光电子技术章节练习题及答案Word下载.docx

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1、简述光子的基本特性（10分）

[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）

；

（2）

，光子具有运动质量，但静止质量为零；

（3）

（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。

2、简述激光产生的条件、激光器的组成及各组成部分的作用。

（10分）

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）。

三、计算题

1、设一对激光能级为E2和E1（g2=g1），相应的频率为ν（波长为λ），各能级上的粒子数为n2和n1。

求

（1）当ν=3000MHz，T=300K时，n2/n1=

（2）当λ=1μm，T=300K时，n2/n1=

（2）当λ=1μm，n2/n1=时，温度T=

解：

（3）

2、四能级激光器中，激光上能级寿命为τ3=10-3s，总粒子数密度n0=3×

108m-3,当抽运几率达到W14=500/s时，求小信号反转粒子数密度为多少

解:

激光上能级向下能级自发跃迁几率

由四能级系统小信号反转粒子数计算公式有

第二章

1、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、光在洁净的大气中传播时主要发生瑞利散射，散射光的强度与波长的关系是：

散射光强与波长的四次方成反比。

3、光在大雾中传播时主要发生米-德拜散射散射，散射光的强度与波长的关系是：

散射光强与波长无关。

4、电光晶体的半波电压是指：

当波x’和y’两个方向振动分量存在半个波长的光程差（π的相位差）时所需加的电压。

5、KDP晶体沿z轴加电场时，由单轴晶体变成了双轴晶体，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的大小成正比。

6、若在超声功率Ps一定的情况下，要使Bragg衍射光强尽量大，则应选择声光材料品质因素M2尽可能大的材料，并要把换能器做成长而窄（即L大H小）的形式。

7、表征光纤的集光本领的物理量是光纤的数值孔径，在弱导条件下表示为：

。

8、声波在声光晶体中传播会引起晶体中的质点按声波规律在平衡位置振动，按照声波频率的高低以及声波和光波作用的长度不同，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。

9、

磁光效应是指外加磁场作用引起材料光学各向异性的现象，法拉第磁光效应的规律

（1）对于给定的介质,光振动面的旋转角与样品的长度和外加的磁感应强度成正比

（2）的传播方向反转时，法拉第旋转的左右方向互换。

10、电致折射率变化是指晶体介质的介电系数与晶体中的电荷分布有关，当晶体被施加电场后，将引起束缚电荷的重新分布，并导致离子晶格的微小形变，从而引起介电系数的变化，并最终导致晶体折射率变化的现象。

11、光纤色散的主要危害是使脉冲信号展宽，限制了光纤的带宽或传输容量；

多模光纤的色散主要有模色散、材料色散、波导色散。

`12、光波在大气中传播时，由于大气气体分子及气溶胶的吸收和散射会引起光束的能量衰减；

由于空气折射率不均匀，会引起光波的振幅和相位起伏。

二、是非题

1、KDP晶体沿Z（主）轴加电场时，由单轴晶变成了双轴晶体。

（　√）

2、KDP晶体沿Z（主）轴加电场时，晶体各个方向上的折射率变化量是相同的。

（　×

）

3、光纤数值孔径就是指光纤的直径。

4、光纤的集光能力仅由光纤的折射率分布决定。

（　√）

5、光纤数值孔径代表光纤的集光本领。

三、简答题

1、概括光纤弱导条件的意义。

从理论上讲，光纤弱导特性是光纤与微波圆波导间的重要差别之一。

实际使用的光纤，特别是单模光纤，其掺杂浓度都很小，使纤芯和包层只有很小的折射率差。

弱导的基本含义是指很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构，其为制造提供了很大的方便。

2、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。

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：

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。

3、利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强度调制，纵向电光调制和横向电光调制各有什么优缺点

纵向电光调制器具有结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响等优点。

其缺点是半波电压太高，在调制频率较高时，功率损耗比较大。

横向效应运用时，存在自然双折射产生的固有相位延迟，它们和外加电场无关。

在没有外加电场时，入射光的两个偏振分量通过晶后其偏振面已转过了一个角度，这对光调制器等应用不利，应设法消除。

横向效应运用时，总的相位延迟不仅与所加电压成正比，而且与晶体的长宽比（L/d）有关。

而纵向应用时相位差只和V=EzL有关。

因此，增大L或减小d就可大大降低半波电压，但必须采用两块晶体，结构复杂，而且其尺寸加工要求高，对环境温度敏感。

4、何为电光晶体的半波电压半波电压由晶体的哪些参数决定

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。

纵向应用时，

由光波长、线性电光系数、晶体主折射率等参数决定。

横向应用，在略去自然双折射影响的情形下，

由光波波长、线性电光系数、晶体主折射率等参数以及晶体长度和宽度决定。

四、综合题

试写出外电场E与KDP晶体z轴方向平行时的折射率椭球方程，并证明其变成双轴晶体，写出此时的三个主折射率nzˊnyˊ和nzˊ。

解答：

根据已知Ex=Ey=0，折射率椭球方程变为：

x2/no2+y2/no2+z2/ne2+2r63Ezxy=1

由于出现了xy交叉项，说明在外电场Ez作用下，晶体主轴发生了转动。

作坐标变换，令坐标轴绕z轴转450，新坐标系为x'

，y'

，z'

，它与旧坐标系的关系为：

x=x'

cos450-y'

sin450=√2/2（x'

-y'

）

y=x'

sin450+y'

cos450=√2/2（x'

+y'

z=z'

可得新坐标系下的折射率椭球方程：

x'

2（1/no2+r63Ez）+y'

2（1/no2-r63Ez）+z'

2/ne2=1

变换成晶体主轴坐标系：

2/n'

x2+y'

y2+z'

z2=1

其中：

1//n'

x2=1//no2+r63Ez

1/n'

y2=1/no2-r63Ez

z2=1//ne2

可见外电场Ez的作用不仅使KDP的主轴绕z轴旋转了450，而且使n'

x≠n'

y≠n'

z，即变成了双轴晶体。

第三章

1、电光调制器的电学性能的基本要求是：

调制效率要高、足够的调制带宽。

2、光束调制按其调制的性质可分为调幅、调频、调相及强度调制。

3、要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：

抽样、量化和编码。

4、直接调制是指：

把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源,从而直接获得调制光信号。

5、一纵向运用的KDP电光调制器，长为2cm，折射率为，

，工作频率为1000kHz,则此时光在晶体中的渡越时间为

6、光束扫描根据其应用的目的来可以分为模拟式扫描和数字式扫描两种；

它们分别主要应用于各种显示、光存储。

7、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（与X’轴平行）时最好。

8、电光扫描是利用电光效应使晶体的沿某些方向的折射率的线性变化率发生变化，从而改变光的传播方向来实现光束扫描的。

9、声光扫描器是通过改变声波频率使布拉格衍射角发生变化，从而改变光的传播方向来实现光束扫描的。

1、在电光调制器中，为了在不加偏压时得到线性调制，应将/4波片快慢轴与晶体的主轴X成45角。

2、在电光调制器中，为了在不加偏压时得到线性调制，应将/4波片快轴与晶体的主轴X轴平行。

3、LD直接调制器用于数字通信时，应加上备低于阈值电流的偏置电流，以提高调制速度。

4、LD直接调制器用于模拟通信时，偏置电流必须大于阈值电流，才能得到线性调制。

5、纵向电光调制不存在自然双折射的影响，但半波电压相对于横向电光调制更高。

6、横向电光调制半波电压较低，但存在自然双折射影响，不稳定。

二、简答题

1、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。

2、何为直接调制简述用LD和LED进