光电子考试简答题答案 (2).doc

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1、作业1三、简答题：1、简述激光产生的条件、激光器的组成及各组成部分的作用。答：必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数。 充分条件：起振阈值条件：激光在谐振腔内的增益要大于损耗。 稳定振荡条件增益饱和效应（形成稳定激光） 。 组成：工作物质、泵浦源、谐振腔。 作用：工作物质：在这种介质中可以实现粒子数反转。 泵浦源（激励源） ：将粒子从低能级抽运到高能级态的装置。 谐振腔：(1) 使激光具有极好的方向性( 沿轴线) (2) 增强光放大作用( 延长了工作物质 ) (3) 使激光具有极好的单色性( 选频 )2、简述光子的基本特性。答：光是一种以光速运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有能量、动

2、 量和质量。它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等）之间的关系满足： （1）E=hv= （2）m= ，光子具有运动质量，但静止质量为零；（3）；（4）、光子具有两种可能的独立偏振态，对应于光波场的两个独立偏振方向； （5）、光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，是玻色子。作业2判断题中的第5小题：在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个l/4波片，波片的轴向如何设置最好？若旋转l/4波片，它所提供的直流偏置有何变化？ 答：在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个?/4波片，波片的轴向取向为快慢轴与晶体的主轴x成45角时最好，从而使 E x 和 E

3、 y 两个分量之间产生/2 的固定相位差。若旋转l/4波片，它所提供的直流偏置，得到直流偏值随偏振改变而改变。 三 简答题1、何为大气窗口，试分析光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素。 答：对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为大气窗口。光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素主要有:大气分子的吸收,大气分子散射 ,大气气溶胶的衰减。2. 何为大气湍流效应，大气湍流对光束的传播产生哪些影响？ 答：是一种无规则的漩涡流动，流体质点的运动轨迹十分复杂，既有横向运动，又有纵向 运动， 空间每一点

4、的运动速度围绕某一平均值随机起伏。 这种湍流状态将使激光辐射在传播 过程中随机地改变其光波参量， 使光束质量受到严重影响， 出现所谓光束截面内的强度闪烁、 光束的弯曲和漂移（亦称方向抖动）、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，统称为大气湍流效应。大气湍流 运动使大气折射率引起的这种起伏的性质， 使光波参量 （振幅和相位）产生随机起伏，造成光束的闪烁、弯曲、分裂、扩展、空间相干性降 低、偏振状态起伏等。3、何为电光晶体的半波电压？半波电压由晶体的那些参数决定？ 答：当光波的两个垂直分量Ex，Ey的光程差为半个波长（相应的相位差为p）时所需要加的电压，称为半波电压。半波电压主要由光波长、O光折射

5、率和电光系数共同决定。4、声光相互作用可以分为拉曼-纳斯衍射和布喇格衍射两种类型。简述它们产生的条件和特征。 答：产生拉曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度 L较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅”。 由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光，这就是拉曼-纳斯衍射的特点。 产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声光作用长度 L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有“体光栅”的性质。衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现 0 级和+1 级（或?

6、1 级）衍射光，这是布喇格衍射的特点。5、简述光束调制的基本原理。答：（1）以激光为载体，将信息加载到激光的过程，称为调制或光束调制。 （2）光束具有振幅、频率、相位、强度和偏振等参量，可以应用某些物理的方法，使其参量之一按照调制信号的规律变化，实现光束的调制，所以光束的调制可以分为调幅、调相、调频和强度调制等。 （3）实现激光光束调制的方法根据调制器与激光器的关系，可以分为内调制和外调制两种。 （4）具体的激光光束的调制方法，常见的有光电调制、声光调制、磁光调制、直接调制等。6、简述光纤通信中激光器直接调制的定义、用途和特点。答：直接调制：即直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电流

7、的大小，改变激光器输出光波的强弱，又称为内调制。传统的PDH和2.5Gbit/s速率以下的SDH系统使用的LED或LD光源基本上采用的都是这种调制方式。直接调制方式的特点是，输出功率正比于调制电流，简单、损耗小、成本低。一般情况下，在常规G.652光纤上使用时，传输距离100km，传输速率2.5Gbit/s。作业31、 简述以下概念：外光电效应、内光电效应。 答：外光电效应：是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。 内光电效应：是光电效应的一种，主要由于光量子作用，引发物质电化学性质变化。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。2、请比较光电二极管与光电池的异同？ （此题答案有待补充，求高

8、手指教！）答：相同点：二者都是由PN结组成的半导体器件，都能把光信号转换成电信号。不同点：光电二极管是在反向电压作用下工作的，而光电池是工作在光照零偏条件下的。3、 说明光电倍增管的原理。 答：当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。4、说明光敏电阻的敏感机理。 答：光敏电阻阻值对光照特别敏感

9、，是一种典型的利用光电导效应制成的光电探测器件。当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，导致材料电导率增大，此时材料电阻值将减小；即电阻值随入射光的强弱而变化，入射光强时电阻减小，入射光弱时电阻增大。 5、简述什么是光电导的弛豫现象以及响应时间。 答：光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的，同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这种现象即为光电导的弛豫现象；光电导的响应时间又分上升时间和下降时间，是描述弛豫现象过程长短的物理量。上升时间表示光电导体受光照时光生载流子浓度从零增长到稳态值63%时所需的时间，下降时间表示从停光前

10、稳态值衰减到37%时所需的时间。6、简述光电池的工作原理。 答：光电池是一种直接把光能转换成电能的器件，它根据光生伏特效应原理，当P-N结受光照时激发出光生电子空穴对而扩散进PN结，之后被内电场分离开而形成开路电压，此即光照零偏PN结产生开路电压的效应（即光伏效应）。补充题1. 辐射度量与光度量的根本区别是什么?答：辐射度量适用于整个电磁波段，光度量适用于可见光波段。2. 为什么光电探测器使用时大多要加偏置电路？画图说明光伏探测器的反向偏置电路。答：加偏置电路，使光电探测器有合适的电流、电压工作点（提高灵敏度、频率响应，减小噪声） 光伏探测器的反向偏置电路： 3什么是探测器的光谱灵敏度？为什么

11、测量光谱灵敏度的系统一般需要单色仪？答：探测器在波长为 的单色光照射下，输出的电压U()或光电流I() 与入射的单色辐射通量()（或单色辐照度E()）之比为光谱灵敏度； 为了得到单色辐射通量。4探测器的噪声等效功率与哪些因素有关？一个探测器的灵敏度很高，它的噪声等效功率就一定很小，从而它的探测能力就越强，这种说法对吗？答：探测器的噪声等效功率与探测器的灵敏度和探测器本身的噪声有关；这种说法不对。5光学调制主要有哪两个作用？分别举例说明。答：光学调制主要有加载信息，或者改进系统的品质等作用。（3分） 例如，光纤通信加载信息；红外跟踪系统的调制盘改进系统的品质（抑制背景噪声）6. 分别指明可见光谱

12、区和中红外光谱区的范围。 答：可见光0.380.78m（或者0.400.76m）中红外波段1.56m（或者35m）7. 分别画出本征半导体和N 型半导体的能带图，并简要解释施主能级的形成。 答：本征半导体和N型半导体的能带图： 施主能级的形成： 如果在四价的锗(Ge)或硅(Si)组成的晶体中掺入五价原子磷(P) 或砷(As)，就可以构成 N 型半导体。以硅掺磷为例，五价的磷用四个价电子与周围的硅原子组成共价键，尚多余一个电子。这个电子受到的束缚力比共价键上的电子要小得多，很容易被磷原子释放，跃迁成为自由电子，该磷原子就成为正离子，这个易释放电子的原子称为施主原子，或施主（Donor）。由于施主

13、原子的存在，它会产生附加的束缚电子的能量状态。这种能量状态称为施主能级，它位于禁带之中靠近导带底的附近。8. 用光敏电阻测量时，不宜用强光照射，为什么？答：用光敏电阻测量时，不宜用强光照射： 测量时，一般要求光电转换线性关系好，而强光照射时光敏电阻的光电线性关系变差。 用光敏电阻测量强光，可考虑使用中性衰减片插入光路。9解释杂质光电导探测器：a 常用于中远红外探测；b 通常必须在低温条件下工作？答：同种半导体材料的杂质电离能Ed或Ea比本征半导体的电离能Eg小得多，所以它的长波限比本征探测器的长波限长得多。在非本征探测器中，杂质原子的浓度远比基质原子的浓度低得多。在常温下杂质原子束缚的电子或空

14、穴已被热激发成自由态作为暗电导率的贡献量。这时长波光照在它上面已无束缚电子或束缚空穴供光激发用，即光电导为零或很微弱。为使杂质光电导探测器正常工作，必须降低它的使用温度，使热激发载流子浓度减小，才能增加光激发载流子浓度，以提高相对电导率d。10为什么光电二极管加正向电压时表现不出明显的光电效应？答：由于光伏探测器结区的内建电场的作用，光照时产生的光生电子-空穴对分离，在 PN 结的两则出现光生电动势。PN 结加正向偏压时，光照时仍然可有光电效应，但内建电场被削弱，甚至为零，光生电子-空穴对分离变弱，从而光电效应表现不明显。11、热探测器与光子探测器的工作原理、光谱响应分别有什么不同？答：工作原理： 热探测器的机理是光热效应：探测器将吸收的光能转换为热能，温度上升；温升的结果使探测器某些（与温度有关的）物理性质发生变化。光子探测器的机理是光电效应：探测器吸收光子，将非传导电子直接转换为传导电子。 光谱响应：光谱响应具有平坦性。 光子探测器的光谱响应具有选择性。（热探测器基于材料吸收了光辐射能量后温度升高，从而改变了它的电学性能，它区别于光子探测器的最大特点是对光辐射的波长无选择性。）