习题答案1-9 - 图文

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第一章

绪论

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、光存储器件。

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、各种传感器等。光存储器件分为光盘(包括CD、VCD、DVD、LD等)、光驱、光盘塔等。 2．谈谈你对光电子技术的理解。

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。 3．谈谈光电子技术各个发展时期的情况。

20世纪60年代，光电子技术领域最典型的成就是各种激光器的相继问世。

20世纪70年代，光电子技术领域的标志性成果是低损耗光纤的实现，半导体激光器的成熟特别是量子阱激光器的问世以及CCD的问世。

20世纪80年代，出现了大功率量子阱阵列激光器；半导体光学双稳态功能器件的得到了迅速发展；也出现了保偏光纤、光纤传感器，光纤放大器和光纤激光器。

20世纪90年代，掺铒光纤放大器(EDFA)问世，光电子技术在通信领域取得了极大成功，形成了光纤通信产业；。另外，光电子技术在光存储方面也取得了很大进展，光盘已成为计算机存储数据的重要手段。

21世纪，我们正步入信息化社会，信息与信息交换量的爆炸性增长对信息的采集、传输、处理、存储与显示都提出了严峻的挑战，国家经济与社会的发展，国防实力的增强等都更加依赖于信息的广度、深度和速度。

⒋ 举出几个你所知道的光电子技术应用实例。

如：光纤通信，光盘存储，光电显示器、光纤传感器、光计算机等等。

⒌ 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）。

第二章光学基础知识与光场传播规律

⒈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、振幅方向相同、相位差恒定，最典型的干涉装臵有杨氏双缝干涉、迈克耳孙干涉仪。两束光相长干涉的条件是??m?(m?0,?1,?2, )?为光程差。 ⑶两列同频平面简谐波振幅分别为E01、E02，位相差为?，则其干涉光强为

22E01?E02?2E01E02cos?，两列波干涉相长的条件为??2?m(m?0,?1,?2,) f。

⑷波长?的光经过孔径D的小孔在焦距f处的衍射爱里斑半径为1.22?D(??0.7?5m的反射。) ⒉在玻璃(?r?2.2? 5r,?上涂一种透明的介质膜以消除红外线1⑴求该介质膜应有的介电常量及厚度。

⑵如紫外线(??0.42?m)垂直照射至涂有该介质膜的玻璃上，反射功率占入射功率百分之多少？

⑴ n??r?1.5 正入射时，当n?n0nG时，膜系起到全增透作用

n?n0nG?1.0?1.5?1.225，正入射下相应的薄膜厚度最薄为

0.75?0.153?m

4n4?1.225⑵正入射时，反射率为

h???0n0nG2?nh?n)2sin2?0n?0?正?

nn2?nh2?nh(n0?nG)2cos2?(0G?n)2sin2?0n?0(n0?nG)2cos2?((n0?nG)2cos22?nh2?nh ?(n0?nG)2cos22?nh?0nn2?nh?(0G?n)2sin2n?0?0?3.57%

⒊有两个具有共轭复振幅的单色波，具有相同的频率，其复值分别为U(r)及U*(r)。比较它们的强度、波前和波前法线。以平面波U(r)?Aexp(?jk(x?y)2)与球面波

U(r)?(Ar)exp(?jkr)为例。

平面波U(r)?Aexp(?jk(x?y)2)的强度I?A2,因波前可以是任意的曲面，故它的波前

即为波前函数U(r)，波前法线垂直于波前。

它的共轭波U*(r)?Aexp(jk(x?y)前法线垂直于波前。

球面波U(r)?(Ar)exp(?jkr)的强度为I?(Ar)2，波前函数即该波表达式，波前法线垂直于波前。

它的共轭波U*(r)?(Ar)exp(jkr)的强度为I?(Ar)2，波前函数即该波表达式，波前法线垂直于波前。

⒋光束垂直投射在无限大不透明的环状小孔（半径为a和b，a>>b）上，发生夫琅和费衍射，求光强度dI的角分布。见物理光学

⒌一束波长为0.5 ?m的光波以450角从空气入射到电极化率为2＋j0.6的介质表面上，求

⑴此光波在介质中的方向（折射角）。 ⑵光波在介质中的衰减系数。 ⑴n2?1?2?3 n?3 由n1sin?1?nsin?2得sin?2?⑵衰减系数r??k?(?0.6)?2?n2波前函数同样是该波的表达式，波)的强度I?A2，

66 ?2?arcsin

66?0.6?1.3?107

?⒍输出波长?＝632.8nm的He-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和ThF2形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层才能使镜面反射系

数大于99.5％？

?nH2Pn?()?0nL??nH2P?n?()?0nL?2nHnG2nHnG 设玻璃的折射率nG＝1.5 由题意： ?正，?0????0.995，即???222.51.52P1?()52P1.51?.?50.99 70.0025?()?1.5?1.9975 即 5232.51.51?(2P)1.51.552P?532 . 72P?12. 3 () P?7 故至少涂覆7个双层。 3⒎ 有m个相距为d的平行反射平面。一束光以倾角?投射反射面。设每一反射平面仅反射

一小部分光，大部分光投射过去；又设各层的反射波幅值相等。证明sin???2d时，合成的

反射波强度达到最大值，这一角度?称为Bragg角。 d d

因各辐射波的反射波幅值相等，当它们反射波叠加，相位依次相差2?的整数倍时，合成的反射波强度达到最大值，最简单情况下，相位相差2?。

2?2dsin??2? 故当sin???如图所示：k2dsin??2? 即时，反射波强度达到最大值。

2d?⒏ 从麦克斯韦通式（2－28）出发，推导波动方程（2－44）。

?B ??E?? 对该式取旋度左边＝??(??E)??(?E)??2E

?t?(??B)? 右边＝?（由B??0H??0M）???0??(H?M)

?t?t?D?D??E?Js? 由??H?J? 上式 ?t?t ???0???D? (?E?J?)???Ms??t??t???J?2D?E????02??0???0s??0(??M)

?t?t?t?t在电介质中，一般有M?0,从而???0，B??0H，于是上式可化为

?J?2D?E??0s ?(?E)??E＝??02??0??t?t?t2?2(?0E?P)?Js?E????? ＝??0 00?t2?t?t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 1960 年由美国家的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，在频率为υ21的外界光信号作用下，从E2能级跃迁到E1能级上，在跃迁过程中，原子辐射出能量为h?21、与外界光信号处于同一状态的光子，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，这样，在一个入射光子作用下，就可以产生大量运动状态相同的光子，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作热运动的发光粒子所产生的辐射的多普勒频移引起的。 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。

⑷光放大

光束在激活介质中传播时，设入射端面处光强为I0(?),距离x处光强为I(?)，且

N1g1?N2g2，则

d?(?21)dI(?21)g??(N21?N1)B21h?21dt?0 可见光强在激活介质中不断

?(?21)I(?21)g2放大，为此，我们引入激活介质的增益系数G(?)

G(?)?dI(?) I(?)dx式中，dI(?)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的距离时，光强增加的百分数。由于dI(?)?0，因而G(?)?0，所以G(?)可以表示光在激活介质当中的放大特性。 3.计算与推导

⑴λ＝0.5μm时，什么温度下自发辐射率与受激辐射率相等？T=300K时，什么波长下

自发辐射率相等？

自发辐射率为A21，受激辐射率为W21。w21?B21?(?21)。

33A218?h?21n由爱因斯坦关系式可知：， ?3B21c338?h?21n1由普朗克公式可知：?(?21)? ， 3h?cexp(21)?1kT3h?21)?1?1，由题意A21＝W21，故exp(kT3h?21ln2hc3ln26.63?10?34?(3?108)3?0.6931T????7.19?1033K 3?23?63kk?1.38?10?(0.5?10)当T=300K时，

hc3ln26.63?10?34?(3?108)3?0.693112????2.997?10 ?23kT1.38?10?3003??1.442?104M

⑵He-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1.5?109Hz,则可能引起的纵模总数是多少？

气体的折射率n?1 cq得由?q?2nL2nL2?1?0.25q???6.32?10 ?9?632.8?10c3?108??7.5?108Hz 纵模频率间隔?q?2nL2?1?0.2??T??1.5?109??1?3 实际振荡纵模总数q????1??8???7.5?10???q??⑶红宝石激光器的工作物质有特性：N2?N1?5?107/cm3、300K处，

??13?2?1011Hz，?s?3?1?0s，??4.326?1014Hz，n=1.78,求其在中心频率处的增益g(?0)系数G(?)。

⑷一维电子振荡器在电磁场E(t)作用下的运动方程如式（3－2），推导简谐电场与简谐振

子条件下，复极化率?(?)的表达式。

d2xdx2x?m??eE，在简谐电场和简谐振子条件下，则瞬时电电子运动方程为m2??m?0dtdt场E(t)与位臵偏移x(t)为

x(t)?x(?)ej?t

E(t)?E?(e)j?t

E(?)、x(?)表示对应于频率?的振幅值，将x(t)、E(t)代入运动方程，并求解得

x(?)??eE(?) 22m(?0??)?j?r在平面光波场作用下，原子在光场作用下产生感应极化，形成电偶极振子

p??ex?Re(p(?)ej?t)

e2E(?) 设单位体积中原子数为N，则介质极化强度 p(?)?2m(?0??2)?j?rP?Np?Re(P(?)ej?t)

Ne2E(?)P(?)???(?)?0E(?) 2m(?0??2)?j?r'''?(?)?j?(?)? 又 P(?)??(?)?0E(?)?????0E

Ne21 ?(?)? 22m(?0??)?j?r4．简述题

⑴ 简述激光的特点。

激光的特点主要表现在以下四个方面：①激光具有激光极好的方向性②激光的单色性非常好③激光的相干性好④激光具有极高的亮度和单色亮度。信息光电子技术中所用的光源，着重单色性、高速脉冲性、方向性、可调谐性和高能量密度等。激光正是满足这些条件的最好的光源。

⑵ 分析单色辐射场与连续辐射场与粒子体系相互作用情况。 Ⅰ单色辐射场与粒子体系的相互作用

如图3－8所示，粒子线型函数为g(?)，中心频率为?0，谱线宽度为?，辐射场??的

'中心频率为?0，带宽为?'。单色辐射场与粒子体系相互作用过程，要求粒子体系的展宽要远

大于辐射场宽度，即

???与?'间满足公式????'，?'很小，于是

dN'(21)st?N2B21?g(?)?(?)d?中被积函数只有在?0附近一个很窄的范围?'内不为零。且在dt???'内g(?)可以认为不便，于是单色辐射场能量密度可表示为

?(?)??(?')?(?'??)

dN(21)st?N2B21?g(?)?(?')?(?'??)d??N2B21g(?')?(?')?N2W21(?') dt??223AcI?I?''Ac21''''''?21W21(?)?B21g(?)?(?)?g(?)?(?)?g(?)?g(?')式中，3'32'33'8?nh?8?nh?8?nh??s??c?(?')I?'?（单位：W2）为光辐射强度。

mn'上式表明由于谱线宽度，和粒子体系产生相互作用的单色光场的频率?0并不一定要精

确位于g(?)的中心频率?0处才能产生受激辐射，而是在?0附近一定频率范围内均可，跃迁概

''率的大小取决于单色光场中心频率?0相对于线型函数中心频率?0的位臵，－?0越小，则W21?0''越大，当?0＝?0时，受激跃迁概率最大。这种相互作用不仅与??、B21有关，而且还与g(?)有

关。

Ⅱ连续辐射光场与粒子体系相互作用

当连续辐射光场与粒子体系相互作用时（图3－9），满足条件?'???，于是

dN(21)st?N2B21?g(?)?(?)d?中被积函数只有在?0附近很小的范围内（?量级）才不为零，dt??且?内可以认为?(?')近似为常量?(?0)，于是

??dN(21)st?N2B21?g(?)?(?')d??N2B21?(?0)?g(?)d??N2B21?(?0)?N2W21 dt????式中，?(?0)为连续辐射光场在粒子线型函数中心频率?0处的单色能量密度。可见，连续辐射场中只有频率等于粒子体系中心频率?0的那部分辐射场才能引发粒子体系受激辐射，其他部分实际上被粒子体系所散射。

????⑶ 试推导爱因斯坦关系式。

设一个原子系统有两特定能级E1、E2，（E1< E2），其简并度分别为g1、g2，若原子系统在温度T处于热平衡状态，E1、E2能级的原子数密度分别为N1、N2，则原子系统从辐射场中吸收能量h?21后，单位时间内从E1跃迁到E2能级的原子数为

?N12?B12?(?21)N1

式中，?(?21)表示热平衡状态下光辐射场的能量密度。

处于E2上的原子，可以通过自发辐射与受激辐射两种途径跃迁至E1上，单位时间内，

E2?E1的原子数?N21为

?N21??A21??(?21)B21?N2

由于系统处于热平衡状态，则应有以下关系式成立?N21??N12即

?(?21)B12N1??A21??(?21)B21?N2

因而有

N2?(?2)1B12 ?N1A21??(?)B2121又由于在热平衡状态下，N1、N2按照玻尔兹曼分布

N2N1g2g1E2?E1h?)?exp(?21) KTKT?exp(?式中，K为玻尔兹曼常量。于是有

?(?21)?A211

B21B12g1exp(h?21)?1B21g2kT在热平衡条件下，光辐射的能量密度?(?21)又可由普朗克公式给出

338?h?21n1?(?21)?

h?21c3exp()?1kT式中，c为真空光速，于是比较上述两式，可知

B12g1?B21g2

33A218?h?21n ?3B21c这即为爱因斯坦关系式。

⑷ 为什么二能级系统不能产生激光？

（画出二能级图）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，在体系中有了初始光辐射之后，一方面物质吸收光，使N1减少、N2增加；另一方面由于物质中存在辐射过程，使N2减小、N1增加，两种过程同时存在，最终达到N1＝N2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N2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，还至少需要有这样一个能级，它可以使得粒子在该能级上具有较长得停留时间或较小得自发辐射概率，从而实现其与低能级之间得粒子数反转分布，这样得能级称为亚稳态能级。这样，激光工作物质应至少具备三个能级。（画三能级图）如图所示，其中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（1.0E-9s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。由于E2能级是亚稳态，寿命较长（1.0E-3s量级），因而允许粒子停留。于是，随着E1的粒子不断被抽运到E3，又很快转到E2，因而粒子在E2能级上大量积聚起来，当把一半以上的粒子抽运到E2，就实现了粒子数反转分布，此时若有光子能量为hυ＝E2－E1的入射光，则将产生光的受激辐射，发射hυ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。由于在一般情况下介质都处于粒子数正常分布状态，即处于非激活状态，故欲建立粒子数反转分布状态，就必须用外界能量来激励工作物质。我们把将粒子从低能态抽运到高能态的装臵称为泵浦源或激励源。事实上，激光器不过是一个能量转换器件，它将泵浦源输入的能量转变成激光能量。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。谐振腔分为稳态腔（低损耗腔）和非稳定腔（高耗散腔）两大类。

⑹ 分析四能级与三能级激光器相比所具有的优点。

（画四能级图）四能级系统能级结构如图所示，由于E4 到E3、 E2到 E1的无辐射跃迁

概率都很大，而E3 到E2、E3到 E1的自发跃迁概率都很小，这样，外界激发使E1上的粒子不断被抽运到E4，又很快转到亚稳态E3，而E2留不住粒子，因而E2、E3很容易形成粒子数反转，产生h?＝E3－E2受激辐射。四能级结构使粒子数反转很容易实现，激光阈值很低。

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，要形成稳定的激光输出还要满足起振和稳定振荡两个充分条件。

粒子数反转分布指能级上的粒子数分布满足条件

N2N1，相应地有d?(?21)?0，表示?g2g1光束在粒子数反转分布状态下的工作物质中的工作物质中传播时，光能密度将不断增加。

我们称这种状态的物质为激活介质。

要想得到方向性很好、单色性很好的激光，仅有激活介质时不够的，这是因为：第一：在反转分布能级间的受激发射可以沿各个方向产生，且传播一定的距离后就射出工作物质，难以形成极强的光束；第二，激发处的光可以有很多频率，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。欲使光束进一步加强，就必须使光束来回往复地通过激活介质，使之不断地沿某一方向得到放大，并减少振荡模式数目。由于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，光强得到加强，频率得到筛选，特别是在谐振腔轴线方向，可以形成光强最强、模式数目最少的激光振荡，而和轴线有较大夹角的光束，则由侧面逸出激活介质，不能形成激光振荡。

光在谐振腔内传播时，由于R2<1，光在镜面上总有一部分投射损失，且镜面和激活介质总还存在着西都、散射等损失，因而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，这就是说，记挂更年期必须满足某个条件才能“起振”，称这个条件为振荡阈值条件。往返一次光束强度变化过程为I1?I0GL,I2?I1R2,I3?I2GL,I4?I3R1，于是

2 I4?I0R1R2GL如果I4?I0，则光束通过激活介质振荡一次后，强度减小，从而多次振荡后光强将不断衰减，因而无法形成激光振荡；若I4?I0，则随着振荡的不断进行，光强逐渐加强，形成有效的激光振荡。课件，形成激光振荡的条件为I4?I0

2于是，激光振荡必须满足的最起码条件为R1R2GL?1

由之可得增益的阈值为

1G(?)th??lnR1R2

2L又 G(?)th?(N2g1?N1)Kg(?) g2于是由此还可推出激光振荡的反转粒子数阈值公式

(N2g11lnR1R24?g1lnR1R2 ?N1)th????g2K2Lg(?)A21?2g2Lg(?)理论和时间结果表明：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成都时，增益系数将随光强的增大而减小，即G(?)应写为G(?,I)。这种G(?,I)随着I的增大而减小的现象，称为增益饱和效应。它是激光器建立稳态振荡过程的稳定振荡条件。

设想某种工作物质在泵浦作用下（无外加光场）实现了粒子数反转，即

0N2N10N???0

g2g10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，两种过程的概率相等（W21?W12）,由于

N1g1?N2g2，因而E2?E1的粒子数大于E1?E2的粒子数，其

结果使新平衡下的反转粒子数N?N0，G(?)变小；由于外加光场I(?)越强，造成粒子数反转的减少就越严重，因而随着往返振荡，I(?)不断增大，使得G(?)不断减小，知道光所获得的增益恰好等于在激光腔内的损耗，就建立了稳态的振荡，形成了稳定的激光输出。

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。一般来讲，谱线展宽分均匀展宽与非均匀展宽两大类。

① 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，不可能把线型函数某一特定频率与某些特定粒子相联系起来，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。Ⅰ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。由于它是粒子本身固有性质决定的，自然存在的，因

1而称为自然展宽。gN(?)??s14?(?0??)?()22?s22可见gN(?)表达式具有洛伦兹型。Ⅱ

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引起的谱线展宽。碰撞展宽分为两种情况。一种是当处于激发态的粒子与其他粒子和器壁发生非弹性碰撞，从而将自己的能量传送出去回到基态。另一种是粒子发射的波列发生无规则相位突变而引起展宽。但此时粒子能量并不发生明显变化，这种碰撞称消相碰撞。由于碰撞的随机性，我们用平均碰撞时间来表征碰撞过程，其线型函数也如同由随机自发跃迁所引起的自然展宽那样，具有形式

gc(?)??c2??(?0??)2?(???c)2?2??。Ⅲ热振动展宽是由晶格热振动引起的谱线展宽，

在固体激光物质中其量级远大于前两者，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，引起能级振动，导致谱线展宽，这种展宽与温度关系最大，但其线型函数解析式很难求，常用实验来测知。

② 非均匀展宽的特点使粒子体系中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。Ⅰ多普勒展宽是由于气体物质中作热运动的发光粒子所产生的辐射的多普勒频移引起的。多普勒展宽的线型函数

mgD(?)?()e?02?KTc12?mc222KT?0(?0??)2Ⅱ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臵粒子?0不同；另一种是由物质本身原子无规则排列构成的。这类展宽的解析形式难以求证，常用实验测定。

⑼ 简述光与物质的非共振与共振相互作用过程对介电常量的影响。 D??0E?P??0E????10E(??)?0 E 而由于极化机制不同，?包括谐振分量?r与非谐振分量?n，于是

?0?E??E???E?(1?? D?(?0??n?0)E??r0r0? 式中

??0?' ???， ?(?)??1??(?)(1??)r0n?????r)?E'?(? )E? 可见，光与物质的非谐振相互作用产生光的散射，引起?0变成?，即散射过程造成了物质折射率n2???0；而光与物质谐振相互作用使?变成?'。

⑽ 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： ⒈气体激光器

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-Ne激光器，它发出的有0.6328?m的红光和3.39?m、1.15?m两种红外光，He-Ne激光器输出功率较小（几mW到100mW），能量转化效率较低（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。

离子气体激光器典型的有Ar?激光器，它输出多种波长，最强的是0.488?m的蓝光和

0.5145?m的绿光，输出功率可达500MW/cm2,最大功率可达150W，能量转换效率为千分之几，其所需泵浦功率高，需耗散很多热量。

分子气体激光器中最具代表性的是CO2激光器，输出为10.6?m的红外线，其效率高达30％，输出功率近似与管子长度成正比。CO2激光器的特点是：效率高、功率强、工作稳定、单色性好、波长适于光通信等。

准分子激光器的工作物质为稀有气体与卤素气体的混合气体，这是一类工作在紫外波长段的高效脉冲激光器。稀有气体与卤素气体的不同组合所得激光波长不同。通常采用He、Ne将由数千帕的稀有气体合压力数百帕的卤素气体组成的混和气体稀释成数百千帕的混和气体作为激光工作物质，所形成的激光器输出能量为数百微焦耳，发光效率1％，重复频率数千赫兹。 ⒉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（调谐范围从紫外直到红外）、价格低、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590nm，平均功率是100W，效率为0.5％。 ⒊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1.06?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％。 ⒋半导体激光器

同质结半导体激光器的激光工作物质为由半导体材料构成的有源区：Ⅲ－Ⅴ族化合物，如GaAs，InP为直接带隙结构。具有输入您那过量最低，效率最高，体积最小，重量最轻，可以直接调制，结构简单，具有集成电路生产的全部优点，价格低廉，可靠性高，寿命长。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GaAs和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厚度薄，阈值电流密度低、内部损耗低、电－光转换量子效率高、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。AlGaAs/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％。AlGaAs/GaAs量子阱阵列激光器的波长为808nm，平均功率为100W。

⑾ 分析同质结半导体激光器与发光二极管的区别与联系。

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且互相平行的光学谐振腔。当低于激光阈值时，注入式激光器就像一个发光二极管，无规律地发光；当注入芯片的电流增大到某一量值时，就会发生粒子数反转，这时受激原子数目多于低能态原子；从某些激发态原子自发地发出的光子与p-n结的激发态电子相碰撞，出发更多的光子发射出来，形成受激发射。

⑿ 简述尖峰振荡效应过程。

不加任何特殊装臵的固体脉冲激光器，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，其中每一个短脉冲宽度只在?s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。

一个短脉冲的形成和消失，可以由激光系统反转粒子数密度N?N2N1的增减变化来?g2g1解释。以氙灯泵浦为例，光泵浦使系统N增加，且增加速率在一个短脉冲周期内可看成不便；受激复试使N减小，且减少速率因腔内光子数密度?的多少而变化。这样，可将一个短脉冲的形成过程分为四个阶段，如图3－27所示：第一阶段（t0t1，从t0时刻光泵浦开始，N的增长率占优势；直到t1时刻N达t2）

到阈值条件N＝Nth而产生激光，使激光器内光子数密度?急剧增加；受激辐射使N减少速率也逐渐便快，但只要泵浦引起的增长率大于受激辐射引起的减小率，N仍在增加，直到t?t2时刻，二者速率相等，N达到极值。第二阶段（t2，N>Nth仍成立，激光继续产生，腔内光子数密度?仍急剧增加，t3）

受激辐射造成的N减少速率也继续增大，超过泵浦引起的增长率，N开始减小，直到t2?t3 时刻，N又回到阈值N＝Nth。第三阶段（t3，t3之后，N?Nth，增益小于损耗，腔内光子数密度急剧减小；t4）

但仍有N?0，即受激辐射大于零，因而N继续减少，但减少速率便小，直到t?t4时刻，增加速率等于减小速率，N达到极小值。

第四阶段（t4?t5），t4之后，N的增加率再次占优势，直到t5时刻，再次达到阈值Nth，将开始下一轮振荡。

在整个氙灯泵浦时间内，以上四个阶段不断重复，形成了依稀类的尖峰结构，而且，泵浦越强，尖峰形成越快，尖峰时间间隔越小。

⒀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10?7生10?1210?9s量级、峰值功率MW量级的巨脉冲，锁模技术可以产

10?13s量级的超短脉冲。

⒁ 常见的调Q方法有哪几种？分别简述之。 ⒈转镜调Q技术

将激光器光学谐振腔两个反射镜之一安装在一个旋转轴上，使其在每一转动周期中，只有当两个反射镜面平行时损耗最小，因而通过控制转镜，从而控制光腔的反射损耗可达到

调Q目的。 ⒉染料调Q技术

利用染料对光的吸收系数随光强度变化的特性来调Q的方法称为染料调Q技术，这种调Q开关的延迟时间是由材料本身的特性决定的，不直接受人控制，属于被动调Q技术。染料对该激光器振荡波长的光有强烈的吸收作用，且吸收系数随入射光的增强而不断减小。当染料盒插入谐振腔内时，激光器开始泵浦此时腔内光强还很弱，因而染料对光吸收强烈，腔损耗很大，Q值很低，不能形成激光；随着泵浦的继续，亚稳态上离子越积越多，腔内光强逐渐增大，吸收逐渐减小，Q值不断增大；泵浦光大到一定值时，染料对该波长的光变为透明，称为染料漂白，此时Q值达到最大，相当于Q开关开启，于是激光器输出一个强的激光脉冲。 ⒊电光调Q技术

某些晶体经过特殊方向的切割后，如果在某个方向上加电压，就可以使通过它的偏光改变振动方向，且外加电压的数值与振动放下嘎那的改变之间有一定的函数关系，再辅以其他光学元件，就可以构成一个快速光开关，达到调Q目的。 ⒋声光调Q技术

如图3－31所示，声光器件在腔内按布拉格条件放臵。当外加高频振荡的超声信号时，光束沿布拉格角偏折，从而偏离了谐振腔的轴向，此时腔损耗严重，Q值很低，不能形成激光振荡；但这一阶段，光泵浦使激光工作物质亚稳态上的粒子大量积累，一定史家后，瞬间撤销超高频振荡声场，光无偏折地通过晶体，Q值突然增大，从而产生一个强的激光脉冲输出。

⒂ 分别简述几种常见的激光锁模实现方法。

激光器一般有多个不同的振荡模式，他们本身是不关联、非相干的，起振幅与相位彼此独立；如果能使得各个独立模式在时间上同步、振荡相位一致，则总光场是各个模式光场得相干叠加，输出为一超短脉冲，且残余相干得模越多，不均于分布越尖锐，则脉宽越窄、峰值功率越高。这种通过把激光中所有的模耦合在一起并把各个模的彼此相位关系锁定得方法称为锁模，相应得技术称为锁模技术。实现锁模的方法有很多，大致分为一下几类： ⒈主动锁模

是一种内调制锁模，通过在腔内插入一个电光或声光调制起实现模式锁定，要求调制频率精确地等于激光器的纵模间隔，从而使所有参与振荡的模式相位同步的锁模技术。 ⒉被动锁模

类似染料被动开关，把很薄的可饱和吸收染料盒插入自由运转的环形腔结构激光器谐振腔环路中点，使相反方向的两个脉冲精确同步地到达吸收体，发生碰撞，产生相干叠加效应，从而获得有效锁模的碰撞锁模方式。 ⒊自锁模

这是一种通过增益调制来实现锁模的方法。用一台锁模激光器的序列脉冲输出泵浦另一台激光器，在两个激光器光腔长度相等的情况下，激光器的增益收到调制，在最大增益时形成一个脉冲更窄的序列脉冲输出，这就是自锁模技术，或称同步锁模技术。

⒃ 激光选模技术分哪几类？

采取某些手段限制参与振荡的模式数目，有关技术称为激光选模技术，一般分为四类：一是激光谱线选择，二是激光偏振选择，第三类时压缩振荡激光束的发散角、从而改善其方向性的横模选择技术，第四类是用于限制振荡激光频数目的纵模选择技术。

第四章光波导技术基础

⒈某光纤传输的波段为0.80.9?m。若每一路电话带宽为4kHz，每套彩电节目带宽10MHz，则该光纤理论上可传送多少路电话或多少套彩电节目？

c 光纤传输的频率f?,故它传输波段为3.333?10143.75?1014，

?0.417?1014?1.04?1010 能传播的电话数目N1?34?100.417?10146?4.17?10能传播的彩电数目N2? 610?10f?0.417?1014,

⒉ 什么是光波导？平面介质光波导中几类模式各有何特点？

光波导就是能使光低损耗传输的通道，它将光限制在一定路径中向前传播，减少了光的耗散，便于光的调制、耦合等，为光学系统的固体化、小型化、集成化打下了基础。

如图4－1和4－2所示： ⑴???c12??c13

此时，上、下界面均满足全反射条件。在满足相位匹配方程：

2k0n1dcos???12??13?m2?(m?0,1,2,)

m的不同取值对应于横向驻波波节数，每一个m值对应一个稳定的横向分布，这种波导中稳定的场分布称为导波模式，简称导模。这说明：并未满足???c12??c13n1的所有?角入射的光场均可形成导波，对于一定波长的光波，只有满足上式的?角入射的光波才可形成导波。即只有某些大于?c12的?m（?m??c12）才能形成导波，且m越大，?m越小，即小的入射角度相应的模式阶次高，z向单位长度内导模上下振荡次数多。 ⑵?c13????c12

在n1、n3界面反射，n1、n2界面投射，光线向衬底n2辐射，不再形成导波，称为衬底辐射模 ⑶???c13

各面均不满足全反射条件，光线在两个界面上都发生透射，这种模式称为包层辐射模。

⒊ 几何光学和物理光学在分析平面介质光波导中光传输时各自的出发点是什么？

几何光学分析法从介质界面观点出发得出，光波导的基本原理是光在介质表面的全反射。物理光学分析是从麦克斯韦方程出发，分析电磁场在三层波导中的分布情况，从而得出波导中光波导传播情况的方法。

⒋ 推导三层平板波导TM模本征方程。由于H(r,t)?H(x,y)ej(?t??z)，

?D?j??E ?t 将场的横向分量用纵向分量表示得

由麦克斯韦方程??H?? Hx??1?Ez?Hz?j?(j???j?)?k2??2?y?xk2???1?Ez?Hzj??(j???j?)?k2??2?y?xk2???Hz 2?x?Ez 2?x Hy? 对于横磁波，即Hz?0的波，可得 Hx?0 Hy??Hy?x??Ex ??j??Ez

由此可见，TM波只有唯一的横向磁场分量Hy。对TM波仅需求解波动方程

2 ?2Hy?(k2 n2??)Hy?0 由于H(x,y)仅有Hy分量，因而波动方程简化为：

?22Hy?0 (?d?x?0) 波导层 2Hy?(k02n12??)

?x?22Hy?0 (x??d) 衬底层 2Hy?(k02n22??)?x?22Hy?0 (x?0) 覆盖层 2Hy?(k02n32??)

?x?Hy 于是其满足导波条件(k0n2???k0n1)及边界条件(x?0及x??d处Hy、连续)的模场

?x表达式为

??Ae?qx(x?0)??Hy(x)??A?cos(hx)?(q)sin(hx)?(?d?x?0)

h??????p(x?d)?q)sin(hx)?(x??d)eAcos(hx)?(?h?????式中 h?k02n12??2 q??2?k02n32 p??2?k02n22 h(p?q)p?q ?h2?pqh(1?pq)h2 此式即为TM模的本征方程。

⒌ 推导四层平板波导TE模场分布表达式及其本征方程（设厚衬底层2上生长波导层1，1 且有 tan(hd)?上覆缓冲层3，这一结构臵于空气层4中，且n1?n2?n3?n4）。

⒍ 光纤的基本结构是什么？单独的纤芯可否作为光波导？包层的作用是什么？光纤传输光的基本原理是什么？什么是传输模、辐射模和消逝模？光纤由传导光的纤芯（折射率n1）和外层的包层（折射率n2）两同心圆形的双层结构组成，且n1?n2。外面再包以一次涂覆护套和二次涂覆护套。

单独的纤芯不能作为光波导，光波导由纤芯和包层共同组成。

包层对纤芯起保护作用，包括增加光纤的机械强度，避免纤芯接触到污染物，以及减少纤芯表面上由于过大的不连续性（即界面两边的折射率差别过大）而引起的散射损耗率。光波在光纤中传播有3种模式，导模（传输模），漏模（泄漏模）和辐射模。导模是光功率限制在纤芯内传播的光波场，又称芯模。其存在条件是n2k0???n1k0。在纤芯内电磁场按振荡形式分布，为驻波场或传播场，在包层内场的分布按指数函数衰减，为衰减场，模场的能量被闭锁在纤芯内沿轴线Z方向传播。

漏模是在纤芯及距纤壁一定距离的包层中传播的光波长，又称包层模。其存在条件是

n2k0??。在纤芯中的没长能量可通过一定厚度的“隧道”泄漏导包层中，形成振荡形式，但其振幅很小，传输损耗也很小。

辐射模在纤芯和包层中均为传输场，其存在条件是??n2k0。在此条件下，波导完全处于介质状态，光波在纤芯与包层的界面上因不满足全反射条件而产生折射，模场能量向包层逸出，光纤失去对光波场功率的限制作用。

⒎ 设有一平面介质波导，各层折射率分别为n1=2.21, n2=2.1, n3=1,波导层厚度d?4.6?m。

3?2若总反射相移为，则当入射光波长为1.31?m时，

⑴波导中能传输的模式总数是多少？

⑵要想传输单漠，波导层厚度应如何设计？

⑶若要传输1.55?m的入射激光，重复⑴、⑵的计算。 ⑴归一化频率 V? 传播模数 m?12?d?0(V?2??4.6?10?622n?n2??2.21?2.1?4.8356? ?61.31?10212?12??21(V?13? 故传播模式总数为5。

)?1?(4.8356??0.75?)?4.0856

⑵由题意 m?1 得

5 得 V?1.7??12??132?)<1

d?1.75?02n?n2122?1.665?m

2??4.6?10?622n?n2??2.21?2.1?4.0869? ?61.55?10212 ⑶归一化频率 V? 传播模数 m?2?d?01(V??12??2113? 故传播模式总数为4。

)?1?(4.0869??0.75?)?3.3369

⑵由题意 m?1 得

5 得 V?1.7??(V??12??132)<1

1.75?02n?n2122?1.970?m

⒏ 波长为1.3?m的光射入单模阶跃折射率光纤，其芯区与包层折射率分别为n1?1.52，

n2?1.42

⑴若将其至于空气（折射率为1）中，则其数值孔径、最大入射角及芯径分别为多少？ ⑵若将其臵于水（折射率为1.33）中呢？

2?1.42?0.542 ⑴数值孔径 N.A.?n12?n22?1.522N.A.?n0sin?max 得

?max?arcsin0.542?32.820

指器件输出端口的光进入非指定输出端口光能量大小。 ⑸光回波损耗RL

指光信号从指定端口输入时，由于器件引起反相回传的光能量。 ⑹偏振相关损耗PDL

指光信号以不同的偏振状态输入时（如线偏振、圆偏振、椭圆偏振），对应输出端口插入损耗最大变化量。

⑺最大光功率Pmax

指器件允许通过的最大光功率值，以mW表示。 13. 光隔离器主要分哪几类？简述各类的基本工作原理。

根据光隔离器的偏振特性可将偏振器分为偏振相关型和偏振无关型两种；根据隔离器的内部结构可分为块状型、光纤型、波导型等；根据其外部结构可分为尾纤型、连接器端口型和微型化型，尾纤型和连接器端口型也称在线型。

14. 光隔离器的性能指标有哪些？分别如何定义？

⑴插入损耗插入损耗是隔离器性能的重要技术指标。主要来源与偏振起、法拉第旋转器和光纤准直器的插入损耗。

偏振相关光隔离器的插入损耗表达式为 IL??10lgc2o?s?[?(?0) Wedge型偏振无关光隔离器的插损为

L??10lgexp[?(n0A?h?02)] 2?]式中，n0为自聚焦透镜折射率，A为自聚焦透镜聚焦参数，h 为出射o光与e光的间距。

⑵反向隔离度反向隔离度是隔离器最重要的指标之一，定义为当光从隔离器输出端入射时，输入端反向出射光功率Pr'与入射光功率P'的比值，它表征隔离器对反向传输光的衰

Pr'减能力 Iso??10lg'

P⑶回波损耗光隔离器的回波损耗也是一个相当重要的指标，它指正向入射导隔离器中的光功率Pi与沿输入路径返回隔离器输入端口的光功率Pr'之比

Pr'RL??10lg

Pi⑷偏振相关损耗PDL 指当输入光偏振态发生变化而其他参数不变时，器件插入损耗的最大变化量，是衡量器件插入损耗受偏振态影响程度的指标，主要产生在折射率发生突变的界面上。

⑸30dB隔离度带宽指以30dB带宽表示的光隔离器能够覆盖的工作波长范围。

⑹偏振模色散PMD 指通过器件的信号光不同偏振态之间的相位延迟。 15. 光开关主要分哪几类？简述各类的基本工作原理。

根据工作原理可分为机械式、MEMS式和集成光波导式三大类。机械式光开关靠光纤或光学元件移动使光路发生改变。

MEMS 型光开关就是利用MEMS 技术制作的微型化的自由空间光学平台，它能够将光束从一根光纤转移到另一根光纤。

集成光波导型光开关则依靠光电效应、磁光效应、声光效应以及热光效应来改变波导折射率，使光路发生改变。

16. 光开关的性能指标有哪些？分别如何定义？

光开关的光学特性参数主要指插入损耗、回波损耗、隔离度、工作波长、消光比、开关时间等。

⑴插入损耗输入和输出端口之间以分贝数表示的光功率的减少

P IL??10lgOUT

P0式中，P0为进入输入端光功率；POUT为输出端光功率。

⑵回波损耗（也称为反射损耗或反射率）从输入端返回的光功率与输入光功率的比

P值，以分贝表示 RL??10lgr 式中，Pr是输入端口收0为进入输入端的光功率；PPo到的返回光功率。

⑶隔离度两个相隔输出端口以分贝数表示的光功率的比值

P In,m??10lgin 式中，m，n为光的两个隔离端口（n?m）；Pin是光从i端口输

Pim入时n端口的输出光功率，Pim是光从i端口输入时在m端口测得的光功率。

⑷远端串扰光开关接通端口的输出光功率与串入另一端口的输出光功率的比值。 ⑸近端串扰当其他端口接匹配终端，连接的端口与另一个名义上是隔离的端口的光功率之比。

⑹消光比两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。

ERnm?ILn?m0 n m 式中，ILnm为n、m端口导通时的插入损耗，IL0ILnm为非导通

时的插入损耗。

⑺开关时间开关端口从某一初始态转为通或断所需的时间，开关时间从在开关上施加或撤去转换能量的时刻起测量。

第九章光盘与光存储技术

1. 光盘记录有什么优点？

光盘有一下优点： ⑴存储密度高

⑵数据传输速率高 ⑶存储寿命长 ⑷信息位价低 ⑸更换容易

2. 光盘发展经历了哪几代？每一代的特点是什么？

自美国ECD及IBM公式共同研制出第一片光盘以来，光盘经历了四代：

⑴只读存储光盘（read only memory，ROM）

这种光盘中的数据是在光盘生产过程中刻入的，用户只能从光盘中反复读取数据。这种光盘制造工艺简单，成本低，价格便宜，其普及率和市场占有率最高。

⑵一次写入多次读出光盘（write once read many，WORM）这种光盘具有写、读两种功能，写入数据后不可擦除。 ⑶可擦重写光盘（rewrite,RW）用户除了可在这种光盘上写入、读出信息外，还可以将已经记录在盘上的信息擦除掉，然后再写入新的信息；但擦与写需要两束激光、两次动作才能完成。

⑷直接重写光盘（overwrite，OW）

这种光盘上实现的功能与可擦重写重写光盘一样，所不同的是，这类光盘可用同一束激光、通过一次动作就擦除掉旧信息并录入新信息。 3. 说明ROM光盘存储原理。

如图9-1，9-2所示

将事先记录在主磁带上的视频或音频信息通过信号发生器、前臵放大器去驱动电光或声光调制器，使经过调制的激光束以不同的功率密度聚焦在甩有光刻胶的玻璃衬盘上，使光刻胶曝光，之后经过显影、刻蚀，制成主盘（又称母盘，master），再经喷镀、电镀等工序制成副盘（又称印模,stamper），然后再经过“2P”注塑形成ROM光盘。 4. 简述ROM光盘的形成过程。

ROM光盘的主盘与副盘制备一般经过如图9-3所示工序。

⑴衬盘甩胶 ⑵调制曝光 ⑶显影刻蚀 ⑷喷镀银层

⑸电镀镍层

⑹镍膜剥离，形成副盘

⑺上述主盘每一个都可以通过（5）、（6）步骤的重复，制得若干个副像子盘—副盘；而每一个副盘又都可以通过（5）、（6）步骤的重复，制得若干个正像子盘。

⑻将上述所得正像或副像子盘作为“印模”（stamper），加工中心孔和外圆后装入“2P”喷塑器中，经过进一步的“2P”复制过程来制作批量ROM光盘。 5. 一次写入光盘有哪几种记录方式？

一次写入光盘是利用激光光斑在存储介质的微区产生不可逆的物理化学变化进行信息记录的盘片，其记录方式主要有以下几种：

⑴烧蚀型：存储介质可以是金属、半导体合金、金属氧化物或有机染料。利用介质的热效应，使介质的微区熔化、蒸发，以形成信息坑孔。

⑵起泡型：存储介质由聚合物－高熔点金属两层薄膜组成。激光照射使聚合物分解排出气体，两层间形成的气泡使上层薄膜隆起，与周围形成反射率的差异而实现信息的记录。

⑶熔绒型：存储介质用粒子刻蚀的硅，表面呈现绒状结构，激光光斑使照射部分的绒面熔成镜面，实现反差记录。

⑷合金化型：用Pt－Si、Rh-Si或Au-Si制成双层结构，激光加热的微区熔成合金，形成反差记录。

⑸相变型：存储介质多用硫属化合物或金属合金制成薄膜，利用金属的热效应合光效应使被照射微区发生非晶相到晶向的相变。

6. WORM光盘写/读对存储介质有什么基本要求？说明WORM光盘存储原理。

光盘读写对存储介质有多方面的要求，综括起来主要包括以下几方面： ⑴分辨率及信息凹坑的规整几何形状 ⑵没有中间处理过程 ⑶较好的记录阈值 ⑷记录灵敏

⑸较高的反衬度

⑹稳定的抗显微腐蚀能力 ⑺与预格式化衬盘相容 ⑻高生产率、低成本

7. 说明激光热致相变RW光盘读、写、擦原理。参照教材附图。

近红外波段的激光作用在介质上，能加剧介质网络中原子、分子的振动，从而加速相变的进行。因此近红外激光对介质的作用以热效应为主，其中写、读、擦激光与其相变的进行。图的上半部是用来写入、读出及擦除信息的激光脉冲，下半部表示出在这三种不同的脉冲作

用下，在介质内部发生的相应相变过程。

⑴信息的记录对应介质从晶态C向玻璃态G的转变。选用功率密度高、脉宽为几十至几百纳秒的激光脉冲，使光斑微区因介质温度刹那间超过熔点Tm而进入液相，再经过液相快瘁完成到达玻璃态的相转变。

⑵信息的读出用低功率密度、短脉宽的激光扫描信息道，从反射率的大小辨别写入的信息。一般介质处在玻璃态（即写入态）时反射率小，处在晶态（即擦除态）时反射率大。在读出过程中，介质的相结构保持不变。

⑶信息的擦除对应介质从玻璃态G向晶态C的转变。选用中等功率密度、较宽脉冲的激光，使光斑微区因介质温度升至接近Tm处，再通过成核－生长完成晶化。在此过程中，光诱导缺陷中心可以成为新的成核中心，因此激光作用使成核速率、生长速度大大增加，从而导致激光热晶化壁单纯热晶化的速率要高。 8. 比较热致晶化和光致晶化过程。

9. 简述可擦重写磁光光盘读、写、擦原理。

如图9-14，目前磁光薄膜的记录方式有补偿点记录和居里点记录两类，前者以稀土－钴合金为主，后者则多为稀土－铁合金。以补偿点写入的磁介质为例来讨论磁光记录介质的读、写、擦原理。

⑴信息的写入 GdCo有一垂直于薄膜表面的易磁化轴。在写入信息前，用一定强度的磁场Ho对介质进行初始磁化，使各磁畴单元具有相同的磁化方向。在写入信息时，磁光读写头的脉冲激光聚焦在介质表面，光照微斑因升温而迅速退磁，此时通过读写头中的线圈施加一反偏磁场，就可使光照区微斑反向磁化，如图所示，而无光照的相邻磁畴磁化方向仍将保持原来的方向，从而实现磁化方向相反的反差记录。

⑵信息的读出信息读出是利用Kerr效应检测记录单元的磁化方向。用线偏振光扫描录有信息的信道，光束到达磁化方向向上的微斑，经反射后，偏折方向会绕反射线右旋一个角度?k，如图所示。反之，若光扫描到磁化方向向下的微斑，反射光的偏振方向则左旋一个?k，以－?k表示。实际测试时，使检偏器的主截面调到与－?k对应的偏振方向相垂直的方位，则来自向下磁化微斑的反射光不能通过检偏器到达探测器，而从向上磁化微斑反射的光

IoIi?(1??21VV?)

设输入电压为正弦调制电压，即 V?Vmsin?t 式中，Vm为调制电压幅值，?为调制频率，于是有

IoIi?(1??21VmV?sin?t)

画出

IoVIi与的关系曲线参看教材附图。

?12??5.5?10m/V，无外场时的主折射率为1.58，求其半波电压。6315. 某晶体在550nm时的

V???3k0no?63??0?12676.5V 32no?63316. 一个拉曼－奈斯声光调制器，晶体折射率为n=1.46，声波速度V?5.95?10m/s,频率为

??10MHz，光波波长??1.55?m，证明最大声光耦合长度为

LmaxnV2?2???2，并求该晶

体的最大声光耦合长度。

1?2 由拉曼－奈斯衍射判断依据得，L?，故最大耦合长度

2? LmaxV()21?1?nV2 ???2?2?2??2n2 将数据代入得：LmaxnV21.46?(5.95?103)2???0.1667m 2?6722??2?1.55?10?(10) 注：此题解答中与题目证明结果不一样。

17. 有一声光偏转器，以重火石玻璃为声光介质，声波中心频率为100MHz，带宽是40MHz，

3入射光束直径是1cm，查得声速V?3.1?10m/s，求偏转器的偏转时间?和分辨点数N。

1?10?2?6????3.2?10s

V3.1?103?0N?????3.2?10?6?40?106?128

注：此题没有用上中心频率为100MHz条件。

第六章光电探测技术

1. ⒈列出光探测器的基本参数并说明其含义。

①量子效率，又称量子产率，是指一个入射光子所释放的平均电子数。它与入射光子能量（即入射光波长）有关。其表达式为??e?Ich?，式中P是入射到探测器上的光功率，PePh?IcIc是入射光产生的平均光电流大小，Ph?是单位时间内入射光子平均数，生的光电子平均数，e是电子电荷。

②响应度R，为探测器输出信号电压Vs与输入光功率P之比

R?Vs 单位为V。

WPIce是单位时间产

③灵敏度S，为探测器输出信号电流Is与输入光功率P之比

Is R和S均用来描述探测器输出电信号与输入光功率的关系，均是波长?的函数。P入射光波长一定，则响应度与灵敏度确定。

④光谱响应，就是表征R（或S）随波长?变化的特性参数。光谱响应中还有一个重要参S?量，称为响应峰值波长，它指相对光谱响应曲线中对应于最高响应率的辐射波长。

⑤噪声等效功率，定义为相应于单位的信噪比的入射光功率，用来表征探测器探测能力，

P定义式为NEP? NEP越小，探测能力越强。

VsVn⑥探测度D，是NEP的倒数，即单位辐射功率相应的信噪比

D?11V?(s) 通常归一化探测度D*比前述D更能体现探测器性能。D*表示单位探测NEPPVn12器面积、单位带宽的探测度，定义式为D*?D(Ad?f)?面积，?f为放大器带宽。

(Ad?f)Vs() 式中，Ad为探测器PVn12⑦频率响应R(f)，是描述光探测器响应度在入射光波长不变时，随入射光调制频率f变化的特性参数。它是光探测器对加在光载波上的电调制信号的响应能力的反映，是表征光探测器频率特性的重要参数。

除了以上7个基本参数以外，在使用探测器时还会遇到一下参数： Ⅰ 暗电流，指没有信号和背景辐射时通过探测器的电流；

Ⅱ 工作温度，对于非冷却型探测器指环境温度，对于冷却型探测器指冷却源标称温度；

Ⅲ 响应时间，指探测器将入射辐射转变为信号电压或电流的驰豫时间； Ⅳ 光敏面积，指灵敏元的几何面积。

2. 光探测器的物理效应主要有哪几类？每类有哪些典型效应？

光电探测器的物理效应可以分为三大类：光电效应、光热效应和波相互作用效应。光电效应是入射光的光子与物质中的电子相互作用并产生载流子的效应，此处所指的是一种光子效应，也就是单个光子的性质对产生的电子直接作用的一类光电效应。根据效应发生的部位和性质，习惯上将其分为外光电效应和内光电效应。外光电效应是指发生在物质表面上的光电转换现象；内光电效应指发生在物质内部的光电转换现象。

光热效应是物体吸收光，引起温度升高的一种效应。光热效应中典型的有温差电效应和热释电效应。温差电效应指当两种不同的导体或半导体材料两端并联熔接时，在接点处可产生电动势，这种电动势的大小和方向与该接点处两种不同材料的性质和接点处温差有关，如果把这两种不同材料连接成回路，当两接头温度不同时，回路中即产生电流的现象，又称塞贝克效应。热释电效应指热点晶体的自发极化矢量随温度变化，从而使入射光可引起电容器改变的现象。

波相互作用效应是指激光与某些敏感材料相互作用过程中产生的一些参量效应，包括非线性光学效应和超导量子效应等。

3. 比较光子探测器和光热探测器在作用机理、性能及应用特点等方面的差异。

在受到光的照射后，材料的电学性质发生了变化，（电导率改变、发射电子、产生感应电动势等）的现象称为光电效应。

某些物质在收到光照射后，由于温度变化而造材料性质发生变化的现象称为光热效应。在光电效应中，光子的能量直接变为光电子的能量。而在光热效应中，光能量与晶格相互作用，使其振动加剧，造成温度的升高。光热效应主要是通过对辐射能量的吸收来改变材料的某些物理性质，这种改变总是与温度的变化相联系的，而材料温度的变化仅取决于光功率（或其变化速率）而与入射光的光谱成分的关系不大。所以热探测基本属于无选择性的探测。另一方面热效应具有积累的特性，与探测器件的热容量及散热的快慢都有关。这也决定了热探测的另一特点，响应时间比较长，达到毫秒数量级。

两者相比起来，光电探测方法对光波长的测量是有选择的，这由光电效应的本质所决定。因此，光电探测的一大特点是选择性好，用一种材料制作的探测器，一般都由吸收峰值波长存在。另一方面，光电材料对入射光子的响应几乎是瞬间完成（微秒以至纳秒量级），因此，光电探测器的另一特点就是响应速度快。

一般说来，光电探测方式由于其相对于热探测器的优越性（选择性高、响应快）而用途更广，但热探测器在某些领域的作用是光电探测器无法取代的。对热探测器，提高灵敏度及响应速度是努力的方向。

4. 总结选用光探测器的一般原则。

光电探测的一大特点是选择性好，另一方面，光电材料对入射光子的响应几乎是瞬间完成（微秒以至纳秒量级），因此光电探测器的另一特点就是响应速度快。

热探测基本属于无选择性的探测，另一方面热效应具有积累的特性，与探测器件的热容量及散热的快慢都有关。

一般说来，光电探测方式由于其相对于热探测器的优越性（选择性高、响应快）而用途更广，但热探测器在某些领域的作用是光电探测器无法取代的。 5. 比较直接探测和外差探测技术的应用特点。

直接探测法能检测光强及光强的变化，是非相干辐射的惟一探测方法，而对相干辐射进行直接探测具有简单、方便、室温运转等优点，但它不能反映光载波频率及相位的变化，因而探测灵敏度低，信噪比差。

外差探测法中的高质量本振光束不仅给信号光束提供了转换增益，还可以消除背景噪声和暗电流的影响，大大提高探测灵敏度，达到近乎理想量子极限，它不仅可以探测光强调制信号，还可用于频率或相位调制波的探测，但外差探测系统复杂，对信号光与本振光要求均很高，技术难度大，成本高。光电探测器除了具有解调光功率包络变化的功能外，只要光谱响应匹配，就可以实现外差探测。 6. 说明内光电效应和外光电效应的差别。

根据效应发生的部位和性质，习惯上将其分为外光电效应和内光电效应。外光电效应是指发生在物质表面上的光电转换现象,主要包括光阴极直接向外部放出电子的现象，典型的例子是物质表面的光电发射；内光电效应指发生在物质内部的光电转换现象，特别是半导体内部载流子产生效应，主要包括光电导效应与光伏效应。概括起来就是：(1)内光电效应发生在物质内部，外光电效应发生在物质表面；(2)内光电效应主要体现为载流子的产生效应，外光电效应主要体现为表面电子发射现象；(3)内光电效应中的红限与半导体禁带宽度成反比，而外光电效应中的红限与表面逸出功成反比。 7. 说明光电倍增管的基本组成及其作用。

光电倍增管由光电阴极C、一系列倍增电极D、收集阳极A三大部分密封在真空外壳中组成，如图6-11所示。

倍增电极，即能发射二次电子的电极，其电位与阴极相比逐渐升高，一般极间电位差为100V。光电阴极是光电倍增管的关键部分，它将入射光转换为电流，决定着探测器的波长响应特性及极限灵敏度。

收集阳极用来汇总经一系列光电倍增管作用而在最后一级倍增阴极产生出的数目巨大的二次电子。

8. 最早的光电探测器是哪年由谁制作的哪种光电探测器？

最早的光电探测器是在1873年由Simens制成的光电池。

9. PIN光电二极管，受波长为1.55?m的6?10个光子的照射，其间输出端产生2?10个

1212光子。计算量子效率和响应度。

2?1012?0.33 由量子效率定义得：??6?1012 由响应度定义式得：R?VsIcIh??eP? 再由??c得出 Ic? Ph?N1ePh?Po代入上式得：R?N21??1.042?106V 2W?eN1eN1?910. 光电导探测器在T?77K工作，此时材料得暗电阻R?1M?，光电流为10A，探测系统

频带为100MHz。计算负载电阻为100k?，1M?和50M?，20M?时的SNR。这些结果说明了什么？

? SNRS S为信号功率，N为噪声功率 N 电流信噪比 SNR?is is——光功率产生的信号光电流，in——噪声电流 inus un 电压信噪比 SNR? 热噪声功率 P??1.3?8?213?0nt?4kTe??4?77?106?010??13 5104.2W

第七章

光电显示技术

1. 什么是三基色原理？彩色重现是什么含义？

三基色原理指自然界中客观存在的任一种颜色均可以表示为三个确定的相互独立的基色的线性组合。实用上常选择红(R)、绿（G）、蓝（B）作为三基色。将三基色按一定比例混和调配，就可模拟各种显示颜色。

荧光粉与白场选定后，对图像的亮度、色调和饱和度三参量的电信号进行色度编码，通过矩阵电路使其何曾为发送端的编码矩阵，并使摄像端的综合光谱相应曲线分别与显像三基色混色曲线一致，从而使输出的三路电信号功率谱正好与显像端要求的比例关系相吻合；在接受端，用矩阵电路实现解码，用取出的三基色图像信号控制彩色显象管的三个电子束，激发相应荧光粉发光，即可实现彩色重现。 2. 试述低压荧光显示器的优缺点和应用。

低压荧光显示器具有亮度高、发光颜色鲜明、工作电压低、功耗小、响应度快、能用普通LSI直接驱动、寿命长、品种多等优点。缺点是需要灯丝电源。主要应用在数字、文字、简单图形显示等方面。 3. 什么是发光现象？

发光现象通常用来描述固体收到某种形式的能量激励后所产生的光发射现象，也就是指以某种方式（紫外线、高能电子、X射线、?/?/?射线等高能辐射）来激发某些物质，使其能量以非热激发形式的可见或近可见光谱形式重新发射出来的现象。 4. 简述发光和显示技术的主要分类。

根据发光体化学结构可将发光现象分为无机化合物、有机化合物、晶态磷光发光体发光；根据发光时间长短可分为长余辉（>0.1s）、中余辉（1ms0.1s）、短余辉（<1ms）发光；根据发光机理不同可分为分力中心发光、复合发光；最常见的是根据激励方式分为以下几类： Ⅰ光致发光：激励来自对光子（通常是紫外光）的吸收。 Ⅱ阴极射线发光：发光体在加速电子的轰击下激发发光。 Ⅲ场致发光：发光体在外电长或电流作用下激发发光。

Ⅳ化学发光：发光体在化学反映过程中由化学能激发的发光。

光电显示按发瓜果那类别克芬为主动型光电显示与被动型光电显示；按照结构形状分为

22?4m14m为平板显示和体显示；按显示屏幕大小分为超大屏幕（）、大屏幕（）、中屏幕

22（0.21m）、小屏幕（?0.2m）显示；按颜色分为黑白、彩色显示；按显示内容分为数码、字符、轨迹、图表、图形、图像显示；按成像空家坐标分为二维平面与三维立体显示；按显示原理分为电子束显示（CRT）、真空荧光显示（VFD）、发光二极管显示（LED）、电致发光显示（ELD）、等离子体显示（PDP）、液晶显示（LCD）、激光显示（LD）、电致变色显示（ECD）。

5. 简述液晶的种类和特点？用什么发法来判断液晶的纯度？

根据分子的不同，可将常见液晶分为向列型、胆甾型和近晶型三种。

液晶是介于完全规则状态（如固态晶体）与不规则状态（如各向同性液体）之间的中间物质。总的说来可分为热致液晶和溶致液晶。热致液晶是指某些有机物加热熔解后，由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶；而溶致液晶是指某些有机物放入一定的溶剂中时，由于溶液破坏结晶晶格而形成的液晶。

热致液晶实际上是某些有机物在某一限定温度范围内的状态。在这一温度范围的低端，它呈晶状固体；而在这一温度的高端，它为清澈的液体；只有在这一限定温度范围内，它时淡黄色的混浊液体，并具有固体和流动液体的某些光学特性。

液晶材料的结构的主要特点是：它们的分子都具有细长条状结构，分子取向与液晶表面状态和其他分子有关。当外界的电场、磁场和温度稍有变化，分子的排列方向也随之变化，分子的运动便会发生紊乱，从而使光学性质发生变化。

近晶型液晶也称层状液晶，由棒状或条状分子排列成层，层内分子长轴相互平行，其方向垂直于层面或层面呈倾斜排列。这种排列的分子层间作用力较弱，相互间容易滑动，呈现出二维流体的性质，黏度高，具有正单轴晶体的双折射性。

向列型液晶也称丝状液晶，由长径比很大的棒状分子组成，每一分子的为止虽无规则，但从整体来看，分子轴向着同意方向。由于其各个分子容易顺着长轴方向自由移动，因而与近晶型液晶相比，向列型液晶黏度效，富于流动性但仍呈正单轴警惕的双折射性质。

胆甾型液晶也称螺旋型液晶，它和近晶型液晶一样具有层状结构，但层内分子排列却与向列型液晶相似，分子长轴甾层内是相互平行的。这类液晶各层的分子取向与邻层的分子去向都略有偏移，液晶整体呈现螺旋结构，螺旋长度为可见光波长量级，具有旋光性、选择性光散射和偏折光二色性、负单轴晶体的双折射性。

以上是三种典型的液晶结构，另外还有一些异性液晶，如圆盘型液晶和重入液晶。圆盘型液晶由对称性良好的非极性分子组成，其形状如同硬币，可形成柱状堆排列，也像胆甾型晶体一样具有负单轴晶体的双折射性，但没有旋光特性，为非光学活性物质。

重入液晶是指某两组分混合液晶的各向同性液体在冷却过程中呈现出各向同性液体向列型液晶近晶型液晶这种奇妙相变现象的液晶。

目前常用相变温度和熔点的测量以及测量电阻率的方法来了检验液晶的纯度。相变温度和熔点的测量将试样及其纯净的样品一起进行混合熔融试验，如没有发现熔点下降，就可以认为试样是纯净的。另一方法是将液晶放在毛细管内，让后慢慢加温，精确控制和测量管内的温度。相变点可以用目测法或显微镜观察法来确定。相变点是液晶纯度的

0标志，如果相变温度与文献中的标准值相差1C，则认为试样不纯。

测量电阻率把液晶夹在敷有导电曾的玻璃板之间，根据其电压—电流特性求其电阻

10率。如果电阻率达到已知的经验数值，例如在10?cm以上，则可以认为是纯净的。

精确测量液晶的纯度还可采用另外方法，例如分析法、核磁共振法、红外分光法、紫外分光法、折射率法和热差分析法等。

6. 液晶材料的物理性质与显示技术之间存在何种关系？

参照表7-3回答

7. 什么是等离子体？简述等离子体的特性、分类及主要参数。

等离子体就是高度电离化的多种粒子存在的空间，其中带电粒子有电子、正离子，不带电粒子有气体原子、分子、受激原子、亚稳原子等。

等离子体具有如下特性： Ⅰ气体高度电离。

Ⅱ具有很大的带电粒子浓度。 Ⅲ具有电振荡特性。 Ⅳ具有加热气体的特性。

Ⅴ稳定情况下其中的电场相当弱，且电子与气体原子频繁碰撞，可看做热运动。根据等离子体中各种粒子的能量分布情况将等离子体分为如下两类： Ⅰ等稳等离子体。 Ⅱ非等温等粒子体。表征等离子体的主要参量有： Ⅰ电子温度Te Ⅱ电离强度

Ⅲ轴向电场强度 Ⅳ带电粒子浓度 Ⅴ杂乱电子流密度

8. 简述等离子显示的主要发展水平和研究动向。

等离子体显示自1964年发明以来，在不到40年的时间里迅速发展，现在有关技术已经成熟，大屏幕壁挂电视已经商品化并被认为是最具发展前途的平板电视发展方向。PDP 具有：固有的存储性能、高亮度、高对比度、能随机书写与擦除，长寿命、大视角、易于计算机互连等优点。

PDP目前的研究方向主要集中在： Ⅰ多线数，大屏幕。

Ⅱ长寿命。

Ⅲ提高分辨力。 Ⅳ彩色化。

Ⅴ简化驱动电路。 9. 简述p-n结电致发光原理。

P型半导体和n型半导体接触时，在界面上形成p-n结，由于电子和空穴的扩散作用，在p-n结接触面两侧形成空间电荷区，称为耗尽层，形成了一个势垒，阻碍电子和空穴的扩散。当在p-n结施加正向电压时，会使势垒高度降低，耗尽层减薄，能量交大的电子和空穴分别注入到p区或n区，同p区的空穴和n区的电子复合，同时以光的形式辐射出多余的能量。

10. 已知GaAs禁带宽度为1.4eV，求GaAs的LED的峰值波长。而实测GaAs的LED的峰

值波长为1127nm，为什么？峰值波长?由材料禁带宽度Eg决定： ??1.241.24?103??103?885.7nm Eg1.4实际光电半导体中，杂质和晶体缺陷所形成的能级与导带间的禁带宽度比价带间的主禁

带宽度要窄得多，因此波长比峰值波长长的光将把这些杂质能级中的电子激发到导带衷曲，从而使光敏电阻的光谱响应向长波方向有所扩展。 11. 简述高场交流直流电致发光(ACEL)发光原理。

参看教材附图

ACEL结构如图所示，它是将荧光粉（通常为ZnS:Cu）悬浮在介电系数很高、透明而绝缘的胶合有机介质，并将之夹持在两电极（其中之一为透明电极，另一个是真空蒸镀金属电极）之间而构成，实质上是大量几微米到几十微米的微小发光粉晶体悬浮在绝缘介质中的发光现象，又称德斯垂效应。加以正弦电压时，每隔半个周期，器件以短脉冲方式发光一次，

?3激励电压有效值长需数百伏，发光持续时间约10s。ACEL不是体发光，而是晶体内的发光线发光。

12. 简述高场直流电致发光（DCEL）发光原理。

参看教材附图。

DCEL结构基本与交流粉末器件相似，但其荧光粉的涂层是导电的CuxS，正常使用前必

?须在两电极上施加短暂作用的高电压脉冲，使Cu从紧挨着阴极的荧光粉表面上失落，形成一薄层高电阻的ZnS。之后，较低的工作电压主要降在ZnS上，使之发光。 13. 液晶有何特点？它主要有哪些电光效应？主要有哪些应用？

液晶的电光效应分类参看教材附图7-17：

液晶显示器件主要利用液晶的电光效应和热光效应。

Ⅰ利用向列型液晶动态散射的显示，目前成功应用与台式电子计算机和钟表等方面。 Ⅱ胆甾型液晶螺旋距变化在显示方面的应用，具体应用实例包括电子束贮存管，像投影等。

Ⅲ胆甾型液晶螺旋轴旋转在液晶显示方面的应用，可用于记忆型显示。

Ⅳ宾主相互作用在光阀方面的应用，把宾—主混合物放在透明的夹层式液晶盒中，就能够用电压开关来调制透过液晶的单色线偏转光。

Ⅴ胆甾型液晶在电子照相技术方面的应用，应用于电子照相技术中的静电潜像可见光。 Ⅵ胆甾型液晶的光学性质随温度变化这一效应已被广泛应用于无损探伤、医疗显示、红外线全息术、微波全息术以及各种显示技术。 14. 试说明自会聚彩色显象管的特点。

⑴采用了三枪三束精密直列式电子枪

自会聚彩色显象管的三个电子枪排列一水平线上，彼此间距很小，因而会聚误差亦很小。除阴极外，其他电极都采用整体式结构，这样可以保证各电极定位精读，减少装架带来的误差。电子枪除三个独立的阴极引线用于输入三基色信号和进行自场平衡调节外，其它电极均采用公共引线，简化了管型芯柱结构。

⑵采用了间隙开槽式荫罩板及条形荧光屏

荫罩板上开有细长的间隙微型槽，这样克服了栅网式荫罩板怕振动的特点，增强了机械强度，降低了垂直方向的聚焦精度要求，提高了图像的稳定性。荧光屏采用黑底技术，提高了图像对比度。

⑶采用了精密环形偏转线圈

为了满足动会聚的要求，保证偏转线圈具有确定的磁场分布，环形线圈的匝数分布恰巧给出三电子束动会聚所需要的磁场分布，从而不必进行动态会聚的调整。因此，称这种线圈为会聚自校正型偏转线圈。

15. 试说明扭曲向列型LCD的特点。

向列型液晶也称丝状液晶，由长径比很大的棒状分子组成，每一分子的为止虽无规则，但从整体来看，分子轴向着同意方向。由于其各个分子容易顺着长轴方向自由移动，因而与近晶型液晶相比，向列型液晶黏度效，富于流动性但仍呈正单轴警惕的双折射性质。 16. 试说明注入电致发光和高场电致发光的基本原理。

注入式电致发光

由直接装在晶体上的电极注入电子和空穴，当电子于空穴在晶体内再复合时发光的现象。高场电致发光

高场电致发光是荧光粉中的电子或由电极注入的电子再外加强电场的作用下在晶体内部加速，碰撞发光中心并使其激发或离化，电子在回复基态时辐射发光。

第八章光通信无源器件简述

1. 用具有光学Kerr效应的晶体作为马赫－曾德尔干涉仪的一臂，让透射强度Io反馈到晶

体。

1⑴求证系统的强度透射率为IIi?F(Io)??12cos(?Io??)，式中，Io和?为常量；

2⑵假定??0，画出Io与Ii的关系曲线，并推导最大微分增益dIodIi的表达式。 2. 光纤连接器的主要指标有哪几个？每个是如何定义的？

连接器指标有插入损耗（简称插损）、回波损耗（简称回损）、谱损耗、背景光耦合、串扰、带宽等，其中最重要的为插损和回损，对于活动性光纤连接器还有重复性和互换性。

⑴插损插损为光纤中的光信号通过连接器之后的输出光功率与输入光功率比值的贝

P数 IL??10lg1P0 ) 式中，IL为插损，Pd(B1为输出端光功率。 0为输入光功率，P⑵回损回损又称为后向反射损耗，用以衡量输入光功率中从连接器反射并沿输入通道反向传输的光功率占输入光功率的份额。表示为

P RL??10lgrP0 ) 式中，RL为回损，Pd(Br为后向反射光功率。 0为输入光功率，P⑶重复性和互换性重复性是指光纤（光缆）活动连接器多次插拔后插入损耗的变化情

况，用dB表示。互换性是表征连接器插头与转换器两部分任意互换或有条件互换的性能指标，可以考核连接器结构设计和加工工艺的合理性，也是表明连接器实用化的重要标志。 3. 影响光纤连接器插入损耗的因素主要有哪几个？说明每一个的含义。

⑴纤芯错位损耗由于纤芯横向错位引起的损耗，它是连接损耗的重要原因。 ⑵光纤倾斜损耗由于两光纤轴线的角度倾斜?而引起的在连接处的光功率损耗。 ⑶端面间隙损耗由于光纤连接端面处存在间隙Z而引起的损耗。 ⑷菲涅耳反射损耗由于光纤两个端面间隙中存在不同的介质，当光进入其中时就会产生多次反射，从而产生损耗。

⑸芯径失配损耗当光从纤芯半径为a1的光纤射向纤芯半径为a2（a2?a1）的光纤时导致的损耗。

⑹数值孔径失配损耗当光从数值孔径为NA1的光纤射向数值孔径为NA2（NA2?NA1）的光纤时导致的损耗称为数值孔径失配损耗。

........4. 改进光纤连接器回波损耗的主要方法有哪些？

通常将光纤端面加工成球面或斜球面，或将端面镀膜等。

5. 画示意图说明光纤活动连接器主要有哪些类型？各有哪些特点？

有代表性且正在使用的光纤活动连接器主要有以下几种类型： ⑴套管结构，如图8-6

由两个插针和一个套筒组成。其中的插针为一带有微孔的精密圆柱体，将光纤插入微孔后用胶固定并加工形成插针体。套筒是一种加工精密的套管，有开口和不开口两种，开口套筒使用最普遍。对准时，以插针的外圆柱面为基准面，插针插入套筒并与其实现紧配合，以保证两根光纤精密对准。

⑵双锥结构，如图8-7

插针外端面加工成圆锥面，机座内孔也加工成双圆锥面。两个插针插入时利用锥面定位进行对接。这种方法加工精度要求极高，插针和机座常采用聚合物模压成型，内外锥面的结合不仅保证纤芯对中，而且保证两光纤端面间距恰好符合要求。

⑶V型槽结构，如图8-8

将两个插针放入精密设计的V型槽中，再用盖板将插针压紧，使纤芯达到对准，在单芯连接时一般不被采用，但常用于单纤/多纤与平板波导连接或多纤之间互相连接。 ⑷透镜耦合结构，如图8-9

透过球透镜或自聚焦透镜来实现光纤的对准。透镜将一根光纤的出射光变成平行光后进入另一透镜聚焦并耦合入第二根光纤。这种结构可以降低对机械加工的精度要求，但结构复杂、体积大、调整元件多、损耗大，在短距离便捷通信中采用。

⑸球面定心结构，如图8-10 由装有精密钢球的机座和装有圆锥面的插针组成。钢球开有一个内径比插针外径大的通孔，当两探针产如机座时，球面与锥面切合使纤芯对准并使纤芯间距符合要求。这种结构设计巧妙，但结构复杂，未被广泛采用。

6. 制作光纤固定连接器主要有哪些方法？分别是如何实现的？各有何特点？

制作固定接头的方法有熔解法、V形槽法、毛细管法、套管法等。

熔解法用加热的办法将光纤熔融结合在一起，只要操作得当，熔解机设计合理，连接的插入损耗很小，后向反射光为零。熔解的方法有电弧熔解、氢焰熔解、激光熔解三种，其中第一种应用最多。

V形槽法、毛细管法和套管法所制作的固定接头插入损耗很小，有一定的后向反射光，指标虽略低于熔解法，但小巧、操作简便，适合野外作业，在短途干线、设备抢修、野战等方面应用较多，尤其在多芯光纤连接方面优势明显。

⑴电弧式光纤熔解机电弧式光纤熔解机由于操作方便，熔解质量高（插入损耗平均值都在0.1dB以下）、接头的一致性和稳定性等技术性能好。它一般都由光纤准直与夹紧机构、对准机构、电弧放电机构、控制机构4部分组成。

⑵V形槽固定接头在线路抢修、短距离线路连接、特殊环境光纤连接中常采用V形槽固定接头。这种接头携带方便、操作简单，无需贵重仪表设备。其典型结构一般由合金铝片等制成的芯件和压盖两个元件构成。芯件是现在铝片上加工出对准槽和导引槽，然后将铝片相对折叠组成的。压盖是将铝片弯折成U字型制成，用与夹紧芯件，固定光纤。

⑶毛细管固定接头毛细管固定接头一般采用玻璃材料制作。它的接续原理与过程

是：①将两根处理好的光纤从两头穿入毛细管内，利用其精密的内孔使两根光纤纤芯对准；②在两光纤端面之间加入匹配液，消除菲涅耳反射，降低插入损耗，减小后向反射；③用机械方法使光纤紧固。这种固定接头操作简便，体积很小，插损小，性能较好。

⑷套管式固定接头这一类固定接头的结构原理与活动连接器完全一致，其主要零件也是插针和套筒。插针和套筒可以是陶瓷、玻璃、金属和塑料等，外形设计哟更多地考虑如何将固定接头放臵在光缆接头盒中。插针端面要现场粘接、研磨，端面之间要加注匹配液。这种固定接头有一定的使用价值。

7. 光衰减器主要分哪几类？简述各类的基本工作原理。

根据不同的光信号传输方式，可将光衰减器分为单模光衰减器和多模光衰减器；根据不同的光信号接口方式，可分为尾纤式光衰减器和连接器端口式光衰减器；根据不同的衰减方式又可分为固定式光衰减器和可变光衰减器。根据光衰减器的原理，可将其分为：

⑴位移型光衰减器当两段光纤进行连接时，纤芯错位、端面间隙都会引起连接器损耗。反过来，将光纤的对中精度做适当的调整，就可以控制连接时的衰减量。位移型光衰减器就是根据这个原理，有意让光纤在对接时发生一定错位，使光能量损失一些，从而达到控制衰减量的目的。

⑵直接镀膜型光衰减器这是一种直接在光纤的端面或玻璃基片上镀制金属吸收膜或反射膜来衰减光能量的衰减器。

⑶衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器是一种将具有吸收特性的衰减片通过机1械装臵直接固定在光纤的端面上或准直光路中得到的光衰减器。光信号经过4节距自聚焦透镜准直、衰减片衰减后，再被第二个自聚焦透镜聚焦耦合进光纤中。使用不同衰减量的衰减片，就可以得到相应衰减值的光衰减器。

⑷液晶型光衰减器利用了分子轴扭转向列p型液晶。其原理如下：从光纤入射的光信号经自聚焦透镜后成为平行入射光，该平行光波被分束元件P1分为偏振面相互垂直的两束偏振光o光盒e光。当它们经过不加任何电压的液晶元件时，两束偏振光同时旋转90后再被另一个与P1光轴成90的分束元件P2合为一束平行光，由第二个自聚焦透镜耦合进光纤；当液晶两电极加压后，扭转向列小盒产生晶向倾斜?，这使得通过液晶的部分o光盒e光偏振面旋转，旋转90的那部分偏振光功率为I'?Iocos?，它们被分束元件P2汇合成一束平行光出射。随着外加电场的不断加强，该部分光功率也逐渐便小，即被自聚焦透镜耦合进入光纤的光信号也将越来越小，从而实现对光线好的衰减。 8. 光衰减器的性能指标有哪些？分别如何定义？

光衰减器的性能指标主要有衰减量、插入损耗、衰减量精度和回波损耗这四项。 ⑴衰减量和插入损耗衰减量和插入损耗是光衰减器的重要技术指标。

固定光衰减器的衰减量指标实际上就是其插入损耗指标要求，取决于金属蒸镀膜层的透过率和均匀性。由布拉格定律可知，透过率取决于吸收材料的内透过率?和它的厚度t

Tp?10??t

因此，衰减量A可表示为

A??10lgTp?10?t

式中，?取决于材料的吸收本领，是波长的函数。

光衰减器的插入损耗（IL）主要来源于光纤准直器的插入损耗和衰减单元的透过率精度及耦合工艺。

⑵光衰减器的衰减精度

光衰减器的衰减精度是光衰减器的重要指标之一。通常机械式光衰减器的衰减精度为其衰减量的?0.1倍。

⑶回波损耗

回波损耗RL是影响系统性能的另一重要指标。光衰减器的回波损耗是指入射到光衰减器中的光能量和衰减器中沿入射光路反射出的光能量之比，一般由各元件和空气折射率失配造成的反射引起。

⑷频谱特性

在一些特殊的用途中，需要衰减器在一定的带宽范围内有较高的衰减精度，其衰减谱线具有较好的平坦性。

9. 光耦合器主要分哪几类？简述各类的基本工作原理。

从功能上看，它可分为光功率分配器以及光波长分配（合/分波）耦合器；从端口形式上划分，它包括X型（2?2）耦合器，Y型（1?2）耦合器、星形（N?N，N?2）耦合器以及树形（1?N，N?2）耦合器等；从工作带宽的角度划分，它分为单工作窗口的窄带耦合器、单工作窗口的宽带耦合器合双窗口的宽带耦合器；由于传导光模式的不同，它又有多模耦合器合单模耦合器之分；从结构上又可分为分立元件组合型、全光纤型、平面波导型等类。

熔融拉锥型全光纤耦合器熔融拉锥法就是将两根或两根以上除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。

波导型光耦合器波导型光耦合器是指利用平面介质光波导工艺制作的一类光光耦合器件，往往是在铌酸锂（LiNbO3）等衬底材料上，以薄膜沉积、光刻、扩散等工艺将所需的波导结构制成芯片；芯片与单模光纤的耦合则具有端面直接耦合合通过迅衰场的表面耦合等基本方法。

10. 光耦合器的性能指标有哪几类？分别如何定义？

⑴插入损耗指以分贝表示的第i个输出端口的光功率Pouti相对全部输入光功率PIN的

POUTi减少值 ILi??10lg（dB）

PIN⑵附加损耗所有输出端口的光功率综合相对于输入光功率以分贝表示的减小值

P?EL??10lgOUTiPIN(dB)

⑶分光比指耦合器各输出口的输出功率的比值，常用相对输出总功率的百分比来表示 CR??PoutPOUTi?100%

i⑷方向性方向性是光耦合器所特有的衡量器件定向传输特性的参数。以标准X形耦合器为例，方向性定义为在耦合器正常工作时输入侧非注光端的输出光功率与全部注入光

P功率比值的分贝数 DL??10lgIN2

PIN1式中，PIN1为注入光功率，PIN2代表输入侧非注光端的输出光功率。

⑸均匀性用来衡量均分型光耦合器“不均匀程度”的参数。定义为在器件的工作带宽范围内各输出端口光功率的最大变化量

minP()OUTi FL??10lg

maxP()OUTi⑹偏振相关损耗衡量器件性能对传输光信号偏振态敏感程度的参数，速称偏振灵敏度。是指当传输光信号的偏振态发生360变化时，器件各输出端光功率的最大变化量

minP()OUTiPDLi??10lg

maxP()OUTi⑺隔离度用于反映WDM器件对不同波长信号分离能力的参数，指光纤耦合器某

P一光路对其他光路中光信号的隔离能力 I??10lgt 式中，Pt是某一光路输出端测

Pin到的其他光路信号的功率值。

11. 光波分复用器主要分哪几类？简述各类的基本工作原理。参照教材附表

12. 光波分复用器的性能指标有哪些？分别如何定义？

波分复用器的光学特性参数主要有以下几个： ⑴中心波长（或通带）?1、?2、

、?n

它由设计、制造者根据相应国际、国家标准或实际应用要求来选定。 ⑵中心波长工作范围??1、??2、

、??n

指每一工作通道允许的中心波长变化范围，常以平均信道间隔的10%表示。它限定了选用光源（LED或LD）的谱线宽度及中心波长位臵。

⑶中心波长对应的最小插入损耗IL1、IL2、

、ILn

指器件输入端和对应的输出端光功率以分贝表示的减小值。 ⑷相邻信道隔离度（最大串扰）I12、I23、

、I(n?1)n

由于是单模传播，故 V?2.40 52?a?02a?2n12?n2?2.405

2.405?01n?n2122??1.836?m

2?1.42?0.542 ⑵数值孔径 N.A.?n12?n22?1.522 N.A.?0nsi?nma x 得

0.542?24.050 1.33由于是单模传播，故 V?2.40 5?max?arcsin2?a?02n12?n2?2.405

2a?

2.405?01n?n2122??1.836?m

⒐ 波长1.55?m的光从空气中射入纤芯直径8?m、纤芯折射率n1?1.458的单模阶跃折射率光纤中，求

⑴若包层折射率n2?1.448，求其数值孔径与最大入射角。 ⑵包层折射率应在何范围内方能维持单模传输？ ⑶包层折射率为n2?1.453时的模式有效折射率。

2?1.448?0.17 ⑴数值孔径 N.A.?n12?n22?1.4582 最大入射角由 n0sin?max?0.17得?max?arcsin0.17?9.8150 ⑵由归一化频率 V?2?aN.A.<2.405

?8?10?61.55?10?621.4582?n2?2.405 得出

n2?1.450

222neff?n2?(1?b)V2??2?k02n2⑶由归一化传播常量 b?2和??k0n1?1?222?得出 ?22222k0n1a?n1?n2k0n1?k0n2?0.5在弱导条件n1?n2 ??k0n1 故

有效折射率neff?n1?1.458

⒑ 将50?W光功率注入到500m长的光纤中，若末端收到功率为38?W，则每公里光纤的损耗为多少dB/km？若光纤长5KM，则输出光功率为多少？光纤损耗??10Pi1050lg?lg?2.38dB/km zPo0.538 由2.38?10Pi50lg 得 2.38?2lg' 5PoPo' P3?W o?3.2

⒒ 设计一个小型光纤通信系统，用LED 光源，?0?0.85?m，??0?40nm，多模光纤n1?1.5，

dn1d2n15?110?2?3.5?10m?3.5?10m2??0.01，材料色散d?0，d?0。

?4P?5?10mW，光源功率P?1mW，光纤传输损耗为2dB/kmmin⑴若探测器最小可探测功率

???10lg（用dB表示的光纤损耗最大传输距离Lmax。

输出功率输入功率），输入输出耦合损耗共5dB,试求损耗限制的

⑵若采用阶跃折射率光纤，试计算由于材料色散与模间色散引起得脉冲展宽。若传输脉冲速率为10Mbit/s，求色散限制得最大传输距离Lmax。

⑶若采用平方律折射率渐变光纤（??2），重复⑵得计算，并比较结果。 ⑴由题意：2?Lmax?L'max?101'lg Lmax?16.5KM,又因为输入输出耦合损失为5dB，'?4Lmax5?105?14km 2⑵由材料色散引起的脉冲展宽

1d2n1??n???0??0??3.4ns/km

cd?02 由模间色散引起的脉冲展宽

??m?d(k0n1)??N1dn?dn???(n1?k01)?(n1??01)?41.5ns/km cdk0ccdk0cd?0 波导色散和材料色散相比小的多，故多模波导中光脉冲的总群延差为 ?????m???n＝38.1ns/km

传输脉冲速率为10Mbit/s，相邻脉冲之间的时间间隔?t?10?7s＝105ns 由色散所决定的最大的传输距离Lmax?⑶当采用平方率折射率渐变光纤时，由材料色散引起的脉冲展宽

?t?2624.7km ??1d2n1??n???0??0??3.4ns/km 2cd?0 由模间色散引起的脉冲展宽

N1?2dn1?2??m??(n1??0)?0.2075ns/km

c2d?02c?t?481927.7km ??? 若采用平方率渐变光纤，则脉冲展宽减小为阶跃光纤的，即小约两个数量级。采用渐变

2多模光纤对于增大光纤传输带宽具有极其重要的意义。

⒓ 试简单分析光纤通信与其他通信方式相比的优点和特点，并分析玻璃光纤的色散与吸收损耗，说明光纤通信使用的波长范围和使用的光源。

光纤通信的光源具有比通常通讯用无线电波高得多的频率，因而能传递的信息容量是无线

由色散所决定的最大的传输距离Lmax?电波的104倍；相干性好，因而易于信息加载；方向性强、发散角小，因而能传输较远的距离。光波导与光纤的损耗不断减小，为光信息传输提供了优良的传输介质，光传输还有易于保密、传输速度快等许多优点。

光纤损耗分为吸收损耗，散射损耗和辐射损耗。

吸收损耗当光波通过任何透明物质时，都要使组成这种物质的分子中不同振动状态之间和电子的能级之间发生跃迁。在发生这种能级跃迁时，物质吸收入射光的能量（其中一部分转换成热能储存在物质内）引起光的损耗。包括本征吸收损耗、杂质吸收损耗和原子缺陷损耗3种。

由于光纤制作工艺上的不完善，例如有微气泡或折射率不均于以及有内应力，光能在这些地方会发生散射，使光纤损耗增大。另一种散射损耗的根源是所谓瑞利散射，即光波遇到与波长大小可比拟的带有随机起伏的不均匀质点时发生的散射。瑞利散射损耗与波长四次方成正比，这类损耗发生在小功率信号传输时。光纤中尚存在所谓布里渊和拉曼散射损耗。它们是光纤中引起的非线性散射损耗，一般在多模光纤中光能的密度较小，这类损耗主要发生于大功率信号传输时。

光纤通信使用的波长范围为0.8－1.6 ?m，使用的光源为LED、LD。

⒔ 分析光孤子的形成机制。

光纤中光孤子产生的激励是光纤色散与光纤自相位调制（SPM）两种因素制约的结果。色

散效应使一个脉冲波形散开，该波形的不同频率分量的传播速度不同，利用光纤的非线性光学特性，也可产生光脉冲畸变，它可以使脉冲的前沿变慢、后沿便快。这样，当光纤折射率的非线性和群速负色散特性共同作用时，光脉冲在传播过程中可不发生畸变，或脉冲形状随传播距离周期性变化，形成光学孤子，简称光孤子。

第五章光调制技术——光信息系统的信号加载与控制

1. 对光进行外调制有哪些典型方式？

光外调制是在激光谐振腔以外的光路上放臵调制器，将待传输的信号加载到调制器上，于是，当激光通过这种调制器时，激光的强度、位相、频率等将发生变化，从而实现调制。激光外调制可分为体调制和光波导调制两类。体调制器的体积交大，所需调制电压和消耗的调制功率都较大；光波导调制器则是制作在薄膜光波导或条形光波导上，因而体积小巧、驱动电压低、功耗小。外调制的基础是外场作用下光与物质的相互作用，其共同物理本质都是外场微扰引起材料的非线性变化，并导致光学各向异性。这种非线性相互作用过程使得通过的光波强度、偏振方向、频率、传播方向、位相等参量发生变化，从而实现了激光的调制。

2. 高级晶族、中级晶族、低级晶族的折射率椭球各有何特点？

低级晶族的折射率椭球具有n1?n2?n3，因而在其波振面截面图上可以发现有两条光轴，这种晶体称为双轴晶体；中级晶族三个主折射率中有两个主折射率相等，一般取相等的两折射率为n1、n2，于是n1?n2?n3，这种晶体仅有一条光轴，称为单轴晶体，单轴晶体的波氏面由一个球面和一个旋转椭球面组成，旋转椭球面的旋转轴即为光轴；高级晶族n1?n2?n3，其两个波振面重合，晶体不再呈现双折射，在线性情况下，其特性与各向同性晶体一样，但是在非线性下，会出现高阶介电张量，其情况就与各向同性晶体不同。

3. 什么叫双折射现象？如何确定单轴与双轴晶体的光轴？

所谓双折射现象是指光在各向异性介电晶体中传播时，分为两束偏折方向不同的光，向两个方向折射。

确定晶体的光轴可由波氏面确定，波氏面由两层曲面组成。两层曲面通常有四个公共点，通过原点和这些公共点连线方向传播的两个波有相同的相速度，这些方向就是光轴的方向。

4. 说明波氏图、折射率图及折射率椭球之间的区别；简述折射率椭球的性质。

波氏面图是由波氏K与传播方向的关系决定的一个K空间的三维曲面，在这个表面上的任意给定点离开原点的距离等于沿着该方向传播的光波波氏大小。这一波氏面由两层曲面组成。

与波氏面图对应的就有折射率面，它表示折射率随传播方向的变化，在这一表面上，任意给定点离开原点的距离等于沿着这个方向传播的光波的折射率。

折射率椭球是晶体光学各向异性的几何表示，也叫光率体。它可以确定两个允许传输波的偏振方向及其相速度。在直角主介电坐标系中，两个波面沿三个主轴的分量可用通式

x2y2z2?2?2?1表示。式中n1、n2、n3为沿三个主坐标轴的主折射率，在xyz主介电坐标系n12n2n3中常用nx、ny、nz来直观地表示。有性质：Ⅰ折射率椭球任一矢径的方向，表示光波电位移矢量D的一个方向。矢径长度表示D沿矢径方向振动的光波的折射率。Ⅱ对于任意给定的波氏k，利用折射率椭球可求光波D的偏振方向及相应折射率：通过原点作k的垂面，与折射率椭球相交得一椭圆截面，则这一椭圆截面的两个轴即为两个偏振允许方向，两个轴的长度

n?、n?为相应的折射率，对应的相速度为cn?、cn?。

5. 给定折射率椭球和光波波氏方向，如何确定主折射率方向？

通过原点作k的垂面，与折射率椭球相交得一椭圆截面，则这一椭圆截面的两个轴即为两个偏振允许方向，两个轴的长度n?、n?为相应的折射率，对应的相速度为cn?、cn?。

6. 画出正单轴晶体在不同界面与光轴取向关系下双折射情况示意图。

参看教材附图

7. 正单轴晶体的折射率no、ne的大小关系如何？写出其折射率椭球表达式，并画出正单轴

晶体波氏面截面图。

x2y2z2 正单轴晶体no?ne，其折射率椭球方程为2?2?2?1

nonone

8. 简述电光衍射与声光衍射发生的物理机制。

通常我们认为一个材料的介电常量与外场无关，为恒值，但理论和试验均证明，介电常量是随电场强度而变化的，只不过一般情况下外加电场较弱，我们可以作弱场近似，认为介电常量与电场强度无关；但当光介质的两端所加外加电场较强时，介质内的电子分布状态将发生变化，以致介质的极化强度以及折射率也各向异性地发生变化。此外，这种效应迟豫时间很短，仅有10?11s量级，外加电场地施加或撤销导致地折射变化或恢复瞬间即可完成。声波的应变场也能改变某些类型晶体地折射率，由于声波的周期性，会引起折射率的周期性变化，产生类似于光栅的光学结构，超声波引起晶体的应变场，使射入晶体中的光波被这种弹性波衍射。

9. 简述磁光偏转与天然双折射之间的区别。

天然旋光效应与磁光效应的本质区别在于：光束返回通过天然旋光介质时，旋转角度与正向入射时相反，因而往返通过介质的总效果是偏转角为零；而由于磁致旋光方向与磁场方向有关，而与光的传播方向无关，因而光往返通过法拉第旋光物质时，偏转角度增加一倍。

10. 什么叫声光调制？分哪几种类型？其判据是什么？

声波的应变场也能改变某些类型晶体地折射率，由于声波的周期性，会引起折射率的周期性变化，产生类似于光栅的光学结构，从而对入射的光波产生调制，这种调制称为声光调制。

按照超声波频率的高低和光波相对声场的入射角度及两者相互作用的长度，将声光衍射分为拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射两类。

拉曼－奈斯衍射与布拉格衍射的判断依据用声光相互作用特征长度L0来表示 L0??2?

拉曼－奈斯衍射 L?1L0 2布拉格衍射 L?2L0 过渡区

1L0?L?2L0 2

11. 试设计一种磁光大电流测试仪，画出其原理图，并说明其工作原理。

将大电流线圈绕在一块电磁性较强的铁介质上做成一电磁铁，由法拉第效应可知，当一束平面偏振光通过磁场作用下的某些物质时，如ZnS、NaCl等，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，然后再通过一检偏器，测出发生偏转的角度。法拉第效应中光矢量偏振面的旋转角?表达式为??VBl，式中，B为平行于传播方向的磁感应强度分量，l为光在介质中的传播长度，V称为费而德常量。再由B与I的关系就可得出电流值。

12. 用镜面反射模型分析形成声光布拉格衍射的条件。

参考图5-17。为简单起见，暂且不考虑这些反射镜的移动。在某一给定方向上发生衍射的必要条件是：在同一镜面上的各点对该方向衍射有贡献的反射波必须同相，以产生相长干涉。考虑图中的C和B两点，欲在?d角方向产生衍射，则要求光程差AC?BD是光波波长的整数倍，即

z(cos?i?cos?d)?m? (m?0,?1,?2,)

显然，只有当m?0时，同一镜面上的所有点才能同时满足这一条件，由此得

?i??d 即要求入射角等于衍射角。除此以外，还要求从光波穿过的任意两等价声波波

阵面的反射光沿该方向同相叠加。在图中，欲使从相隔?的两个声波波阵面上的反射波形成同一光波波面，其光程差AO?BO必须等于光波波长的整数倍，在?i??d条件下，即有

2?sin?B?m? （m?0,?1,?2,）

当?一定时，若?i角满足1级（m=1）衍射光条件，就不可能出现其他高级衍射光。于是，在式2?sin?B?m?中取m=1,便得到布拉格衍射条件2?sin?B??式中?B??i??d即称为布拉格角。

13. 若给KDP晶体加以x向电场，试求其折射率椭球表达式。

给KDP晶体加以x向电场，则E2?E3?0,E1?E?0,代入新折射率椭球方程得

''0202xoy旋转了角度?， B10x2?B2y?Bz3?2?E41yz1?1 设新主轴xoy相对于旧主轴

ycos?则新旧坐标系之间有关系()?(zsin??sin?y')(')，将此式代入上式中，并整理得 cos?zB10x'2?(B10cos2??B30sin2???41E1sin2?)y'2?(B10sin2??B30cos2???41E1sin2?)z'2?[(B?B)sin2??2?41E1cos2?]yz?1使上述方程主轴化，则需令交叉项系数为零，即

00 (B2?B3)sin2??2?41E1cos2??0

0203'' 要

解之得 tan2?? 由于?41E12?41E1 00B2?B300，因而 B2?B3 sin??tan???41E1B?B0203s? 1 co? 将之代入椭球方程，得新主轴坐标系x'oy'中的折射率椭球方程变为

0B10x'2?[B2?(2?41E122?41E1200'2000)(2B?B)]y?[B?()(2B2?B3)]z'2?1 3230000B2?B3B2?B3

14. 要想用KDP晶体做成z向加电场，45x’向偏振光沿y’向传播的横向电光强度调制器，推

导折射率椭球表达式及输出光强表达式，画出调制器原理图，说明调制原理，并画出其调制特性曲线。

外加电场平行于光轴也就是E的三个分量中只有E3不为零，即

E1?E2?0 E3?E?0 于是新折射率椭球为

0202 B10x2?B2y?Bz3?2?E63xy3?1

设新主轴相对旧主轴xyz旋转了角度?，则新旧坐标系之间有关系

xco?s ()?(ysin??s?inx')( ) 将此式代入上式并整理得 c?osy'00'2(B10?2?63E3sin?cos?)x'2?(B2?2?63E3sin?cos?)y'2?B3z?2?63E3cos2?x'y'?1要使

cos2??0，由此可得???450，也就是说施加x'、、y'成为新主轴，则需令交叉项为零，即zz向电场时，在新主轴坐标系x'y'z'中，折射率椭球方程变为