光电子学基础知识
第一章 光辐射与发光源
教学目的
1、掌握光波在各种介质中的传播特性。
2、了解光度学基本知识。
3、了解热辐射基本定律
教学重点与难点
重点：光波在电光晶体、声光晶体中的传播特性。 难点：光度学基本知识。
1.1电磁波谱与光辐射
1. 电磁波的性质与电磁波谱
光是电磁波。
根据麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域有变化电场E （或变化磁场
H ），在邻近区域将产生变化的磁场H （或变化电场E ），这种变化的电场和变化的磁场不断地交替产生，由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁波。
电磁波具有以下性质：
⑴ 电磁波的电场E 和磁场H 都垂直于波的播方向，三者相互垂直，所以
电磁波是横波。H E 、和传播方向构成右手螺旋系。
⑵ 沿给定方向传播的电磁波，E 和H
分别在各自平面内振动，这种特性称为偏振。
⑶ 空间各点E 和H 都作周期性变化，而且相位相同，即同时达到最大，同时减到最小。
⑷ 任一时刻，在空间任一点，E 和H
。
⑸ 电磁波在真空中传播的速度为c =，介质中的传播速度为
υ=
电磁波包括的范围很广，从无线电波到光波，从X射线到g射线，都属于电磁波的范畴，只是波长不同而已。目前已经发现并得到广泛利用的电磁波有波长达104m以上的，也有波长短到10-5nm以下的。我们可以按照频率或波长的顺序把这些电磁波排列成图表，称为电磁波谱，如图1所示，光辐射仅占电波谱的一极小波段。图中还给出了各种波长范围（波段）。
图1 电磁辐射波谱
2. 光辐射
以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。一般认为其波长在10nm~1mm，或频率在3′1016Hz~3′1011Hz范围内。一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分：紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段波长用nm、在红外波段波长用mm表示。波数的单位习惯用cm-1。
可见光。通常人们提到的“光”指的是可见光。可见光是波长在390~770nm 范围的光辐射，也是人视觉能感受到“光亮”的电磁波。当可见光进入人眼时，人眼的主观感觉依波长从长到短表现为红色、橙色、黄色、绿色、青色、蓝色和紫色。
紫外辐射。紫外辐射比紫光的波长更短，人眼看不见，波长范围是1~390nm。细分为近紫外、远紫外和极远紫外。由于极远紫外在空气中几乎会被完全吸收，
只能在真空中传播，所以又称为真空紫外辐射。在进行太阳紫外辐射的研究中，常将紫外辐射分为A波段、B波
段和C 波段。
红外辐射。波长在0.77~1000mm 的是红外辐射。通常分为近红外、中红外和远红外三部分。
1.2辐射度学与光度学基本知识
为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光辐射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度单位和光度单位两套不同的体系。
在辐射度单位体系中，辐通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W ）或者焦耳（J ）。辐射度学适用于整个电磁波段。
光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。
以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符号一一对应的。为了区别起见，在对应的物理量符号标角标“e ”表示辐射度物理量，角标“v ”表示光度物理量。下面重点介绍辐射度单位体系中的物理量。光度单位体系中的物理量可对比理解。
1. 辐射度的基本物理量
⑴ 辐射能。
辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波（主要指紫外、可见光和红外辐射）能量。辐射能一般用符号Q e 表示，其单位是焦耳（J ）。
⑵ 辐射通量。
辐射通量F e 又称为辐射功率，定义为单位时间内流过的辐射能量，即
dt dQ e
e =
Φ (1.2-1)
单位：瓦特（W ）或焦耳·秒（J ·s ）。
⑶ 辐射出射度。
辐射出射度M e 是用来反映物体辐射能力的物理量。定义为辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，即
e
e d M dS
Φ=
(1.2-2) 单位：W/m 2。
⑷ 辐射强度。
辐射强度I e 定义为：点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量，用I e 表示，即
ΩΦd d I e
e =
(1.2-3)
单位：瓦特·球面度-1（W ·sr -1）。
由辐射强度的定义可知，如果一个置于各向同性均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是F e ，则该点辐射体在各个方向的辐射强度I e 是常量，有
π4e
e I Φ=
(1.2-4)
⑸ 辐射亮度。
辐射亮度L e 定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。如图2所示。
θΩΦθcos cos 2dS d d dS dI L e
e e =
= (1.2-5)
式中q 是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。 单位：瓦特/球面度·米2（W/sr ·m 2）。
图2 辐射亮度示意图
显然，一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。 但是有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足
θcos 0e e dI dI = (1.2-6)
式中I e 0是面元dS 沿其法线方向的辐射强度。符合上式规律的辐射体称为余弦辐射体或朗伯体。(1.2-6)式代入(1.2-5)式得到余弦辐射体的辐射亮度为
00
e e e L dS dI L
(1.2-7)
可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角q 无关。余弦辐射体的辐射出射度为
πΦ0e e
e L dS d M ==
(1.2-8)
⑹ 辐射照度。在辐射接收面上的辐照度E e 定义为照射在面元dA 上的辐射
通量dΦe 与该面元的面积dA 之比。即
dA d E e
e Φ=
(1.2-9)
单位：（W/m 2）。
⑺ 单色辐射度量
对于单色光辐射，同样可以采用上述物理量表示，只不过均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量，并且对所有辐射量X 来说单色辐射度量与辐射度量之间均满足
?∞
=
,λ
λ
d X
X e e (1.2-10)
2. 光度的基本物理量
由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，故用辐射度单位描述的光辐射不能正确反应人的亮暗感觉。光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，在光频区域光度学的物理量可以用与辐度学的基本物理量
Q e 、Φe 、I e 、M e 、L e 、E e 对应的Q 、Φ、I 、M 、L 、E 来表示，其定义完全一一对应，其关系如表1所示。
表1常用辐度量和光度量之间的对应关系
辐射度物理量
对应的光度量
物理量名称 符
号
定义或定义式 单位 物理量名称
符号
定义或定义式
单位 辐射能
辐射通量 辐射出射度 辐射强度 辐射亮度 辐射照度
Q e
F e M e I e L e
E e
F e ＝dQ e /dt M e =dF e dS
I e =dF e /dW
L e =dI e /(dScosq) E e =dF e /dA
J W W/m 2
W/sr W/m 2
·sr
W/m 2
光量 光通量 光出射度 发光强度 (光)亮度 (光)照度
Q v F v M v I v L v
E v
Q v =òF v dt F v =òI v dW M v =dF v /dS
基本量
L v =dI v /(dS cos q ) E v =dF v /dA
lm·s lm lm/m 2
cd cd/m 2 lx
与辐射度量体系不同，在光度单位体系中，被选作基本单位的不是光量或
光通量，而是发光强度，其单位是坎德拉。坎德拉不仅是光度体系的基本单位，而且也是国际单位制（SI）的七个基本单位之一。
光视效率。光视效能描述某一波长的单色光辐射通量可以产生多少相应的单色光通量。即光视效能K l 定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比之，即
λλ
λΦΦe v K = (1.2-11) 单位：流明/瓦特（lm/W ）。
通过对标准光度观察者的实验测定，在辐射频率540′1012Hz （波长555nm ）处，K l 有最大值，其数值为K m =683lm/W 。单色光视效率是K l 用K m 归一化的结果，其定义为
λλ
λλΦΦe v m m K K K V 1=
=
(1.2-12)
400500600
700800
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
V λ
V '
λ
波 长(nm)
光视效率
图3 光谱光视效率曲线
表1-5 单色光视效率数值
（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）
《微电子测试分析》课程教学大纲
《微电子测试分析》课程教学大纲 课程编号： 英文名称：Experiments of Microelectronics Measuring & Analysts 课程类别：必修 学分数：2 学时数(理论、实验分别表示)：32(4/28) 周学时：16 课内学时/课外学时：1/1 授课学期：第六学期 适用专业：电子科学与技术 前修课程：微电子物理基础、微电子器件基础、集成电路制造技术 考核方式：实验报告/实验能力综合考评 一、教学目的要求。 课程通过结合本专业培养方向、面向本(专)科生而设置，适用于本系宽口径，大平台教学模式，尤其适合于微电子专业学生。实验涵盖半导体物理、固体物理、晶体管原理、半导体集成电路、集成电路制造技术、半导体光电子学等课程。实验类型和种类注重多样性、综合性和系统性。实验教学要求学生熟悉和掌握所学课程相关的基本实验内容和原理，培养学生严谨、踏实、实事求是的科学作风和重视科学实验的思想意识，锻炼学生实际动手操作能力和科学的分析、思考、归纳、总结的工作方法。强调在实验中发现、检验真理，创新思维和综合素质的提高，加强其社会竞争性。努力为国家、社会打造更加优秀的专业人材！
二、课程主要内容及基本要求。（标“*”者为重点内容；标“△”者为难点） 三、课程主要环节及时数分配见下表： 一并见上表 四、教学的深度与广度 本实验的安排主要考虑到微电子技术中最主要的一些理论验证和制造过程中最基本的测试原理和方法，与专业课程教学紧密配合，锻炼学生实践动手、发现问题、解决问题的能力，面向本科生为主，使学生对本专业具有较为全面的了
解和掌握，培养其科学实验的态度和方法论。 五、对知识、能力结构、综合素质的要求 电子学科三年级以上本（专）科学生，具备一定先修课程基础和实验操作能力，对基本的实验方法和过程有所认识和理解，能完成实验必备的一些数据归纳、处理、计算能力和文档工作。具有重视实验，尊重科学的思想意识 六、与相关课程的衔接与配合 安排在专业基础和专业课讲授之中，实践环节和课程设计之前较好。这样配合专业课程教学，验证主要理论概念，教学实验相辅相成，既加深理论知识掌握和理解，又为实验开展提供理论依据，并为将开始的课程设计、科研与工程实践环节，毕业设计做好准备。 七、主要教学方法 根据课程时间、学生人数及实验要求，排出实验安排一览表。学生按一览表安排预习实验指导书，上课时教师讲解实验原理、演示实验方法。学生分组实验，有问题实验老师进行指导，整个课程按每项实验滚动安排进行。学生每组2-3名，4课时完成一项实验。动手实验和记录可分工进行然后交换，强调每名学生都要动手操作，归纳分析计算实验数据，给出实验结果，并按实验报告要求和格式完成实验报告。原则上下次实验交上次实验的实验报告。必要时就实验存在问题专门讲解指导。实验倡导实事求是、突破创新的实验方法和生动有趣、胆大心细的实验氛围。 八、CAI课件、多媒体等现代教育技术手段的应用。 必要时课件、多媒体相关内容演示，辅助教学或提供学生课外自修。 九、培养学生创新意识和能力的主要措施。 具有良好的实验平台及宽松的实验环境，加强基本理论和正确概念的理解，提倡自主设计实验方法和操作手段，鼓励学生积极讨论和质疑，对学生的创新意识和创新苗头加以肯定和扶持，培养学生具有重视科学，重视实验，勇于发现真理的良好品质和实际动手能力。 十、检查教学效果和评价学生学习质量的方式与方法。 课堂检查：每位同学实验投入状况 作业检查：实验报告完成情况 十一、教科书及主要教学参考书。 [1]九院校编写组，微电子学实验教程，东南大学出版社，1991
光电子技术基础考试题及答案
光电子技术基础考试题及答案 一、选择题 1.光通量的单位是（ B ）. A.坎德拉 B.流明 C.熙提 D.勒克斯 2. 辐射通量φe的单位是（ B ） A 焦耳 (J) B 瓦特 (W) C每球面度 (W/Sr) D坎德拉(cd) 3.发光强度的单位是（ A ）. A.坎德拉 B.流明 C.熙提 D.勒克斯 4.光照度的单位是（ D ）. A.坎德拉 B.流明 C.熙提 D.勒克斯 5.激光器的构成一般由（ A ）组成 A.激励能源、谐振腔和工作物质 B.固体激光器、液体激光器和气体激光器 C.半导体材料、金属半导体材料和PN结材料 D. 电子、载流子和光子 6. 硅光二极管在适当偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且动态范围较大。适当偏置是（D） A 恒流 B 自偏置 C 零伏偏置 D 反向偏置 7.2009年10月6日授予华人高锟诺贝尔物理学奖，提到光纤以SiO2为材料的主要是由于（ A ） A.传输损耗低 B.可实现任何光传输 C.不出现瑞利散射 D.空间相干性好
8.下列哪个不属于激光调制器的是（ D ） A.电光调制器 B.声光调制器 C.磁光调制器 D.压光调制器 9.电光晶体的非线性电光效应主要与（ C ）有关 A.内加电场 B.激光波长 C.晶体性质 D.晶体折射率变化量 10.激光调制按其调制的性质有（ C ） A.连续调制 B.脉冲调制 C.相位调制 D.光伏调制 11.不属于光电探测器的是（ D ） A.光电导探测器 B.光伏探测器 C.光磁电探测器 D.热电探测元件 https://www.sodocs.net/doc/1014548631.html,D 摄像器件的信息是靠（ B ）存储 A.载流子 B.电荷 C.电子 D.声子 13.LCD显示器，可以分为（ ABCD ） A. TN型 B. STN型 C. TFT型 D. DSTN型 14.掺杂型探测器是由（ D ）之间的电子-空穴对符合产生的，激励过程是使半导体中的载 流子从平衡状态激发到非平衡状态的激发态。 A.禁带 B.分子 C.粒子 D.能带 15.激光具有的优点为相干性好、亮度高及（ B ） A色性好 B单色性好 C 吸收性强 D吸收性弱 16.红外辐射的波长为（ D ）. A 100-280nm B 380-440 nm C 640-770 nm D 770-1000 nm 17.可见光的波长范围为（ C ）.
光电子技术基础复习题
1、某单色光频率为3×1014Hz，该单色光在水中（n=1.33）的速度和波长。答：v=c/n=3*108/1.33=2.26*108m/s λ=v/f=2.26*108/3*1014 =0.75*10-6m 2、某星球的辐射出射度的峰值波长为400nm，试估算该星球表明的温度。 答：由维恩位移律λmT=b 得T=b/λm=2.898*10-3/400*10-9=7.245*103k 3、简述光子简并和能级简并 答：光子简并：光子的运动状态简称为光子态。光子态是按光子所具有的不同能量（或动量数值），光子行进的方向以及偏振方向相互区分的。处于同一光子态的光子彼此之间是不可区分的，又因为光子是玻色子，在光子集合中，光子数按其运动状态的分布不受泡利不相容原理的限制。可以有多个光子处于同一种光子态上，这种现象称为简并。处于同一光子态的平均光子数目称为光场的简并度δ。δ=1/（e hυ/kT-1） 4、什么是亚稳态能级。 答：若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射跃迁，则该态的平均寿命会很长τs>>10-3s,称为亚稳态能级，相应的态为亚稳态。 5、设二能级系统，发生受激辐射时，对入射光场的要求是什么？ 6、产生激光的重要机理是 答：受激辐射 7、爱因斯坦关系是 8、以二能级为例推导粒子数反转的条件是什么？ 答：能级上的粒子数分布满足条件N2/g2>N1/g1 反转分布图 对物质的要求：在物质能级中存在亚稳态能级 对外界的考验：需要有泵浦源 9、从能级理论出发，解释Nd:YAG激光器工作原理（p44-45） 10、解释增益饱和效应 答：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程度时，增益系数将随光强的增大而减小，这种增益系数随光强的增大而减小的现象称为增益饱和效应。 11、两种介质A、B的折射率分别为nA=1，nB=1.2，当光从B传播到A时，计算：1）发生全反射的零界角
光电子学基础知识
第一章 光辐射与发光源 教学目的 1、掌握光波在各种介质中的传播特性。 2、了解光度学基本知识。 3、了解热辐射基本定律 教学重点与难点 重点：光波在电光晶体、声光晶体中的传播特性。 难点：光度学基本知识。 1.1电磁波谱与光辐射 1. 电磁波的性质与电磁波谱 光是电磁波。 根据麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域有变化电场E （或变化磁场 H ），在邻近区域将产生变化的磁场H （或变化电场E ），这种变化的电场和变化的磁场不断地交替产生，由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁波。 电磁波具有以下性质： ⑴ 电磁波的电场E 和磁场H 都垂直于波的播方向，三者相互垂直，所以 电磁波是横波。H E 、和传播方向构成右手螺旋系。 ⑵ 沿给定方向传播的电磁波，E 和H 分别在各自平面内振动，这种特性称为偏振。 ⑶ 空间各点E 和H 都作周期性变化，而且相位相同，即同时达到最大，同时减到最小。 ⑷ 任一时刻，在空间任一点，E 和H 。 ⑸ 电磁波在真空中传播的速度为c =，介质中的传播速度为 υ=
电磁波包括的范围很广，从无线电波到光波，从X射线到g射线，都属于电磁波的范畴，只是波长不同而已。目前已经发现并得到广泛利用的电磁波有波长达104m以上的，也有波长短到10-5nm以下的。我们可以按照频率或波长的顺序把这些电磁波排列成图表，称为电磁波谱，如图1所示，光辐射仅占电波谱的一极小波段。图中还给出了各种波长范围（波段）。 图1 电磁辐射波谱 2. 光辐射 以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。一般认为其波长在10nm~1mm，或频率在3′1016Hz~3′1011Hz范围内。一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分：紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段波长用nm、在红外波段波长用mm表示。波数的单位习惯用cm-1。 可见光。通常人们提到的“光”指的是可见光。可见光是波长在390~770nm 范围的光辐射，也是人视觉能感受到“光亮”的电磁波。当可见光进入人眼时，人眼的主观感觉依波长从长到短表现为红色、橙色、黄色、绿色、青色、蓝色和紫色。 紫外辐射。紫外辐射比紫光的波长更短，人眼看不见，波长范围是1~390nm。细分为近紫外、远紫外和极远紫外。由于极远紫外在空气中几乎会被完全吸收，
光电子技术教学大纲教材
理论（含课内实验）课程教学大纲模板 《光电子技术》教学大纲 一、课程基本信息 1、课程名称:光电子技术：全称（英文）Optoelectronics Technology 2、课程代码：B1309064 3、课程管理：数理学院应用物理教研室 4、教学对象：应用物理 5、教学时数：总时数48 学时，其中理论教学32学时，实验实训16 学时。 6、课程学分：3 7、课程性质：专业选修课程 8、课程衔接： （1）先修课程：光学、电磁学、原子物理学、量子力学、模拟电子技术 （2）后续课程： 二、课程简介 光电子技术是由电子技术和光子技术互相渗透、优势结合而产生的，是一门新兴的综合性交叉学科，已经成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分，以光电子学为基础的光电信息技术是当前最为活跃的高新技术之一。该课程介绍光电子技术的理论和应用基础，介绍光电子系统中关键器件的原理、结构、应用技术和新的发展。该课程在阐明基本原理的同时，突出应用技术，使学生能够把握光电子技术的总体框架，有兴趣、有信心投入实践和创新活动。 三、教学内容及要求 第一章光电系统的常用光源 （一）教学目标 掌握常用的光源及光度学的基本知识；了解发光二级管的新进展。 （二）教学节次及要求 第一节辐射度学和光度学的基础知识 1、掌握辐射度学和光度学的基础知识； 2、了解辐射度学和光度学之间的关系与联系。 第二节热辐射光源 1、掌握热辐射光源的基本原理； 2、了解黑体辐射器、白炽灯和卤钨灯的原理。 第三节气体放电光源 1、掌握气体放电光源； 2、了解气体放电光源的特点以及各种不同类型的气体放电光源。 第四节激光器 1、掌握激光器的基本原理以及半导体激光器的结构； 2、了解各种不同的激光器的发光机理。
发光材料与显示课程教学大纲
《发光材料与显示》课程教学大纲 课程代码：090642002 课程英文名称：Luminescent Materials and Display 课程总学时：24 讲课：24 实验：0 上机：0 适用专业：光电信息科学与工程专业 大纲编写（修订）时间：2017.10 一、大纲使用说明 （一）课程的地位及教学目标 《发光材料与显示》是光电信息科学与工程专业的一门专业任意选修课。本课程的目的在于介绍发光的基本理论和基本知识，掌握发光与显示这一过程中的物理原理和规律，对目前发光材料在生产生活中的应用和发展有较深入的了解。本门课在该专业培养计划中起到延伸与补充的作用。 教学目的： 通过发光材料与显示的教学，使学生了解发光的定义及分类、掌握发光基本物理过程及现象，了解发光材料制备、表征、测量、分析的基本方法，对半导体发光、分立中心发光、特殊结构物质的发光有所了解，了解发光在照明、灯源、显示、探测领域的应用。本课程在教学内容方面除基本知识、基本理论和基本方法的教学外，还要让学生了解本学科的发展前沿，以及在教学过程中逐步培养学生的创新思维和创新能力。 （二）知识、能力及技能方面的基本要求 1.基本知识：了解发光的定义及分类、掌握发光基本物理过程及现象，了解发光材料制备、表征、测量、分析的基本方法等。 2.基本理论和方法： 本课程主要包括发光的定义及分类、基本物理过程及现象、半导体的发光、分立中心的发光、发光在照明和其他光源中的应用、显示技术、发光在探测中的应用、主要发光材料、发光材料的制备、发光材料的表征及测量技术、视觉与颜色、发光分析。通过教学的各个环节使学生达到各章中所提的基本要求。 3.基本技能:掌握用理论知识解决实际问题的能力等。 （三）实施说明 1．教学方法：课堂讲授中要重点对基本概念、基本方法和解题思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性；注意培养学生提高利用标准、规范及手册等技术资料的能力。讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。 2．教学手段：本课程在教学中采用板书与电子教案、多媒体教学系统等先进教学手段相结合的方式，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。 （四）对先修课的要求 本课程的教学必须在完成先修课程之后进行。本课程主要的先修课程有高等数学、基础物理学、固体物理、半导体物理、量子力学、数学物理方法、电子技术基础、物理光学、现代应用光学、量子力学、光电子学，光学检测技术，非线性光学原理与应用等。 （五）对习题课的要求 1．对重点、难点章节应安排习题课，例题的选择以培养学生消化和巩固所学知识，用以解决实际问题为目的。 2．课后作业要少而精，内容要多样化，作业题内容必须包括基本概念、基本理论及设计计
光电子学课程论文
华中师范大学 研究生课程论文 论文题目脉冲宽度的测量和巨脉冲激光器完成时间 课程名称 专业 年级
目录 摘要 (1) 引言 (1) 1 脉冲宽度的测量 (1) 1.1 二次谐波法 (1) 1.2 二次谐波系统 (1) 1.3 几种测量飞秒脉冲宽度的方法 (2) 1.3.1 FROG测量法 (2) 1.3.2 SPIDER测量法 (3) 1.4小结 (3) 2 巨脉冲激光器 (3) 2.1 调Q技术的概念 (3) 2.2 调Q技术的方法 (4) 2.3 调Q技术的工作原理 (4) 2.4锁模法压缩脉宽 (4) 2.5 巨脉冲激光器的应用 (5) 2.6小结 (5) 3光子学课程学后感 (5) 3.1课堂所学所感 (5) 3.2自己讲课的感悟 (5) 3.3课后的展望 (6) 4 总结 (6) 参考文献 (7)
脉冲宽度的测量和巨脉冲激光器 摘要：本文主要论述了锁模超短脉冲的测量方法，介绍了二次谐波法测锁模超短脉冲的原 理和装置。本文简要介绍了巨脉冲激光器的原理，浅层次论述了调Q技术，简要介绍了几种调Q方法。 关键词：锁模超短脉冲；二次谐波法；巨脉冲激光器；调Q技术 引言：激光自出现以来一直朝着提高功率、扩展波长范围、缩短脉冲宽度以及全固态化、 小型化以至微型化方向发展。因此研究超短脉冲激光和巨脉冲激光器具有重要的理论意义和应用前景。本论文主要结合所讲课程，在原理上浅层次介绍锁模超短脉冲的测量与巨脉冲激光器的工作原理。本分主要分为三个章节：第一章节介绍了锁模超短脉冲的测量，即二次谐波法；第二章节介绍巨脉冲激光器的工作原理；第三个章节介绍了自己对光电子学这门课程的理解以及自己在课堂上所学到的知识点。 1 脉冲宽度的测量 关于脉冲宽度测量的问题，本文论述主要针对激光脉冲宽度的测量。激光脉冲的测量主要分为普通激光脉冲宽度的测量与超短激光脉冲宽度的测量。普通激光脉冲宽度的测量，是利用光电二极管或其他光电转换器件将光信号转换成电信号后输入示波器进行测量，该方法测量的激光脉冲的宽度极限为亚纳秒量级。超短激光脉冲的测量方法主要有条纹照相机或双光子荧光（TPF）法、二次谐波（SHG）法等方法。 由于锁模超短激光脉冲其脉冲宽度极窄，可以得到极高的峰值功率密度，应用领域较广。因此测量锁模超短脉冲的宽度问题，在实际应用和理论分析中都十分重要。本文介绍方法主要采用二次谐波法测量锁模超短脉冲。 1.1 二次谐波法 二次谐波法主要采用了自相关倍频的原理，将时间测量转化到空间进行测量，然后通过计算得到脉宽，用该方法可以测量飞秒量级的脉冲宽度。二次谐波法由于其较高的精度，成为一种广泛被应用的方法。 1.2 二次谐波系统 图1.2表示测量锁模脉冲宽度的二次谐波系统。激光器发射一连续的锁模脉冲，每个脉 冲被分束器分为两个强度相等的脉冲。其中一个脉冲与另一个脉冲相差为s（通过改变步进电机的转速可以改变时差），然后两个脉冲在非线性光学晶体中汇合。由晶体产生的二次谐波入射到一个探测器，其输出电流在时间轴的宽度长于光脉冲宽度，以此实现对锁模超短脉冲宽度的测量。该方法主要通过测量SHG信号，可以获得二阶自相关函数，由此推算出
光电子技术基础复习题
1、某单色光频率为3×1014Hz ，该单色光在水中（n=1.33）的速度和波长。 答：v=c/n=3*108/1.33=2.26*108m/s λ=v/f=2.26*108/3*1014 =0.75*10-6m 2、某星球的辐射出射度的峰值波长为400nm ，试估算该星球表明的温度。 答：由维恩位移律λmT=b 得 T=b/λm =2.898*10-3/400*10-9=7.245*103 k 3、简述光子简并和能级简并 答：光子简并：光子的运动状态简称为光子态。光子态是按光子所具有的不同能量（或动量数值），光子行进的方向以及偏振方向相互区分的。处于同一光子态的光子彼此之间是不可区分的，又因为光子是玻色子，在光子集合中，光子数按其运动状态的分布不受泡利不相容原理的限制。可以有多个光子处于同一种光子态上，这种现象称为简并。处于同一光子态的平均光子数目称为光场的简并度δ。δ=1/（e h υ /kT -1） 4、什么是亚稳态能级。 答：若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射跃迁，则该态的平均寿命会很长τs >>10-3s,称为亚稳态能级，相应的态为亚稳态。 5、设二能级系统，发生受激辐射时，对入射光场的要求是什么？ 6、产生激光的重要机理是 答：受激辐射 9、从能级理论出发，解释Nd:YAG 激光器工作原理（p44-45） 10、解释增益饱和效应 答：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程度时，增益系数将随光强的增大而减小，这种增益系数随光强的增大而减小的现象称为增益饱和效应。 11、两种介质A 、B 的折射率分别为nA=1，nB=1.2，当光从B 传播到A 时，计算：1）发生全反射的零界角 2）布鲁斯特角 答：1.θc =arcsin （n 2/n 1）（n 1>n 2） =arcsin （1/1.2）=56.44° 2. tan θ=n 2/n 1 θ=arctan （n 2/n 1） =arctan （1/1.2）=39.8° 12、人体辐射出射度的峰值波长为（ ） 答：由维恩位移律λmT=b 得 λm =b/ T =2.898*10-3/（37+273）=9.35*10-6m 13、红宝石激光器利用（氙灯）作为泵浦源。 14、光纤长距离通信中传播信息光的波长为(1550nm)，在接收端光电二极管所使用的材料是(InGaAs) 15、某阶跃光纤：n1=1.490, n2=1.480,则光纤的临界传播角为多少？ 答: α=arcsin （n 2/n 1）=arcsin （1.48/1.49）=83.4° 16、某平板介质波导：2a=10μm, n1=1.480, n2=1.470,则该波导的截止波长为多少？ 答：平板v=π/2（光纤v=2.405） V=（2πa/λc ）2 221n n - λc =2πa 2 2 21n n -/ V=（10*π2247 .148.1-）/（π/2）=3.44μm 17、已知某平板介质波导：2a=80μm, n1=1.490, n2=1.470,入射光波长为λ=1μm ，在该波导中存在的模式数为 答：M=V 2/2=(π/2)2/2=1 18、解释材料色散产生的原因 答：材料色散：是由于折射率随波长变化的，而光源都具有一定的波谱宽度，因而产生传播时延差，引起脉冲展宽。 补充： 模式色散：在阶跃光纤中，入射角不同的光波在光纤内走过的路径长短不同，在临界角上传输的光路最长，沿光纤轴线传输的光路最短，由此引起时延差而产生模式色散。 波导色散：是由光纤的几何 结构决定的色散，它是由某一波导模式的传播常数β随光信号角频率w 变化而引起，也称为结构色散。 19、简述谐振腔的作用 答：使光只能沿着轴线方向往返运动（方向性） 筛选光频率，只能使满足干涉相干条件频率的光能在腔内往返运动（单色性） 增加光强度，实现光放大（高亮度） 20、半导体激光器实现光放大的物质条件是什么 答：PN 结附近或导带电子和价带空穴相对反转分布 21、激光产生的条件具体有那些 答：必要；粒子数反转分布和减少振荡模式数 充分；起振和稳定振荡 计算：1）入射光波长为1550nm ，Pin=0.05W ，Pout=0.002W ，估算光纤中信号能传输的最远距离。 2）光源为激光，λc=1550nm,光源脉宽Δλ=0.5nm ，假设信号传输1km ，计算由于材料色散造成的脉冲信号展宽σ。 3）只考虑材料色散，估算信号 在光纤中传播1km 的bit rate 的最大值。 答：1. α=10lg(p i /p o )/L L=10*lg （0.05/0.002）/0.36=38.8m 2. σ=Δλdn/cd λ=0.5*10-9/3*108=1.7*10-18s/m 3.B<=1/（4Δτ） Δτ=L|D m |Δλ 24、已知输入信号频率最大值为 1kHz ，输入信号峰值为3V ，脉冲编码调制采用4位编码 则：1）采样频率最小值为？ 2）采用有舍有入的方式，量化单元为？由此产生误差的最大值为？ 答： 25、KDP 晶体的纵向电光效应中，Δφ=？V π=？ 答：Δφ=（2π/λ）n 03γ63v V π=λ/（2 n 03γ63）=πC/（wn 03γ63） 26、电光强度调制中如何解决信号失真问题？推导解决失真后的透射率表达式。 答：a.在调制晶体上加一个恒定的直流电压V=Vn/2，该直流电压使两束光产生相位延迟π/2； b ．在光路中增加一片λ/4波片 27、调制:将欲传递的信息加载到激光 辐射上的过程。 28、脉冲编码调制是把模拟信号先变 成电脉冲序列，进而变成代表信号信息的二进制编码，再对光载波进行强度调制。 要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程:抽样、量化和编码。 抽样：将连续的信号分割成不连续的脉冲波，且脉冲序列的幅度与信号波的幅度相对应。要求取样频率比传递信号频率的最大值大两倍 以上。 量化：把抽样后的脉冲幅度 调制波分级取整处理，用有限个数的代表值取代抽样值的大小。 编码：用量化的数字信号变 成相应的二进制代码的过程，用一组等幅度、等宽度的脉冲作为码元。 29、解释电光效应 答：某些晶体在外加电场作用下，折射率发生变化，当光波通过此介质时，其传播特性就会受到影响。 30、解释半波电压 答：光波在光晶体中传播时，当光波的两个垂直分量的光程差为半个波长时所需要加的电压，称为半波电压。 32、渡越时间对调制信号频率有什么影响？ Δфo 是当ωm τd <<1时的峰值相位延迟；γ称为高频相位延迟缩减因子，表征因渡越时间引起的峰值相位延迟的减小程度。只有当ωm τd <<1。即τd << T m / 2π时， γ=1，即无缩减作用。说明光波在晶体内的渡越时间必须远小于调制信号的周期，才能使调制效果不受影响。 33、某电光晶体n=1.5，L=1cm ，ωm τd =π/2,则调制信号最高频率为？ 答：f m =w m / 2π=1/4τd =c/4nL=3*108/（4*1.5*0.01）=5*109Hz 34、解释声光效应（p136-137） 答：当光在建立起超声场的介质中传播时，由于弹光效应，光介质中的超声波衍射或散射的现象。 补充：介质光学性质的变 化，不仅可以通过外加电场的作用而实现，外力的作用也能够造成折射率的改变，这种由于外力作用而引起介质光学性质变化的现象称为弹光效应。 36、声光调制器件由声光介质，电——声换能器，吸声装臵以及电源组成。 采用布喇格衍射。 35、声光效应中发生Bragg 衍射的条件是什么？Bragg 衍射的特点是？ 答：条件：1）超声波频率足够高L=λs /λ 2）光线倾斜入射，当入射角θB 满足2λs sin θB =λ产生布喇格衍射 特点：1）衍射光只有0级，+1 或-1级，布喇格衍射效应制成的声光器件效率比较高。 2）两级衍射光夹角为2 θB 3）衍射效率 η=I 0/I i =sin 2[（π L/2 λ） s P M H L 2)/(]=sin 2 [πL/ 2λs I M 2] 37、调Q 的目的是压缩脉冲宽度，提高峰值功率。 38、解释激光器的Q 值？Q 值和激光器的损耗之间有什么关系？ 答：Q 值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标—品质因数。 品质因子Q 与谐振腔的单 程总损耗的关系 Q=2πW/P=2π/λα总 39、叙述调Q 的过程？ 答：过程1.在泵浦过程的大部分时间里（t-t 0）谐振腔处于低Q 值状态，故阈值很高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至t 0时刻，粒子数反转达到最大值Δni 过程2. t 0时刻Q 值突然升 高（损耗下降），振荡阈值随之降低， 于是激光振荡开始建立。由于此Δni>>Δnt （阈值粒子反转数），因此受激辐射增强非常迅速，激光介质存储的能量在极短时间内转变为受激辐射场的能量，结果产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。 41、叙述声光调Q 的原理。 答：利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，调节腔内光子的反射损耗。 40、叙述电光调Q 的原理。 答：电光调Q 是指在激光谐振腔内加臵一块偏振片和一块KDP 晶体。光经过偏振片后成为线偏振光，如果在KDP 晶体上外加λ/4电压，由于泡克尔斯效应，使 往返通过晶体的线偏振光的振动方向改变π/2。如果KD*P 晶体上未加电压，往返通过晶体的线偏振光的振动方向不变。所以当晶体上有电压时，光束不能在谐 振腔中通过，谐振腔处于低Q 状态。由于外界激励作用，上能级粒子数便迅速增加。当晶体上的电压突然除去时，光束可自由通过谐振腔，此时谐振腔处于高Q 值状 态，从而产生激光巨脉冲。电光调Q 的速率快，可以在10-8秒时间内完成一次开关作用，使激光的峰值功率达到千兆瓦量级。如果原来谐振腔内的激光已经是线 偏振光，在装臵电光调Q 措施时不必放臵偏振片。 42、什么是单模光纤？成为单模光纤的条件是什么？ 答：只允许基模通过的光纤为单模光纤。 条件：V=（2πa/λc ）2 221n n -<2.405 光纤直径很小、λ>λc 43、试比较单模光纤和多模光纤的区别（阶跃光纤） 答：单模光纤的数值孔径比较大，单 模光纤只允许基模通过而多模光纤则允许若干个模式通过。单模芯径为8~10μm ，多模光纤的芯径为50~100μm. 44、光纤中存在哪几种损耗 答：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。这种能级跃迁时， 物质吸收入射光波的能量引起的光的损耗。 散射损耗：由于光纤制作工艺上 的不完善，例如有微气泡、杂质和折射率不均匀以及有内应力等，光能在这些地方会发生散射，使光纤损耗增大。 弯曲损耗：光纤弯曲是引起光纤 损耗的另一个重要的原因。光纤是柔软的，可以弯曲。弯曲的光纤虽然可以导光，但是会使光的传播路径改变，使得光能渗透过包层向外泄漏而损失掉。 45、解释瑞利散射 答：物质散射中最重要的是本征散射，也成为瑞利散射。本征散射是由玻璃熔制过程中造成的密度不均匀而产生的折射率不均匀引起的散射。瑞利散射与波长的四次方成反比。瑞利散射引起的损耗： αRs =（A/λ4）（1+B Δ） 46、光纤通信中常用的波段的波长是多少？为什么使用该波长？ 答：光在Sio 2中传输 850nm （损耗比较小）、1300nm （色散最小）、1550nm （损耗最小） 48、光纤的基本结构是什么？每部分的作用是什么？ 答：基本结构：护套、涂敷层、包层和纤芯
光电子技术期末考试试卷及其知识点大汇总(可编辑修改word版)
一、选择题（20 分，2 分/题） 1、光电子技术在当今信息时代的应用主要有（abcd ） A.信息通信 B.宇宙探测 C.军事国防 D.灾害救援 2、激光器的构成一般由（a ）组成 A.激励能源、谐振腔和工作物质 B.固体激光器、液体激光器和气体激光器 C.半导体材料、金属半导体材料和PN 结材料 D. 电子、载流子和光子 3、光波在大气中传播时，引起的能量衰减与（abcd ）有关 A.分子及气溶胶的吸收和散射 B.空气折射率不均匀 C.光波与气体分子相互作用 D.空气中分子组成和含量 4、2009 年10 月6 日授予华人高锟诺贝尔物理学奖，提到光纤以SiO2为材料的主要是由于（ a ） A.传输损耗低 B.可实现任何光传输 C.不出现瑞利散射 D.空间相干性好 5、激光调制器主要有（abc ） A.电光调制器 B.声光调制器 C.磁光调制器 D.压光调制器 6、电光晶体的非线性电光效应主要与（ac ）有关 A.外加电场 B.激光波长 C.晶体性质 D.晶体折射率变
化量 7、激光调制按其调制的性质有（cd ） A.连续调制 B.脉冲调制 C.相位调制 D.光强调制 8、光电探测器有（abc ） A.光电导探测器 B.光伏探测器 C.光磁电探测器 D.热电探测元 件 9、CCD 摄像器件的信息是靠（ b ）存储 A.载流子 B.电荷 C.电子 D.声子 10、LCD 显示器，可以分为（abcd ） A. TN 型 B. STN 型 C. TFT 型 D. DSTN 型 二、判断题（20 分，2 分/题，对用“√”、错用“×”标记） 11、世界上第一台激光器是固体激光器。 ( T ) 12、在辐射度学中，辐射能量Q 是基本的能量单位，用J(焦耳)来度量。 ( T ) 13、在声光晶体中，超声场作用像一个光学的“相位光栅”，其光栅常数等于光 波 波 长
天津大学809光电子学基础考研大纲及参考书(更新)
天津大学809光电子学基础考研大纲及参考书 对于天津大学809光电子学基础考研，大家一定要人手一份自己专业课的考试大纲，从大纲中抓住复习的重点内容，但是对于第一次考研的同学来说，从大纲中读取重点和考试常出内容往往不太容易，因为大纲是比较概括的，但是大家必须在复习的时候圈定复习范围,锁定考试内容,然后有的放矢的进行复习，这时候要先看大纲，然后再根据《2018年天津大学809光电子学基础考研红宝书》来复习，其对考研指定教材中的考点内容进行深入提炼和总结，同时辅以科学合理的复习规划。天津考研网小编整理天津大学809光电子学基础考研大纲如下： 一、考试的总体要求 旨在考查考生是否具备光电子学专业的物理学基础和主要的专业课知识。其中物理学基础的考试内容为《物理光学》课程；专业课为《激光原理》课程。主要考查考生对基本概念的理解是否正确，是否具备应用物理学原理去灵活解决具体问题的能力，能否简洁、准确表达解决问题的过程和结果。 二、考试的内容及比例 与物理学基础相关的考试内容涉及《物理光学》课程； 与光电子技术相关的考试内容涉及《激光原理》课程。考试内容以大题为单元，共10道大题，任选5道大题做答，多选总分得零。每道大题30分。其中《物理光学》5道大题，《激光原理》5道大题。每门课程的详细考试大纲见附录。每道大题可以是若干小题的集合，或若干关联的小问题。主要考查考生对基本概念的理解是否正确，是否具有应用原理灵活解决具体问题的能力，能否简洁、准确表达解题过程和结果。 三、考试的题型及比例 共10道大题，任选5道大题做答，多选总分得零。每道大题可以是若干小题的集合，或若干关联的小问题。题型包括基本概念考查题，分析论证推导题，数值估算题等。原则上概念题比例较大，约占70~80％。 四、考试形式及时间 考试形式为笔试，考试时间为3小时（或以研究生院公布的为准）。 附录：《激光原理》部分 1．激光的基本原理（《激光原理》，（第6版），周炳琨编著,国防工业出版社，第一章） 光的受激辐射基本概念；激光的特性。
课程教学大纲
课程教学大纲 任课教师：褚君浩 课程名称：物理电子学前沿讲座 （Forefront of Physical Electronics） 一、课程目的、任务： 物理电子学是近代物理学、电子学、光电子学、量子电子学、超导电子学及相关技术的交叉学科，主要在电子工程和信息科学技术领域内进行基础和应用研究。近年来该学科发展迅速，不断涵盖新的学科领域，促进了电磁场与微波技术、微电子学与固体电子学、电路与系统等二级学科以及信息与通信系统、光学工程等相关一级学科的拓展，形成了若干新的科学技术增长点，如光波与光子技术、信息显示技术与器件、高速光纤通信与光纤网等，成为信息科学与技术发展的重要基础之一。因此，开设《物理电子学前沿讲座》课程，向学生介绍本学科最新的研究成果和发展方向，使学生能接触到本领域的前沿研究内容，对学生的知识面扩充有着重要作用。 1、通过本课程的教学，使学生对本领域的最新研究成果有所了解，对所学专业课程的应用有更全面的认识，使学生对科研工作的方法有初步的了解，培养学生对科研工作的兴趣。 2、培养学生严谨的科学态度和科学的思维方法，帮助学生提高分析问题和解决问题的能力，激发学生的探索热情和创新精神。 二、课程内容： 就物理电子学所涉及的超快光学、红外光电子学、新能源、新型存储器件、自旋电子学等十几个具体领域的基础知识、关键物理问题、最新研究成果、应用前景等方面进行介绍。 三、教学方式、实践环节的特色： 1、由主讲教师牵头，邀请各领域的专家进行专题讲座，通过课堂交流和答疑，增进学生对该领域的具体问题的理解； 2、通过组织学生讨论和小论文的形式，引导学生发挥积极性，有目的的对本领域的某一具体问题进行较为深入的学习，使学生初步掌握文献调研的能力。 四、教材及参考书目： 参考书目 (1) 窄禁带半导体物理学，褚君浩，科学出版社。 (2) Device Physics of Narrow Gap Semiconductors, Junhao Chu and Arden Sher, Springer。 (3) Physics and Properties of Narrow Gap Semiconductors, Junhao Chu and Arden Sher, Springer。 五、考核方式与评价结构比例： 考查课。期末考查采用小论文方式。学生成绩的评定方法为： 总成绩 = 期末考试成绩×60% + 平时成绩×40% 六、讲授大纲：（两级目录） 专题一红外光电子学（褚君浩） 专题二太阳能应用及发展（褚君浩） 专题三窄禁带半导体（褚君浩） 专题四超快光电子学（陈晔） 专题五新型存储器（待定） 专题六有机光电子（田禾or 彭辉）
光电子期末考试参考资料
1-1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、光显示器件。 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器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。 光显示器件包括CRT 、液晶显示器、等离子显示器、LED 显示。 1-2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。 1-5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 ），LED 显示。 第二章光学基础知识与光场传播规律 2-1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；最典型的干涉装置有杨氏双缝干涉、迈克耳孙干涉仪；两束光相长干涉的条件是 (0,1,2, )m m δλ==±±，δ 为光程差。 ⑶两列同频平面简谐波振幅分别为 01E 、02E ，位相差为 φ，则其 干涉光强为 22 010201022cos E E E E φ ++，两列波干涉相长的条件为 2(0,1,2, ) m m φπ==±± ⑷波长 λ 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 f D λ 。 2-2在玻璃 ( 2.25,1)r r εμ==上涂一种透明的介质膜以消除红外线 (0.75)m λμ=的反射。 ⑴求该介质膜应有的介电常量及厚度。⑵如紫外线(0.42)m λ μ=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 1.5 正入射时，当n ，膜系起到全增透作用 1.225 n 00.75 0.15344 1.225 h m n λμ= = =? ⑵ 正入 射时， 反 射率 为 22 22 0000 2222 0000 22()cos ( )sin 22()cos ()sin G G G G n n nh nh n n n n n n nh nh n n n n ππλλρππλλ-+-= +++正 22 00 22 22000 2()cos 3.57% 22()cos ( )sin G G G nh n n n n nh nh n n n n πλππ- = =+++ 2-5一束波长为0.5 m μ的光波以045角从空气入射到电极化率为20.6 j ＋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。 ⑴ 2123n =+ =n 由 112 sin sin n n θθ=得 2sin θ2θ=⑵衰减系数 7 2(0.6)0.6 1.310n r k πλ =-?-= ?=? 2-6输出波长 λ ＝632.8 nm 的He-Ne 激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂 覆ZnS 和2 ThF 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％？ 设玻璃的折射率G n ＝1.5 由题意： 2 2 20220() 0.995() P H H L G P H H L G n n n n n n n n n n λ ρ??-?? ? ?=≥? ?+???? 正，， 即 9975 .0) 5.1/5.2()5.1/5.2(1) 5.1/5.2()5.1/5.2(12 2≤+-p 即 745 .1910025 .0167.49975 .15.15.22=?≥ ?? ? ??p 15 .529.102≈?=p p 故至少涂覆6个双层。 745 .1910025 .0167.49975 .15.15.22=?≥?? ? ??p 15.529.102≈?=p p 故至少涂覆6个双层。 第三章激光原理与技术 3-1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。 3-2试简单说明以下光电子学术语的科学含义： ⑴ 受激辐射 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21 h υ、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谱线加宽。 ⑷ 光放大 光束在激活介质中传播时，设入射端面处光强为0() I υ，距离x 处光强为 ()I υ，且，则2121121212121212 ()()()0()()d dI g N N B h dt I g ρυυυρυυ==->可见光强在激活介质中不断放大。为此，引入激活介质的增益系数G(v) G(v)=dI(v)/I(v)dx 式中，dI(v)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(v)>0，因而G(v)>0，所以G(v)可以表示光在激活介质当中的放大特性。 3-3计算与推导 （1）λ＝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。21 2121()w B ρυ=。由 爱因斯坦关系式可知： 33 21213218A h n B c πυ=， 由普朗克公式可知：33 21213 21 81 ()exp()1 h n h c kT πυρυυ= - ， （a ）由题意A21＝W21，故 3 21 exp( )11h kT υ-=， 333483332132363 ln 2ln 2 6.6310(310)0.6931 7.19101.3810(0.510)h hc T K k k υλ---????= ===???? （b ）当T=300K 时， 33483312 23 ln 2 6.6310(310)0.6931 2.997101.3810300 hc kT λ--????= ==??? 41.44210M λ=? （2）He-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9 1.510?Hz,则可能引 起的纵模总数是多少？ 解 ： 气 体 的 折 射 率1 n ≈，由 2q c q nL υ= 得 5 9 2210.2 6.3210632.810nL q λ -??= = =?? 纵模频率间隔 8 83107.5102210.2 q c Hz nL υ?= ==??? 实际振荡纵模总数 9 1.5101137.510T q q υυ???? ?=+=+=???? ??????? （3）红宝石激光器的工作物质有特性：732 1510/N N cm -=?、300K 处， 1101 210() Hz g υυ≈ =?，3310s s τ-=?，144.32610Hz υ=?， n=1.78，求其在中心频率处的增益系数G(v)。 解： 因为 12212121212128)2/(1 )2/(g g A N g g N K N g g N G m λ????? ??-=????? ??-= ν λτn c g g A = ==，，212211 所以 ： ()cm v n c N N G m /1046.9)1036.4(78.1102410910541122 1421122072222212-?=??????='?-=πτνπ3-4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。 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。 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。把将粒子从低能态抽运到高能态的装置称为泵浦源或激励源. 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。而且，谐振腔具有选频作用，只有满足相干条件（即来回一趟相位差改变量是2π的整数倍）的频率的光才有可能产生振荡，从而从自发发射的光谱中选出纵模。 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（N2/g2）>(N1/g1)，相应地有dp(v21)>0，表示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， 光密度将不断增加。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。 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(v)应写为G(v,I)。这种G(v,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。 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，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。 （a ）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，因而称为自然展宽。2 2 2 01 ()14()() 2s N s g τυπυυ= -+可见() N g υ表达式具有洛伦兹型。 （b ）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。 （c ）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。 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 （a ）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 2 2 020 1 ()220()()2mc KT D c m g e KT υυυυυπ--= （b ）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置粒子V0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。 （10）激光器按激光工作介质来划分可分为几类？ 按激光工作物质的类型有如下划分： ⒈气体激光器 液体激光器 ⒊固体激光器 ⒋半导体激光器 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。 不加任何特殊装置的固体脉冲激光器，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uS 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。 ⒀ 激光调Q 技术于锁模技术的脉宽分别在哪个量级？ 调Q 技术可以产生脉宽纳秒量级、峰值功率MW 量级的巨脉冲，锁模技术可以产生皮秒至飞秒量级的超短脉冲。 ⒁ 常见的调Q 方法有哪几种？ ⒈转镜调Q 技术 ⒉染料调Q 技术 ⒊电光调Q 技术 ⒋声光调Q 技术 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。 第四章光波导技术基础 4-1某光纤传输的波段为0.8:0.9um 。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？ 光纤传输的频率f=c /λ,故它传输波段为 333*10^14 : 3.75*10^14 Vf=0.417*10^14 能传播的电话数目N1=(0.417*10^14) / (1.04*10^3)=1.04*10^10 能传播的彩电数目N1=(0.417*10^14) / (10*10^6)=4.17*10^6 4-6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<β