100V ，工作频率范围30KHz~50KHz ，因此光脉冲重复频率在数万次以上，人眼不会感到闪烁。
1、某单色光频率为3×1014Hz，该单色光在水中（n=1.33）的速度和波长。答：v=c/n=3*108/1.33=2.26*108m/s λ=v/f=2.26*108/3*1014 =0.75*10-6m 2、某星球的辐射出射度的峰值波长为400nm，试估算该星球表明的温度。 答：由维恩位移律λmT=b 得T=b/λm=2.898*10-3/400*10-9=7.245*103k 3、简述光子简并和能级简并 答：光子简并：光子的运动状态简称为光子态。光子态是按光子所具有的不同能量（或动量数值），光子行进的方向以及偏振方向相互区分的。处于同一光子态的光子彼此之间是不可区分的，又因为光子是玻色子，在光子集合中，光子数按其运动状态的分布不受泡利不相容原理的限制。可以有多个光子处于同一种光子态上，这种现象称为简并。处于同一光子态的平均光子数目称为光场的简并度δ。δ=1/（e hυ/kT-1） 4、什么是亚稳态能级。 答：若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射跃迁，则该态的平均寿命会很长τs>>10-3s,称为亚稳态能级，相应的态为亚稳态。 5、设二能级系统，发生受激辐射时，对入射光场的要求是什么？ 6、产生激光的重要机理是 答：受激辐射 7、爱因斯坦关系是 8、以二能级为例推导粒子数反转的条件是什么？ 答：能级上的粒子数分布满足条件N2/g2>N1/g1 反转分布图 对物质的要求：在物质能级中存在亚稳态能级 对外界的考验：需要有泵浦源 9、从能级理论出发，解释Nd:YAG激光器工作原理（p44-45） 10、解释增益饱和效应 答：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程度时，增益系数将随光强的增大而减小，这种增益系数随光强的增大而减小的现象称为增益饱和效应。 11、两种介质A、B的折射率分别为nA=1，nB=1.2，当光从B传播到A时，计算：1）发生全反射的零界角
选择题 1.光通量的单位就是( B )、 A、坎德拉 B、流明 C、熙提 D、勒克斯 2、辐射通量φe的单位就是( B ) A 焦耳(J) B 瓦特(W) C每球面度(W/Sr) D坎德拉(cd) 3、发光强度的单位就是( A )、 A、坎德拉 B、流明 C、熙提 D、勒克斯 4、光照度的单位就是( D )、 A、坎德拉 B、流明 C、熙提 D、勒克斯 5、激光器的构成一般由( A )组成 A、激励能源、谐振腔与工作物质 B、固体激光器、液体激光器与气体激光器 C、半导体材料、金属半导体材料与PN结材料 D、电子、载流子与光子 6、硅光二极管在适当偏置时,其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系,且 动态范围较大。适当偏置就是(D) A 恒流 B 自偏置 C 零伏偏置 D 反向偏置 7、2009年10月6日授予华人高锟诺贝尔物理学奖,提到光纤以SiO2为材料的主要就是由于( A ) A、传输损耗低 B、可实现任何光传输 C、不出现瑞利散射 D、空间相干性好 8、下列哪个不属于激光调制器的就是( D ) A、电光调制器 B、声光调制器 C、磁光调制器 D、压光调制器 9、电光晶体的非线性电光效应主要与( C )有关 A、内加电场 B、激光波长 C、晶体性质 D、晶体折射率变化量 10、激光调制按其调制的性质有( C ) A、连续调制 B、脉冲调制 C、相位调制 D、光伏调制 11、不属于光电探测器的就是( D ) A、光电导探测器 B、光伏探测器 C、光磁电探测器 D、热电探测元件 12、CCD 摄像器件的信息就是靠( B )存储 A、载流子 B、电荷 C、电子 D、声子 13、LCD显示器,可以分为( ABCD ) A、TN型 B、STN型 C、TFT型 D、DSTN型 14、掺杂型探测器就是由( D )之间的电子-空穴对符合产生的,激励过程就是使半导体中的载流子从平衡状态激发到非平衡状态的激发态。 A、禁带 B、分子 C、粒子 D、能带 15、激光具有的优点为相干性好、亮度高及( B ) A色性好B单色性好 C 吸收性强D吸收性弱 16、红外辐射的波长为( D )、
第一章 2. 如图所示，设小面源的面积为?A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0 的夹角为θs ；被照面的面积为?A c ，到面源?A s 的距离为l 0。若θc 为辐射在被照面?A c 的入射角，试计算小面源在?A c 上产生的辐射照度。 解：亮度定义: r r e e A dI L θ?cos = 强度定义:Ω Φ =d d I e e 可得辐射通量：Ω?=Φd A L d s s e e θcos 在给定方向上立体角为： 2 cos l A d c c θ?= Ω 则在小面源在?A c 上辐射照度为：2 cos cos l A L dA d E c s s e e e θθ?=Φ= 3.假如有一个按朗伯余弦定律发射辐射的大扩展源（如红外装置面对 的天空背景），其各处的辐亮度L e 均相同，试计算该扩展源在面积为A d 的探测器表面上产生的辐照度。 答：由θcos dA d d L e ΩΦ = 得θcos dA d L d e Ω=Φ，且() 2 2cos r l A d d +=Ωθ 则辐照度：()e e e L d r l rdr l L E πθπ =+=? ?∞ 20 0222 2 7.黑体辐射曲线下的面积等于等于在相应温度下黑体的辐射出射度M 。试有普朗克的辐射公式导出M 与温度T 的四次方成正比，即 M=常数4T ?。这一关系式称斯特藩-波耳兹曼定律，其中常数为 5.6710-8W/m 2K 4 解答：教材P9，对公式2 1 5 1 ()1 e C T C M T e λλλ=-进行积分即可证明。 第二章 3．对于3m 晶体LiNbO3，试求外场分别加在x,y 和z 轴方向的感应主折射率及相应的相位延迟（这里只求外场加在x 方向上） 解：铌酸锂晶体是负单轴晶体，即n x =n y =n 0、n z ＝n e 。它所属的三方晶系3m 点群电光系数有四个，即γ22、γ13、γ33、γ51。电光系数矩阵为： L e ?A s ?A c l 0 θs θc 第1.2题图
《光电子技术》期末考试试卷（A卷） 一、选择题（20分，2分/题） 1、光电子技术在当今信息时代的应用主要有（abcd ） A.信息通信 B.宇宙探测 C.军事国防 D.灾害救援 2、激光器的构成一般由（a ）组成 A.激励能源、谐振腔和工作物质 B.固体激光器、液体激光器和气体激光器 C.半导体材料、金属半导体材料和PN结材料 D. 电子、载流子和光子 3、光波在大气中传播时，引起的能量衰减与（abcd ）有关 A.分子及气溶胶的吸收和散射 B.空气折射率不均匀 C.光波与气体分子相互作用 D.空气中分子组成和含量 4、2009年10月6日授予华人高锟诺贝尔物理学奖，提到光纤以SiO2为材料的主要是由于（ a ） A.传输损耗低 B.可实现任何光传输 C.不出现瑞利散射 D.空间相干性好 5、激光调制器主要有（abc ） A.电光调制器 B.声光调制器 C.磁光调制器 D.压光调制器 6、电光晶体的非线性电光效应主要与（ac ）有关 A.外加电场 B.激光波长 C.晶体性质 D.晶体折射率变化量 7、激光调制按其调制的性质有（cd ） A.连续调制 B.脉冲调制 C.相位调制 D.光强调制 8、光电探测器有（abc ） A.光电导探测器 B.光伏探测器 C.光磁电探测器 D.热电探测元件 9、CCD 摄像器件的信息是靠（ b ）存储 A.载流子 B.电荷 C.电子 D.声子 10、LCD显示器，可以分为（abcd ） A. TN型 B. STN型 C. TFT型 D. DSTN型
西南科技大学2009—2010学年第1学期 《 光电子技术》期末考试试卷（A ） 二、判断题（20分，2分/题，对用“√”、错用“×”标记） 11、世界上第一台激光器是固体激光器。 ( T ) 12、在辐射度学中，辐射能量Q 是基本的能量单位，用J(焦耳)来度量。 ( T ) 13、在声光晶体中，超声场作用像一个光学的“相位光栅”，其光栅常数等于光波波长λ。 ( F ) 14、在磁光晶体中，当磁化强度较弱时，旋光率α 与外加磁场强度是成正比关系。( T ) 15、为了获得线性电光调制，通过引入一个固定2/π相位延迟，一般该调制器的电压偏置 在T ＝50％的工作点上。 ( T ) 16、在磁光调制中的磁性膜表面用光刻方法制作一条金属蛇形线路，主要为了实现交替变 化的磁场。 ( T ) 17、探测器的量子效率就是在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数 之比。 ( T ) 18、二代像增强器以纤维光学面板作为输入、输出窗三级级联耦合的像增强器。( F ) 19、阴极射线管的电子枪的作用是产生辉亮信号和彩色显示。 ( F ) 20、等离子体显示主要是通过电流激发气体，使其发出肉眼看不见的紫外光碰击后面的玻 璃上的红、绿、蓝三色荧光体，它们再发出我们在显示器上所看到的可见光。( T ) 三、填空题（10分，1分/题） 21、红外辐射其波长范围在 0.76~1000um 。 22、光纤通信中常用的光源波长为 850 1310 1550um 。 23、在t J t P t E E ??-??-=??+????????μμμε22220中，对于半导体而言，起主要作用是 t t P ?-??-??μμ22 。
西南科技大学2009——2010学年第1学期《光电子技术》期末考试试卷（A卷）
西南科技大学2009——2010学年第1学期 《光电子技术》期末考试试卷（A卷） 31、答： 光子效应是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。光子能量是νh，h是普朗克常数, ν是光波频率，所以，光子效应就对光波频率表现出选择性，在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。5分 光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量νh的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。5分32、答： 转移效率：电荷包在进行每一次转移中的效率；2分
不均匀度：包括光敏元件的不均匀与CCD的不均匀；2分暗电流：CCD在无光注入和无电注入情况下输出的电流信号；1分灵敏度：是指在一定光谱范围内，单位暴光量的输出信号电压（电流）；1分光谱响应：是指能量相对光谱响应，最大响应值归一化为100%，所对应的波长峰值波长，低于10%的响应点对应的波长称为截止波长；1分噪声：可以归纳为散粒噪声、转移噪声和热噪声；1分 参考答案及评分细则 西南科技大学2009——2010学年第1学期 《光电子技术》期末考试试卷（A卷） 分辨率：是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力；1分动态范围和线性度：动态范围=光敏元件满阱信号/等效噪声信号，线性度是指在动态范围内，输出信号与暴光量的关系是否成直线关系。1分33、答： 等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除去固、液、气态外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的电场和磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。4分等离子体显示搬是利用气体放电产生发光现象的平板显示的统称。1分等离子体显示技术（Plasma Display）的基本原理：显示屏上排列有上千个密封的小低压气体室（一般都是氙气和氖气的混合物），电流激发气体，使其发出肉眼看不见的紫外光，这种紫外光碰击后面玻璃上的红、绿、蓝三色荧光体，它们再发出我们在显示器上所看到的可见光。5分
选择题 1.光通量的单位是（ B ）. A.坎德拉 B.流明 C.熙提 D.勒克斯 2. 辐射通量φe的单位是（ B ） A 焦耳 (J) B 瓦特 (W) C每球面度 (W/Sr) D坎德拉(cd) 3.发光强度的单位是（ A ）. A.坎德拉 B.流明 C.熙提 D.勒克斯 4.光照度的单位是（ D ）. A.坎德拉 B.流明 C.熙提 D.勒克斯 5.激光器的构成一般由（ A ）组成 A.激励能源、谐振腔和工作物质 B.固体激光器、液体激光器和气体激光器 C.半导体材料、金属半导体材料和PN结材料 D. 电子、载流子和光子 6. 硅光二极管在适当偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且 动态范围较大。适当偏置是（D） A 恒流 B 自偏置 C 零伏偏置 D 反向偏置 年10月6日授予华人高锟诺贝尔物理学奖，提到光纤以SiO2为材料的主要是由于（ A ） A.传输损耗低 B.可实现任何光传输 C.不出现瑞利散射 D.空间相干性好 8.下列哪个不属于激光调制器的是（ D ） A.电光调制器 B.声光调制器 C.磁光调制器 D.压光调制器 9.电光晶体的非线性电光效应主要与（ C ）有关 A.内加电场 B.激光波长 C.晶体性质 D.晶体折射率变化量 10.激光调制按其调制的性质有（ C ） A.连续调制 B.脉冲调制 C.相位调制 D.光伏调制 11.不属于光电探测器的是（ D ） A.光电导探测器 B.光伏探测器 C.光磁电探测器 D.热电探测元件 摄像器件的信息是靠（ B ）存储 A.载流子 B.电荷 C.电子 D.声子 显示器，可以分为（ ABCD ） A. TN型 B. STN型 C. TFT型 D. DSTN型 14.掺杂型探测器是由（ D ）之间的电子-空穴对符合产生的，激励过程是使半导体中的载流子从平衡状态激发到非平衡状态的激发态。 A.禁带 B.分子 C.粒子 D.能带 15.激光具有的优点为相干性好、亮度高及（ B ） A色性好 B单色性好 C 吸收性强 D吸收性弱 16.红外辐射的波长为（ D ）. A 100-280nm B 380-440 nm C 640-770 nm D 770-1000 nm 17.可见光的波长范围为（ C ）.
1.1可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少？ 波长：380~780nm 400~760nm 频率：385T~790THz 400T~750THz 能量：1.6~3.2eV 1.2辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？ 为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。根本区别在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。因为光度参数只适用于0.38~0.78um 的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。而量子流是在整个电磁辐射，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量.光源在给定波长λ处，将λ～λ+d λ范围内发射的辐射通量 d Φe ，除以该波长λ的光子能量h ν，就得到光源在λ处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。 1.3一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m 的高处，用照度计测得正下方地面的照度为30lx ，求出该灯的光通量。 Φ=L*4πR^2=30*4*3.14*1.5^2=848.23lx 1.4一支氦-氖激光器（波长为63 2.8nm ）发出激光的功率为2mW 。该激光束的平面发散角为1mrad,激光器的放电毛细管为1mm 。 求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。 若激光束投射在10m 远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为0.85，求该屏上的光亮度。 322 51122()()()6830.2652100.362()()22(1cos )()0.362 1.15102(1cos )2(1cos 0.001) 1.4610/cos cos cos 0 ()0.3v m e v v v v v v v v v v v K V lm d I d S Rh R R I cd dI I I L cd m dS S r d M dS λλλλλππθλπθπθθπλ-Φ=Φ=???=Φ?Φ= =Ω?Ω ??Ω===-?Φ===?--??====??Φ==52262 4.610/0.0005lm m π=??'2' ''22 2' '2'2 '100.0005(6)0.850.850.85cos 0.85155/cos 2v v v v v v v v l m r m P d r M E L dS l r L d dM l L cd m d dS d πθπθπ =>>=Φ===??Φ====ΩΩ
重庆大学“光电子技术”课程试卷 2011~20012学年 第一学期 开课学院： 光电工程学院 课程号： 12001025 考试日期： 2010.12.29 考试方式： 考试时间：120分钟 一、 概念题（３分/每小题，共4５分） 1. 写出麦克斯韦方程组的积分形式及其物理意义： jie 2. 光波在介质界面两侧肯定跃变的量是： jie 3. 电场和磁场两者关系是： 077 4. 自发辐射和受激辐射有什么区别？ jie 5. 以布儒斯特角入射时，反射光和透射光分别含有哪些偏振分量： 6. 产生激光器的条件有哪些？ 7. 要探非常微弱的光信号，PIN 必须采用（ ）接法，这种接法的主要 缺点是（ ） 8. 光纤射出光纤的发散角与数字孔径的关系？ 9. 画出LED 、PIN 的输入输出曲线 202 10. APD 的增益与偏压、温度呈什么变化趋势？ jie 11. 声光调制能够改变入射光波哪些参量？ 12. 相关检测时，对参考信号有什么要求： 13. 多模光纤受到微弯损耗时，什么模最敏感？ 14. 光纤通信系统中最大无中继距离由哪些因素决定： 命题人：邹建 组题人： 审题人：潘英俊 命题时间： 教务处制 学院 专业、班 年级 学号 姓名 公平竞争、诚实守信、严肃考纪、拒绝作弊 封 线 密
15.磁光调制改变的光波什么量？ 二、简述题（3０分） １．光纤大电流传感器系统中，如果最大电流导致的偏转角超越了检偏器的通光轴，会导致什么结果？要求画图说明（１5分） ２．使用光子计数法探测微弱光信号时，预先测出计数窗口为2-3.4V，大于3.4V 的计数速率为500/分钟，某次实验时，窗口内计数为300000/分钟，大于 3.4V的计数速率为5000/分钟，请问：（15分） 1、此时该计数结果是否正常？ 2、估算误差大约有多少？ 3、如何让光子计数更加准确？ 三、分析、计算题（1０分） 试用菲涅耳公式计算，当光从空气中垂直射向水面时，能够从水面反射多少比例 的光功率，水的折射率1.33（１０分） 四、设计题（１５分） 设计一个光纤位移测试系统，采用光纤-光纤耦合原理，即耦合效率与光纤位置有关。要求画出原理框图，尽量给出定量的计算公式。
一、选择题（20 分，2 分/题） 1、光电子技术在当今信息时代的应用主要有（abcd ） A.信息通信 B.宇宙探测 C.军事国防 D.灾害救援 2、激光器的构成一般由（a ）组成 A.激励能源、谐振腔和工作物质 B.固体激光器、液体激光器和气体激光器 C.半导体材料、金属半导体材料和PN 结材料 D. 电子、载流子和光子 3、光波在大气中传播时，引起的能量衰减与（abcd ）有关 A.分子及气溶胶的吸收和散射 B.空气折射率不均匀 C.光波与气体分子相互作用 D.空气中分子组成和含量 4、2009 年10 月6 日授予华人高锟诺贝尔物理学奖，提到光纤以SiO2为材料的主要是由于（ a ） A.传输损耗低 B.可实现任何光传输 C.不出现瑞利散射 D.空间相干性好 5、激光调制器主要有（abc ） A.电光调制器 B.声光调制器 C.磁光调制器 D.压光调制器 6、电光晶体的非线性电光效应主要与（ac ）有关 A.外加电场 B.激光波长 C.晶体性质 D.晶体折射率变
化量 7、激光调制按其调制的性质有（cd ） A.连续调制 B.脉冲调制 C.相位调制 D.光强调制 8、光电探测器有（abc ） A.光电导探测器 B.光伏探测器 C.光磁电探测器 D.热电探测元 件 9、CCD 摄像器件的信息是靠（ b ）存储 A.载流子 B.电荷 C.电子 D.声子 10、LCD 显示器，可以分为（abcd ） A. TN 型 B. STN 型 C. TFT 型 D. DSTN 型 二、判断题（20 分，2 分/题，对用“√”、错用“×”标记） 11、世界上第一台激光器是固体激光器。 ( T ) 12、在辐射度学中，辐射能量Q 是基本的能量单位，用J(焦耳)来度量。 ( T ) 13、在声光晶体中，超声场作用像一个光学的“相位光栅”，其光栅常数等于光 波 波 长
一、 名词解释 1、光子态：光子的运动状态简称光子态 2、光子简并度：处于同一光子态的平均原子数目称为光场的光子简并度。 3、多普勒加宽：多普勒加宽是一种重要的非均匀加宽，其加宽机制是由于光学多普勒效应，即多普勒频移影响频率分布，最终产生光谱线的多普勒加宽 4、模式竞争：在激光器中各模间呈现竞争反转原子使优势模光强更大，其他模式光强减小甚至增益小于损耗而停止振荡。 5、频率牵引：由放大器原子相移所引起的激光器振荡模频率比无源腔模频率更向中心频率靠拢的现象，称为激光器频率牵引效应。 6、自发辐射：处于高能级的原子在没有任何外场的情况下可自发的跃迁到低能级，发出一个能量为νh 的光子，这种光发射叫做自发辐射。 7、受激辐射：处于高能级的原子在特定能量外来电子的激励下从高能级跃迁到低能级，同时释放一个与外来光子处于同一光子态的光子。 8、受激吸收：处于低能级的原子在外来光子的激励下，吸收一个光子并跃迁到高能级上的过程叫做受激吸收。 9、声光效应：光波经过具有超声场作用的介质时被衍射的现象就是声光效应。 10、电光效应：在外加电场的作用下，本来是各向同性的介质也可以产生双折射现象，而本来有双折射性质的晶体，其双折射性质也要发生改变，这是电光效应。 二、简答 1、何为粒子数的反转分布？通常为什么要实现粒子数反转分布？ 答：物质处于非平衡状态时，高低能级之间要满足01 212>-g g n n 的状态称之为粒子数反转分布。 当光通过介质时，在共振作用下，必然同时存在受激吸收和受激辐射这两个相反的过程，前者使入射光减弱，后者使入射光加强。要使介质对入射光产生光放大作用，必
须是受激辐射跃迁的速率大于受激吸收的跃迁速率。这就必须使的st st dt dn dt dn )()(1221>；121212w n w n >，即ννρρ121212B n B n >；又由于211221g g B B =;所以01 212>-g g n n 。 2、简述均匀加宽激光器中的模式竞争过程？ 答：在均匀加宽激光器中，如果多个纵模都满足增益条件，那么开始时都可通过受激辐射使的光子数增加，从而使光强增大；但随着光强的增加，出现增益饱和，增益曲线均匀饱和下降，于是使的偏离中心频率较远的模由于增益小于损耗停止振荡，最后只留下离中心频率最近的模形成稳定振荡。 3、叙述激光器的纵模、横模的定义及形成机理？ 答：纵模：电磁场在光的传播方向上按照空间周期波长λ的场分布； 横模：电磁场在垂直光的传播方向的横截面上的场分布。 纵模的形成机制为光波往返振荡一次干涉加强形成。 横模的形成机制为光波在腔内往返多次传播后，在垂直光的传播方向上的振幅和相位形成稳定的空间分布。 4、四能级和三能级泵浦系统相比有什么优点？为什么？ 答：四能级系统比三能级系统更容易实现原子集居数密度反转分布，因为四能级中： 10E E →有大的无辐射跃迁几率，可近似的认为 1E 是一个空能级，产生激光的是1E 2E 能级。而在三能级中，产生激光的也是1E 2E 能级，但1E 是基态，比较稳定，实现上能级 与一个空能级反转毕竟要比一个相当满是我基态能级间的反转分布来的容易。 5、何谓增益饱和？均匀加宽增益饱和与非均匀加宽增益饱和的基本特性是什么？ 答：当入射光的光强增大到一定程度以后，增益系数随光强的增大而减小，这种现象叫增益饱和。 均匀加宽增益饱和效应表现为：整个增益曲线均匀下降。 非均匀加宽增益饱和效应表现为：0 1=ευυ的那些原子出现增益饱和，其他原子可几乎不与入射光子相互作用并维持未饱和状态，则会出现增益曲线“烧孔”效应。 6、产生多普勒加宽的机制是什么？ 答：多普勒加宽是一种重要的非均匀加宽，其加宽的机制是由于光学多普勒效应，即多普勒频移影响频率的分布，最终产生光谱线的多普勒加宽。 7、简述调Q 激光器的基本原理？
1、某单色光频率为3×1014Hz ，该单色光在水中（n=1.33）的速度和波长。 答：v=c/n=3*108/1.33=2.26*108m/s λ=v/f=2.26*108/3*1014 =0.75*10-6m 2、某星球的辐射出射度的峰值波长为400nm ，试估算该星球表明的温度。 答：由维恩位移律λmT=b 得 T=b/λm =2.898*10-3/400*10-9=7.245*103 k 3、简述光子简并和能级简并 答：光子简并：光子的运动状态简称为光子态。光子态是按光子所具有的不同能量（或动量数值），光子行进的方向以及偏振方向相互区分的。处于同一光子态的光子彼此之间是不可区分的，又因为光子是玻色子，在光子集合中，光子数按其运动状态的分布不受泡利不相容原理的限制。可以有多个光子处于同一种光子态上，这种现象称为简并。处于同一光子态的平均光子数目称为光场的简并度δ。δ=1/（e h υ /kT -1） 4、什么是亚稳态能级。 答：若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射跃迁，则该态的平均寿命会很长τs >>10-3s,称为亚稳态能级，相应的态为亚稳态。 5、设二能级系统，发生受激辐射时，对入射光场的要求是什么？ 6、产生激光的重要机理是 答：受激辐射 9、从能级理论出发，解释Nd:YAG 激光器工作原理（p44-45） 10、解释增益饱和效应 答：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程度时，增益系数将随光强的增大而减小，这种增益系数随光强的增大而减小的现象称为增益饱和效应。 11、两种介质A 、B 的折射率分别为nA=1，nB=1.2，当光从B 传播到A 时，计算：1）发生全反射的零界角 2）布鲁斯特角 答：1.θc =arcsin （n 2/n 1）（n 1>n 2） =arcsin （1/1.2）=56.44° 2. tan θ=n 2/n 1 θ=arctan （n 2/n 1） =arctan （1/1.2）=39.8° 12、人体辐射出射度的峰值波长为（ ） 答：由维恩位移律λmT=b 得 λm =b/ T =2.898*10-3/（37+273）=9.35*10-6m 13、红宝石激光器利用（氙灯）作为泵浦源。 14、光纤长距离通信中传播信息光的波长为(1550nm)，在接收端光电二极管所使用的材料是(InGaAs) 15、某阶跃光纤：n1=1.490, n2=1.480,则光纤的临界传播角为多少？ 答: α=arcsin （n 2/n 1）=arcsin （1.48/1.49）=83.4° 16、某平板介质波导：2a=10μm, n1=1.480, n2=1.470,则该波导的截止波长为多少？ 答：平板v=π/2（光纤v=2.405） V=（2πa/λc ）2 221n n - λc =2πa 2 2 21n n -/ V=（10*π2247 .148.1-）/（π/2）=3.44μm 17、已知某平板介质波导：2a=80μm, n1=1.490, n2=1.470,入射光波长为λ=1μm ，在该波导中存在的模式数为 答：M=V 2/2=(π/2)2/2=1 18、解释材料色散产生的原因 答：材料色散：是由于折射率随波长变化的，而光源都具有一定的波谱宽度，因而产生传播时延差，引起脉冲展宽。 补充： 模式色散：在阶跃光纤中，入射角不同的光波在光纤内走过的路径长短不同，在临界角上传输的光路最长，沿光纤轴线传输的光路最短，由此引起时延差而产生模式色散。 波导色散：是由光纤的几何 结构决定的色散，它是由某一波导模式的传播常数β随光信号角频率w 变化而引起，也称为结构色散。 19、简述谐振腔的作用 答：使光只能沿着轴线方向往返运动（方向性） 筛选光频率，只能使满足干涉相干条件频率的光能在腔内往返运动（单色性） 增加光强度，实现光放大（高亮度） 20、半导体激光器实现光放大的物质条件是什么 答：PN 结附近或导带电子和价带空穴相对反转分布 21、激光产生的条件具体有那些 答：必要；粒子数反转分布和减少振荡模式数 充分；起振和稳定振荡 计算：1）入射光波长为1550nm ，Pin=0.05W ，Pout=0.002W ，估算光纤中信号能传输的最远距离。 2）光源为激光，λc=1550nm,光源脉宽Δλ=0.5nm ，假设信号传输1km ，计算由于材料色散造成的脉冲信号展宽σ。 3）只考虑材料色散，估算信号 在光纤中传播1km 的bit rate 的最大值。 答：1. α=10lg(p i /p o )/L L=10*lg （0.05/0.002）/0.36=38.8m 2. σ=Δλdn/cd λ=0.5*10-9/3*108=1.7*10-18s/m 3.B<=1/（4Δτ） Δτ=L|D m |Δλ 24、已知输入信号频率最大值为 1kHz ，输入信号峰值为3V ，脉冲编码调制采用4位编码 则：1）采样频率最小值为？ 2）采用有舍有入的方式，量化单元为？由此产生误差的最大值为？ 答： 25、KDP 晶体的纵向电光效应中，Δφ=？V π=？ 答：Δφ=（2π/λ）n 03γ63v V π=λ/（2 n 03γ63）=πC/（wn 03γ63） 26、电光强度调制中如何解决信号失真问题？推导解决失真后的透射率表达式。 答：a.在调制晶体上加一个恒定的直流电压V=Vn/2，该直流电压使两束光产生相位延迟π/2； b ．在光路中增加一片λ/4波片 27、调制:将欲传递的信息加载到激光 辐射上的过程。 28、脉冲编码调制是把模拟信号先变 成电脉冲序列，进而变成代表信号信息的二进制编码，再对光载波进行强度调制。 要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程:抽样、量化和编码。 抽样：将连续的信号分割成不连续的脉冲波，且脉冲序列的幅度与信号波的幅度相对应。要求取样频率比传递信号频率的最大值大两倍 以上。 量化：把抽样后的脉冲幅度 调制波分级取整处理，用有限个数的代表值取代抽样值的大小。 编码：用量化的数字信号变 成相应的二进制代码的过程，用一组等幅度、等宽度的脉冲作为码元。 29、解释电光效应 答：某些晶体在外加电场作用下，折射率发生变化，当光波通过此介质时，其传播特性就会受到影响。 30、解释半波电压 答：光波在光晶体中传播时，当光波的两个垂直分量的光程差为半个波长时所需要加的电压，称为半波电压。 32、渡越时间对调制信号频率有什么影响？ Δфo 是当ωm τd <<1时的峰值相位延迟；γ称为高频相位延迟缩减因子，表征因渡越时间引起的峰值相位延迟的减小程度。只有当ωm τd <<1。即τd << T m / 2π时， γ=1，即无缩减作用。说明光波在晶体内的渡越时间必须远小于调制信号的周期，才能使调制效果不受影响。 33、某电光晶体n=1.5，L=1cm ，ωm τd =π/2,则调制信号最高频率为？ 答：f m =w m / 2π=1/4τd =c/4nL=3*108/（4*1.5*0.01）=5*109Hz 34、解释声光效应（p136-137） 答：当光在建立起超声场的介质中传播时，由于弹光效应，光介质中的超声波衍射或散射的现象。 补充：介质光学性质的变 化，不仅可以通过外加电场的作用而实现，外力的作用也能够造成折射率的改变，这种由于外力作用而引起介质光学性质变化的现象称为弹光效应。 36、声光调制器件由声光介质，电——声换能器，吸声装臵以及电源组成。 采用布喇格衍射。 35、声光效应中发生Bragg 衍射的条件是什么？Bragg 衍射的特点是？ 答：条件：1）超声波频率足够高L=λs /λ 2）光线倾斜入射，当入射角θB 满足2λs sin θB =λ产生布喇格衍射 特点：1）衍射光只有0级，+1 或-1级，布喇格衍射效应制成的声光器件效率比较高。 2）两级衍射光夹角为2 θB 3）衍射效率 η=I 0/I i =sin 2[（π L/2 λ） s P M H L 2)/(]=sin 2 [πL/ 2λs I M 2] 37、调Q 的目的是压缩脉冲宽度，提高峰值功率。 38、解释激光器的Q 值？Q 值和激光器的损耗之间有什么关系？ 答：Q 值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标—品质因数。 品质因子Q 与谐振腔的单 程总损耗的关系 Q=2πW/P=2π/λα总 39、叙述调Q 的过程？ 答：过程1.在泵浦过程的大部分时间里（t-t 0）谐振腔处于低Q 值状态，故阈值很高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至t 0时刻，粒子数反转达到最大值Δni 过程2. t 0时刻Q 值突然升 高（损耗下降），振荡阈值随之降低， 于是激光振荡开始建立。由于此Δni>>Δnt （阈值粒子反转数），因此受激辐射增强非常迅速，激光介质存储的能量在极短时间内转变为受激辐射场的能量，结果产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。 41、叙述声光调Q 的原理。 答：利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，调节腔内光子的反射损耗。 40、叙述电光调Q 的原理。 答：电光调Q 是指在激光谐振腔内加臵一块偏振片和一块KDP 晶体。光经过偏振片后成为线偏振光，如果在KDP 晶体上外加λ/4电压，由于泡克尔斯效应，使 往返通过晶体的线偏振光的振动方向改变π/2。如果KD*P 晶体上未加电压，往返通过晶体的线偏振光的振动方向不变。所以当晶体上有电压时，光束不能在谐 振腔中通过，谐振腔处于低Q 状态。由于外界激励作用，上能级粒子数便迅速增加。当晶体上的电压突然除去时，光束可自由通过谐振腔，此时谐振腔处于高Q 值状 态，从而产生激光巨脉冲。电光调Q 的速率快，可以在10-8秒时间内完成一次开关作用，使激光的峰值功率达到千兆瓦量级。如果原来谐振腔内的激光已经是线 偏振光，在装臵电光调Q 措施时不必放臵偏振片。 42、什么是单模光纤？成为单模光纤的条件是什么？ 答：只允许基模通过的光纤为单模光纤。 条件：V=（2πa/λc ）2 221n n -<2.405 光纤直径很小、λ>λc 43、试比较单模光纤和多模光纤的区别（阶跃光纤） 答：单模光纤的数值孔径比较大，单 模光纤只允许基模通过而多模光纤则允许若干个模式通过。单模芯径为8~10μm ，多模光纤的芯径为50~100μm. 44、光纤中存在哪几种损耗 答：吸收损耗：当光波通过任何透明物质时，都要使组成这种物质的分子中不同振动状态之间和电子的能级之间发生跃迁。这种能级跃迁时， 物质吸收入射光波的能量引起的光的损耗。 散射损耗：由于光纤制作工艺上 的不完善，例如有微气泡、杂质和折射率不均匀以及有内应力等，光能在这些地方会发生散射，使光纤损耗增大。 弯曲损耗：光纤弯曲是引起光纤 损耗的另一个重要的原因。光纤是柔软的，可以弯曲。弯曲的光纤虽然可以导光，但是会使光的传播路径改变，使得光能渗透过包层向外泄漏而损失掉。 45、解释瑞利散射 答：物质散射中最重要的是本征散射，也成为瑞利散射。本征散射是由玻璃熔制过程中造成的密度不均匀而产生的折射率不均匀引起的散射。瑞利散射与波长的四次方成反比。瑞利散射引起的损耗： αRs =（A/λ4）（1+B Δ） 46、光纤通信中常用的波段的波长是多少？为什么使用该波长？ 答：光在Sio 2中传输 850nm （损耗比较小）、1300nm （色散最小）、1550nm （损耗最小） 48、光纤的基本结构是什么？每部分的作用是什么？ 答：基本结构：护套、涂敷层、包层和纤芯