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光电子技术,习题解答

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1. 什么是光电子技术？当前光电子技术备受重视的原因是什么？答：光电子技术是研究从红外波、可见光、X射线直至γ射线波段范围内的光波。

电子技术，是研究运用光子和电子的特性，通过一定媒介实现信息与能量转换、传递、处理及应用的科学。

因为光电子技术的飞速发展，使得光电子技术逐渐成为高新科学技术领域内的先导和核心，在科学技术，国防建设，工农业生产、交通、邮电、天文、地质、医疗、卫生等国民经济的各个领域内都获得了愈来愈重要的应用，特别是正逐渐进入人们的家庭，因此光电子技术备受重视。

2. 什么叫光的空间相干性？时间相干性？光的相干性能好差程度分别用什么衡量？它们的意义是什么？答：空间相干性是指在同一时刻垂直于光传播方向上的两个不同空间点上的光波场之间的相干性，空间相干性是用相干面积Ac来衡量，Ac愈大，则光的空间相干性愈好。

时间相干性是指同一空间点上，两个不同时刻的光波场之间的相干性，用相干时间t c=L c／c来衡量，t c愈大，光的时间相干性愈好。

3. 世界上第一台激光器是由谁发明的？它是什么激光器？它主要输出波长为多少？答：1960年5月16日、美国梅曼博士、红宝石激光器、6943Å。

4. 自发辐射与受激辐射的根本差别是什么？为什么说激励光子和受激光子属同一光子态？答：差别在有没有受到外界电磁辐射的作用；因为有相同的频率、相位、波矢和偏振状态。

5. 为什么说三能级系统实现能态集居数分布反转要比四能级系统困难？答：因为三能级系统的上能级为E2，下能级为E1，在E2上停留的时间很短，而四能级系统在E3上呆的时间较长，容易实现粒子数反转。

6. 激光器的基本组成有哪几部分？它们的基本作用是什么？答：组成部分：工作物质、泵浦系统、谐振腔工作物质提供能级系统、泵浦源为泵浦抽运让粒子从下能级到上能级条件、谐振腔起正反馈作用7. 工作物质能实现能态集居数分布反转的条件是什么？为什么？对产生激光来说，是必要条件还是充分条件，为什么？答：工作物质要具有丰富的泵浦吸收带，寿命较长的亚稳态，要求泵浦光足够强；必要条件，因为它还以kkk谐振腔内以提供正反馈。

8. 光学谐振腔有稳定腔和非稳腔之分，非稳腔是不是指工作状态不稳定的腔？为什么？答：不是，满足0<g1g2<1的共轴球面腔为稳定腔，其特点是任意傍轴光线在腔内可往返无限多次，即在腔内传播的傍轴光线的几何损耗为零；满足g1g2>1或g1g2<0的腔都称非稳腔，非稳腔的特点是，傍轴光线在腔内经有限次往返后必从侧面逸出腔外，因而具有较高的几何损耗。

9. 给定一个光学谐振腔的几何尺寸R1、R2和L，如何判别它属哪一类型腔？答：由谐振腔系数g, g1=1-L／R1，g2=1-L／R2判别。

0<g1g2<1（稳）g1g2>1或g1g2<0（非）g1g2=0或1（临界腔）10. 光学谐振腔有哪两种重要作用？如何说明这两种作用？答：①正反馈作用：通过谐振腔的结构类型②控制振荡光束的作用：谐振腔模式：纵模和横模，对入射光频率具有选择性。

11. 什么是能级的基态和激发态？何为辐射跃迁和无辐射跃迁？答：基态是指体系中能量最低的态，处于基态的原子运动最稳定；其它态称为激发态。

辐射跃迁是指在外界电磁辐射下原子有高能级向低能级跃迁的过程；无辐射跃迁是指原子自发地从高能级向低能级跃迁的过程，亦称为自发辐射跃迁。

12. 自发辐射系数，受激辐射系数和受激吸收的定义式，它们间有何关系?答：自发辐射系数：A21=受激辐射系数：受激吸收系数：关系：13. 谱线宽度的定义？何为均匀和非均匀加宽？具体有哪几种？答：原子的自发辐射发出的光并不是单一频率的单色光，具有一定的宽度，称为谱线宽度；自然加宽对每个原子来说都是一样，称为均匀加宽，非均匀加宽指由不同分子向谱线的不同频率发射引起的；均匀加宽有自然加宽和压力加宽；非均匀加宽有多普勒加宽。

14. 假设一对激光能级为E2和E1，相应的频率为ν，能级的粒子数密度为N2、N1求：①当ν=300MHz，T=300K，N2／N1=？②当λ=1μm，T=300K，N2／N1=？③当λ=1μm，N2／N1=2，求T。

15. 今有一平凹腔，腔长L=80cm，凹R=150cm，验证它为稳定腔。

解：平凹腔，R1=∞，g1=1-L/R1=1 R2=150cm，则g2=1-L/R2=1-80/150=7/15<1 0<g1g2<1，故为稳定腔。

16. Nd-YAG激光器的1.0um荧光谱线宽度是1.95×109Hz，若激光腔长为1.5m，问激光器能有几个激光振荡，设折射率u=1解：17. 产生激光振荡的频率，其振荡模式（纵）取决于什么条件？答：18.19. 某高斯光束腰斑大小W 0=1.14mm ，λ=10.6um ，求与束腰相距30cm ，10m ，1000m 处光斑大小W 及波前曲率半径R 0。

解：f=λπω2=623106.101014.114.3--⨯⨯⨯）（=0.385m ωz =ω0[1+（f z ）2]1/2=1.14322310445.1385.01030110---⨯=⨯+⨯⨯）（ 同理：可得z=10m ，1000m 是，ωz 分别为0.0296m ，2.96mR z =z+zf 2，R z 分别为0.794m ，10.01m ，1000.001m 20. 激光有何基本特性？答：单色、相干、方向性和高亮度。

21. 试列出几种激光器的下述性能：激活粒子、工作中心波长、工作能级系统、红宝石激光器 +3r C 0.6943um 三能级 闪光灯泵浦系统 低温下连续 N d Y AG N d 3+ 1.06um 四能级 高效脉冲 灯 室温下连续 He-Ne Ne 0.6328um 四能级 放电 连续运转 Co 2 Co 2 10.6um 、9.6um 四能级 放电 连续运转 A r + A r + 4880 Å、5145 Å 四能级 放电 脉冲N 2 N 2 3371 Å 四能级 放电 脉冲染料分子 染料分子 四能级 脉冲泵浦 脉冲连续22. 在H e -N e 、Co 2激光器中，充以He 、Ne 气的作用是什么？答：在He-Ne 激光器中充以He 气主要起提高Ne 原子泵浦速率的辅助作用，在Co 2激光器中充以He 气作用：①可加速Co 2分子在（010）能级的热弛豫速率，有利于激光下能级上的粒子数抽空；②可利用He 气导热系数大的特点，实现有效传热。

充入N 2的作用是提高Co 2分子的泵浦速率，为Co 2激光器高效运转提供可靠的保证。

23. 以红宝石激光器与N d -YAG 激光器为例，具体阐述四能级系统达到粒子反转阈值条件比三能级系统低。

答：要达到粒子数反转，三能级要求 n 2t =2n n 1+∆ 、四能级 n 3t =Δn t红宝石激光器是三能级系统；Nd-YAG 激光器是四能级系统。

对于红宝石激光器： N 2=8.4x1018/cm 3 N 2/N 0=53%对于 Nd-YAG ： N 3=1.8x1018/cm 3 N 3/N 0=0.13%24. 简述红宝石激光器（6943 Å）和Nd-YAG （1.06um ）激光形成过程答：红宝石：闪光灯泵浦时有很多成分（4100~5500 Å），Cr 3+吸收4100~5500 Å的光跑到4F 1，4F 2的能级再经无辐射跃迁到E 2，又因E 2处于亚稳态（τ=3×10-3s ），则粒子在E 2积累，积累到满足以实现粒子反转产生激光R 1（6943 Å）与R 2（6929 Å）的荧光效率比为7：5，所以R 1竞争荧光强输出、产生激光输出后又从E 3得到补充，W 1+N 2=N 0（1.58×1019/cm 3） N 2=8.4×1018cm -3>20N 25. 详细论述He-Ne 激光器激发原理，并给出有关方程答：当He-Ne 管内的气体放电时，He 原子与高速电子碰撞，被激发到23s 1和21s 0上，进而，这些激发态He 原子通过共振能量转移过程，将处在基态的Ne 原子激发到3S 和2S 能级上。

当被激发到3S 和2S 能级上的Ne 原子数足够多时，会在3S 、2S 能级与3P 、2P 能级间产生粒子数反转通过受激辐射过程则可能产生He-Ne 激光。

相关方程如下：①通过第一类非弹性碰撞，把He 原子从基态激发到激发态He （11s 0）+e →He *（21s 0，23s 1）+e 1②He 原子通过能量共振转移，将能量交给Ne 原子，将基态的Ne 激发到3s 、2s 态。

He *（21s 0）+Ne （1s 0）→Ne *（3s 2）+He （1s 0）-0.048eVHe *（23s 1）+Ne （1s 0）→Ne *（2s 2）+He （1s 0）+0.039eV26. 今有两凹面镜组成谐振腔R 1=R 2=L=100mm ，激光波长λ=10-3mm ，求距光腰z=1000mm 的光斑半径和曲率半径，并求光束延长发散角（u=1）解：∵R 1=R 2=L 故为对称共焦腔，则其光束腰斑大小 ω0=（πλ2L ）1/2=3.99×10-4m f=m 7.110101099.314.3332420=⨯⨯⨯=---）（λμπω 则 ωz =ω0[1+（fz ）2]1/2=3.99×10-4[1+（1/1.7）2]1/2=4.629×10-4m R z =z+f 2/z=1+1.72/1=3.89mθ=rad 1098.71099.314.3104460---⨯=⨯⨯=μπωλ27. 叙述Co 2激光器的激发过程答：①e+Co 2(000)→e 1+Co 2*(001)②N 2(v=0)+e →N 2*（v=1）+e 1 N 2*（v=1）+Co 2（000）→Co 2*（001）+N 2（v=0） 通过上述两种过程有效地实现了Co 2分子在（001）能级上的粒子数积累，一旦实现（001）与（100）、（020）之间的粒子数反转，即可能通过受激辐射产生10.6um 和9.6um 两种波长的激光。

28. 染料激光器有何特点？答：①输出激光波长可调谐②激光脉冲宽度可以很窄，由染料激光器产生的超短脉冲宽度可压缩至飞秒量级③输出功率大④工作物质具有均匀性好等优良的光学性质。

29. 染料激光器主要的激发过程？答：在泵浦光的照射下，大部分染料分子从基态s0激发到激发态s1、s2…上，其中s1态有稍长一些的寿命，因此，其它激发态的分子可很快地跃迁到s1态上，并很快跃迁到s1的最低能级，这些分子跃迁到s0态上较高的振动能级时，就发出荧光，同时很快地弛豫到最低的振动能级上，如果分子在s1和s0之间产生了粒子数反转，就可能产生激光。

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光电子技术课后习题答案

光电子技术课后习题答案

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ΩΦd d ee I =， 且 ()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=-===Ω⎰22000212cos 12sin c R R l l d d rdSd c πθπϕθθ 所以⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=Ω=Φ220012c e e e R l l I d I π2. 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 ee A dI L θ∆cos =强度定义:ΩΦ=d d I ee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：20cos l A d c c θ∆=Ω则在小面源在∆A c 上辐射照度为：20cos cos l A L dA d E cs 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()22cos rl A d d +=Ωθ 则辐照度：()e e e L d rlrdrl L E πθπ=+=⎰⎰∞20022224. 霓虹灯发的光是热辐射吗？l 0SR c第1.1题图L e ∆A s ∆A cl 0 θsθc第1.2题图不是热辐射。

霓虹灯发的光是电致发光，在两端放置有电极的真空充入氖或氩等惰性气体，当两极间的电压增加到一定数值时，气体中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击，使原子中的电子受到激发。

光电子技术期末考试试卷及答案

光电子技术期末考试试卷及答案

光电子技术期末考试试卷及答案题目一：选择题（共10题，每题2分，共计20分）1. 光的波粒二象性是指：A. 光既可以看作电磁波，也可以看作光子；B. 光既可以看作电子，也可以看作波动；C. 光既可以看作光子，也可以看作粒子。

2. 下列器件中，能直接将光信号转换成电信号的是：A. 退化半导体；B. 光电二极管；C. PIN光电二极管；D. 功率光电二极管。

3. 一般情况下，LED在额定工作电流下的发光效率最高，约为：A. 50%；B. 60%；C. 70%；D. 80%。

4. 光路中可以用来调制光强的器件是：A. 光电晶体；B. 光致伸缩材料；C. 电调制器；D. 光盘（散射介质）。

5. 调制蓝光激光器的方法是：A. 直接调制法；B. 外差调频法；C. 电吸收调制法；D. 拉曼散射法。

6. 下列关于光纤损耗的说法，错误的是：A. 光纤中的散射损耗是连接损耗的主要来源；B. 光纤的折射率分布可以影响传导模态和传导损耗；C. 纤芯直径越小，聚光程度越高，散焦越少，损耗越小；D. 纤芯表面上越光滑，损耗越小。

7. 关于光器件中的H快捷开关，错误的说法是：A. 用于实现快速光学切换；B. 具有低损耗和短响应时间；C. 其中的H材料应保证具有高吸收，高速度和低色散；D. H快捷开关的部分实现需要利用量子效应。

8. 下列有关多层膜反射镜的说明中，正确的是：A. 多层膜反射镜是利用膜系构成的干涉层次来实现光反射的；B. 反射波的波峰和波谷能够分别叠加，加大反射效果；C. 多层膜反射镜在太赫兹波领域应用前景广阔；D. 多层膜反射镜将会淘汰传统的MgF2反射镜。

9. 下列器件中，主要应用于光纤通信系统中的是：B. 可调谐（Filter Tunable）半导体激光器；C. 狭缝（Slit）可调谐半导体激光器；D. 光放大器（EDFA）。

10. 下列关于宽带光通信技术说法，不正确的是：A. 宽带光通信技术可以实现对高速宽带信号的直接检测；B. 宽带光通信技术克服了复杂信号处理的难点，提高了数据传输速度；C. 宽带光通信技术是指通过改善光学传输模式、增大光传输载荷和使通信信号便于处理等手段来实现提高通信带宽；D. 宽带光通信技术是指利用空间光调制器等器件来提高通信带宽。

光电子技术安毓英习题答案(完整版)

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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 ee A dI L θ∆cos =强度定义:ΩΦ=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：2cos l A d cc θ∆=Ω 则在小面源在∆A c 上辐射照度为：2cos cos l A L dA d E cs 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()22cos r l A d d +=Ωθ则辐照度：()e e e L d rlrdrl L E πθπ=+=⎰⎰∞20022227.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2151()1e C TC M T eλλλ=-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 cl 0θsθc第1.2题图⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=0000000002251513313221322γγγγγγγγγij 由此可得铌酸锂晶体在外加电场后的折射率椭球方程为：12)(2)1()1()1(2251233121322202152220=-++++++++-xy E xz E yz E z E n y E E n x E E n x x z z ez y z y γγγγγγγ （1）通常情况下，铌酸锂晶体采用450－z 切割，沿x 轴或y 轴加压，z 轴方向通光，即有E z =E y =0,且E x ≠0。

光电子技术基础考试题及答案

光电子技术基础考试题及答案

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 100-280nmB 380-440 nmC 640-770 nmD 770-1000 nm17.可见光的波长范围为（ C ）.A 200—300nmB 300—380nmC 380—780nmD 780—1500nm18.一只白炽灯，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，该灯的光通量为（ A ）.A .848lxB .212lxC .424lxD .106lx19.下列不属于气体放电光源的是（ D ）.A .汞灯B .氙灯C .铊灯D .卤钨灯20.ＬＣＤ是（Ａ）A.液晶显示器B.光电二极管C.电荷耦合器件D.硅基液晶显示器21.25mm的视像管，靶面的有效高度约为10mm，若可分辨的最多电视行数为400，则相当于（ A ）线对/mm.A.16B.25C.20D.1822. 光电转换定律中的光电流与 ( B ) .A 温度成正比 B光功率成正比 C暗电流成正比 D光子的能量成正比23. 发生拉曼—纳斯衍射必须满足的条件是( A )A 超声波频率低，光波平行声波面入射，声光作用长度短B 超声波频率高，光波平行声波面入射，声光作用长度短C 超声波频率低，光波平行声波面入射，声光作用长度长D 超声波频率低，光束与声波面间以一定角度入射，声光作用长度短24.光束调制中，下面不属于外调制的是 ( C )A 声光调制B 电光波导调制C 半导体光源调制D 电光强度调制25.激光具有的优点为相干性好、亮度高及 ( B )A 多色性好 B单色性好 C 吸收性强 D吸收性弱26.能发生光电导效应的半导体是 ( C )A本征型和激子型 B本征型和晶格型 C本征型和杂质型 D本征型和自由载流子型27.电荷耦合器件分 ( A )A 线阵CCD和面阵CCDB 线阵CCD和点阵CCDC 面阵CCD和体阵CCD D 体阵CCD和点阵CCD28.电荷耦合器件的工作过程主要是信号的产生、存储、传输和( C )A 计算B 显示C 检测D 输出29.光电探测器的性能参数不包括（D）A光谱特性 B光照特性 C光电特性 D P-I特性30.光敏电阻与其他半导体电器件相比不具有的特点是（B）A.光谱响应范围广B.阈值电流低C.工作电流大D.灵敏度高31.关于LD与LED下列叙述正确的是（C）A. LD和LED都有阈值电流 B .LD调制频率远低于LED C. LD发光基于自发辐射D .LED可发出相干光32.光敏电阻的光电特性由光电转换因子描述，在强辐射作用下（A ）A. ?=0.5B.? =1C. ?=1.5D. ?=233.硅光二极管主要适用于[D]A紫外光及红外光谱区 B可见光及紫外光谱区 C可见光区 D 可见光及红外光谱区34.硅光二极管主要适用于[D]A紫外光及红外光谱区 B可见光及紫外光谱区 C可见光区 D 可见光及红外光谱区35.光视效能K为最大值时的波长是（A ）A．555nm B.666nm C．777nm D.888nm36. 对于P型半导体来说，以下说法正确的是（D）A 电子为多子B 空穴为少子C 能带图中施主能级靠近于导带底D 能带图中受主能级靠近于价带顶37. 下列光电器件, 哪种器件正常工作时需加100-200V的高反压（C）A Si光电二极管B PIN光电二极管C 雪崩光电二极管D 光电三极管38. 对于光敏电阻，下列说法不正确的是：（D）A 弱光照下，光电流与照度之间具有良好的线性关系B 光敏面作成蛇形，有利于提高灵敏度C 光敏电阻具有前历效应D 光敏电阻光谱特性的峰值波长，低温时向短波方向移动39. 在直接探测系统中, (B)A 探测器能响应光波的波动性质, 输出的电信号间接表征光波的振幅、频率和相位B 探测器只响应入射其上的平均光功率C 具有空间滤波能力D 具有光谱滤波能力40. 对于激光二极管（LD）和发光二极管（LED）来说，下列说法正确的是（D）A LD只能连续发光B LED的单色性比LD要好C LD内部可没有谐振腔D LED辐射光的波长决定于材料的禁带宽41. 对于N型半导体来说，以下说法正确的是（A）A 费米能级靠近导带底B 空穴为多子C 电子为少子D 费米能级靠近靠近于价带顶42. 依据光电器件伏安特性, 下列哪些器件不能视为恒流源: （D）A 光电二极管B 光电三极管C 光电倍增管D 光电池43. 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。