光电子技术复习总结

光电子技术复习总结

一、光的基础知识及发光源 1.光的基本属性？

光具有波动和粒子的双重性质，即具有波粒二象性。 2.激光的特性？

（1）方向性好（2）单色性好（3）亮度高(4)相干性好 3.玻尔假说：定态假设和跃迁假设？

（1）定态假设；原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的能量只能采取某些分立的值E1、 E2 、?? 、En ，而不能采取其它值。

（2）跃迁假设；只有当原子从较高能量En的定态跃迁到较低能量Em的定态时，才能发射一个能量为hν的光子。 4.光与物质的共振相互作用的三种过程？

受激吸收、自发辐射、受激辐射 5.亚稳态？

自发辐射的过程较慢时，粒子在E2能级上的寿命就长，原子处在这种状态就比较稳定。寿命特别长的激发态称为亚稳态。其寿命可达10-3~1s，而一般激发态寿命仅有10-8s。 6.受激辐射的光子性质？

受激辐射的光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致。 7.受激吸收和受激辐射这两个过程的关系？宏观表现？

两能级间受激吸收和受激辐射这两个相反的过程总是同时存在，相互竞争，其宏观效果是二者之差。当吸收过程比受激辐射过程强时，宏观看来光强逐渐减弱；反之，当吸收过程比受激辐射过程弱时，宏观看来光强逐渐加强。 8.受激辐射与自发辐射的区别？

最重要的区别在于光辐射的相干性，由自发辐射所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一定的任意性，而受激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激发的光子高度一致，即有高度的简并性。 9.光谱线加宽现象？

由于各种因素影响，自发辐射所释放的光谱并非单色，而是占据一定的频率宽度，分布在中心频率v0附近一个有限的频率范围内，自发辐射的这种现象称为光谱线加宽。 10.谱线加宽的原因？

由于能级有一定的宽度，所以当原子在能级之间自发发射时，它的频率也有一个变化范围△vn.

11.谱线加宽的物理机制分为哪两大类？它们的区别？

分为均匀加宽和非均匀加宽两大类。

均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的。发光粒子的光谱因物理因素加宽后中心频率不变,由它们迭加成的光源光谱形状与发光粒子相同。

非均匀加宽：引起谱线加宽的物理因素对介质中的每个发光原子不一定相同，每个发光原子所发的光只对谱线内某些确定的频率。发光粒子的光谱因物理因素使得中心频率发生变化,由它们迭加成的光源光谱形状与发光粒子不同。

12.谱线加宽对原子与准单色光辐射场相互作用的影响？

由于发光粒子的谱线加宽，与它相互作用的单色光频率不一定精确等于粒子中心频率时才发生受激跃迁。而在v′=v0附近范围内，都能产生受激跃迁。当v′=v0时跃迁几率最大， v′偏离v0跃迁几率急剧下降。 13.参与普通光源的发光的光与物质共振相互作用过程？

常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2)的电子寿命很短（一般为10-8～10-9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为hν=E2-E1。 14.激光产生的必要条件和充分条件？

必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式 充分条件：起振和稳定振荡（形成稳定激光） 15.激光器的基本结构及其各部分的作用？

激光工作物质:这种介质可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。 泵浦源：将粒子从低能级抽运到高能级态的装置，称为泵浦源。提供能量来激励工作物质，建立粒子数反转分布状态。

谐振腔：作用是限制输出模式，同时还对激光频率、功率、光束发散角及相干性都有影响。

16.增益饱和现象？二能级系统为什么不能充当激光工作物质？

在二能级系统中，由于发生受激吸收和受激辐射的几率是相同的

（B12=B21），最终只有达到两个能级的粒子数相等而使系统趋向稳定，不能实现粒子数反转，因而不能充当工作物质。

17.三能级和四能级系统如何实现粒子数反转？为什么四能级系统比三能级系统

的效率高？

三能及系统：E1为基态，E2、E3 为激发态，中间能级E2为亚稳态。在泵浦作用下，基态E1的粒子被抽运到激发态E3上，E1上的粒子数N1随之减少。但由于E3能级的寿命很短，粒子通过碰撞很快地以无辐射跃迁的方式转移到亚稳态E2上。由于E2态寿命长，其上就累积了大量的粒子，即N2大于N1，于是实现了亚稳态E2与基态E1间的粒子数反转分布。

三能级激光器的效率不高，原因是抽运前几乎全部粒子都处于基态，只有激励源很强而且抽运很快，才可使N2 > N1 ，实现粒子数反转。

四能级系统：是使系统在两个激发态E2、E1之间实现粒子数反转。因为这时低能级E1 不是基态而是激发态，其上的粒子数本来就极少，所以只要亚稳态E2上的粒子数稍有积累，就容易达到N2 大于N1，实现粒子数反转分布，在能级E2 、E1 之间产生激光。于是，E3 上的粒子数向E2 跃迁， E1上的粒子数向E0 过渡，整个过程容易形成连续反转，因而四能级系统比三能级系统的效率高。

18.激光的纵模和横模？

激光的纵模：光场沿轴向传播的振动模式称为纵模。

激光的横模：激光腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布称为激光的横模。

19.激光横模形成的主要因素？

主要因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用。 20.双简并半导体的能带特点？

双简并半导体：半导体中存在两个费米能级;两个费米能级使得导带中有自由电子；价带中有空穴。

21.pn结如何形成双简并能带结构？

当给P－N 结加以正向电压V时，原来的自建场将被削弱，势垒降低，破坏了原来的平衡，引起多数载流子流入对方，使得两边的少数载流子比平衡时增加了，（这些增加的少数载流子称为“非平衡载流子”。这种现象叫做“载流子注入”。）此时结区的统一费米能级不复存在，形成结区的两个费米能级EF+和EF-，称为准费米能级。它们分别描述空穴和电子的分布。在结区的一个很薄的作用区，形成了双简并能带结构。

22.同质结砷化镓激光器的特性？

与二极管相同，也具有单向导电性

23.从提高双异质结型半导体激光器的性能要求出发,对异质结两侧的材料的技术要求？

(1)要求两种材料的晶格常数尽可能相等,若在结合的界面处有缺陷,载流子将在界面处复合掉,不能起到有效的注入、放大和发光的作用;

(2)为了获得较高的发光效率,要求材料是直接跃迁型的; (3)为了获得高势垒,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。 24.双异质结型半导体激光器结构？

双异质结（DH)LD由三层不同类型的半导体材料构成，不同材料发不同的波长。结构中间一层窄带隙P型半导体为有源层，两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体是限制层，三层半导体置于基片上，前后两个晶体解理面为反射镜构成谐振腔。光从有源层沿垂直于PN结的方向射出。

二、光辐射在介质波导中的传播

1.光波导的分类？

（1）平板波导（2）矩形波导（3）圆柱形波导

2.以非对称型(从上到下n3>n1>n2 )平板介质波导为例，平板介质中可能存在的模式？以及相应的入射角与全反射角的关系？ 可能存在的模式：

包层模--θ1<θc13<θc12 衬底模--θc13<θ1<θc12 导模--θc13<θc12<θ1

（存在两个临界角，在下界面的全反射临界角为c12，在上界面的全反射临界角为c13。由于n2>n3，所以c12 >c13。）

3.从平板介质波导中的导波的特征方程，入射角与模序数的关系？

对给定的m 值，可求出形成导波的θ1 值。以该θ1角入射的平面波形成一个导波模式。由特征方程还可以看出，在其他条件不变的情况下，若θ1减小，则m增大，因而表明高次模是由入射角θ1较小的平面波构成的 4.截止波长是如何定义的？

对一个给定的模式，m 是定值。如果工作波长λ0变化，必须调整平面波的入射角θ1，才能满足特征方程，形成导波。当θ1=θc12 时，导波转化为辐射模，此时的波长就是该模式的截止波长。

5.在非对称型平板介质波导所有模式中，截止波长最长的模式？以及单模传输的条件？

TE0模的截止波长最长。

单模传输的条件是：λc(TM0)< λ0<λc(TE0)

（薄膜波导中的TE0模即是基模。如果波导的结构或选择的工作波长只允许TE0模传输，其他模式均截止，则称为单模传输。） 6.在对称型的平板介质波导中，存在哪两种特殊的现象？

（1）模序数相同的TE模和TM模具有相同的截止波长λc。

（2）对于对称波导，TM0的模的截止波长λc =∞，没有截止现象，这是对称波导的特有性质。 7.光纤的基本结构？

由折射较高的纤芯和折射率较低的包层组成，通常为了保护光纤，包层外还往往覆盖一层塑料加以保护即涂覆层。 8.光纤涂覆层的作用？

隔离杂散光、提高光纤强度和保护光纤等。 9.光纤是否为单模传输与什么有关？

与光纤自身的结构参数和光纤中传输的光波长有关。 10.渐变型光纤与阶跃型光纤的区别？

区别在于其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的增加而递减直到等于包层的折射率。

三、光辐射的调制

1.什么是光调制？

光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波（激光辐射）上的过程 2.这些参数包括什么？

这些参数包括光波的振幅、位相、频率、偏振、波长等。 3.什么是内调制，什么是外调制？

内调制：将要传输的信号直接加载于光源，改变光源的输出特性来实现调制。 外调制：在光源外的光路上放置调制器，将要传输的信号加载于调制器上，当光通过调制器时，透过光的物理性质将发生改变，实现信号的调制。 4.振幅调制的波形特点？

波形特点：调幅波的振幅（包络）变化规律与调制信号波形一致；调幅度ma反映了调幅的强弱程度。 5.什么是电光效应？

电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变，这种现象称为电光效应。

6.KDP晶体在外加电场时，折射率椭球体的变化。

当沿晶体z轴方向加电场后，KDP晶体由单晶体变成了双晶体，折射率椭球的主轴绕z轴旋转了45°，此转角与外加电场的大小无关，其折射率变化与电场成正比。

7.什么是纵向电光效应和横向电光效应？

电场方向与通光方向一致, 称为纵向电光效应; 电场与通光方向相垂直, 称为横向电光效应。 8.什么是半波电压？

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π)时所需要加的电压，称为“半波电压”。 9.电光强度调制器件的器件组成及工作原理？

器件组成：起偏器，电光晶体，检偏器 10.电光开关原理？

利用脉冲电信号控制光路接通断开 11.什么是声光效应？

由于声波的作用而引起介质光学性质变化的现象 12.声光相互作用的两种类型及其区别？

声光互作用可以分为拉曼—纳斯(Raman—Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射两种类型。

拉曼-纳斯衍射： 当超声波频率较低，光波平行于声波面入射(即垂直于声场传播方向)，声光互作用长度L较短时，产生拉曼—纳斯衍射。

布拉格衍射：当声波频率较高，声光作用长度L较大，而且光束与声波波面间以一定的角度斜入射时，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有“体光栅”的性质。

13.声光体调制器的组成？

声光体调制器是由声光介质、电—声换能器、吸声(或反射)装置及驱动电源等所组成。

14.声光调制的工作过程？

首先是由电—声换能器把电振荡转换成超声振动，再通过换能器和声光介质间的粘合层把振动传到介质中形成超声波，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。 15磁光调制的工作过程？

首先将调制信号通过线圈，让其感生出平行于光传播方向的磁场，通过调制信号控制磁场强度变化，再使入射光通过YIG晶体，由磁光效应改变在介质中

传输的光波的偏振态，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。

四、光辐射的探测技术

1.什么是光电探测器？

光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件。 2.光电探测的物理效应可以分为哪三大类 （1）光电效应 （2）光热效应 （3）波扰动效应 3.什么是光电效应？

光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生电动势，这些因光照引起物体电学特性改变的现象，统称为光电效应。 4.什么是光热效应？

某些物质受到光照射时，由于温度变化而造成材料性质发生变化的现象。 5.什么是内光电效应以及包括的两类效应？

内光电效应光子激发的载流子(电子或空穴)将保留在材料内部，主要包括光电导效应和光伏效应。 6.什么是光电导效应？

光电导效应是光照变化引起半导体材料电导变化的现象。 7.什么是光伏效应?

光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。 8.光生伏特效应过程？

当光照射pn结时，只要光子能量大于禁带宽度，无论p区、n区或结区都会产生少数载流子。那些在结附近n区中产生的少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，总有一定概率扩散到结界面处，它们一旦到达pn结界面处，就会在结电场作用下被拉向p区。同样，如果在结附近p区中产生的少数载流子扩散到结界面处，也会被结电场迅速拉向n区。结内产生的电子-空穴对在结电场作用下分别被移向n区和p区。如果电路处于开路状态，光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，使pn结获得光生电动势。

9.光子器件和热电器件的区别？

光子器件：响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器件无响应 ；响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒。

热电器件:响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感;

响应慢，一般为几毫秒. 10.光电探测器的性能参数？ 物理描述 参数 积分灵敏度 光电转换特性的量度 表达式 Ri?diiduu?Ru??dpp ,dpp 光谱灵敏度 对某一波长光电转换的量度 R??i?dP? 频率灵敏度 量子效率 电流随调制频率变化的量度 吸收的光子数和激光的电子数之比 Rf?ifp ??h?Rie ?SNR?i?1噪声等效功率 单位信噪比时的信号光功率 归一化探测度

与噪声等效功率成倒数、光敏面积和噪声功率有关 NEP?Ps D*?A/NEP 11.为什么光电探测器存在噪声？光探测器会有哪些噪声？

因为在光电转换过程中，半导体中的电子从价带跃迁到导带，或者电子逸出材料表面等过程，都是一系列独立事件，是一种随机的过程。每一瞬间出现多少载流子是不确定的，所以随机的起伏将不可避免地与信号同时出现。

光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、产生—复合噪声、光子噪声、热噪声和低频噪声。

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