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1、第一章 绪 论1. 光电子器件按功能分为哪几类？每类大致包括哪些器件？ 光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件。光源器件分为相干光源和非相干光源。相干光源主要包括激光和非线性光学器件等。非相干光源包括照明光源、显示光源和信息处理用光源等。光传输器件分为光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等等)、光波导和光纤等。光控制器件包括调制器、偏转器、光开关、光双稳器件、光路由器等。光探测器件分为光电导型探测器、光伏型探测器、热伏型探测器、各种传感器等。光存储器件分为光盘(包括CD、VCD、DVD、LD等)、光驱、光盘塔等。2谈谈你对光电子技术的理解。光电子技术主要研
2、究物质中的电子相互作用及能量相互转换的相关技术，以光源激光化，传输波导（光纤）化，手段电子化，现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特征，是一门新兴的综合性交叉学科。3谈谈光电子技术各个发展时期的情况。20世纪60年代，光电子技术领域最典型的成就是各种激光器的相继问世。20世纪70年代，光电子技术领域的标志性成果是低损耗光纤的实现，半导体激光器的成熟特别是量子阱激光器的问世以及CCD的问世。20世纪80年代，出现了大功率量子阱阵列激光器；半导体光学双稳态功能器件的得到了迅速发展；也出现了保偏光纤、光纤传感器，光纤放大器和光纤激光器。20世纪90年代，掺铒光纤放大器(EDFA)问世，光电
3、子技术在通信领域取得了极大成功，形成了光纤通信产业；。另外，光电子技术在光存储方面也取得了很大进展，光盘已成为计算机存储数据的重要手段。21世纪，我们正步入信息化社会，信息与信息交换量的爆炸性增长对信息的采集、传输、处理、存储与显示都提出了严峻的挑战，国家经济与社会的发展，国防实力的增强等都更加依赖于信息的广度、深度和速度。 举出几个你所知道的光电子技术应用实例。如：光纤通信，光盘存储，光电显示器、光纤传感器、光计算机等等。 据你了解，继阴极射线管显示（CRT）之后，哪几类光电显示器件代表的技术有可能发展成为未来显示技术的主体？等离子体显示（PDP），液晶显示（LCD），场致发射显示（EL）。
4、第二章 光学基础知识与光场传播规律填空题 光的基本属性是光具有波粒二象性，光粒子性的典型现象有光的吸收、发射以及光电效应等。光波动性的典型体现有光的干涉、衍射、偏振等。 两束光相干的条件是频率相同、振幅方向相同、相位差恒定，最典型的干涉装置有杨氏双缝干涉、迈克耳孙干涉仪。两束光相长干涉的条件是为光程差。 两列同频平面简谐波振幅分别为、，位相差为，则其干涉光强为，两列波干涉相长的条件为 波长的光经过孔径D的小孔在焦距f处的衍射爱里斑半径为。 在玻璃上涂一种透明的介质膜以消除红外线的反射。求该介质膜应有的介电常量及厚度。如紫外线垂直照射至涂有该介质膜的玻璃上，反射功率占入射功率百分之多少？ 正入射
5、时，当时，膜系起到全增透作用，正入射下相应的薄膜厚度最薄为正入射时，反射率为 有两个具有共轭复振幅的单色波，具有相同的频率，其复值分别为及。比较它们的强度、波前和波前法线。以平面波与球面波为例。平面波的强度,因波前可以是任意的曲面，故它的波前即为波前函数，波前法线垂直于波前。它的共轭波的强度，波前函数同样是该波的表达式，波前法线垂直于波前。球面波的强度为，波前函数即该波表达式，波前法线垂直于波前。它的共轭波的强度为，波前函数即该波表达式，波前法线垂直于波前。光束垂直投射在无限大不透明的环状小孔（半径为a和b，ab）上，发生夫琅和费衍射，求光强度的角分布。见物理光学一束波长为0.5 的光波以角从
6、空气入射到电极化率为的介质表面上，求此光波在介质中的方向（折射角）。光波在介质中的衰减系数。 由得 衰减系数输出波长632.8的He-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层才能使镜面反射系数大于99.5？ 设玻璃的折射率1.5 由题意： ，即 即 故至少涂覆7个双层。 有m个相距为d的平行反射平面。一束光以倾角投射反射面。设每一反射平面仅反射一小部分光，大部分光投射过去；又设各层的反射波幅值相等。证明时，合成的反射波强度达到最大值，这一角度称为Bragg角。 d d因各辐射波的反射波幅值相等，当它们反射波叠加，相位
7、依次相差的整数倍时，合成的反射波强度达到最大值，最简单情况下，相位相差。如图所示： 即 故当时，反射波强度达到最大值。 从麦克斯韦通式（228）出发，推导波动方程（244）。 对该式取旋度左边 右边（由） 由 上式 在电介质中，一般有,从而，于是上式可化为 第三章 激光原理与技术1填空 最早的电光源是炭弧光灯，最早的激光器是 1960 年由美国家的梅曼制作的 红宝石激光器。 光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示色散与频率的关系，虚部表示物质吸收与频率的关系。 激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。激光产生的充分条件是阈值条件和增益饱和效应，必要条件包括粒子数反转分布和减
8、少振荡模式数。 今有一个球面谐振腔，r1=1.5m,r2=-1m,L=80cm,它属于稳定腔。2试简单说明以下光电子学术语的科学含义： 受激辐射(画出二能级图)处于激发态E2上的原子，在频率为21的外界光信号作用下，从E2能级跃迁到E1能级上，在跃迁过程中，原子辐射出能量为、与外界光信号处于同一状态的光子，这两个光子又可以去诱发其他发光粒子，产生更多状态相同的光子，这样，在一个入射光子作用下，就可以产生大量运动状态相同的光子，这一发射过程称为受激发射过程。 谱线的多普勒加宽多普勒展宽是由于气体物质中作热运动的发光粒子所产生的辐射的多普勒频移引起的。 谱线的自然加宽自然加宽是由于粒子存在固有的自
9、发跃迁，从而导致它在受激能级上寿命有限所形成的。光放大 光束在激活介质中传播时，设入射端面处光强为,距离x处光强为，且，则 可见光强在激活介质中不断放大，为此，我们引入激活介质的增益系数式中，是传播距离时的光强的增量。这说明：介质的增益系数在数值上等于光束强度在传播单位长度的距离时，光强增加的百分数。由于，因而，所以可以表示光在激活介质当中的放大特性。 3.计算与推导0.5m时，什么温度下自发辐射率与受激辐射率相等？T=300K时，什么波长下自发辐射率相等？自发辐射率为A21，受激辐射率为W21。由爱因斯坦关系式可知：，由普朗克公式可知： ， 由题意A21W21，故，当T=300K时，He-N
10、e激光器的反射镜间距为0.2m，求最靠近632.8nm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Hz,则可能引起的纵模总数是多少？气体的折射率由得纵模频率间隔实际振荡纵模总数红宝石激光器的工作物质有特性：、300K处，n=1.78,求其在中心频率处的增益系数。 一维电子振荡器在电磁场E(t)作用下的运动方程如式（32），推导简谐电场与简谐振子条件下，复极化率的表达式。电子运动方程为，在简谐电场和简谐振子条件下，则瞬时电场与位置偏移为 、表示对应于频率的振幅值，将、代入运动方程，并求解得在平面光波场作用下，原子在光场作用下产生感应极化，形成电偶极振子 设单位体积中原子数为N，则介质
11、极化强度 又 4简述题 简述激光的特点。激光的特点主要表现在以下四个方面：激光具有激光极好的方向性激光的单色性非常好激光的相干性好激光具有极高的亮度和单色亮度。信息光电子技术中所用的光源，着重单色性、高速脉冲性、方向性、可调谐性和高能量密度等。激光正是满足这些条件的最好的光源。 分析单色辐射场与连续辐射场与粒子体系相互作用情况。单色辐射场与粒子体系的相互作用如图38所示，粒子线型函数为，中心频率为，谱线宽度为，辐射场的中心频率为，带宽为。单色辐射场与粒子体系相互作用过程，要求粒子体系的展宽要远大于辐射场宽度，即与间满足公式，很小，于是中被积函数只有在附近一个很窄的范围内不为零。且在内可以认为不
12、便，于是单色辐射场能量密度可表 示为 式中，（单位：）为光辐射强度。上式表明由于谱线宽度，和粒子体系产生相互作用的单色光场的频率并不一定要精确位于的中心频率处才能产生受激辐射，而是在附近一定频率范围内均可，跃迁概率的大小取决于单色光场中心频率相对于线型函数中心频率的位置，越小，则越大，当时，受激跃迁概率最大。这种相互作用不仅与、有关，而且还与有关。连续辐射光场与粒子体系相互作用 当连续辐射光场与粒子体系相互作用时（图39），满足条件，于是中被积函数只有在附近很小的范围内（量级）才不为零，且内可以认为近似为常量，于是式中，为连续辐射光场在粒子线型函数中心频率处的单色能量密度。 可见，连续辐射场中
13、只有频率等于粒子体系中心频率的那部分辐射场才能引发粒子体系受激辐射，其他部分实际上被粒子体系所散射。 试推导爱因斯坦关系式。设一个原子系统有两特定能级、，（ ），其简并度分别为、，若原子系统在温度T处于热平衡状态，、能级的原子数密度分别为、，则原子系统从辐射场中吸收能量后，单位时间内从跃迁到能级的原子数为式中，表示热平衡状态下光辐射场的能量密度。处于上的原子，可以通过自发辐射与受激辐射两种途径跃迁至上，单位时间内，的原子数为由于系统处于热平衡状态，则应有以下关系式成立即因而有 又由于在热平衡状态下，、按照玻尔兹曼分布式中，K为玻尔兹曼常量。于是有在热平衡条件下，光辐射的能量密度又可由普朗克公式
14、给出式中，为真空光速，于是比较上述两式，可知这即为爱因斯坦关系式。 为什么二能级系统不能产生激光？ （画出二能级图）当外界激励能量作用于二能级体系物质时，首先建立起自发辐射，在体系中有了初始光辐射之后，一方面物质吸收光，使减少、增加；另一方面由于物质中存在辐射过程，使减小、增加，两种过程同时存在，最终达到状态，光吸收和受激发射相等，二能级系统不再吸收光，达到所谓的自发辐射状态，这种状态下不再继续增加；即便采用强光照射，共振吸收和受激发射以相同的概率发生，也不能实现粒子数反转。 以一个三能级原子系统为例，说明激光器的基本组成和产生激光的基本原理。激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源、和光学谐
15、振腔。激光工作物质提供形成激光的能级结构体系，是激光产生的内因。要产生激光，工作物质只有高能态（激发态）和低能态（基态）是不够的，还至少需要有这样一个能级，它可以使得粒子在该能级上具有较长得停留时间或较小得自发辐射概率，从而实现其与低能级之间得粒子数反转分布，这样得能级称为亚稳态能级。这样，激光工作物质应至少具备三个能级。 （画三能级图）如图所示，其中E1是基态，E2是亚稳态，E3是激发态。外界激发作用使粒子从E1能级跃迁到E3能级。由于E3的寿命很短（1.0E-9s量级），因而不允许粒子停留，跃迁到E3的粒子很快通过非辐射迟豫过程跃迁到E2能级。由于E2能级是亚稳态，寿命较长（1.0E-3s
16、量级），因而允许粒子停留。于是，随着E1的粒子不断被抽运到E3，又很快转到E2，因而粒子在E2能级上大量积聚起来，当把一半以上的粒子抽运到E2，就实现了粒子数反转分布，此时若有光子能量为hE2E1的入射光，则将产生光的受激辐射，发射h的光，从而实现光放大。泵浦源提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因。由于在一般情况下介质都处于粒子数正常分布状态，即处于非激活状态，故欲建立粒子数反转分布状态，就必须用外界能量来激励工作物质。我们把将粒子从低能态抽运到高能态的装置称为泵浦源或激励源。事实上，激光器不过是一个能量转换器件，它将泵浦源输入的能量转变成激光能量。主要有以下几种泵浦方式：光激励方式气体辉
17、光放电或高频放电方式直接电子注入方式化学反应方式。光学谐振腔为激光器提供反馈放大机构，使受激发射的强度、方向性、单色性进一步提高。不论哪种光学谐振腔，它们都有一个共同特性，那就是都是开腔，即侧面没有边界的腔，这使偏轴模不断耗散，以保证激光定向输出。谐振腔分为稳态腔（低损耗腔）和非稳定腔（高耗散腔）两大类。 分析四能级与三能级激光器相比所具有的优点。 （画四能级图）四能级系统能级结构如图所示，由于 到、 到 的无辐射跃迁概率都很大，而 到、到 的自发跃迁概率都很小，这样，外界激发使上的粒子不断被抽运到，又很快转到亚稳态，而留不住粒子，因而、很容易形成粒子数反转，产生受激辐射。四能级结构使粒子数反
18、转很容易实现，激光阈值很低。 分析激光产生的条件。激光产生的两个必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数，要形成稳定的激光输出还要满足起振和稳定振荡两个充分条件。粒子数反转分布指能级上的粒子数分布满足条件，相应地有，表示光束在粒子数反转分布状态下的工作物质中的工作物质中传播时，光能 密度将不断增加。我们称这种状态的物质为激活介质。要想得到方向性很好、单色性很好的激光，仅有激活介质时不够的，这是因为：第一：在反转分布能级间的受激发射可以沿各个方向产生，且传播一定的距离后就射出工作物质，难以形成极强的光束；第二，激发处的光可以有很多频率，对应很多模式，每一模式的光都将携带能量，难以形成单色亮度很强
19、的激光。欲使光束进一步加强，就必须使光束来回往复地通过激活介质，使之不断地沿某一方向得到放大，并减少振荡模式数目。由于光束在腔内多次的来回反射，极少频率的光满足干涉相长条件，光强得到加强，频率得到筛选，特别是在谐振腔轴线方向，可以形成光强最强、模式数目最少的激光振荡，而和轴线有较大夹角的光束，则由侧面逸出激活介质，不能形成激光振荡。光在谐振腔内传播时，由于仍成立，激光继续产生，腔内光子数密度仍急剧增加，受激辐射造成的减少速率也继续增大，超过泵浦引起的增长率，开始减小，直到 时刻，又回到阈值。 第三阶段（），之后，增益小于损耗，腔内光子数密度急剧减小；但仍有，即受激辐射大于零，因而继续减少，但减
20、少速率便小，直到时刻，增加速率等于减小速率，达到极小值。 第四阶段（），之后，的增加率再次占优势，直到时刻，再次达到阈值，将开始下一轮振荡。 在整个氙灯泵浦时间内，以上四个阶段不断重复，形成了依稀类的尖峰结构，而且，泵浦越强，尖峰形成越快，尖峰时间间隔越小。激光调Q技术于锁模技术的脉宽分别在哪个量级？ 调Q技术可以产生脉宽s量级、峰值功率MW量级的巨脉冲，锁模技术可以产生量级的超短脉冲。 常见的调Q方法有哪几种？分别简述之。转镜调Q技术 将激光器光学谐振腔两个反射镜之一安装在一个旋转轴上，使其在每一转动周期中，只有当两个反射镜面平行时损耗最小，因而通过控制转镜，从而控制光腔的反射损耗可达到调Q
21、目的。染料调Q技术 利用染料对光的吸收系数随光强度变化的特性来调Q的方法称为染料调Q技术，这种调Q开关的延迟时间是由材料本身的特性决定的，不直接受人控制，属于被动调Q技术。染料对该激光器振荡波长的光有强烈的吸收作用，且吸收系数随入射光的增强而不断减小。当染料盒插入谐振腔内时，激光器开始泵浦此时腔内光强还很弱，因而染料对光吸收强烈，腔损耗很大，Q值很低，不能形成激光；随着泵浦的继续，亚稳态上离子越积越多，腔内光强逐渐增大，吸收逐渐减小，Q值不断增大；泵浦光大到一定值时，染料对该波长的光变为透明，称为染料漂白，此时Q值达到最大，相当于Q开关开启，于是激光器输出一个强的激光脉冲。电光调Q技术 某些晶
22、体经过特殊方向的切割后，如果在某个方向上加电压，就可以使通过它的偏光改变振动方向，且外加电压的数值与振动放下嘎那的改变之间有一定的函数关系，再辅以其他光学元件，就可以构成 一个快速光开关，达到调Q目的。声光调Q技术 如图331所示，声光器件在腔内按布拉格条件放置。当外加高频振荡的超声信号时，光束沿布拉格角偏折，从而偏离了谐振腔的轴向，此时腔损耗严重，Q值很低，不能形成激光振荡；但这一阶段，光泵浦使激光工作物质亚稳态上的粒子大量积累，一定史家后，瞬间撤销超高频振荡声场，光无偏折地通过晶体，Q值突然增大，从而产生一个强的激光脉冲输出。 分别简述几种常见的激光锁模实现方法。 激光器一般有多个不同的振
23、荡模式，他们本身是不关联、非相干的，起振幅与相位彼此独立；如果能使得各个独立模式在时间上同步、振荡相位一致，则总光场是各个模式光场得相干叠加，输出为一超短脉冲，且残余相干得模越多，不均于分布越尖锐，则脉宽越窄、峰值功率越高。这种通过把激光中所有的模耦合在一起并把各个模的彼此相位关系锁定得方法称为锁模，相应得技术称为锁模技术。实现锁模的方法有很多，大致分为一下几类：主动锁模 是一种内调制锁模，通过在腔内插入一个电光或声光调制起实现模式锁定，要求调制频率精确地等于激光器的纵模间隔，从而使所有参与振荡的模式相位同步的锁模技术。被动锁模 类似染料被动开关，把很薄的可饱和吸收染料盒插入自由运转的环形腔结
24、构激光器谐振腔环路中点，使相反方向的两个脉冲精确同步地到达吸收体 ，发生碰撞，产生相干叠加效应，从而获得有效锁模的碰撞锁模方式。自锁模 这是一种通过增益调制来实现锁模的方法。用一台锁模激光器的序列脉冲输出泵浦另一台激光器，在两个激光器光腔长度相等的情况下，激光器的增益收到调制，在最大增益时形成一个脉冲更窄的序列脉冲输出，这就是自锁模技术，或称同步锁模技术。 激光选模技术分哪几类？ 采取某些手段限制参与振荡的模式数目，有关技术称为激光选模技术，一般分为四类：一是激光谱线选择，二是激光偏振选择，第三类时压缩振荡激光束的发散角、从而改善其方向性的横模选择技术，第四类是用于限制振荡激光频数目的纵模选择
25、技术。第四章 光波导技术基础某光纤传输的波段为。若每一路电话带宽为，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,故它传输波段为， ,能传播的电话数目能传播的彩电数目 什么是光波导？平面介质光波导中几类模式各有何特点？ 光波导就是能使光低损耗传输的通道，它将光限制在一定路径中向前传播，减少了光的耗散，便于光的调制、耦合等，为光学系统的固体化、小型化、集成化打下了基础。 如图41和42所示： 此时，上、下界面均满足全反射条件。在满足相位匹配方程：m的不同取值对应于横向驻波波节数，每一个m值对应一个稳定的横向分布，这种波导中稳定的场分布称为导波模式，
26、简称导模。这说明：并未满足的所有角入射的光场均可形成导波，对于一定波长的光波，只有满足上式的角入射的光波才可形成导波。即只有某些大于的（）才能形成导波，且m越大，越小，即小的入射角度相应的模式阶次高，z向单位长度内导模上下振荡次数多。 在、界面反射，、界面投射，光线向衬底辐射，不再形成导波，称为衬底辐射模 各面均不满足全反射条件，光线在两个界面上都发生透射，这种模式称为包层辐射模。 几何光学和物理光学在分析平面介质光波导中光传输时各自的出发点是什么？ 几何光学分析法从介质界面观点出发得出，光波导的基本原理是光在介质表面的全反射。 物理光学分析是从麦克斯韦方程出发，分析电磁场在三层波导中的分布情
27、况，从而得出波导中光波导传播情况的方法。 推导三层平板波导TM模本征方程。 由于， 由麦克斯韦方程 将场的横向分量用纵向分量表示得 对于横磁波，即的波，可得 由此可见，TM波只有唯一的横向磁场分量。对TM波仅需求解波动方程 由于仅有分量，因而波动方程简化为： 波导层 衬底层 覆盖层 于是其满足导波条件及边界条件及处、连续的模场表达式为式中 且有 此式即为TM模的本征方程。 推导四层平板波导TE模场分布表达式及其本征方程（设厚衬底层2上生长波导层1，1上覆缓冲层3，这一结构置于空气层4中，且）。 光纤的基本结构是什么？单独的纤芯可否作为光波导？包层的作用是什么？光纤传输光的基本原理是什么？什么是
28、传输模、辐射模和消逝模？ 光纤由传导光的纤芯（折射率）和外层的包层（折射率）两同心圆形的双层结构组成，且。外面再包以一次涂覆护套和二次涂覆护套。 单独的纤芯不能作为光波导，光波导由纤芯和包层共同组成。 包层对纤芯起保护作用，包括增加光纤的机械强度，避免纤芯接触到污染物，以及减少纤芯表面上由于过大的不连续性（即界面两边的折射率差别过大）而引起的散射损耗率。 光波在光纤中传播有3种模式，导模（传输模），漏模（泄漏模）和辐射模。 导模是光功率限制在纤芯内传播的光波场，又称芯模。其存在条件是。在纤芯内电磁场按振荡形式分布，为驻波场或传播场，在包层内场的分布按指数函数衰减，为衰减场，模场的能量被闭锁在纤
29、芯内沿轴线方向传播。 漏模是在纤芯及距纤壁一定距离的包层中传播的光波长，又称包层模。其存在条件是。在纤芯中的没长能量可通过一定厚度的“隧道”泄漏导包层中，形成振荡形式，但其振幅很小，传输损耗也很小。 辐射模在纤芯和包层中均为传输场，其存在条件是。在此条件下，波导完全处于介质状态，光波在纤芯与包层的界面上因不满足全反射条件而产生折射，模场能量向包层逸出，光纤失去对光波场功率的限制作用。 设有一平面介质波导，各层折射率分别为=2.21, =2.1, =1,波导层厚度。若总反射相移为，则当入射光波长为时， 波导中能传输的模式总数是多少？ 要想传输单漠，波导层厚度应如何设计？ 若要传输的入射激光，重复
30、、的计算。 归一化频率 传播模数 故传播模式总数为5。 由题意 得1 得 归一化频率 传播模数 故传播模式总数为4。 由题意 得1 得 波长为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， 若将其至于空气（折射率为1）中，则其数值孔径、最大入射角及芯径分别为多少？ 若将其置于水（折射率为1.33）中呢？ 数值孔径 得由于是单模传播，故 数值孔径 得由于是单模传播，故 波长的光从空气中射入纤芯直径、纤芯折射率的单模阶跃折射率光纤中，求 若包层折射率，求其数值孔径与最大入射角。 包层折射率应在何范围内方能维持单模传输？ 包层折射率为时的模式有效折射率。 数值孔径 最大入射角 由 得 由归一
31、化频率 0.1s）、中余辉（）、短余辉（1ms）发光；根据发光机理不同可分为分力中心发光、复合发光；最常见的是根据激励方式分为以下几类：光致发光：激励来自对光子（通常是紫外光）的吸收。阴极射线发光：发光体在加速电子的轰击下激发发光。场致发光：发光体在外电长或电流作用下激发发光。化学发光：发光体在化学反映过程中由化学能激发的发光。光电显示按发瓜果那类别克芬为主动型光电显示与被动型光电显示；按照结构形状分为为平板显示和体显示；按显示屏幕大小分为超大屏幕（）、大屏幕（）、中屏幕（）、小屏幕（）显示；按颜色分为黑白、彩色显示；按显示内容分为数码、字符、轨迹、图表、图形、图像显示；按成像空家坐标分为二维
32、平面与三维立体显示；按显示原理分为电子束显示（CRT）、真空荧光显示（VFD）、发光二极管显示（LED）、电致发光显示（ELD）、等离子体显示（PDP）、液晶显示（LCD）、激光显示（LD）、电致变色显示（ECD）。5. 简述液晶的种类和特点？用什么发法来判断液晶的纯度？根据分子的不同，可将常见液晶分为向列型、胆甾型和近晶型三种。液晶是介于完全规则状态（如固态晶体）与不规则状态（如各向同性液体）之间的中间物质。总的说来可分为热致液晶和溶致液晶。热致液晶是指某些有机物加热熔解后，由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶；而溶致液晶是指某些有机物放入一定的溶剂中时，由于溶液破坏结晶晶格而形成的液晶。热致液
33、晶实际上是某些有机物在某一限定温度范围内的状态。在这一温度范围的低端，它呈晶状固体；而在这一温度的高端，它为清澈的液体；只有在这一限定温度范围内，它时淡黄色的混浊液体，并具有固体和流动液体的某些光学特性。液晶材料的结构的主要特点是：它们的分子都具有细长条状结构，分子取向与液晶表面状态和其他分子有关。当外界的电场、磁场和温度稍有变化，分子的排列方向也随之变化，分子的运动便会发生紊乱，从而使光学性质发生变化。近晶型液晶也称层状液晶，由棒状或条状分子排列成层，层内分子长轴相互平行，其方向垂直于层面或层面呈倾斜排列。这种排列的分子层间作用力较弱，相互间容易滑动，呈现出二维流体的性质，黏度高，具有正单轴
34、晶体的双折射性。向列型液晶也称丝状液晶，由长径比很大的棒状分子组成，每一分子的为止虽无规则，但从整体来看，分子轴向着同意方向。由于其各个分子容易顺着长轴方向自由移动，因而与近晶型液晶相比，向列型液晶黏度效，富于流动性但仍呈正单轴警惕的双折射性质。胆甾型液晶也称螺旋型液晶，它和近晶型液晶一样具有层状结构，但层内分子排列却与向列型液晶相似，分子长轴甾层内是相互平行的。这类液晶各层的分子取向与邻层的分子去向都略有偏移，液晶整体呈现螺旋结构，螺旋长度为可见光波长量级，具有旋光性、选择性光散射和偏折光二色性、负单轴晶体的双折射性。以上是三种典型的液晶结构，另外还有一些异性液晶，如圆盘型液晶和重入液晶。圆
35、盘型液晶由对称性良好的非极性分子组成，其形状如同硬币，可形成柱状堆排列，也像胆甾型晶体一样具有负单轴晶体的双折射性，但没有旋光特性，为非光学活性物质。重入液晶是指某两组分混合液晶的各向同性液体在冷却过程中呈现出各向同性液体 向列型液晶 近晶型液晶 这种奇妙相变现象的液晶。目前常用相变温度和熔点的测量以及测量电阻率的方法来了检验液晶的纯度。相变温度和熔点的测量 将试样及其纯净的样品一起进行混合熔融试验，如没有发现熔点下降，就可以认为试样是纯净的。另一方法是将液晶放在毛细管内，让后慢慢加温，精确控制和测量管内的温度。相变点可以用目测法或显微镜观察法来确定。相变点是液晶纯度的标志，如果相变温度与文献
36、中的标准值相差，则认为试样不纯。测量电阻率 把液晶夹在敷有导电曾的玻璃板之间，根据其电压电流特性求其电阻率。如果电阻率达到已知的经验数值，例如在以上，则可以认为是纯净的。精确测量液晶的纯度还可采用 另外方法，例如分析法、核磁共振法、红外分光法、紫外分光法、折射率法和热差分析法等。6. 液晶材料的物理性质与显示技术之间存在何种关系？参照表7-3回答 7. 什么是等离子体？简述等离子体的特性、分类及主要参数。等离子体就是高度电离化的多种粒子存在的空间，其中带电粒子有电子、正离子，不带电粒子有气体原子、分子、受激原子、亚稳原子等。等离子体具有如下特性：气体高度电离。具有很大的带电粒子浓度。具有电振荡
37、特性。具有加热气体的特性。稳定情况下其中的电场相当弱，且电子与气体原子频繁碰撞，可看做热运动。根据等离子体中各种粒子的能量分布情况将等离子体分为如下两类：等稳等离子体。非等温等粒子体。表征等离子体的主要参量有：电子温度电离强度轴向电场强度带电粒子浓度杂乱电子流密度8. 简述等离子显示的主要发展水平和研究动向。等离子体显示自1964年发明以来，在不到40年的时间里迅速发展，现在有关技术已经成熟，大屏幕壁挂电视已经商品化并被认为是最具发展前途的平板电视发展方向。PDP具有：固有的存储性能、高亮度、高对比度、能随机书写与擦除，长寿命、大视角、易于计算机互连等优点。PDP目前的研究方向主要集中在：多线
38、数，大屏幕。长寿命。提高分辨力。彩色化。简化驱动电路。9. 简述p-n结电致发光原理。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。10. 已知GaAs禁带宽度为1.4，求GaAs的LED的峰值波长。而实测GaAs的LED的峰值波长为1127nm，为什么？峰值波长由材料禁带宽度决定： 实际光电半导体中，杂质和晶体缺陷所
39、形成的能级与导带间的禁带宽度比价带间的主禁带宽度要窄得多，因此波长比峰值波长长的光将把这些杂质能级中的电子激发到导带衷曲，从而使光敏电阻的光谱响应向长波方向有所扩展。11. 简述高场交流直流电致发光(ACEL)发光原理。参看教材附图ACEL结构如图所示，它是将荧光粉（通常为ZnS:Cu）悬浮在介电系数很高、透明而绝缘的胶合有机介质，并将之夹持在两电极（其中之一为透明电极，另一个是真空蒸镀金属电极）之间而构成，实质上是大量几微米到几十微米的微小发光粉晶体悬浮在绝缘介质中的发光现象，又称德斯垂效应。加以正弦电压时，每隔半个周期，器件以短脉冲方式发光一次，激励电压有效值长需数百伏，发光持续时间约s。
40、ACEL不是体发光，而是晶体内的发光线发光。12. 简述高场直流电致发光（DCEL）发光原理。参看教材附图。DCEL结构基本与交流粉末器件相似，但其荧光粉的涂层是导电的，正常使用前必须在两电极上施加短暂作用的高电压脉冲，使从紧挨着阴极的荧光粉表面上失落，形成一薄层高电阻的ZnS。之后，较低的工作电压主要降在ZnS上，使之发光。13. 液晶有何特点？它主要有哪些电光效应？主要有哪些应用？液晶是介于完全规则状态（如固态晶体）与不规则状态（如各向同性液体）之间的中间物质。总的说来可分为热致液晶和溶致液晶。热致液晶是指某些有机物加热熔解后，由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶；而溶致液晶是指某些有机物放入
41、一定的溶剂中时，由于溶液破坏结晶晶格而形成的液晶。热致液晶实际上是某些有机物在某一限定温度范围内的状态。在这一温度范围的低端，它呈晶状固体；而在这一温度的高端，它为清澈的液体；只有在这一限定温度范围内，它时淡黄色的混浊液体，并具有固体和流动液体的某些光学特性。液晶材料的结构的主要特点是：它们的分子都具有细长条状结构，分子取向与液晶表面状态和其他分子有关。当外界的电场、磁场和温度稍有变化，分子的排列方向也随之变化，分子的运动便会发生紊乱，从而使光学性质发生变化。液晶的电光效应分类参看教材附图7-17：液晶显示器件主要利用液晶的电光效应和热光效应。利用向列型液晶动态散射的显示，目前成功应用与台式电
42、子计算机和钟表等方面。胆甾型液晶螺旋距变化在显示方面的应用，具体应用实例包括电子束贮存管，像投影等。胆甾型液晶螺旋轴旋转在液晶显示方面的应用，可用于记忆型显示。宾主相互作用在光阀方面的应用，把宾主混合物放在透明的夹层式液晶盒中，就能够用电压开关来调制透过液晶的单色线偏转光。胆甾型液晶在电子照相技术方面的应用，应用于电子照相技术中的静电潜像可见光。胆甾型液晶的光学性质随温度变化这一效应已被广泛应用于无损探伤、医疗显示、红外线全息术、微波全息术以及各种显示技术。14. 试说明自会聚彩色显象管的特点。采用了三枪三束精密直列式电子枪 自会聚彩色显象管的三个电子枪排列一水平线上，彼此间距很小，因而会聚误
43、差亦很小。除阴极外，其他电极都采用整体式结构，这样可以保证各电极定位精读，减少装架带来的误差。电子枪除三个独立的阴极引线用于输入三基色信号和进行自场平衡调节外，其它电极均采用公共引线，简化了管型芯柱结构。采用了间隙开槽式荫罩板及条形荧光屏 荫罩板上开有细长的间隙微型槽，这样克服了栅网式荫罩板怕振动的特点，增强了机械强度，降低了垂直方向的聚焦精度要求，提高了图像的稳定性。荧光屏采用黑底技术，提高了图像对比度。采用了精密环形偏转线圈为了满足动会聚的要求，保证偏转线圈具有确定的磁场分布，环形线圈的匝数分布恰巧给出三电子束动会聚所需要的磁场分布，从而不必进行动态会聚的调整。因此，称这种线圈为会聚自校正
44、型偏转线圈。15. 试说明扭曲向列型LCD的特点。向列型液晶也称丝状液晶，由长径比很大的棒状分子组成，每一分子的为止虽无规则，但从整体来看，分子轴向着同意方向。由于其各个分子容易顺着长轴方向自由移动，因而与近晶型液晶相比，向列型液晶黏度效，富于流动性但仍呈正单轴警惕的双折射性质。16. 试说明注入电致发光和高场电致发光的基本原理。注入式电致发光由直接装在晶体上的电极注入电子和空穴，当电子于空穴在晶体内再复合时发光的现象。高场电致发光高场电致发光是荧光粉中的电子或由电极注入的电子再外加强电场的作用下在晶体内部加速，碰撞发光中心并使其激发或离化，电子在回复基态时辐射发光。第八章 光通信无源器件简述
45、1. 用具有光学Kerr效应的晶体作为马赫曾德尔干涉仪的一臂，让透射强度反馈到晶体。求证系统的强度透射率为，式中，和为常量；假定，画出与的关系曲线，并推导最大微分增益的表达式。2. 光纤连接器的主要指标有哪几个？每个是如何定义的？连接器指标有插入损耗（简称插损）、回波损耗（简称回损）、谱损耗、背景光耦合、串扰、带宽等，其中最重要的为插损和回损，对于活动性光纤连接器还有重复性和互换性。插损 插损为光纤中的光信号通过连接器之后的输出光功率与输入光功率比值的贝数 式中，为插损，为输入光功率，为输出端光功率。回损 回损又称为后向反射损耗，用以衡量输入光功率中从连接器反射并沿输入通道反向传输的光功率占输
46、入光功率的份额。表示为 式中，为回损，为输入光功率，为后向反射光功率。重复性和互换性 重复性是指光纤（光缆）活动连接器多次插拔后插入损耗的变化情况，用dB表示。互换性是表征连接器插头与转换器两部分任意互换或有条件互换的性能指标，可以考核连接器结构设计和加工工艺的合理性，也是表明连接器实用化的重要标志。3. 影响光纤连接器插入损耗的因素主要有哪几个？说明每一个的含义。纤芯错位损耗 由于纤芯横向错位引起的损耗，它是连接损耗的重要原因。光纤倾斜损耗 由于两光纤轴线的角度倾斜而引起的在连接处的光功率损耗。端面间隙损耗 由于光纤连接端面处存在间隙Z而引起的损耗。菲涅耳反射损耗 由于光纤两个端面间隙中存在
47、不同的介质，当光进入其中时就会产生多次反射，从而产生损耗。芯径失配损耗 当光从纤芯半径为的光纤射向纤芯半径为（）的光纤时导致的损耗。数值孔径失配损耗 当光从数值孔径为的光纤射向数值孔径为（）的光纤时导致的损耗称为数值孔径失配损耗。4. 改进光纤连接器回波损耗的主要方法有哪些？通常将光纤端面加工成球面或斜球面，或将端面镀膜等。5. 画示意图说明光纤活动连接器主要有哪些类型？各有哪些特点？有代表性且正在使用的光纤活动连接器主要有以下几种类型：套管结构，如图8-6 由两个插针和一个套筒组成。其中的插针为一带有微孔的精密圆柱体，将光纤插入微孔后用胶固定并加工形成插针体。套筒是一种加工精密的套管，有开口
48、和不开口两种，开口套筒使用最普遍。对准时，以插针的外圆柱面为基准面，插针插入套筒并与其实现紧配合，以保证两根光纤精密对准。双锥结构，如图8-7 插针外端面加工成圆锥面，机座内孔也加工成双圆锥面。两个插针插入时利用锥面定位进行对接。这种方法加工精度要求极高，插针和机座常采用聚合物模压成型，内外锥面的结合不仅保证纤芯对中，而且保证两光纤端面间距恰好符合要求。V型槽结构，如图8-8 将两个插针放入精密设计的V型槽中，再用盖板将插针压紧，使纤芯达到对准，在单芯连接时一般不被采用，但常用于单纤/多纤与平板波导连接或多纤之间互相连接。透镜耦合结构，如图8-9 透过球透镜或自聚焦透镜来实现光纤的对准。透镜将
49、一根光纤的出射光变成平行光后进入另一透镜聚焦并耦合入第二根光纤。这种结构可以降低对机械加工的精度要求，但结构复杂、体积大、调整元件多、损耗大，在短距离便捷通信中采用。球面定心结构，如图8-10 由装有精密钢球的机座和装有圆锥面的插针组成。钢球开有一个内径比插针外径大的通孔，当两探针产如机座时，球面与锥面切合使纤芯对准并使纤芯间距符合要求。这种结构设计巧妙，但结构复杂，未被广泛采用。6. 制作光纤固定连接器主要有哪些方法？分别是如何实现的？各有何特点？制作固定接头的方法有熔解法、V形槽法、毛细管法、套管法等。熔解法用加热的办法将光纤熔融结合在一起，只要操作得当，熔解机设计合理，连接的插入损耗很小
50、，后向反射光为零。熔解的方法有电弧熔解、氢焰熔解、激光熔解三种，其中第一种应用最多。V形槽法、毛细管法和套管法所制作的固定接头插入损耗很小，有一定的后向反射光，指标虽略低于熔解法，但小巧、操作简便，适合野外作业，在短途干线、设备抢修、野战等方面应用较多，尤其在多芯光纤连接方面优势明显。电弧式光纤熔解机 电弧式光纤熔解机由于操作方便，熔解质量高（插入损耗平均值都在0.1dB以下）、接头的一致性和稳定性等技术性能好。它一般都由光纤准直与夹紧机构、对准机构、电弧放电机构、控制机构4部分组成。V形槽固定接头 在线路抢修、短距离线路连接、特殊环境光纤连接中常采用V形槽固定接头。这种接头携带方便、操作简单
51、，无需贵重仪表设备。其典型结构一般由合金铝片等制成的芯件和压盖两个元件构成。芯件是现在铝片上加工出对准槽和导引槽，然后将铝片相对折叠组成的。压盖是将铝片弯折成U字型制成，用与夹紧芯件，固定光纤。毛细管固定接头 毛细管固定接头一般采用玻璃材料制作。它的接续原理与过程是：将两根处理好的光纤从两头穿入毛细管内，利用其精密的内孔使两根光纤纤芯对准；在两光纤端面之间加入匹配液，消除菲涅耳反射，降低插入损耗，减小后向反射；用机械方法使光纤紧固。这种固定接头操作简便，体积很小，插损小，性能较好。套管式固定接头 这一类固定接头的结构原理与活动连接器完全一致，其主要零件也是插针和套筒。插针和套筒可以是陶瓷、玻璃
52、、金属和塑料等，外形设计哟更多地考虑如何将固定接头放置在光缆接头盒中。插针端面要现场粘接、研磨，端面之间要加注匹配液。这种固定接头有一定的使用价值。7. 光衰减器主要分哪几类？简述各类的基本工作原理。根据不同的光信号传输方式，可将光衰减器分为单模光衰减器和多模光衰减器；根据不同的光信号接口方式，可分为尾纤式光衰减器和连接器端口式光衰减器；根据不同的衰减方式又可分为固定式光衰减器和可变光衰减器。根据光衰减器的原理，可将其分为：位移型光衰减器 当两段光纤进行连接时，纤芯错位、端面间隙都会引起连接器损耗。反过来，将光纤的对中精度做适当的调整，就可以控制连接时的衰减量。位移型光衰减器就是根据这个原理，
53、有意让光纤在对接时发生一定错位，使光能量损失一些，从而达到控制衰减量的目的。直接镀膜型光衰减器 这是一种直接在光纤的端面或玻璃基片上镀制金属吸收膜或反射膜来衰减光能量的衰减器。衰减片型光衰减器 衰减片型光衰减器是一种将具有吸收特性的衰减片通过机械装置直接固定在光纤的端面上或准直光路中得到的光衰减器。光信号经过节距自聚焦透镜准直、衰减片衰减后，再被第二个自聚焦透镜聚焦耦合进光纤中。使用不同衰减量的衰减片，就可以得到相应衰减值的光衰减器。液晶型光衰减器 利用了分子轴扭转向列p型液晶。其原理如下：从光纤入射的光信号经自聚焦透镜后成为平行入射光，该平行光波被分束元件分为偏振面相互垂直的两束偏振光o光盒
54、e光。当它们经过不加任何电压的液晶元件时，两束偏振光同时旋转后再被另一个与光轴成的分束元件合为一束平行光，由第二个自聚焦透镜耦合进光纤；当液晶两电极加压后，扭转向列小盒产生晶向倾斜，这使得通过液晶 的部分o光盒e光偏振面旋转，旋转的那部分偏振光功率为，它们被分束元件汇合成一束平行光出射。随着外加电场的不断加强，该部分光功率也逐渐便小，即被自聚焦透镜耦合进入光纤的光信号也将越来越小，从而实现对光线好的衰减。8. 光衰减器的性能指标有哪些？分别如何定义？光衰减器的性能指标主要有衰减量、插入损耗、衰减量精度和回波损耗这四项。衰减量和插入损耗 衰减量和插入损耗是光衰减器的重要技术指标。固定光衰减器的衰
55、减量指标实际上就是其插入损耗指标要求，取决于金属蒸镀膜层的透过率和均匀性。由布拉格定律可知，透过率取决于吸收材料的内透过率和它的厚度 因此，衰减量A可表示为 式中，取决于材料的吸收本领，是波长的函数。 光衰减器的插入损耗（IL）主要来源于光纤准直器的插入损耗和衰减单元的透过率精度及耦合工艺。光衰减器的衰减精度 光衰减器的衰减精度是光衰减器的重要指标之一。通常机械式光衰减器的衰减精度为其衰减量的倍。回波损耗 回波损耗RL是影响系统性能的另一重要指标。光衰减器的回波损耗是指入射到光衰减器中的光能量和衰减器中沿入射光路反射出的光能量之比，一般由各元件和空气折射率失配造成的反射引起。频谱特性 在一些特
56、殊的用途中，需要衰减器在一定的带宽范围内有较高的衰减精度，其衰减谱线具有较好的平坦性。9. 光耦合器主要分哪几类？简述各类的基本工作原理。从功能上看，它可分为光功率分配器以及光波长分配（合/分波）耦合器；从端口形式上划分，它包括X型（）耦合器，Y型（）耦合器、星形（，）耦合器以及树形（，）耦合器等；从工作带宽的角度划分，它分为单工作窗口的窄带耦合器、单工作窗口的宽带耦合器合双窗口的宽带耦合器；由于传导光模式的不同，它又有多模耦合器合单模耦合器之分；从结构上又可分为分立元件组合型、全光纤型、平面波导型等类。熔融拉锥型全光纤耦合器 熔融拉锥法就是将两根或两根以上除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在
57、高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。波导型光耦合器 波导型光耦合器是指利用平面介质光波导工艺制作的一类光光耦合器件，往往是在铌酸锂（）等衬底材料上，以薄膜沉积、光刻、扩散等工艺将所需的波导结构制成芯片；芯片与单模光纤的耦合则具有端面直接耦合合通过迅衰场的表面耦合等基本方法。10. 光耦合器的性能指标有哪几类？分别如何定义？插入损耗 指以分贝表示的第个输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值 （dB）附加损耗 所有输出端口的光功率综合相对于输入光功率以分贝表示的减小值 分光比 指耦合器各输出口的输出功率的比值，常用相对输出总功率的百分
58、比来表示 方向性 方向性是光耦合器所特有的衡量器件定向传输特性的参数。以标准X形耦合器为例，方向性定义为在耦合器正常工作时输入侧非注光端的输出光功率与全部注入光功率比值的分贝数 式中，为注入光功率，代表输入侧非注光端的输出光功率。均匀性 用来衡量均分型光耦合器“不均匀程度”的参数。定义为在器件的工作带宽范围内各输出端口光功率的最大变化量 偏振相关损耗 衡量器件性能对传输光信号偏振态敏感程度的参数，速称偏振灵敏度。是指当传输光信号的偏振态发生变化时，器件各输出端光功率的最大变化量 隔离度 用于反映WDM器件对不同波长信号分离能力的参数，指光纤耦合器某一光路对其他光路中光信号的隔离能力 式中，是某
59、一光路输出端测到的其他光路信号的功率值。11. 光波分复用器主要分哪几类？简述各类的基本工作原理。 参照教材附表 12. 光波分复用器的性能指标有哪些？分别如何定义？波分复用器的光学特性参数主要有以下几个： 中心波长（或通带）、 它由设计、制造者根据相应国际、国家标准或实际应用要求来选定。 中心波长工作范围、 指每一工作通道允许的中心波长变化范围，常以平均信道间隔的表示。它限定了选用光源（LED或LD）的谱线宽度及中心波长位置。 中心波长对应的最小插入损耗、 指器件输入端和对应的输出端光功率以分贝表示的减小值。 相邻信道隔离度（最大串扰）、 指器件输出端口的光进入非指定输出端口光能量大小。 光
60、回波损耗 指光信号从指定端口输入时，由于器件引起反相回传的光能量。 偏振相关损耗PDL 指光信号以不同的偏振状态输入时（如线偏振、圆偏振、椭圆偏振），对应输出端口插入损耗最大变化量。 最大光功率 指器件允许通过的最大光功率值，以mW表示。13. 光隔离器主要分哪几类？简述各类的基本工作原理。根据光隔离器的偏振特性可将偏振器分为偏振相关型和偏振无关型两种；根据隔离器的内部结构可分为块状型、光纤型、波导型等；根据其外部结构可分为尾纤型、连接器端口型和微型化型，尾纤型和连接器端口型也称在线型。14. 光隔离器的性能指标有哪些？分别如何定义？插入损耗 插入损耗是隔离器性能的重要技术指标。主要来源与偏振
61、起、法拉第旋转器和光纤准直器的插入损耗。 偏振相关光隔离器的插入损耗表达式为 Wedge型偏振无关光隔离器的插损为 式中，为自聚焦透镜折射率，A为自聚焦透镜聚焦参数，h 为出射o光与e光的间距。反向隔离度 反向隔离度是隔离器最重要的指标之一，定义为当光从隔离器输出端入射时，输入端反向出射光功率与入射光功率的比值，它表征隔离器对反向传输光的衰减能力 回波损耗 光隔离器的回波损耗也是一个相当重要的指标，它指正向入射导隔离器中的光功率与沿输入路径返回隔离器输入端口的光功率之比偏振相关损耗PDL 指当输入光偏振态发生变化而其他参数不变时，器件插入损耗的最大变化量，是衡量器件插入损耗受偏振态影响程度的指
62、标，主要产生在折射率发生突变的界面上。30dB隔离度带宽 指以30dB带宽表示的光隔离器能够覆盖的工作波长范围。偏振模色散PMD 指通过器件的信号光不同偏振态之间的相位延迟。15. 光开关主要分哪几类？简述各类的基本工作原理。根据工作原理可分为机械式、MEMS式和集成光波导式三大类。机械式光开关靠光纤或光学元件移动使光路发生改变。MEMS型光开关就是利用MEMS技术制作的微型化的自由空间光学平台，它能够将光束从一根光纤转移到另一根光纤。集成光波导型光开关则依靠光电效应、磁光效应、声光效应以及热光效应来改变波导折射率，使光路发生改变。16. 光开关的性能指标有哪些？分别如何定义？光开关的光学特性
63、参数主要指插入损耗、回波损耗、隔离度、工作波长、消光比、开关时间等。插入损耗 输入和输出端口之间以分贝数表示的光功率的减少 式中，为进入输入端光功率；为输出端光功率。回波损耗（也称为反射损耗或反射率） 从输入端返回的光功率与输入光功率的比值，以分贝表示 式中，为进入输入端的光功率；是输入端口收到的返回光功率。隔离度 两个相隔输出端口以分贝数表示的光功率的比值 式中，m，n为光的两个隔离端口（）；是光从端口输入时n端口的输出光功率，是光从端口输入时在m端口测得的光功率。远端串扰 光开关接通端口的输出光功率与串入另一端口的输出光功率的比值。近端串扰 当其他端口接匹配终端，连接的端口与另一个名义上是
64、隔离的端口的光功率之比。消光比 两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。 式中，为n、m端口导通时的插入损耗，为非导通时的插入损耗。开关时间 开关端口从某一初始态转为通或断所需的时间，开关时间从在开关上施加或撤去转换能量的时刻起测量。第九章 光盘与光存储技术1. 光盘记录有什么优点？光盘有一下优点：存储密度高数据传输速率高存储寿命长信息位价低更换容易2. 光盘发展经历了哪几代？每一代的特点是什么？自美国ECD及IBM公式共同研制出第一片光盘以来，光盘经历了四代：只读存储光盘（read only memory，ROM） 这种光盘中的数据是在光盘生产过程中刻入的，用户只能从光盘中反复读取数据。
65、这种光盘制造工艺简单，成本低，价格便宜，其普及率和市场占有率最高。一次写入多次读出光盘（write once read many，WORM） 这种光盘具有写、读两种功能，写入数据后不可擦除。可擦重写光盘（rewrite,RW） 用户除了可在这种光盘上写入、读出信息外，还可以将已经记录在盘上的信息擦除掉，然后再写入新的信息；但擦与写需要两束激光、两次动作才能完成。直接重写光盘（overwrite，OW） 这种光盘上实现的功能与可擦重写重写光盘一样，所不同的是，这类光盘可用同一束激光、通过一次动作就擦除掉旧信息并录入新信息。3. 说明ROM光盘存储原理。如图9-1，9-2所示将事先记录在主磁带上的
66、视频或音频信息通过信号发生器、前置放大器去驱动电光或声光调制器，使经过调制的激光束以不同的功率密度聚焦在甩有光刻胶的玻璃衬盘上，使光刻胶曝光，之后经过显影、刻蚀，制成主盘（又称母盘，master），再经喷镀、电镀等工序制成副盘（又称印模,stamper），然后再经过“2P”注塑形成ROM光盘。4. 简述ROM光盘的形成过程。ROM光盘的主盘与副盘制备一般经过如图9-3所示工序。衬盘甩胶调制曝光显影刻蚀喷镀银层电镀镍层镍膜剥离，形成副盘上述主盘每一个都可以通过（5）、（6）步骤的重复，制得若干个副像子盘副盘；而每一个副盘又都可以通过（5）、（6）步骤的重复，制得若干个正像子盘。将上述所得正像或副
67、像子盘作为“印模”（stamper），加工中心孔和外圆后装入“2P”喷塑器中，经过进一步的“2P”复制过程来制作批量ROM光盘。5. 一次写入光盘有哪几种记录方式？一次写入光盘是利用激光光斑在存储介质的微区产生不可逆的物理化学变化进行信息记录的盘片，其记录方式主要有以下几种：烧蚀型：存储介质可以是金属、半导体合金、金属氧化物或有机染料。利用介质的热效应，使介质的微区熔化、蒸发，以形成信息坑孔。起泡型：存储介质由聚合物高熔点金属两层薄膜组成。激光照射使聚合物分解排出气体，两层间形成的气泡使上层薄膜隆起，与周围形成反射率的差异而实现信息的记录。熔绒型：存储介质用粒子刻蚀的硅，表面呈现绒状结构，激光
68、光斑使照射部分的绒面熔成镜面，实现反差记录。合金化型：用PtSi、Rh-Si或Au-Si制成双层结构，激光加热的微区熔成合金，形成反差记录。相变型：存储介质多用硫属化合物或金属合金制成薄膜，利用金属的热效应合光效应使被照射微区发生非晶相到晶向的相变。6. WORM光盘写/读对存储介质有什么基本要求？说明WORM光盘存储原理。光盘读写对存储介质有多方面的要求，综括起来主要包括以下几方面：分辨率及信息凹坑的规整几何形状没有中间处理过程较好的记录阈值记录灵敏较高的反衬度稳定的抗显微腐蚀能力与预格式化衬盘相容高生产率、低成本7. 说明激光热致相变RW光盘读、写、擦原理。参照教材附图。近红外波段的激光作
69、用在介质上，能加剧介质网络中原子、分子的振动，从而加速相变的进行。因此近红外激光对介质的作用以热效应为主，其中写、读、擦激光与其相变的进行。图的上半部是用来写入、读出及擦除信息的激光脉冲，下半部表示出在这三种不同的脉冲作用下，在介质内部发生的相应相变过程。信息的记录 对应介质从晶态C向玻璃态G的转变。选用功率密度高、脉宽为几十至几百纳秒的激光脉冲，使光斑微区因介质温度刹那间超过熔点而进入液相，再经过液相快瘁完成到达玻璃态的相转变。信息的读出 用低功率密度、短脉宽的激光扫描信息道，从反射率的大小辨别写入的信息。一般介质处在玻璃态（即写入态）时反射率小，处在晶态（即擦除态）时反射率大。在读出过程中
70、，介质的相结构保持不变。信息的擦除 对应介质从玻璃态G向晶态C的转变。选用中等功率密度、较宽脉冲的激光，使光斑微区因介质温度升至接近处，再通过成核生长完成晶化。在此过程中，光诱导缺陷中心可以成为新的成核中心，因此激光作用使成核速率、生长速度大大增加，从而导致激光热晶化壁单纯热晶化的速率要高。8. 比较热致晶化和光致晶化过程。9. 简述可擦重写磁光光盘读、写、擦原理。如图9-14，目前磁光薄膜的记录方式有补偿点记录和居里点记录两类，前者以稀土钴合金为主，后者则多为稀土铁合金。以补偿点写入的磁介质为例来讨论磁光记录介质的读、写、擦原理。信息的写入 GdCo有一垂直于薄膜表面的易磁化轴。在写入信息前
71、，用一定强度的磁场对介质进行初始磁化，使各磁畴单元具有相同的磁化方向。在写入信息时，磁光读写头的脉冲激光聚焦在介质表面，光照微斑因升温而迅速退磁，此时通过读写头中的线圈施加一反偏磁场，就可使光照区微斑反向磁化，如图所示，而无光照的相邻磁畴磁化方向仍将保持原来的方向，从而实现磁化方向相反的反差记录。信息的读出 信息读出是利用Kerr效应检测记录单元的磁化方向。用线偏振光扫描录有信息的信道，光束到达磁化方向向上的微斑，经反射后，偏折方向会绕反射线右旋一个角度，如图所示。反之，若光扫描到磁化方向向下的微斑，反射光的偏振方向则左旋一个，以表示。实际测试时，使检偏器的主截面调到与对应的偏振方向相垂直的方
72、位，则来自向下磁化微斑的反射光不能通过检偏器到达探测器，而从向上磁化微斑反射的光束则可以通过的分量，这样探测器就有效地读出了写入的信号。擦除信息时，如图所示，用原来的写入光束扫描信息道，并施加与初始方向相同的偏置磁场，则记录单元的磁化方向又会回复原状。对于稀土铁合金磁光介质，其写、读、擦原理与补偿点记录方式一样，所不同的是，这类介质有一个居里点。当介质微斑温度高于时，该区的矫顽力很快下降至极小值。因此在记录时，应使光照微斑的温度升至以上，再用偏置磁场实现反向磁化。这种记录方式叫居里点写入。10. 光信息存储有哪些新技术？持续光谱烧孔和三维光信息存储、电子俘获光存储技术、全息信息存储、光致变色存储。11. 简述PSHB存储原理。能够产生PSHB现象的物质系统必须由壳体分子（光活性分子）和主体分子（透明固体基质两部分组成）。客体分子均匀地分散在固体基质中，低温下，在激光诱导下发生具有为止选择性的光化学反应，引起在非均匀的宽带吸收光谱带上由选择性地产生一个均匀光谱孔。12. 简述电子俘获光存储基本原理。 13. 简述全息信息存储基本原理。 全息存储中，全息图记录地是物体发射或散射出的光场的完整信息，包括光场的振幅和位相。它利用傅立叶变换制作直径约1mm的小全息图，排成列阵，或者像唱片那样排列在旋转的圆盘上。
