光电子技术基础复习题.doc

光电子技术基础-硕士课程－复习提要（-3-31）

1．激光器通常由激励能源、 谐振腔和工作物质三个关键组成部分组成。

2．光纤以SiO2为基础材料, 能应用于通信领域其关键原因是光纤传输损耗低。

3．激光调制器关键有电光调制器、 声光调制器、 磁光调制器。

4．电光晶体非线性电光效应关键与外加电场、 晶体性质相关。

5．激光调制按其调制光波参量分类, 有振幅调制、 相位调制、 光强调制、 偏振调制。

6．光电探测器有光电导探测器、 光伏探测器、 光磁电探测器。

7．CCD摄像器件信息是靠电荷存放。

8．液晶依据分子排列不一样能够分为: 近晶型液晶, 也称层状液晶; 向列型液晶, 也称丝状液晶; 胆甾型液晶, 也称螺旋形液晶。

9．电磁波谱根据波长排列次序为: 宇宙射线、 γ射线、 X射线、 紫外光、 可见光、 红外光、 微波、 无线电波、 长电磁波。
通常所说光学区域(或光学频谱)包含: 红外线、 可见光和紫外线。因为光频率极高(1012~1016Hz), 数值很大, 使用起来很不方便, 所以采取波长表征, 光谱区域波长范围约从1 mm到10 nm。大家习惯上将红外线、 可见光和紫外线又细分为:
红外线(1 mm~0.76 μm) : 远红外 1 mm~20 μm; 中红外 20 μm~1.5 μm; 近红外 1.5 μm~0.76 μm。
可见光(760 nm~380 nm) : 红 色 760 nm~650 nm;
橙 色 650 nm~590 nm;
黄 色 590 nm~570 nm; 
绿 色 570 nm~490 nm; 
青 色 490 nm~460 nm; 
蓝 色 460 nm~430 nm; 
紫 色 430 nm~380 nm;
紫外线(380 nm~10 nm) : 近紫外 380 nm~300 nm; 
中紫外 300 nm~200 nm; 
真空紫外 200 nm~10 nm 。

10．光纤通信中常见光源波长: 850μm; 1310μm; 1550μm。

11．激光调制器中内调制: 加载调制信号是在激光振荡过程中进行, 即以调制信号去改变激光器振荡参数, 从而改变激光输出特征以实现调制。

12．光子效应: 单个光子性质对产生光电子起直接作用一类光电效应。探测器吸收光子后, 直接引发原子或分子内部电子状态改变。光子能量大小直接影响内部电子状态改变。

13．比较光子探测器和光热探测器在机理、 性能及应用方面异同。
光子效应是指单个光子性质对产生光电子起直接作用一类光电效应。探测器吸收光子后, 直接引发原子或分子内部电子状态改变。光子能量大小, 直接影响内部电子状态改变大小。光子能量是, 是普朗克常数, 是光波频率, 所以, 光子效应就对光波频率表现出选择性, 在光子直接与电子相互作用情况下, 其响应速度通常比较快。
光热效应和光子效应完全不一样。探测元件吸收光辐射能量后, 并不直接引发内部电子状态改变, 而是把吸收光能变为晶格热运动能量, 引发探测元件温度上升,温度上升结果又使探测元件电学性质或其她物理性质发生改变。所以, 光热效应与单光子能量大小没有直接关系。标准上, 光热效应对光波频率没有选择性。只是在红外波段上, 材料吸收率高, 光热效应也就更强烈, 所以广泛用于对红外线辐射探测。因为温度升高是热积累作用, 所以光热效应响应速度通常比较慢, 而且轻易受环境温度改变影响。

14．电荷耦合摄像器件关键特征参数:
转移效率: 电荷包在进行每一次转移中效率;
不均匀度: 包含光敏元件不均匀与CCD不均匀;
暗电流: CCD在无光注入和无电注入情况下输出电流信号;
灵敏度: 是指在一定光谱范围内, 单位曝光量输出信号电压（电流）;
光谱响应: 是指能量相对光谱响应, 最大响应值归一化为100%, 所对应波长称为峰值波长, 低于10%响应点对应波长称为截止波长;
噪声: 能够归纳为散粒噪声、 转移噪声和热噪声;
分辨率: 是指摄像器件对物像中明暗细节分辨能力;
动态范围和线性度: 动态范围=光敏元件满阱信号/等效噪声信号, 线性度是指在动态范围内, 输出信号与曝光量关系是否成直线关系。

15．比较带像增强器CCD、 薄型背向照明CCD和电子轰击型CCD器件特点。
带像增强CCD: 将光图像聚焦在像增强光电阴极上, 再经像增强器增强后耦合到到CCD上实现微光摄像。
薄型背向照明CCD: 克服了一般前向照明CCD缺点, CCD量子效率提升到90%, 灵敏度高, 噪声低。
电子轰击型CCD: 采取电子从“光阴极”直接射入CCD成像方法, 简化了光子被数次转换过程, 信噪比大大提升; 体积小, 重量轻, 可靠性高, 分辨率高, 对比度好。

16．平面简谐光波 或 对应复振幅为
单色球面光波表示式: 复数形式为:
复振幅为:
单色柱面光波表示式为:
复振幅为
基模(TEM00)高斯光束表示式:
复振幅为

17．光电三极管与一般三极管有什么不一样？为何说光电三极管比光电二极管输出电流能够大很多？
光电三极管在原理上相当于在一般三级管基级和集电极间并联一个光电二极管。光电三极管内增益大, 故能够输出较大电流。

18．简述液晶显示器关键特点。
优点: 1低压, 微功耗; 2平板结构; 3被动显示型; 4显示信息量大; 5易于彩色化; 6长寿命; 7无辐射, 无污染。
缺点: 显示视角小; 响应速度慢; 非主动发光。

19．比较TN－LCD和STN－LCD特点。
TN-LCD利用扭曲向列相液晶旋光特征, 液晶分子扭曲角为90度, 电光特征曲线不够陡峻, 因为交叉效应, 在采取无源矩阵驱动时, 限制了其多路驱动能力。
STN-LCD扭曲角在180-240度范围内, 曲线陡度提升许可器件工作在较多扫描行数下, 利用了超扭曲和双折射两个效应, 是基于光学干涉显示器件。

20．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, 波片轴向怎样设置最好？若旋转l/4波片, 它所提供直流偏置有何改变？
其快慢轴与晶体主轴成45°角, 从而使和两个分量之间产生p/2固定相位差。若旋转l/4波片, 它所提供直流偏置, 得到直流偏值随偏振片改变而改变。

21．PIN光电二极管增加了一层I区, 有什么优点？
1）因为I区（高阻本征半导体）相对于P区高阻, 在反偏工作情况下, 它承受极大部分电压降使耗尽区增大, 这么展宽了光电转换有效工作区, 使灵敏度增大。（2）又因为PIN结光电二极管工作电压是很高反偏电压, 使PIN结耗尽层加宽, 减小了结电容, 电场强, 光生电流加速, 所以大幅度减小了载流子在结内漂移时间, 元件响应速度加紧。
22．简述光电探测器种类及对应光电器件。
光电子发射器件: 光电管、 光电倍增管;
光电导器件: 光敏电阻;
光生伏特器件: 雪崩光电管、 光电池、 光电二极管、 光电三极管。

23．发光二极管（LED）与半导体激光器（LD）根本区分是什么？
LED没有谐振腔, 它发光基于自发辐射, 发出是荧光, 是非相干光;
LD发光基于受激辐射, 发出是相干光（激光）。

24．为何发光二极管PN结要加正向电压才能发光？而光电二极管要零偏或反偏才能有光生伏特效应？
p-n结在外加正向偏压时, 外加电压减弱内建电场, 使空间电荷区变窄, 载流子扩散运动加强, 组成少数载流子注入, 从而在p-n结周围产生导带电子和价带空穴复合。一个电子和一个空穴一次复合将释放出与材料性质相关一定复合能量, 这些能量会以热能、 光能或部分热能和部分光能形式辐射出来, 产生电致发光现象, 这就是LED发光机理。
因为p-n结在外加正向偏压时, 即使没有光照, 电流也伴随电压按指数规律增加, 所以有光照时, 光电效应不显著。p-n结必需在反向偏压状态下, 才有显著光电效应产生, 这是因为p-n结在反偏电压下产生是反向饱和电流, 所以光照增加时, 在p-n结及其周围产生光生载流子(少子), 得到光生电流就会显著增加。

25．受激辐射: 原子中电子处于高能级时,若有外来光子, 其能量为高能级与低能级能量差, 则原子中处于高能级电子将会在外来光子诱发下跃迁至低能级, 发出与外来光子一样特征光子。
受激辐射特点:
(1)受激辐射时发出光子与外来光子含有相同频率, 振动方向, 相位, 是相干光。
(2)一个外来光子能够引发大量原子产生受激辐射, 产生光放大。
(3)只有能量hn =E2 -E1 光子才能引发原子由E2 向E1 跃迁产生光辐射。

26．负温度是对光源中处于高能态原子数比低能态原子数多状态表述。
光源中处于高能态 E2 原子数 n2, 低能态 E1 原子数目 n1, E2 > E1 且 n2 > n1。依据热平衡态下玻尔兹曼分布 。光源对应温度:

在粒子数布居反转情况下, 光源温度T时“负值”。实际上, 温度是不能为负值, 这里“负温度”上是表示原子按能级分布状态不是处于热力学平衡状态, 而是处于非平衡状态。

27．激光纵模: 从光波动见解看, 模是指电磁波动一个类型, 实际上也就是存在于空腔中多种不一样频率驻波; 从光粒子见解看, 模是代表了能够相互区分光子态。
设谐振腔腔长为 l, 频率为 ν, 相位条件能够写成: , , m为整数。不一样 m对应于不一样光波频率。这种沿同一个方向传输, 按光频率来区分光子态称为纵模。每一个 m, 对应于一个纵模。
激光横模: 激光光束除纵模外, 还有按辐射传输方向区分光子态, 称为横模。从波动见解来看, 在垂直于光束传输方向横截面上, 每一个稳定存在电磁场分布形式称为一个横模, 用符号 TEMmn 表示。

28．泡克尔斯(Pockels)效应 与 克尔(Kerr)效应
当外加电场沿着某一介电主轴作用于晶体 , 定义D(E)斜率为加电场后介电常数: , , 取二阶近似
, ,
n改变与外加电场一次方成正比, 称为线性电光效应或泡克尔斯(Pockels)效应;
线性电光效应(一次电光效应)
Δn与外加电场平方成正比, 称为二次电光效应或克尔(Kerr)效应; 二次电光效应

29．试简述光学克尔效应、 克尔电光效应。克尔介质总折射率与光强成正比: , 试推导出表示式。
答: 光学克尔效应是指光场直接引发非线性介质折射率改变效应, 其折射率改变（即非线性折射率）大小与光电场平方（光强）成正比。克尔效应是三阶非线性效应。
光学克尔效应与克尔电光效应不一样。克尔电光效应是线偏振光经过加有电场透明介质（如玻璃）变为椭圆偏振光现象。电场在介质中感生双折射, 使各向同性介质变成各向异性, 在介质中传输o光、 e光折射率不一样, 产生位相差。
设频率为ω强激光入射各向同性介质, 考虑一阶、 三阶效应（取其实部）, ,
,
。
, , ,
线性折射率与线性介电系数关系: , , 得: 。
,
总折射率为: 。
非线性折射率为: , , ,
非线性折射率与光强成正比: 非线性折射率系数与三阶极化率实部成正比。

30. 光电探测技术就是把被调制光信号转换成电信号并将信息提取出来技术。

31. 磁光调制: 法拉第效应——法拉第在1845年发觉: 当一束平面偏振光经过磁场作用下一些物质时, 其偏振面受到正比于外加磁场平行于传输方向分量作用而发生偏转。这种现象称为法拉第效应。
旋光现象——当线偏振光沿光轴方向经过一些天然介质时, 偏振面旋转现象称为天然旋光, 简称旋光现象。
旋转角: 。H为平行于传输方向磁场强度分量, l为光在介质中传输长度, V称为费尔德常数, 是表征材料磁光性能一个常数, 与波长相关 .

32. 液晶电光效应——液晶分子在形状、 介电常数、 折射率及电导率等方面含有各向异性特点,当施加电场后,伴随液晶分子轴排列改变和液晶分子流动会发生不稳定现象,其光学性质会发生改变。

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