山东大学2013应用光电期末试题答案

应用光电期末试题

1，

从光学的发展过程出发谈谈你对光的认识。（15分）

人类对光的认识经历了漫长的发展过程。从公元前5世纪起，就有记载表明人

对光的特性的探索，例如光的反射、折射特性等。近代以来，光学逐渐作为一门学科被系统化的建立起来，并随着人们不断的探索和相关科学技术的推动蓬勃发展。

17世纪，英国科学家牛顿提出了光的微粒说，认为光是发光体所射出的微小粒

子，所以是沿直线传播的，微粒说虽然解释了光沿直线传播以及反射、折射等现象，但却不能解释如干涉、衍射和偏振等较为复杂的光现象。而与之抗衡的光的波动说，随着科学家不断的研究和探索，逐步取得突破性的进展，并最终在微粒说和波动说的争斗中取胜。波动说起先认为光是一种类似声波、水波的机械波，解释了光的反射、折射现象。托马斯·杨通过著名的“杨氏双缝干涉实验”阐释了光的干涉现象，菲涅尔以波动说为基础解释了衍射现象，进一步巩固了波动说的地位。

19世纪，麦克斯韦进一步提出光是一种电磁波而非机械波的构想，最终被赫兹

用实验证明，光的波动说理论得以完善并被广泛接受。

随着科学认知的深入，人们发现光的波动说不能很好的解释黑体辐射能谱与康

普顿效应等现象。普朗克于1900年提出了能量子假说，认为各种频率的电磁波只能以一定的能量子方式从振子发射，能量子是不连续的，其大小只能是电磁波（或光）的频率与普朗克常数的整数倍，即E=hν。1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念，认为光子的能量与光的频率成正比，并通过光电效应实验证实了光的粒子性，即光具有波粒二象性。

从20世纪60年代起，特别是激光问世以后，由于光学与许多科学技术精密结

合、相互渗透，光学再度焕发了青春，以空前的规模和速度飞速发展，它已成为现代物理学和现代科学中一块重要的前沿阵地，同时又派生出许多崭新的分支学科。

通过光的发展过程，我认识到光不仅具有直线传播、反射、折射的特性，而且

具有波的通性，如干涉、衍射等性质，是一种电磁波。同时，光也具有粒子性，并且粒子特性可以在很多领域中得到应用，如利用光电效应，制作的各种光电探测器已经应用到生活的方方面面。从光的发展过程可以看出，科学是不断进步和发展的，科学理论也是不断完善的，通过一步一步的对光的本性的探索，我们对光这种最普遍的自然现象有了更加深入的认识，并积极的加以利用，如激光技术、光纤通信等，对人类的生活质量的提高、国防安全的提升等方面做出了举世瞩目的贡献。如今，光学已经

和多个学科有所交叉，依旧就有强大的发展潜力和创造力，相信未来光将作为一个重要的领域持续焕发生机。

2，

激光的特性有哪些？（10分）

激光具有单色性、相干性、方向性和高亮度的特性，这4个特性都可以归结为

激光具有很高的光子简并度，即激光可以在很大的相干积内有很高的相干光强。

1、方向性

激光发散角小，可达mrad量级，接近于衍射极限。 2、单色性

激光的谱线宽度很窄，单色性很好。 3、高亮度

激光的发光面小，发散角小，线宽窄，所以有很高的光谱辐亮度。 4、相干性

激光的发散角小，线宽窄，所以空间和时间相干性都很好。例如，稳频的

He-Ne激光器线宽可达Δv＝10kHz，相干长度达Lc=c/Δv=30km。

3，

激光器由哪几个部分构成？各有什么作用？实现其稳定运转的条件是什么？（15分） 1、激光器构成：

激光器由3部分构成，分别是激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。 2、各部分作用：

激光工作物质：是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质

体系，它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。对激光工作物质的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。因此应该具有三能级或四能级结构，使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。

泵浦源：要产生激光必须用外界能量来激励工作物质，建立粒子数反转分布状

态。泵浦源是将粒子从低能级抽运到高能级态的装置，是激光形成的外因。激光器将泵浦源产生的能量转换为激光能量。

光学谐振腔：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。主要作用有：使激光具有极好的方向性，即沿轴线方向、增强光放大作用，延长工作物质 、使激光具有极好的单色性，使之可以用于选频。

3、激光器稳定运转的条件：

激光产生的必要条件有实现粒子数反转分布、减少振荡模式；充分条件为能够

起振并实现稳定振荡来形成稳定激光。

其中利用增益饱和效应实现稳定振荡。激光强度将随传播距离的增加而呈指数

关系上升，但是激光强度不会无限制的增大。 当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定时，增益系数将减小，即激活介质的

G(?,I)(?)增益系数G 应写成，这种现象称为增益饱和现象。

当外加光强出现时，感应了E2-->E1的受激发射和E1-->E2的受激吸收，两种跃

N1g1?，因此N2g2E2-->E1粒子数大于E1-->E2粒子数，其结果迁的过程概率相等，由于 G(?)?N，?E1-->E2?N使新平衡反转粒子数 变小；由于 越强，造成反转粒子数的减

0I(v)G(?)少越严重，因而随着往返振荡， 不断增大，使得 不断减小，直到光所获得的增益恰

I(v)好等于激光腔内的损耗， 就建立了稳态的振荡，形成稳定的输出。

4，

什么是光电效应？内光电效应和外光电效应的特性及对应的应用器件有哪些？（15） 1、光电效应：

物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质中电子运动状态发生变化，因而

产生物质的光电导效应、光生伏特效应和光电子发射等现象。

2、内光电效应与外光电效应的特性：

内光电效应: 受光照而激发的电子在物质内部参与导电，电子并不逸出光敏物

质表面，这种效应多发生于半导体内。内光电效应具有光电导效应、光生伏特效应、丹倍效应和光磁电效应等特性，同时具有对光波频率的选择性，响应速度一般比较快。

外光电效应: 物质受光照后而激发的电子逸出物质的表面，在外电场作用下形

成真空中的光电子流，这种效应多发生于金属和金属氧化物。外光电效应光电子发射的特性，具有同时具有对光波频率的选择性，响应速度一般比较快。

3、内光电效应与外光电效应的应用：

内光电效应：光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管等。 外光电效应：光电管、光电倍增管、像增强管等。

5，

光电探测器的功能是什么？常用的光电探测器有哪几种类型，试阐述其中一种类型的光电探测器的工作原理。（20分） 1、光电探测器的功能：

光电探测器以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物

体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射，将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，实现各类检测。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。

2、光电探测器的类型：

光电探测器有多种分类方式，最常用的是根据光电探测工作时所依据的各种物

理效应进行分类。所依据的物理效应主要有：光电效应、光热效应、波相互作用效应。常用的光探测器主要有光电导型探测器（光敏电阻、光电管、光电二极管等）、光伏型探测器（光电池等）、热电型探测器（热敏电阻、热电偶等）。

3、光敏电阻光电探测器工作原理：

光敏电阻在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或

其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，

接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。

本征型光敏电阻：当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时，

激发一个电子－空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。用于可见光波段。

杂质型光敏电阻：对于Ｎ型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能

ΔＥ时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流。用于红外波段。 6，

本课程开设了哪些实验？阐述其中一个实验的实验原理，步骤，在实验中应注意的问题。（25分） 1、开设实验：

He-Ne 激光器的纵模与横模分析实验、重复频率脉冲激光调Q实验、PbS 光敏

电阻的光谱响应的测量实验、线性CCD的使用——尺寸测量实验、光电探测器响应时间测试实验。

2、光电探测器响应时间测试实验内容分析： 实验原理：

通常，光电探测器输出的电信号在时间上都要落后于作用于其上的光信号，此

特性可用响应时间来描述。

表示时间特性的方法主要有两种，一种是脉冲响应特性法，另一种是幅频特性

法。

1．脉冲响应 响应落后于作用信号的现象称为弛豫。对于信号开始作用时的弛

豫称为上升弛豫和起始弛豫；信号停止作用时的弛豫称为衰减弛豫。弛豫时间的具体定义如下：如用阶跃信号作用于器件，则起始弛豫定义为探测器的响应从零上升为稳定值的63％时所需的时间；衰减弛豫定义为信号撤去后，探测器的响应下降到稳定值的37%所需的时间。这类探测器有光电池、光敏电阻及热电探测器等。

另一种定义弛豫时间的方法是：起始弛豫为响应值从稳态值的10%上升到90%

所用的时间；衰减弛豫为响应从稳定值的90%下降到10%所需时间。这种定义多用于响应速度很快的器件，如光电二极管、雪崩二极管和光电倍增管等。

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