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光电子考试简答题答案(2)

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  • 卖家[上传人]:飞***
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  • 上传时间:2018-04-25
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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 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= 22chvcE,光子具有运动质量,但静止质量为零;(3)kP; (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

      2、了得到线性调制,在调制器中插入一个/4 波片,波片 的轴向如何设置最好?若旋转/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 y 两个 分 量 之 间 产 生 /2 的 固 定 相 位 差 。 若 旋 转/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

      3、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)时所需要加的电压, 称为半波电压。 半波电压6332rnVo主要由光波长、O光折射率on和电光系数63r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

      4、: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 ?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

      5、,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 3 1、 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。

      6、 答:光敏电阻阻值对光照特别敏感,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

      7、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. 分别指明可见光谱区和 中红外光谱区 的范围。 答:可见光 0.380.78 m (或者 0.40 0.76 m ) 中红外波段 1.

      8、5 6m (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

      9、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。)

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