光电子学 (第五章1)解析

5.1以图中p型半导体器件为例，栅极加正电压超过MOS晶体管的开启电压时，在半导体金属界面会形成深度耗尽层，称为电子的势阱。

当有光照时，光生电子会聚集在势阱中，形成电荷存储。

以图中三相CCD结构为例，相邻三个栅极电压从高电平依次降低到低电平，为一个周期。

每个栅极电压降低过程与下一个栅极高电平重合。

这样三个栅极位置的电子势阱会依次减小，消失与出现。

存储电子会随着势阱位置的移动发生转移。

电荷输出：外加放大电路，利用电荷电势进行放大，输出信号CCD输出信号的特点：1.信号电压是在浮置电平基础上的负电压2.每个电荷包的输出占有一定的时间长度3.在输出信号总叠加有复位期间的高电平脉冲根据这些特点，对CCD的输出进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平，复位高脉冲及抑制噪声。

5.2光电成像系统利用的都是帧扫描方式，完成一帧扫描所需要的时间称为帧时T，单位时间完成的帧数称为帧速 F, 它们的关系是T=1/F5.3(1)F=0.3m(2) W=n*α=128*a/f=128x100um/0.3m=4.26x10-2 rad5.5从目标调制度（对比度）到人眼观察到，总的调制函数为各个调制函数的乘积，光学体统调制传递函数为MTF O, 人眼能感知的极限调制度为0.026，则0.5×MTF O×0.9×0.5×0.95×0.5≥0.026MTF O≥0.245.7(1)像增强器CCD (ICCD)可以探测微光图像，但是其内经过光子-电子的多次转换，图像质量会有损失，光锥中光纤光栅干涉波纹，折断和耦合损失都将使ICCD输出噪声增加，对比度下降，动态范围减小，影响成像质量。

（2）薄型背向CCD器件灵敏度高，噪声低，但当照度低于10-6 lx 时，只能依赖图像增强来提高增益，克服噪音（3）电子轰击型CCD简化了光子多次转换过程，信噪比大大提高，与ICCD相比，电子轰击型CCD具有体积小，重量轻，可靠性高，分辨率高及对比度好等优点。

第五章 部分相干光理论5.1 证明解析信号()t u 的实部u t r ()()和虚部u t i ()()之间互为希尔伯特变换，即它们之间有下面的关系⎰∞∞--=ξξξπd )(P.V.1)()()(t u t u r i ， ⎰∞∞---=ξξξπd )(.P.V 1)()()(tu t u i r证明：（1）由(5-10)式，解析函数的实部()()0()2Re ()exp(2)d r r u t j t νπνν∞⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦⎰U （5.1-11） 而)](Re[)()(t t u r u =，比较以上两式，可见有关系式⎰∞-=0)(d )2e x p ()(2)(νπννt j t r U u （5.1-13）上式可表示为 ⎰∞∞--+=νπνννd )2exp()()sgn 1()()(t j t r U u （5.1-18）又因为 ()()exp(2)d t j t νπνν∞-∞=-⎰u U所以有 ()()(1sgn )()r ννν=+U U （5.1-19） 对上式两边取傅里叶逆变换11()1()()11()(){()}{()}{(sgn )()}(){sgn )}{()}r r r r t u t νννννν-----==+=+*u U U U U F F F F F 上式中 1{sgn }jtνπ-=-F 再利用卷积定义 ⎰⎰∞∞---=*=*ηξηξηξd d ),(),(y x f g f g g f令 tj f π-= ， )()(t j t f -=-ξπξ ， )()(t u g r = ， )()()(ξξr u g =所以 ⎰∞∞--+=ξξξπd )(..)()()()(t u V P jt ut r r u （5.1-22）可见 ⎰∞∞--=ξξξπd )(..1)()()(t u V P t ur i（2）参考教材中（5.1-10）式的推导过程，对于解析函数的虚部有下式成立⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=⎰∞)()(d )2e x p ()(Re 2)(νπννt j t u i i U （P5.1-1）)](Re[)()(t j t u i u -= （P5.1-2）比较（P5.1-1）和（P5.1-2）式，得到⎰∞-=-0)(d )2exp()(2)(νπννt j t j i U u所以 ⎰∞-=0)(d )2exp()(2)(νπννt j j t i U u)()sgn 1()()(νννi j U U +=对上式两边取傅里叶逆变换得)}(){sgn )}({)}({)()(1)(11ννννi i j j t U U U u ---+==F F F)()}({}{sgn )()(11t ju j i i +*=--ννU F F )(d )(..1)()(t ju tu V P i i +--=⎰∞∞-ξξξπ所以 ⎰∞∞---=ξξξπd )(..1)()()(t u V P t ui r5.2 考察用宽带光作杨氏干涉实验(1) 证明观察屏上的入射光场可表示为⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛-=c r t P t c r t P t t Q 222111,d d ,d d ),(u K u K u 其中 iii i i i i i cr A s cr πθπθ2)(d 2)(k k K ≅=⎰⎰个针孔第 2,1=i 而i A 为第i 个针孔的面积。

5第五章微通道板汇总微通道板（Microchannel Plate，简称MCP）是一种通过微细通道和电子增强器件结合起来的高效光电转换器件。

它具有高增益、高速度、低噪声和宽波长响应等优点，在光学成像、粒子探测和高能物理实验等领域得到广泛应用。

本文将对微通道板的工作原理、结构特点、制备工艺和应用进行总结。

微通道板的工作原理是通过光电子倍增效应将入射粒子或光子转化为电子，并通过微通道中连续的二次电子倍增产生输出信号。

其基本结构由微通道、电阻膜和法拉第阳极组成。

当入射光子或粒子通过微通道时，激发出的光电子经过电阻膜形成雾化电子，然后在微通道内不断碰撞产生二次电子，最终被法拉第阳极收集形成电子输出信号。

微通道板的优点之一是其高增益特性。

由于微通道板内部微通道的连续结构，入射光子或粒子激发的光电子可以不断地在微通道内碰撞产生二次电子，从而实现电子倍增的效果。

这使得微通道板的增益倍数高达数千倍，大大提高了光电转换的效率。

微通道板还具有高速度和低噪声的特点。

微通道板内的微通道结构可以快速传输电子，并且由于二次电子的连续产生，输出信号的响应速度非常快。

同时，微通道板的结构紧密，内部电子传输的距离较短，减小了噪声的干扰，提高了信号的清晰度。

微通道板的制备工艺主要包括电阻膜沉积、微通道腐蚀和阴极活化。

其中，电阻膜沉积是通过真空蒸发或溅射技术，在玻璃基片上制备一层电阻薄膜，用于形成雾化电子。

微通道腐蚀是通过化学蚀刻或离子刻蚀技术，在表面涂覆一层掩膜并进行图案化，然后使用腐蚀液将未被掩膜保护的部分腐蚀掉，形成微通道结构。

阴极活化是通过特殊工艺处理，在微通道板内部的通道表面引入加速电场，从而增强电子传输的能力。

微通道板的应用非常广泛。

在光学成像方面，微通道板可以用于高增益和低噪声的图像增强，提高低亮度成像的效果。

在粒子探测方面，微通道板可以将微观粒子的入射信号转化为易于检测的电子信号，提高了粒子探测的敏感度。

在高能物理实验中，微通道板可以作为粒子探测器件，用于观测高能事件和粒子轨迹的重建。

$1-2 物质的微观结构与能量状态一.原子的微观结构1原子的结构特点1.原子的结构特点（1）“行星结构”⎧⎧（1）行星结构质子⎨⎪⎪⎩原子核中子原子⎨⎧⎪⎨⎪轨道运动核外电子⎩⎩自旋运动电子自旋假设——1925年由荷兰学生乌仑贝克和古兹米特提出。

3、描述电子微观状态的量子数（1）主量子数n：表示原子的主壳层，代表了电子能量的主要部分。

n=1,2,3,4,5,6,7K L M N O P Q K L M N O P Q主壳层上电子个数2281832507298主壳层上电子个数：22,8,18,32,50,72,98n ==n Nl（2）角量子数（副量子数）表示主壳层中的次壳层表示主壳层中的次壳层。

0123451(共个取值)l =0,1,2,3,4,5,...n-1(共n个取值)s p d f g h s p d f g h2610141832=+=次壳层电子个数：2(21)2,6,10,14,18,32l l N•钠原子的核外电子分布：5、泡里不相容原理不能有两个电子同时处在同一个状态即标志两个原子状态的量子数（l s n l m m 即：标志两个原子状态的量子数（、、、）必定有一个不相同。

必定有个不相同。

例：钠原子核外电子的量子数6、能量最低原理：电子填充能级总是从能量最低6能量最低原理：电子填充能级总是从能量最低能级开始，最低能级填满后，再填充较高能级。

次壳层填充顺序：1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f•部分原子的电子组态1H 1s H 12262261Ne 1s 2s 2p 221He 1s Li 1s 2s 2262Na 1s 2s 2p 3s Mg 1s 2s 2p 3s 22Be 1s 2s 22621g Al 1s 2s 2p 3s 3p 221B 1s 2s 2p 1222262222623Si 1s 2s 2p 3s 3p 222223C 1s 2s 2p N 1s 2s 2p 22624P 1s 2s 2p 3s 3p S 1s 2s 2p 3s 3p 224p O 1s 2s 2p 22625p pCl 1s 2s 2p 3s 3p 225F 1s 2s 2p 22626Ar 1s 2s 2p 3s 3p表1-2-1具有一个价电子的原子的状态表示表121具有个价电子的原子的状态表示要求：读懂符号，能求出的取值n l J要求：读懂符号能求出,,作业：1、一个电子处在1s态，另一个电子处在3d态，请写出该原子的状态符号。

光学教程答案(第五章)光学教程答案第五章：光的偏振引言光的偏振是指光波中电场矢量的振动方向。

在自然界中，光通常是无偏振的，电场矢量在各个方向上均有振动。

然而，通过特定的介质或装置，我们可以使光的偏振发生变化。

本章将介绍偏振光的产生、表征和应用。

一、偏振光的产生1.1 通过介质的偏振当光穿过各向同性介质（如玻璃、空气等）时，光的偏振状态通常不会发生变化。

然而，当光通过各向异性介质（如晶体、液晶等）时，光的偏振状态会发生变化。

这是因为各向异性介质的物理性质在不同的方向上不同，从而导致光的传播速度和振动方向发生变化。

1.2 通过偏振器的偏振偏振器是一种特殊的光学装置，可以选择性地通过某个方向的偏振光。

最常见的偏振器是偏振片，它只允许特定方向的光通过，而过滤掉其他方向的光。

偏振片可以用来产生偏振光，例如线偏振光。

二、偏振光的表征2.1 偏振光的振动方向偏振光的振动方向是指电场矢量在空间中的方向。

常见的偏振方式有线偏振和圆偏振。

线偏振光的电场矢量沿着直线方向振动，而圆偏振光的电场矢量沿着圆弧方向旋转。

2.2 偏振光的强度偏振光的强度是指单位面积上通过的光功率。

偏振光的强度与振幅的平方成正比，与振动方向的选择无关。

三、偏振光的应用3.1 光通信偏振光在光通信领域有广泛的应用。

通过选择不同的偏振方向，可以实现多路复用和分路复用，提高光纤传输的效率和容量。

3.2 偏振显微镜偏振显微镜是一种常用的显微镜，可以观察物质的偏振特性。

通过对样品的偏振状态进行分析，可以获得物质的结构、形态和光学性质等信息。

3.3 光偏振滤波器光偏振滤波器可以选择性地通过或屏蔽特定方向的偏振光。

它在光学成像、摄影和显示等领域都有重要的应用，可以改善图像的对比度和清晰度。

结论通过特定的介质和装置，我们可以实现光的偏振控制和调节。

偏振光在光通信、显微镜和滤波器等领域有广泛的应用。

深入理解偏振光的产生、表征和应用，对于光学技术的发展和应用具有重要意义。