-
第一章
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、
< br>
光存储器
件、
光显示器件。
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
器和非线性
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、热伏型探测器等。
光存储器件分为光盘
（
包括
CD
、
VCD
、
DVD
、
LD
等
）
、光驱、光盘塔等。
光显示器件包括
CRT
、液晶显示器、等离子显示器、
2<
/p>
．谈
谈你对光电子技术的理解。
LED
显示。
光电子技术主要研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。
5.
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<
/p>
），
LED
显示。
1
第二章：光学基础知识与光场传播规律
1.
填空题
⑴ 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。
⑵
两束光相干的条件是
频率相同、振动方向相同、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
&
=
k
（
=
如吃
Jtiiil
）
< br>,
6
为光程差。
m
;
两束光相长干涉的条件是
m
0,
⑶两列同频平面简谐波振
幅分别为
2
2
E
01
、
E
02
，
位相差为，则其干涉光强为
U*
=25(m
=0,±1,±2,
....
)
E
01
+E
02
+
2E
01
E
02
CO
丄?
，两列波干涉相长的条件为
⑷波长
A
的光经过孔径
D
的小孔在焦距
f
处的衍射爱
里斑半径为
1.22Df
。
2.
在玻璃
佝
=2.2
5H =1
）上涂一种透明的介质膜以消除红外线
反射。
⑴求该介质膜应有的介电常量及厚度。
⑵如紫外线
仏
=0.42Am
）
垂直照射至涂有该介质膜的玻璃上
,
功率百分之多少
?
⑴玻璃的折射率
门
< br>=
肩
=
1.5
< br>，正入射时，当
n
=
亦
时
,
作用，所以
n =
j
nnG =
^/
?
面
5
，正入射下相应的薄膜厚度最薄为
仏
=
0.75Am)
的
反射功率占入射
膜系起到全增透
几
0
0.75
= 0.153
卩
m
h
=
一
= -----
咒
/
⑵正入射时，反射率为
2
応
nh
_
nN
G
,2.2^
nh
(n
0-
n
G
)cos
—
+
(
----------
-
n)
sin
——
n
p
______________
人
0
_________
托
0
2
2
正
.
，<
/p>
、
2
/
2
2
2
2
花
nh
,
/n
o
n
e
,
,2 .
2
沢
nh
(n
。一
n
c
) cos
一
一
=
3.57%
=
________________________
%
(
.
、
2
2
2
兀
nh
+
小畀
0
.
2
?
2
2
兀
2
&
输出波长
A
=
632.8
nm
< br>的
He-
Ne
激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆
< br>和
MgF
2
形成的，这两种材料
的折射率系数分别为
少个双层才能使镜面反射系数大于
99.5
%?
/
n
H 2P
n
H
n
o
—
()
ri
L
n
G
>0.995
，即
n
2
ZnS
1.5
和
2
?
5
。问至少涂覆多
f
2
设玻璃的折射率
n
G
=
1.5
由题意
:
1
/
H
2P
H
+
(
——
)
n
G
」
9975
n
n
一<
/p>
(
-
-
)
2
：
(
?
2
-
)
兰
0.9 9 7
2
5/1
5
2
5
/1
5<
/p>
5
2
P
2
1
+
(2.5/1.5)
(2.5
/1.5)
2p = 10.29= P sz5.15
?]
二
仁
=191.745
1
1.5
丿
4.167 0.0025
2P
故至少涂覆
6
个双层。
第三章激光原理与技术
1
.
填空
⑴最早的电光源是
炭弧光灯，最早的激光器是
佃
60
年由美国人梅曼制作的
红宝石激光
器。
⑵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。
⑶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
< br>
充分条件是阈
值条件和增益饱和效应，必要条件包括粒
子数反转分布和减少振
荡模式数。
⑷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
:
⑴受激辐射
（
画出二能级图
）
处于激发态
E2
上的原子，在频率满足
hv
21=
E
2 <
/p>
-E
1
的入射光作用下，从
E2
能级跃迁到
E1
能级，在跃迁过程中，原子辐射出能量为
^21
、与入射光处于同
3
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，这一发
射过程称为受激发射过程。
⑵谱线的多普勒加宽
多普勒展宽是由于气体物质中
热运动速度不同的发光粒子发出的光的表观
中心频率不
同造成的谱线加宽。
⑶谱线的自然加宽
自然加宽是由于粒
子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上寿命
有限所形成的
谱线加宽。
⑷光放大
引入激活介质的增益系数
G2)
G(V
式中，
dI(G
是传播距离
dx
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距离时，光强增加的百分数。由于
GW) >0
，所以
GW)
可以表示光在激活介质当中的放大特性。
dl(u)>0
，因而
3.
计
算与推导
(1
)
入
=
0
.5
^
m
时，什么温度下自发辐射率
与受激辐射几率相等？
波长下自发辐射与受激辐射几率相等
?
自发辐射率为
A
21
，受激辐射率为
W
21
。<
/p>
W
2
I
=
B
2
』
P221
)
由爱因斯坦关系式可知：彳！
=8
叭必
n
B
2
I
c
3
3
T=300K
时
,
什么
由普朗克公式可知：
P
(
?
I
)
=
更学匹
L
—
-1
——
exp
(
如
)-1
kT
3
3
c
4
(a
)
由题意
A
21
=
W
21
，故
exp
(
凹釘
-1=1
,
kT
h
谚
阻
2
he]n2 6.63
咒
103
咒
(3
咒
10
8
)
3
咒
0.693
1
“
.3,^
------
―
-
-
二——
k
k
3
1.
38
X
10/
3
X
(0.5x10
乍
=7.19x 10 K
3
(b
)
当
T=300K
时
,
he
辿
2
6.63
咒
3
曲
6931
10
」
4
1.3^10^^300
C
。
=2.997
O
12
kT
Z
=1.442
X
1O
4
M
(2
)
He-
Ne
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
1.5X10
9
Hz,
则可能引起的纵模总
数是多少
?
解：气体的折射率
n
,
由
5=
—
Jq
得
q
二经
=^^=6.32>MO
5
紅
632.8
咒
10
1
2nL
O
H
纵模频率间隔口
叮
< br>=
話爲
2F
8
< br>Z
实际振荡纵模总数
gw
(3
)
红宝石激光器的工作物质特性：
N<
/p>
2
-N
i
=
5X1O
7
/Cm
3
< br>、
300K
处，
1
14
U
柑俺
---
=2X1O
11
HZ
，
T
S
=3X1O
」
S
，
柑
=
4.326
XIO
H
Z
，
n=1
?
78,
求其在中心频率处
g(
%
)
的增益系数
GW)
。
f
f
解：因为
G
K
m
N
2
g
1
-N
i
g
>p
/2)
Av
N
2
g
1
-N
)
1
-
2 .
i
(
21
g
2
2
g
2
J
71
/2)
2
人
A
8
兀
g
1
A
c
21
=g
2
，
人<
/p>
=
一
所以
:
1
20
G
m
叫
2=
5
10
7
9
10
4
兀
2
2
10
1.78
11
2
(4.36
10
14
)
2
= 9.46
io'
2
/cm
2
4
．简述题
⑴ 简述激光的特点。
v
5
激光的特点主要表现在以下四个方面：
①激光的方向性很好；
②激光的单色
性很好；
③激光的相干性很好；④激光具有极高的亮度和单色亮度。
⑷ 为什么二能级系统不能产生激光？
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
< br>光辐射之后，一方面物质吸收光，使
N
i
减少、
N
2
增加；另一方面
由于
物质中存在辐射过程，
使
N
2
减小、
N
i
增加，两种过程同时存在，最终达到
N
i
=
N
2
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
N
2
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。
⑸
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
<
/p>
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
要有一个亚稳态能级，它
可以使得粒子在该能级上具有较长得停留时间或较小
的自发辐
射概率，从而实现其与低能级
之间得粒子数反转分布。这样，激光工
作物质应至少具备三个能级。
设
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（
ns
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。当把一半以上的粒子
<
/p>
抽运到
E2
,
就
实现了粒子数反转分布，此时若有光子能量为
光，则将产生光的受激辐射，发射
h
U
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。主要有以下几种泵
浦方式：①
光激励方式②气体辉光放电或高频放电方式③直接电子注入方式④
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。
振腔还具
有选频作用，即自发辐射荧光线宽内只有满足谐振条件的纵模能形成
振荡输出。
⑺
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；两个充分
条件：阈值
条件和增益饱和。
粒子数反转使得受激辐射超过受激吸收，才能得到光放大。
<
/p>
要想得到方向性很好、单色性很好的激光，还必须减少振荡模式数。这是
< br>
因为：第一：
6
h
u
=
E
2
-
E1
的
入射
受激发射可以沿各个方向产生，难以形成极强的光束；第二，受
激辐射光有很多频率，对应
很多模式，每一模式的光都将携带能
量，难以形成
单色亮度很强的激光。所以，必须采用谐
振腔，使光束来回通过激活介质时，
沿轴向
得到放大，而和轴线有较大夹角的光束，则由侧
面逸出激活介质，不能
< br>
形成激光振荡；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，
频率得到筛选，这样可以形成光强最
强、模式数目最少的激光振荡。
光在腔内传播时，存在着各种损耗，
所以只有光的增益能超过这些损失时，
光波才能被放大，从而在腔内振荡起来，称这个条件为
振荡阈值条件
。
为了得到稳定的激光输出，当光强
达到一定程度时，净增益（增益扣除损
耗）必须为零，所以
增益饱和
是激光产生的充分条件。
⑻
简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线型函数的类型。
般来讲，谱线展宽分均匀展宽与非均匀展宽两大类。
(a
)
均匀展宽的特点是：引起均匀展宽的机制
对于每一粒子而言都是相同的。
任一粒子对谱线展宽的贡献都
是一样的，每个发光粒子都以洛伦兹线型发射。
均匀展宽又包括自然展宽、碰撞展宽和热振动展宽等。
自然展宽是由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上寿命
有限所形成
的。它是粒子本身固有性质决定的，自然存在的
。
碰撞展宽是由于气体中大量粒子无规则运动而产生的碰撞导
致波列缩短引
起的谱线展
宽。
热振动展宽是由晶格原子的热振动使发光粒子处于随时间周期变化的晶格
场中，引起的
谱线展宽，在固体激光物质中其量级远大于前两者。
(b
)
非均匀展宽
的特点：不同粒子的发光只对谱线内与其中心频率相对应的部
分有贡献，可
以区分为线型函数的某一频率范围是由哪些粒子发光所引起的。
这种展宽主要包括多普勒展宽与残余应力展宽。
多普勒展宽
是由于气体物质中热运动速度不同的发光粒子所产生的辐射
的多普勒频移不同引起的。
残余应力
展宽是固体激光物质内部残余应力引起的，其中一种是晶格缺陷
所致，非均匀
分布的缺陷引起不同位置粒子
5
不同；另一种是由物质本身原子
无规则排列构成的。
7
(10)
激光器按激光工作介质来划
分可分为几类？各举出一个典型激光器，并
给出其典型波
长、转换效率、典型特点。
按激光工作物质的类型有如下划分
:
1.
气
体激光器
8
根据气
体激光工作物质的能级跃迁类型，又可将之分为原子、离子、分子、
准分子型气体激光器。
原子气体激光器最常见的是
He-N
e
激光器，它发出的有
0.6328
卩
m
的红光和
3
?
394
m
、
1
?
15
卩
m
两种红外光，
He-Ne
激光器输出功率较小（几
mW
至
< br>100mW
），
能量转化效<
/p>
率较低（
0.01
%
）
,
氮气单色性好，谱线宽度很窄，频率稳定度高
,
方向性好，发散角小，相干
长度可达几十公
里。
2
液体激光器
这种激光器又可分为无机液体激光器和有机液体激光器。其中最重要的一
类是染料激光
器，其主要优点是：波长连续可调、增益高、输出功率可与固
体
和气体激光器相比、效率较
高、激
光均匀性耗、制备容易、可以循环操作、利
于冷却、典型的是
若丹明
6G
染料激光器。它在脉冲工作时的波长是
均功率是
100W
，效率
为
0
?
5
%<
/p>
。
590nm
,
平
3
.
固体激光器
典型的例子有
Nd:YAG
（掺钕的钇铝石榴石激光器）。该类激光器可以脉
冲工作，也可以连续工作，产生的跃迁中以
< br>1
?
06
卩
m
的激光为最强。这类激光器
的
最大有点是受激辐射跃迁概率大、泵浦阈值低、容易实现连续发射，近几年
向二极管激光器泵浦的全固态小型化方向发展，转换效率可达
10
%
。
4
?半导体激光器
同质结半导体激光器
的激光工作物质为由
同种半导体材料构成的
有源区
,
即
p-n
结结构，结区较厚
,
达几微米，阈值电流大。
GaAs
和
异质结半导体激光器
由两种不同带隙的半导体材料薄层，如
AlGaAs
所组成。与同质结半导体激光器相比，异质结半导体激光器具有有源层<
/p>
厚度薄，阈值
电流密度低、内部损耗低
、可通过改变混晶比调节输出波长等一
系列优点。
量子阱半导体激光器
功耗更低、输出功率更高、发射光谱更纯、响应速度
更快、波长覆盖范围更宽、更容易阵列化。
< br>AIGaAs/GaAs
量子阱激光器的波长
是
980nm
,
平均功
率为
0.2W
，转化效率为
20
-
30
%
。
AIGaAs/GaAs
量子阱阵
列激光器的波长为
808nm
，平均功率为
100W
。
(11)
分析同质结半导体激光器与发光二极管的区别与联系。
9
同质结
半导体与发光二极管的联系：正向偏压下，大量电子和空穴分别通
过耗尽层注入
到
P
侧和
n
侧，于是导带中存在电子而价带中不存在电子，形成
粒子数反转分布
;
同质结半导体与发光二极管的区别：发
光二极管的结构公差不严格，而半
导
体激光器
需要精确控制制造工艺，以保证两个端面形成极为光滑平整、互相
平行、而且有镀膜的光学
谐振腔。
发光二极管是无阈值器件，
是非相干光源，单色性、方向性差、亮度低
;
激光二极管是相干光源，注入电流超过阈值时发射单色性、方向性好的激光
,
亮度咼。
(12)
简述尖峰振荡效应过程。
不加任何特
殊装置的固体脉冲激光器，在一次输出中，激光脉冲的宽度大
约时
ms
数量级。这个脉冲并不是平滑的，而是包含宽度更窄的
短脉冲系列
,
中每一个短脉冲
宽度只在
氏
数量级，并且激励越强，短脉冲的时间间隔越小。
这种现象称作迟豫振荡效应或尖峰振荡效应。
(13)
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
lo
Flo^
s
量级、峰值功率
MW
量级的巨脉冲
,
模技术可以产生
10
-11
~10
-I5
s
量级的超短脉冲。
10
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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