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《光电子技术》第四章课后练习题《光电子技术》第四章课后练习题一、选择题（20分，2分/题）1、2017年诺贝尔奖物理学奖颁给LIGO科学合作组织的三名主要成员：雷纳·韦斯（Rainer Weiss）, 巴里·巴瑞希（Barry Barish）, 基普·索恩（Kip Thorne），以表彰他们直接探测到了引力波。
LIGO 的全称是激光干涉仪引力波天文台，它的基本原理就是迈克尔逊干涉仪。
当引力波经过时，干涉仪的双臂长度会有微小的改变，导致产生光程差，科学家们再通过精密测量技术，在各种（）中将微弱的信号捕捉出来。
A. 噪声B. 周期C. 振动D. 振幅2、利用外界因素对于光纤中光波相位的变化来探测各种物理量的探测器，称为（）。
A. 相位调制型探测器B. 相位结合型探测器C. 相位振动型探测器D. 相位干涉型探测器3、半导体激光发光是由（）之间的电子-空穴对复合产生的，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.原子B.分子C.离子D.能带4、固体激光器是以固体为工作物质的激光器，也就是以掺杂的离子型（）和玻璃作为工作物质的激光器。
A. 石英晶体.B. 高纯硅C. 绝缘晶体D. 压电晶体5、光探测器是光纤传感器构成的一个重要部分，它的性能指标将直接影响传感器的性能。
光纤传感器对光探测器的要求包括以下那几个？（）A. 线行好，按比例地将光信号转换为电信号B. 灵敏度高，能敏度微小的输入光信号C. 产品结构简单，易维护D. 性能稳定，噪声小6、光纤传感器中常用的光探测器有以下哪几种？（）A. 光电二极管B. 光电倍增管C. 光敏电阻D. 固体激光器7、红外探测器的性能参数是衡量其性能好坏的依据。
其中响应波长范围（或称光谱响应），是表示探测器的（）相应率与入射的红外辐射波长之间的关系。
A. 电流B. 电压C. 功率D. 电阻8、光子探测是利用某些半导体材料在入射光的照下，产生（）。
《光电子技术》教学大纲课程编码：课程英文名称: Optoelectronics Technology学时数：60学时学分：3.5学分适用专业：电子科学技术专业教学大纲说明一、课程的性质、教学目的与任务课程性质：光电子技术是由电子技术和光子技术互相渗透、优势结合而产生的，是一门新兴的综合性交叉学科，已经成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分，以光电子学为基础的光电信息技术是当前最为活跃的高新技术之一。
光电子技术课程是电子科学与技术专业学生的必修专业课程，它的开设为培养合格的专业技术人才提供了必备的理论和实践基础，本门课程不仅是本专业学生在校学习的重要环节，而且对学生毕业后的工作和进一步学习新理论、新技术都将发生深远的影响。
教学目的：该课程介绍光电子技术的理论和应用基础，内容可以分为四大主要部分：(1) 激光原理基础及典型激光器；(2) 光的耦合与调制技术；(3) 光电探测器及其应用；(4) 光电子集成器件及光电子器件在光通信中的应用。
主要介绍了光电子系统中关键器件的原理、结构、应用技术和新的发展。
该课程在阐明基本原理的同时，突出应用技术，使学生能够把握光电子技术的总体框架，有兴趣、有信心投入实践和创新活动。
教学任务：通过本课程的学习，使学生熟悉光电子技术的基础知识以及实际应用，为今后从事光电子技术方面的研究和开发工作打下一定的基础。
并通过实验教学环节使学生加深光电子技术课程的理论知识的掌握，通过一定的实验，培养学生应用所学知识解决实际问题的能力，获得相应技术、实验方法和技能锻炼。
二、课程教学的基本要求本课程以课堂讲授为主，课下自学为辅。
对自学的内容布置讨论及思考题，提高学生独立思考及解决问题的能力。
适当增加flash动画、视频材料，同时安排一些课外科技学术报告，使学生了解到本学科的最新前沿进展。
通过本课程的学习，应使学生掌握光电子技术的基本原理、基本概念，了解光电子技术的应用实例，了解光电子领域的新成果和新进展，对光电子技术有比较全面、系统的认识和理解。
《光电子技术》教学大纲课程编号：课程名称：光电子技术/ Optoelectronics Technology学时/学分：48/3（理论教学32学时，实验16学时）先修课程：大学物理 模拟电子技术基础 数字电子技术基础适用专业：电子信息科学与技术开课学院（部）、系(教研室)：理学院物理系一、课程的性质与任务光电子技术属于学科基础选修课，它是将传统的光学技术与现代微电子技术和计算机技术紧密结合在一起的一门高新技术，是获取光信息或借助光来提取其它信息，如力、温度、声音、电流、生物的重要手段。
通过本课程的学习，要使学生获得：1.辐射度学与光度学的基础知识；2.光电导器件的原理与应用；3. 光生伏特器件的原理与应用；4.光电发射器件的原理与应用；5. 发光器件与光电耦合器件；6. 光信息的变换；7. 图像信息的光电变换；等方面的基本概念、基本理论和技术。
掌握各种光电转换器件的基本结构原理、特性和参数，为实际应用这些光电探测器打下基础。
二、课程的教学内容、基本要求及学时分配（一）教学内容1. 光电技术基础辐射度的基本物理量；光度的基本物理量；辐射度与光度中的基本定律；黑体辐射；半导体对光的吸收和光电效应。
2. 光电导器件光敏电阻的工作原理；光敏电阻的主要特性参数；常用的光敏电阻；光敏电阻的基本偏置电路和噪声；应用举例。
3. 光生伏特器件结型光电器件原理；光电池；硅光电二极管和硅光电三极管；特殊光电二极管(PIN,APD)；象限探测器和光电位置传感器；光生伏特器件的偏置电路。
4. 光电发射器件光电阴极；光电管与光电倍增管的工作原理；光电倍增管的主要特性参数；光电倍增管的供电和信号输出电路；微通道板光电倍增管；光电倍增管的应用。
5. 发光器件与光电耦合器件发光二极管的工作原理与应用；半导体激光器；光耦合器件与应用。
6.图像信息的光电变换变象管和象增强管；几种特殊象管；真空摄像管；视象管；光电发射型摄像管。
电荷耦合器件的工作原理；电荷耦合摄像器件；固体摄像器件的应用,CMOS图像传感器。
光电子技术又是一个非常宽泛的概念，它围绕着光信号的产生、传输、处理和接收，涵盖了新材料（新型发光感光材料，非线性光学材料，衬底材料、传输材料和人工材料的微结构等）、微加工和微机电、器件和系统集成等一系列从基础到应用的各个领域。
光电子技术科学是光电信息产业的支柱与基础，涉及光电子学、光学、电子学、计算机技术等前沿学科理论，是多学科相互渗透、相互交叉而形成的高新技术学科。
光子学也可称光电子学，它是研究以光子作为信息载体和能量载体的科学，主要研究光子是如何产生及其运动和转化的规律。
所谓光子技术，主要是研究光子的产生、传输、控制和探测的科学技术。
现在光子学和光子技术在信息、能源、材料、航空航天、生命科学和环境科学技术中的广泛应用，必将促进光子产业的迅猛发展。
光电子学是指光波波段，即红外线、可见光、紫外线和软X射线（频率范围3×1011Hz~3×1016Hz或波长范围1mm~10nm）波段的电子学。
光电子技术在经过80年代与其相关技术相互交叉渗透之后，90年代，其技术和应用取得了飞速发展，在社会信息化中起着越来越重要的作用。
光电子技术研究热点是在光通信领域，这对全球的信息高速公路的建设以及国家经济和科技持续发展起着举足轻重的推动作用。
国内外正掀起一股光子学和光子产业的热潮。
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：1.6~3.2eV1.2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dΦe，除以该波长λ的光子能量hν，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=848.23lx1.4一支氦-氖激光器（波长为632.8nm）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。
32251122()()()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 lmd 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'''222'''2'100.0005(6)0.850.850.85cos 0.85155/cos 2v v v v v v v v l m r mP d r M E L dS lr L d dM l L cd m d dS d πθπθπ=>>=Φ===⋅⋅Φ====ΩΩ1.6从黑体辐射曲线图可以看书，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长 随温度T 的升高而减小。
试用普朗克热辐射公式导出常数=T m λ式这一关系式称为维恩位移定律中，常数为 2.-。
普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0，即可求的。
教材P82.1什么是光辐射的调制？有哪些调制的方法？它们有什么特点和应用？光辐射的调制是用数字或模拟信号改变光波波形的幅度、频率或相位的过程。
光辐射的调制方法有内调制和外调制。
内调制：直接调制技术具有简单、经济、容易实现等优点。
但存在波长(频率)的抖动。
LD 、LED外调制：调制系统比较复杂、消光比高、插损较大、驱动电压较高、难以与光源集成、偏振敏感、损耗大、而且造价也高。
但谱线宽度窄。
机械调制、电光调制、声光调制、磁光调制2.2说明利用泡克尔斯效应的横向电光调制的原理。
画出横向电光调制的装置图，说明其中各个器件的作用。
若在KDP 晶体上加调制电压U=Um ，U 在线性区内，请写出输出光通量的表达式。
Pockels 效应：折射率的改变与外加电场成正比的电光效应。
也称线性电光效应。
光传播方向与电场施加的方向垂直，这种电光效应称为横向电光效应。
2.3说明利用声光布拉格衍射调制光通量的原理。
超声功率Ps的大小决定于什么？在石英晶体上应加怎样的电信号才能实现光通量的调制？该信号的频率和振幅分别起着什么作用？当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变作时间上和空间上的周期性的变化，并且导致介质的折射率也发生相应的变化。
当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。
声光介质在超声波的作用下，就变成了一个等效的相位光栅，当光通过有超声波作用的介质时，相位就要受到调制，其结果如同它通过一个衍射光栅，光栅间距等于声波波长，光束通过这个光栅时就要产生衍射，这就是声光效应。
布拉格衍射是在超声波频率较高，声光作用区较长，光线与超声波波面有一定角度斜入射时发生的。
XXX2.4说明利用法拉第电磁旋光效应进行磁光强度调制的原理。
磁场使晶体产生光各向异性，称为磁光效应。
法拉第效应：光波通过磁光介质、平行于磁场方向传播时，线偏振光的偏振面发生旋转的现象。
电路磁场方向在YIG棒轴向，控制高频线圈电流，改变轴向信号磁场强度，就可控制光的振动面的旋转角，使通过的光振幅随角的变化而变化，从而实现光强调制。
3.1热电探测器与光电探测器相比较，在原理上有何区别？光电探测器的工作原理是将光辐射的作用视为所含光子与物质内部电子的直接作用，而热电探测器是在光辐射作用下，首先使接收物质升温，由于温度的变化而造成接受物质的电学特性变化。
光电探测器响应较快，噪声小；而热电探测器的光谱响应与波长无关，可以在室温下工作。
3.2光电效应有哪几种？各有哪些光电器件？物质在光的作用下释放出电子的现象称为光电效应。
光电效应又分为外光电效应（如光电发射效应）和内光电效应（如光电导效应和光伏效应）。
当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，因而导致材料电导率的增大，这种现象称光电导效应。
光敏电阻、光导探测器当半导体PN结受光照射时，光子在结区（耗尽区）激发电子-空穴对。
在自建场的作用下，电子流向N区，空穴流向P区，从而在势垒两边形成电荷堆积，使P区、N区两端产生电位差。
P端为正，N端为负。
这种效应称为光伏效应。
光电池、光电二极管、双光电二极管，光电三极管、光电场效应管、光电开关管、光电雪崩二极管某些金属或半导体受到光照时，物质中的电子由于吸收了光子的能量，致使电子逸出物质表面，这种现象称为光电发射效应，又称外光电效应。
光电倍增管，真空光电管、充气光电管。
3.3光电器件的光电特性（光照特性）有哪两种情况？每种特性的器件各自的用途是什么？当光电器件上的电压一定时，光电流与入射于光电器件上的光通量的关系I=F( Ф) 称为光电特性，光电流与光电器件上光照度的关系I=F(L) 称为光照特性。
3.4什么是光电器件的光谱特性？了解它有何重要性？光电器件对功率相同而波长不同的入射光的响应不同，即产生的光电流不同。
光电流或输出电压与入射光波长的关系称为光谱特性。
光谱特性决定于光电器件的材料。
应尽量使所选的光电器件的光谱特性与光源的光谱分布较接近。
由光电器件的光谱特性可决定光电器件的灵敏度（响应率）——光谱灵敏度和积分灵敏度。
3.5为什么结型光电器件在正向偏置时没有明显的光电效应？结型光电器件必须工作在哪种偏置状态?因为p-n 结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有光照时，光电效应不明显。
p-n 结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生，这是因为p-n 结在反偏电压下产生的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光生电流就会明显增加。
3.6若光电PN 结在照度L1下开路电压为U ，求照度L2下的开路电压U 。
3.7负电子亲和势光电阴极的能带结构如何？它有哪些特点？表面区域能带弯曲，真空能级降低到导带之下。
特点：1.量子效率高 2.光谱响应延伸到红外，光谱响应率均匀3热电子发射小 4.光电发射小，光电子能量集中3.8何谓“白噪声”？何谓“f1噪声”？要降低电阻的热噪声应采取什么措施？ 功率谱大小与频率无关的噪声，称白噪声。
功率谱与f 成反比，称1/f 噪声。
措施：1.尽量选择通带宽度小的2.尽量选择电阻值小的电阻3.降低电阻周围环境的温度3.9探测器的D*=1011cm ·Hz1/2·W -1,探测器光敏器的直径为0.5cm ，用于f=5x103Hz 的光电仪器中，它能探测的最小辐射功率为多少？3.10应怎样理解热释电效应？热释电探测器为什么只能探测调制辐射？热电晶体的自发极化矢量随温度变化，从而使入射光可引起电容器电容改变的现象成为热释电效应。
由于热释电信号正比于器件的温升随时间的变化率，因此它只能探测调制辐射。
3.13一块半导体样品，有光照时电阻为50欧姆，无光照时电阻为5000欧姆，求该样品的光电导。
G光=G亮-G暗=1/50-1/5000=0.0198（s）该样品的光电导即为所求。
3.143.16试问图3.25和图3.26分别属于哪一种类型的偏置电路？为什么？当光照变化dL时，引起输出电压U0变化，分别写出这两种电路dU0的表达式。
3.17叙述光电池的工作原理以及开路电压、短路电流与光照度的关系。
为什么光电池的输出与所接的负载有关系？（1）工作原理光电池是一个简单得PN结。
当光线照射PN结时，PN结将吸收入射光子。
