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光电子技术复习资料
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一.填空题
1. 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。
2. 激光器的三个主要组成部分是：
工作物质 , 泵浦源 , 谐振腔
3. 彩色阴极射线管（CRT）主要由 电子枪 、 偏转线圈 、 荫罩 、 荧光粉层 和 玻璃外壳 五部分组成。
4. 1917年, 爱因斯坦 提出了受激辐射可实现光放大的概念, 为激光的发明奠定了理论基础。
1960年7月,美国休斯公司实验室 梅曼 制成世界上第一台红宝石固态激光器,标志着激光器诞生。
5. 要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：
抽样， 量化， 编码。
6.光纤通信系统的三个传输窗口包括短波长的 850 nm波段,长波长的 1300 nm及 1550 nm波段。
7按照形成条件液晶可分为 溶致液晶 和 热致液晶 ，作为显示技术 应用的液晶都是 热致液晶
8.常见的固体激光器有 红宝石激光器 , 掺钕钇铝石榴石激光器（写出两种），常见的气体激光器有He-Ne 激光器 , CO2激光器或Ar+激光器（写出两种） 9.氦-氖（He-Ne）激光器的工作物质是氦氖混合气体,激光由 氖 发射. 10.光电探测器的物理效应通常分为两大类：
光电效应 和 光热效应 。
11.光纤色散主要有 模式色散, 材料色散 , 波导色散 三种。
12.光电池是根据 光伏效应 效应制成的将光能转换成电能的一种器件
13. 激光器按按工作物质分类可分为:
固体激光器, 液体激光器,和 气体激光器 14.半导体的载流子是 电子和 空穴。
15.在彩色电视中，通常选用 红、 绿 、 蓝 作为三种基色光。
16.CCD 的基本功能为 电荷存储和 电荷转移；CCD 按结构可分为线阵CCD 和 面阵CCD 。
17.热致液晶可以分为 近晶相、 向列相和 胆甾相三种。
18.波分复用器分为发端的 合波器 器和收端的 分波器 器。
19.开放式光学谐振腔（开腔）通常可以分为 稳定腔和 非稳定腔 ,共轴球面腔的稳定性条件是:
1RL1RL1021£÷÷ø
ö
ççèæ-´÷÷øöççèæ-£ 20. 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。
21.液晶分为两大类:
溶致液晶和 热致液晶 ；作为显示技术应用的液晶都是 热致液晶 。
22.光纤主要由 纤芯 , 包层 , 涂覆层 三部分组成.
23. 彩色三要素是指 亮度 、 色调 和 饱和度 ，由这三个参量可以确切地表示任何一种彩色光。
24.光与物质的三种相互作用过程包括 自发辐射 , 受激辐射, 受激吸收。
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2
二、简答题
1. 简答什么是光伏效应？
并说明该效应在器件中的应用。
答：
在无光照射时PN结内存在内部电场E。
当光照射在PN结及其附近时，若光子的能量足够大，则在结区及其附近产生少数载流了（电子—空穴对）。
它们在结区外时，靠扩散进入结区，它们在结区内时，则在电场E作用下电子漂移到N区，空穴漂移到P区。
结果，N区带负电荷，P区带正电荷，产生附加电动势。
此电动势称为光生电动势，此效应称为光生伏特效应。
光电探测器,光电池.
2. 说明多模光纤中模式的最大时延与相对折射率差的关系
答：
D=
-
=
c
Lnc
LncnLn112
2
1
Δt时延
可见，光脉冲弥散正比于D，D愈小，Dt 就愈小
3. 从no和ne的关系说明KDP晶体是负晶体,并写出不加电场时在主坐标系下的椭球方程
答：
ne < no 负单轴晶体
122202
202=++e
nznynx 4. 简述液晶显示器的主要特点。
答：
优点：
驱动电压低，功耗小 平板结构，体积小 被动显示型 易彩色化 寿命长 无辐射，无污染
缺点：
视角小 响应速度慢 亮度不高 5. 简述光电探测器的主要特性参数。
答：
1.灵敏度R. 电压灵敏度RU电流灵敏度Ri
2.光谱灵敏度 3.频率响应和响应时间
4.量子效率 5.噪声等效功率NEP 6. 归一化探测度
6. 简述激光器的组成及各组成部分的作用。
答：
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 ）
3
7. 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。
答：
光电效应（光子效应）:
指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。
探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。
光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变。
特点:
对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。
光热效应探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果
又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。
特点:
原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。
在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。
8. 简述光束调制的基本概念。
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
9. 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？
答：
纵向调制器优点:
具有结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响等。
缺点:
电场方向与通光方向相互平行, 必须使用透明电极, 且半波电压达8600伏,特别在调制频率较高时，功率损耗比较大。
横向调制器优点:
半波电压与晶体的长宽比（L/d）有关增大L 或减小d 就可大大降低半波电压 。
缺点:
存在自然双折射引起的相位延迟，对环境温度敏感。
必须采用两块晶体，结构复杂，而且其尺寸加工要求高
10. 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？
答：
等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化
气体状物质，它是除去固、液、气态外，物质存在的第四态。
等离子体显示搬是利用气体放电产生发光现象的平板显示的统称。
等离子体显示技术的基本原理：
显示屏上排列有上千个密封的小 低压气体室（一般都是氙气和氖气的混合物），电流激发气体，使其发出肉眼看 不见的紫外光，这种紫外光碰击后面玻璃上的红、绿、蓝三色荧光体，它们再 发出我们在显示器上所看到可见光。
11. 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。
答：
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。
4
12. 选用光电探测器的一般原则
答：
灵敏度高；用于测光的光源光谱特性必须与光电探测器的光谱响应特性匹配；考虑时
间响应特性；噪声等效功率小；考虑光电探测器的线性特性；承受的温度范围和电压范围大等。
13.何为大气窗口?
简单分析光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素。
答：
对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。
光波几乎无法通过。
根据大气的这
种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为大气窗口。
大气中N2、O2分子虽然含量最多（约90%），但它们在可见光和红外区几乎不表现吸收，对远红外和微波段才呈现出很大的吸收。
因此，在可见光和近红外区，一般不考虑其吸收作用。
大气中除包含上述分子外，还包含有He，Ar，Xe，O3，Ne等，这些分子在可见光和近红外有可观的吸收谱线，但因它们在大气中的含量甚微，一般也不考虑其吸收作用。
只是在高空处，其余衰减因素都已很弱，才考虑它们吸收作用。
H2O和CO2分子，特别是H2O分子在近红外区有宽广的振动-转动及纯振动结构，因此是可见光和近红外区最重要的吸收分子，是晴天大气光学衰减的主要因素。
14. 结合气体放电管伏安特性图说明击穿电压和放电维持电压的概念 答：
曲线AC 段属于非自持放电，在
非自持放电时，参加导电的电子主要 是由外界催离作用（如宇宙射线、放射线、光、热作用）造成的,当电压增加， 电流也随之增加并趋于饱和，C 点之前称为暗放电区，放电气体不发光。
随着电 压增加，到达C 点后，放电变为自持放电，气体被击穿，电压迅速下降，变成稳 定的自持放电（图中EF 段），EF 段被称为正常辉光放电区，放电在C 点开始发 光，不稳定的CD 段是欠正常的辉光放电区，C 点电压Vf，称为击穿电压或着火 电压、起辉电压，EF 段对应的电压VS 称为放电维持电压。
三.术语解释
（补）电磁波谱:
按照波长或频率的顺序把电磁波排列成图表。
（P1）
1.色温:
在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。
（P9）
（补）大气窗口:
对于某些特点的波长,大气呈现出极强的吸收.根据大气的这一特性,把近红外分成八个区段,将透过率较高的的波段称为大气窗口。
（P54）
2.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180度）时所需要加的电压。
（P62）
3.内调制：
加载信号是在激光振荡过程中进行的，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性以实现调制。
（P90）
4.光电发射效应：
在光照下，物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象。
光电发射效应条件：
波长（nm）=1240/E（eV）.（P123）
5.非平衡载流子：
光辐射照射端电压为u的半导体，如果波长满足如下条件，Eg是禁带宽度，Eg是杂质能带宽度。
那么光子将在其中激发新的载流子（电子和空穴）,这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了一个量n和p，新增的部分半导体物理中叫非平衡载流子。
（P125）
6.视场光阑:
安置在物平面或者像平面上限制成像范围的光阑。
（P198）
7．吸收比：
被物体吸收的能量与入射的能量之比。
（P7）
8．辐照度:
在辐射接受面上的辐射照度Ee定义为照射在面元上的辐射通量d与该面元的面积dA之比。
（P4）
11.反射比：
反射的能量与入射能量之比。
（P7）
12.辐射能（Qe，J）：
以辐射能形式发射或传输的电磁波（紫外，可见光和红外辐射）能量。
（P3）
13.光子效应：
单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。
（P7）
14.温差电动势：
当两种不同的配偶材料（金属，半导体）两端并联熔断时，如果两个接头的温度不同，并联回路就产生电动势，即温差电动势。
（P127）
15.光束漂移：
光束围绕其平均位置的快速跳动。
16.光通量：
指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。
17.视见函数：
通过对标准光度观察者的实验测定，在辐射频率540×10Hz（
=555nm）处，K
有最大值，其值为Km=683lm/W。
而当
>555nm时，V
<1；
=555nm时，V
=1。
（P6）
19．热噪声：
光电探测器本质上可用一个电流源来等价，即它有一个等效电阻R，电阻中自由电子的随机热（碰撞）运动将在电阻器两端产生随机起伏电压，称为热噪声。
（P136）
20．冷阻
（补）暗电流：
CCD成像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称暗信号，即暗电流。
（P185）
四、简答题
1．何为大气窗口?
简单分析光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素。
对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。
光波几乎无法通过。
根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为大气窗口。
大气中N2、O2分子虽然含量最多（约90%），但它们在可见光和红外区几乎不表现吸收，对远红外和微波段才呈现出很大的吸收。
因此，在可见光和近红外区，一般不考虑其吸收作用。
大气中除包含上述分子外，还包含有He，Ar，Xe，O3，Ne等，这些分子在可见光和近红外有可观的吸收谱线，但因它们在大气中的含量甚微，一般也不考虑其吸收作用。
只是在高空处，其余衰减因素都已很弱，才考虑它们吸收作用。
H2O和CO2分子，特别是H2O分子在近红外区有宽广的振动-转动及纯振动结构，因此是可见光和近红外区最重要的吸收分子，是晴天大气光学衰减的主要因素。
2.解释半波电压。
半波电压由晶体的那些参数决定？
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。
3．什么是光束的直接调制？
请解释其中的脉冲编码调制过程?
直接调制就是内调制，内调制是指加载信号是在激光振荡过程中进行的，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性，以实现调制。
数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM（pulsecodemodulation），即脉冲编码调制。
抽样过程将连续时间模拟信号变为离散时间、连续幅度的抽样信号，量化过程将抽样信号变为离散时间、离散幅度的数字信号，编码过程将量化后的信号编码成为一个二进制码组输出。
这种电的数字信号称为数字基带信号，由PCM电端机产生。
简单说就是模/数转换.
4．光热效应的特点有哪些？
探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的变化，而是把吸收的光能转化为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升是探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。
光热效应对光波频率没有选择性，其速度比较慢。
光热效应有温差电效应、热释电效应。
5．选用光敏电阻应当注意什么？
1）用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性匹配
2）要防止光敏电阻受杂散光的影响3）要防止是光敏电阻的电参数（电压、功耗）超过允许值4）根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。
6．实际工作中，如何得出光电池的开路电压和短路电流值？
如何操作？
在一定光功率照射下，使光电池两端开路，用一高内阻直流毫伏表或电位差计接在光电池两端，测量出路电压Uoc；在同样条件下，将光电池两端用一低内阻电流表短接，电流表的示值即为短路电路Isc值。
7．材料对光激发的波长阈值要求至少应满足什么条件？
（）式中h为普朗克常量，c为光速，为光电发射体的功函数
。
8．研究光电导弛豫时间的实际意义是什么？
光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流并不立刻上升到最大饱和值，而光照去掉后，光电流也并不立刻下降到零。
这说明光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个落后，这就是光电导的弛豫现象。
响应时间又分为上升时间t1和下降时间t2，上升时间t1是指光敏电阻受到脉冲光照射时，其相对灵敏度上升到其最大值的63%时所经过的时间，下降时间t2是指光敏电阻在去掉脉冲光照射时，其相对灵敏度下降到其最大值的37%时所经过的时间。
10.试述用光敏电阻检测光的原理。
11.简述激光器的组成及各组成部分的作用。
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）。
12.何为大气湍流效应，大气湍流对光束的传播产生哪些影响？
是一种无规则的漩涡流动，流体质点的运动轨迹十分复杂，既有横向运动，又有纵向运动，空间每一点的运动速度围绕某一平均值随机起伏。
这种湍流状态将使激光辐射在传播过程中随机地改变其光波参量，使光束质量受到严重影响，出现所谓光束截面内的强度闪烁、光束的弯曲和漂移（亦称方向抖动）、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，统称为大气湍流效应
13.何谓帧时、帧速？
二者之间有什么关系？
：
完成一帧扫描所需的时间称为帧时Tf（s），单位时间完成的帧数称为帧速（帧／s）：
。
14.选用光电探测器的一般原则。
用于测光的光源光谱特性必须与光电探测器的光谱响应特性匹配；考虑时间响应特性；考虑光电探测器的线性特性等。
15.用于测光的光源光谱特性必须与光电探测器的光谱响应特性匹配；考虑时间响应特性；考虑光电探测器的线性特性等。
17.请说明光电检测装置由哪些部分组成，并对各部分输出信号类型进行说明。
18．请说明光的基本度量中光度量与辐射度量两种单位制的区别，说明它们的换算关系。
光度量：
以光谱效率函数为基准所度量的辐射量。
辐射照度：
简称辐照度，投射到单位接收面积的辐射照量。
辐射照度是一个从放射源向平面状物体照射时，每单位面积所得到的放射束数量的物理量，单位是瓦特每平方米（W/m2）。
在光度单位体系中，被选作基本单位的不是相应的光量或光通量而是发光强度，其单位是坎德拉（光度体系的基本单位），光度量与辐射度量之间的关系可以用光视效率表示。
19．什么是半导体材料的本征吸收？
本征吸收是指在价带和导带之间电子的跃迁产生与自由原子的线吸收谱相当的晶体吸收谱，它决定着半导体的光学性质.本征吸收最明显的特点是具有基本的吸收边（吸收系数陡峭增大的波长），也是半导体以及绝缘体光谱与金属光谱的主要不同之处，它标志着低能透明区与高能强吸收区之间的边界。
基本吸收边由能量带隙（晶体的导带底和价带顶的能量差－禁带宽度）决定. 理想半导体在绝对零度时，价带是完全被电子占满的，因此价带内的电子不可能被激发到更高的能级。
唯一可能的吸收式足够能量的光子使电子激发，越过禁带跃迁入空的导带，而在价带留下一个空穴，形成电子-空穴对。
这种由于电子由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收。
要发生本征吸收，光子能量必须等于或大于禁带宽度Eg。
20．光电发射效应与光电导效应相比有什么区别？
：
光电发射效应指
在光照下，物体像表面以外的空间发射电子的现象；而光电导效应指半导体材料吸收能量足够大的光子后,会使原先处于束缚状态的电子或空穴转变为自由状态,从而使半导体的电导率增加的现象。
21．如何改善光敏电阻的时间响应特性？
：
提高使用照明度，降低所加电压，施加适当偏置光照、是光敏电阻不是从完全暗状态开始受光照，都可以使光敏电阻的时间响应特性得到改善。
22．光电池作为探测器件时，有哪些特点，可用于哪些方面？
：
光电池价格便宜，光电转换效率高，光谱响应宽（很适合近红外探测），寿命长，稳定性好，频率特性好，且能耐高能辐射。
广泛用于近红外辐射的探测器，光电读出，光电耦合，激光准直，光电开关以及电影还声等。
25.试述光的调制原理
声光调制、电光调制
声光调制：
不仅电场能引起晶体的折射率变化，声波的应变场也能改变某些类型晶体的折射率，由于声波的周期性，会引起折射率的周期变化，产生类似于光栅的光学结构，从而对入射的光波产生调制，这中调制称为声光调制。
（声光调制的物理基础是超声波引起晶体的应变场，使射入晶体中光被这种弹性波衍射，这种物理现象称为弹光效应。
）
电光调制：
外加电场能引起折射率的变化，折射率的变化又会引起光波在晶体中传播状况的变化，因而利用晶体的电光效应可以实现对晶体中传播光波的控制，改变传播光的幅度、频率、偏振态、传播方向等，这种基于电光效应的原理对光进行的调制就称为电光效应，分强度调制、相位调制、脉冲调制等方式。
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