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光电子技术基础-研究生课程－复习提纲( -3-31)

1．激光器一般由激励能源、 谐振腔和工作物质三个主要组成部分构成。

2．光纤以SiO2为基本材料, 能应用于通信领域其主要原因是光纤的传输损耗低。

3．激光调制器主要有电光调制器、 声光调制器、 磁光调制器。

4．电光晶体的非线性电光效应主要与外加电场、 晶体性质有关。

5．激光调制按其调制光波的参量分类, 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摄像器件的信息是靠电荷存储。

8．液晶根据分子排列的不同能够分为: 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．电磁波谱按照波长的排列顺序为: 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。
一般所说的光学区域(或光学频谱)包括: 红外线、 可见光和紫外线。由于光的频率极高(1012~1016Hz), 数值很大, 使用起来很不方便, 因此采用波长表征, 光谱区域的波长范围约从1 mm到10 nm。人们习惯上将红外线、 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．光纤通信中常见的光源波长: 850μm; 1310μm; 1550μm。

11．激光调制器中的内调制: 加载调制信号是在激光振荡过程中进行的, 即以调制信号去改变激光器的振荡参数, 从而改变激光输出特性以实现调制。

12．光子效应: 单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后, 直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变。

13．比较光子探测器和光热探测器在机理、 性能及应用方面的异同。
光子效应是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后, 直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小, 直接影响内部电子状态改变的大小。光子能量是, 是普朗克常数, 是光波频率, 因此, 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的情况下, 其响应速度一般比较快。
光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量后, 并不直接引起内部电子状态的改变, 而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量, 引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其它物理性质发生变化。因此, 光热效应与单光子能量的大小没有直接关系。原则上, 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, 因此广泛用于对红外线辐射的探测。因为温度升高是热积累的作用, 因此光热效应的响应速度一般比较慢, 而且容易受环境温度变化的影响。

14．电荷耦合摄像器件的主要特性参数:
转移效率: 电荷包在进行每一次转移中的效率;
不均匀度: 包括光敏元件的不均匀与CCD的不均匀;
暗电流: CCD在无光注入和无电注入情况下输出的电流信号;
灵敏度: 是指在一定光谱范围内, 单位曝光量的输出信号电压( 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%, 所对应的波长称为峰值波长, 低于10%的响应点对应的波长称为截止波长;
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的分辨能力;
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, 输出信号与曝光量的关系是否成直线关系。

15．比较带像增强器的CCD、 薄型背向照明CCD和电子轰击型CCD器件的特点。
带像增强的CCD: 将光图像聚焦在像增强的光电阴极上, 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: 克服了普通前向照明CCD的缺陷, CCD的量子效率提高到90%, 灵敏度高, 噪声低。
电子轰击型CCD: 采用电子从”光阴极”直接射入CCD的成像方法, 简化了光子被多次转换的过程, 信噪比大大提高; 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 相应的复振幅为
单色球面光波的表示式: 复数形式为:
复振幅为:
单色柱面光波的表示式为:
复振幅为
基模(TEM00)高斯光束的表示式:
复振幅为

17．光电三极管与普通三极管有什么不同? 为什么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普通三级管的基级和集电极间并联一个光电二极管。光电三极管的内增益大, 故能够输出较大电流。

18．简述液晶显示器的主要特点。
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的特点。
TN-LCD利用扭曲向列相液晶的旋光特性, 液晶分子的扭曲角为90度, 电光特性曲线不够陡峻, 由于交叉效应, 在采用无源矩阵驱动时, 限制了其多路驱动能力。
STN-LCD的扭曲角在180-240度范围内, 曲线陡度的提高允许器件工作在较多的扫描行数下, 利用了超扭曲和双折射两个效应, 是基于光学干涉的显示器件。

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?
其快慢轴与晶体的主轴成45°角, 从而使和两个分量之间产生p/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区的高阻, 在反偏的工作情况下, 它承受极大部分电压降使耗尽区增大, 这样展宽了光电转换的有效工作区, 使灵敏度增大。( 2) 又因为PIN结光电二极管的工作电压是很高的反偏电压, 使PIN结的耗尽层加宽, 减小了结电容, 电场强, 光生电流加速, 因而大幅度减小了载流子在结内的漂移时间, 元件的响应速度加快。
22．简述光电探测器的种类及相应的光电器件。
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) 的根本区别是什么?
LED没有谐振腔, 它的发光基于自发辐射, 发出的是荧光, 是非相干光;
LD的发光基于受激辐射, 发出的是相干光( 激光) 。

24．为什么发光二极管的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, 外加电压削弱内建电场, 使空间电荷区变窄, 载流子的扩散运动加强, 构成少数载流子的注入, 从而在p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子和一个空穴的一次复合将释放出与材料性质有关的一定复合能量, 这些能量会以热能、 光能或部分热能和部分光能的形式辐射出来, 产生电致发光现象, 这就是LED的发光机理。
因为p-n结在外加正向偏压时, 即使没有光照, 电流也随着电压按指数规律增加, 因此有光照时, 光电效应不明显。p-n结必须在反向偏压的状态下, 才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是反向饱和电流, 因此光照增加时, 在p-n结及其附近产生光生载流子(少子), 得到的光生电流就会明显增加。

25．受激辐射: 原子中的电子处于高能级时,若有外来光子, 其能量为高能级与低能级的能量差, 则原子中处于高能级的电子将会在外来光子的诱发下跃迁至低能级, 发出与外来光子一样特征的光子。
受激辐射特点:
(1)受激辐射时发出的光子与外来光子具有相同的频率, 振动方向, 相位, 是相干光。
(2)一个外来光子能够引起大量原子产生受激辐射, 产生光放大。
(3)只有能量hn =E2 -E1 的光子才能引起原子由E2 向E1 跃迁产生光辐射。

26．负温度是对光源中处于高能态的原子数比低能态的原子数多的状态的表述。
光源中处于高能态 E2 的原子数 n2, 低能态 E1 的原子数目 n1, E2 > E1 且 n2 > n1。根据热平衡态下的玻尔兹曼分布 。光源相应的温度:

在粒子数布居反转的情况下, 光源的温度T时”负值”。事实上, 温度是不能为负值的, 这里的”负温度”上是表示原子按能级分布的状态不是处于热力学平衡状态, 而是处于非平衡状态。

27．激光的纵模: 从光的波动观点看, 模是指电磁波动一种类型, 实际上也就是存在于空腔中各种不同频率的驻波; 从光的粒子观点看, 模是代表了能够相互区分的光子态。
设谐振腔腔长为 l, 频率为 ν, 相位条件能够写成: , , m为整数。不同的 m对应于不同的光波频率。这种沿同一个方向传播, 按光的频率来区分的光子态称为纵模。每一个 m, 对应于一个纵模。
激光的横模: 激光光束除纵模外, 还有按辐射传播方向区分的光子态, 称为横模。从波动观点来看, 在垂直于光束传播方向的横截面上, 每一种稳定存在的电磁场分布形式称为一种横模, 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)的斜率为加电场后的介电常数: , , 取二阶近似
, ,
n的变化与外加电场的一次方成正比, 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: , 试推导出的表示式。
答: 光学克尔效应是指光场直接引起非线性介质折射率变化的效应, 其折射率变化( 即非线性折射率) 的大小与光电场的平方( 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同。克尔电光效应是线偏振光经过加有电场的透明介质( 如玻璃) 变为椭圆偏振光的现象。电场在介质中感生双折射, 使各向同性介质变成各向异性, 在介质中传输的o光、 e光的折射率不同, 产生位相差。
设频率为ω的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的关系: , , 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的实部成正比。

30. 光电探测技术就是把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术。

31. 磁光调制: 法拉第效应——法拉第在1845年发现: 当一束平面偏振光经过磁场作用下的某些物质时, 其偏振面受到正比于外加磁场平行于传播方向分量的作用而发生偏转。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某些天然介质时, 偏振面旋转的现象称为天然旋光, 简称旋光现象。
旋转角: 。H为平行于传播方向的磁场强度分量, l为光在介质中的传播长度, V称为费尔德常数, 是表征材料磁光性能的一个常数, 与波长有关 .

32. 液晶的电光效应——液晶分子在形状、 介电常数、 折射率及电导率等方面具有各向异性的特点,当施加电场后,随着液晶分子轴的排列变化和液晶分子的流动会发生不稳定现象,其光学性质会发生变化。

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