光電子學(xué)整理1-4

1、光電子學(xué)1、什么是光電子學(xué)?2、光電效應(yīng)3、談?wù)勀闼私獾墓怆娮訉W(xué)與光電子技術(shù)涉及的范圍 4、為什么說光波是電磁波? 4、為什么說光波是電磁波? 5、你對(duì)世界上最偉大的十個(gè)公式中麥克斯韋方程組排在第一的理解 6、談?wù)勀銓?duì)麥克斯韋方程組的物理意義認(rèn)識(shí)1.談?wù)勀銓?duì)激光器的發(fā)明帶來了世界巨大進(jìn)步的認(rèn)識(shí)激光是20世紀(jì)的四項(xiàng)重大的發(fā)明之一,2.受激輻射3.激光理論的基礎(chǔ)4.請(qǐng)解釋粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和負(fù)溫度的概念以及在激光起重器的作用5.受激輻射與自發(fā)輻射的區(qū)別第一種答案5.受激輻射與自發(fā)輻射的區(qū)別第二種答案6.激光單色性好原因？ 受激發(fā)射光子 與入射光子 相同7.什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)?8.介質(zhì)實(shí)現(xiàn)能級(jí)間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條

2、件p 三能級(jí)激光器效率不高，三能級(jí)激光器效率不高，因因抽運(yùn)前粒子基態(tài)，激勵(lì)源強(qiáng)抽運(yùn)快，抽運(yùn)前粒子基態(tài)，激勵(lì)源強(qiáng)抽運(yùn)快，N2N1，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)； p 四能級(jí)四能級(jí)E2，E1間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 p 低能級(jí)低能級(jí)E1激發(fā)態(tài)，粒子極少，激發(fā)態(tài)，粒子極少，E2粒子積累，易粒子積累，易N2N1，粒子反轉(zhuǎn)，粒子反轉(zhuǎn)，能級(jí)能級(jí)E2，E1間產(chǎn)生激光，間產(chǎn)生激光， p E3粒子向粒子向E2躍遷，躍遷，E1粒子向粒子向E0過渡，易連續(xù)反轉(zhuǎn)，過渡，易連續(xù)反轉(zhuǎn)， p 四能級(jí)比三能級(jí)系統(tǒng)效率高。四能級(jí)比三能級(jí)系統(tǒng)效率高。 2-1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 2-2光在介質(zhì)中小信號(hào)增益 2-3介子中增

3、益飽和與燒孔效應(yīng) 一、激發(fā)態(tài)能級(jí)壽命 二、粒子數(shù)密度的差值 三、三能級(jí)系統(tǒng)與四能級(jí)系統(tǒng)三、三能級(jí)系統(tǒng)與四能級(jí)系統(tǒng) 光照光照 壽命壽命nsms 1. 三能級(jí)系統(tǒng) 2. 四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng) 克服三能級(jí)缺點(diǎn)，易粒子反轉(zhuǎn)。 問題：為什么四能級(jí)比三能級(jí)易粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？ E0基態(tài)，E1, E2, E3激發(fā)態(tài)，激勵(lì)，基態(tài)粒子躍到E3, E3停短t， 無輻射躍E2，E2粒子積累。 p E1，熱平衡粒子少； 2-1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 2-2光在介質(zhì)中小信號(hào)增益 2-3介子中增益飽和與燒孔效應(yīng) 1. 三能級(jí)系統(tǒng) 2. 四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng) 一、激發(fā)態(tài)能級(jí)壽命 二、粒子數(shù)密度的差值 三、三能級(jí)系統(tǒng)與四能級(jí)

4、系統(tǒng)三、三能級(jí)系統(tǒng)與四能級(jí)系統(tǒng) p E2稍積累，E2和E1間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 p E3粒子向E2轉(zhuǎn)移快，E1粒子向E0過渡快，E1，易反轉(zhuǎn)；p 比三能級(jí)系統(tǒng)，激勵(lì)能量要求不高?？朔芗?jí)缺點(diǎn)易粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（激活介質(zhì)）。 第三章復(fù)習(xí)思考題(10) 10.產(chǎn)生激光的必要、充分條件分別是什么?（7）分析激光產(chǎn)生的條件。 第三章復(fù)習(xí)思考題(11) （7）分析激光產(chǎn)生的條件。 11.已知?dú)湓拥谝患ぐl(fā)態(tài)能量為 E2= -3.40eV，基態(tài)能量 E1= -13.60eV，請(qǐng)說明為什么可見室溫下處于熱平衡狀態(tài)氫原子幾乎處于基態(tài)? 在物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，各能級(jí)上的原子數(shù)（或稱集居數(shù)）服從玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布：得出結(jié)果

5、約為零，不能發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，故在室溫下處于熱平衡狀態(tài)氫原子幾乎處于基態(tài)12.根據(jù)半導(dǎo)體激光器的材料與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，說明半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的原理。（P191-193) 答：在半導(dǎo)體晶體中，能帶分為價(jià)帶和導(dǎo)帶它們之間是禁帶。通常情況下，電子大部分處于價(jià)帶，而導(dǎo)帶中只有少量電子。若有一束平行光入射，在導(dǎo)帶里的能級(jí)和價(jià)帶中的能級(jí)之間就會(huì)造成受激吸收與受激輻射。受激吸收和受激輻射都會(huì)導(dǎo)致價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶上，從而實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。此時(shí)在PN結(jié)兩邊加正向電流，使增益大于損耗值，就能形成激光震動(dòng)，產(chǎn)生激光。03電子科學(xué)與技術(shù)Company Logo好好學(xué)習(xí)，天天上上量子級(jí)聯(lián)激光器的工作原理與通常的半導(dǎo)體

6、激光器截然不同，它打破了傳統(tǒng)p-n結(jié)型半導(dǎo)體激光器的電子-空穴復(fù)合受激輻射機(jī)制，其發(fā)光波長(zhǎng)由半導(dǎo)體能隙來決定。QCL受激輻射過程只有電子參與，其激射方案是利用在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)薄層內(nèi)由量子限制效應(yīng)引起的分離電子態(tài)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)單電子注入的多光子輸出，并且可以輕松得通過改變量子阱層的厚度來改變發(fā)光波長(zhǎng)。量子級(jí)聯(lián)激光器比其它激光器的優(yōu)勢(shì)在于它的級(jí)聯(lián)過程，電子從高能級(jí)跳躍到低能級(jí)過程中，不但沒有損失，還可以注入到下一個(gè)過程再次發(fā)光。這個(gè)級(jí)聯(lián)過程使這些電子“循環(huán)”起來，從而造就了一種令人驚嘆的激光器。13.談?wù)勑滦图す馄髁孔蛹?jí)聯(lián)激光器（QCLs）的工作原理 14.實(shí)現(xiàn)光放大的必要條件是什么，

7、負(fù)溫度狀態(tài)的概念是什么？實(shí)現(xiàn)光放大的必要條件是什么，負(fù)溫度狀態(tài)的概念是什么？ （2）負(fù)溫度： 不是描述宏觀物體狀態(tài)的概念， 它是描述微觀粒子能量反轉(zhuǎn)狀態(tài)的數(shù)學(xué)表述。 與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)相對(duì)應(yīng)等效溫度為負(fù)溫度。與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)相對(duì)應(yīng)等效溫度為負(fù)溫度。 答1（1）產(chǎn)生光放大必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)即，受激輻射受激吸收； G 0，介質(zhì)對(duì)光有放大作用； 負(fù)溫度含義：負(fù)溫度含義：不是表示比絕對(duì)零度絕對(duì)零度低溫度， 表示大于正無窮溫度 負(fù)溫度，能量比正溫度負(fù)溫度，能量比正溫度高狀態(tài)高狀態(tài)。 答 2：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是得到光放大必要條件（見書 P39）。出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時(shí)，如在形式上使用熱平衡分布公式， 得到負(fù)溫度狀態(tài)概

8、念。與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)相對(duì)應(yīng)等效溫度：0ln2112gNgNkhvTeq15.激光產(chǎn)生的物理過程。激光產(chǎn)生的物理過程。 第三章 思考與練習(xí)（答案） 激勵(lì)能源激勵(lì)能源 激活介質(zhì)激活介質(zhì) 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔全反射全反射 R100%部分反射部分反射 R 為為 80%90% 使入射光得使入射光得到放大，是到放大，是核心核心 供給工作物供給工作物質(zhì)能量質(zhì)能量 只讓與反射鏡軸向平行光只讓與反射鏡軸向平行光束能在激活介質(zhì)中來回反束能在激活介質(zhì)中來回反射，連鎖式放大。最后形射，連鎖式放大。最后形成穩(wěn)定激光輸出。成穩(wěn)定激光輸出。 光抽運(yùn)光抽運(yùn) 激光束激光束 通過受激輻射起主要作用從而產(chǎn)生激光，必需要有提供放大作用的

9、增益介質(zhì)和造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件的激勵(lì)源，另外通常要有一個(gè)光學(xué)諧振腔，像電子線路種的正反饋那樣，使光在放大器中反復(fù)放大而形成振蕩；現(xiàn)代所用的半導(dǎo)體激光器，通常采用激光二極管，它的原理與普通的二極管極為相似，如都有一對(duì) PN 結(jié)，當(dāng)電壓和電流加到激光二極管上時(shí)，P 型半導(dǎo)體材料中的空穴和 N 型材料中的自由電子產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，PN 結(jié)處載流子的密度增加非常大，自由電子和空穴重新復(fù)合，因而產(chǎn)生受激輻射，釋放出具有激光特性的光子，由激光器諧振腔內(nèi)的反射鏡反射，透過激光孔和孔內(nèi)聚焦鏡，射出激光束。 15.激光產(chǎn)生的物理過程。激光產(chǎn)生的物理過程。第三章 思考與練習(xí)（答案） 如何理解？只有從面積小于 的光源面上

10、發(fā)出的光，才能保證張角在 之內(nèi)的雙縫具有相干性。2從物理光學(xué)證明：具有明顯相干性的條件是：RxLx光源相干面積22x2232)(ccVcs相干體積：具有頻帶寬度為的光，具有相干性的條件是限定在Vcs 之內(nèi)16.簡(jiǎn)述經(jīng)典理論和量子理論對(duì)光的相干性是如何描述的，兩者的結(jié)論是否一致？ 屬于同一光波模式的光以及同一光子態(tài)的光子在三維的空間坐標(biāo)系中所占的體積是相等的，等于光源的相干體積從光子觀點(diǎn)出發(fā)：根據(jù)動(dòng)量測(cè)不準(zhǔn)原理， Px= Py = h/cPz= h/c cszyxVcPPPhzyx2233)(同一個(gè)光子態(tài)的光子所占的體積為： 屬于同一光波模式的光波或同一光子態(tài)的光子是相干的，屬于不同光波模式的光

11、波或不同光子態(tài)的光子是不相干的17.激光的四個(gè)特性中，空間相干性與相什么聯(lián)系，時(shí)間相干性與什么相聯(lián)系激光的四個(gè)特性中，空間相干性與相什么聯(lián)系，時(shí)間相干性與什么相聯(lián)系 答：答：間相干間相干和方向性方向性聯(lián)系（ ），），激光激光束發(fā)散角小，空間相干性高束發(fā)散角小，空間相干性高時(shí)間相干性和單色性聯(lián)系，單色性高 小，時(shí)間相干性高光源頻率寬度越窄，相干時(shí)間越長(zhǎng)，相干體積越長(zhǎng)。光源頻率寬度越窄，相干時(shí)間越長(zhǎng)，相干體積越長(zhǎng)。 1 平板波導(dǎo)內(nèi)光的傳播特性為什么要用波動(dòng)理論討論？2 平板波導(dǎo)有哪幾種的模式？請(qǐng)簡(jiǎn)述幾種模式的特點(diǎn)。 導(dǎo)模和輻射模，輻射模包含襯底膜和包層模。所謂襯底模是由襯底模入射到薄膜內(nèi)的光波，在

12、上界面經(jīng)全反射和折射，又回到襯底中。包層模指由襯底或包層射入到薄膜內(nèi)的光波在上下界面都不發(fā)生全反射。而導(dǎo)模是指射入薄膜內(nèi)的光波在上下界面發(fā)生全反射。導(dǎo)模在薄膜內(nèi)形成沿x方向的駐波，在包層和襯底內(nèi)形成沿x方向指數(shù)衰減的消失場(chǎng)。 包層模在薄膜、襯底、包層中均形成x方向的駐波。 襯底模在薄膜、襯底中均形成x方向的駐波。 示意圖為：3 平板波導(dǎo)內(nèi)傳播特性談?wù)勀憷斫獾募晒鈱W(xué)的概念 研究媒質(zhì)薄膜光學(xué)現(xiàn)象及光學(xué)元件集成學(xué)科。4 矩形波導(dǎo)，為什么要研究矩形波導(dǎo)？漸變型光纖6材料n 隨自由載流子濃度 而 原因？7.為什么弱導(dǎo)光纖是實(shí)用光纖？ 弱導(dǎo)光纖是指纖芯的折射率和均勻包層折射率之差很小的光纖。采用弱導(dǎo)光纖

13、主要的好處是光線在芯部傳播時(shí)，由全反射時(shí)折射率公式知，兩者折射率越小，光線與芯層與包層界面的角度就越小。故傳播相同長(zhǎng)度，光走的路程就越少，光損耗就越少。故實(shí)用光纖多采用弱導(dǎo)光纖。8 子午線9 導(dǎo)模 導(dǎo)模是指入射到薄膜內(nèi)的光波在上下界面發(fā)生全反射。對(duì)應(yīng)的電磁波稱為導(dǎo)模。10 時(shí)延差 同點(diǎn)出發(fā)不同角度光線達(dá)軸線另一點(diǎn)t不等，時(shí)延差11 脈沖展寬12 輻射模 輻射模包含襯底膜和包層模。所謂襯底模是由襯底模入射到薄膜內(nèi)的光波，在上界面經(jīng)全反射和折射，又回到襯底中。包層模指由襯底或包層射入到薄膜內(nèi)的光波在上下界面都不發(fā)生全反射。13 簡(jiǎn)述導(dǎo)波模成立條件14 為什么多模光纖，射線方法與實(shí)際近似？ 多模光纖

14、是指在給定的工作波長(zhǎng)上傳輸多種模式的光纖。15 為什么光纖的曲率半徑R 小到一定程度（彎曲嚴(yán)重），原直部產(chǎn)生全反射子午光線，到彎部從彎曲部分逸出，甚至發(fā)生子午光線只在外表面反射現(xiàn)象？16 討論導(dǎo)波成立的條件與導(dǎo)波截止條件，給出相應(yīng)的依據(jù)17 光纖的色散包括哪幾部分？單模光纖和多模光纖分別以哪幾種色散為主？18 費(fèi)馬原理19 導(dǎo)膜截止 導(dǎo)模截至條件為20nk20 用射線分析方法討論階躍光纖中導(dǎo)波成立條件所代表的意義。21、階躍型光纖主要弱點(diǎn)是什么？產(chǎn)生的原因是什么？用什么辦法克服？克服辦法：漸變型光纖22、為什么要采用復(fù)雜的電磁波模式理論研究光纖？ 光是一種電磁波，采用波動(dòng)光學(xué)的方法，把光作為電

15、磁波處理，研究電磁波在光纖中的傳輸規(guī)律，得到光纖中的傳播模式、場(chǎng)結(jié)構(gòu)、傳輸常數(shù)及截止條件。23、形成波導(dǎo)，在半導(dǎo)體材料中要形成怎樣的折射率分布？改變半導(dǎo)體折射率分布有哪幾種方法？載流子濃度越小折射率n越大改變半導(dǎo)體折射率分布的方法：自由載流子效應(yīng)、改變成分影響、電場(chǎng)效應(yīng)、形變效應(yīng)24、光纖的色散主要由什么原因引起？共有哪幾種色散？不同的光纖各以哪種色散為主？不同的色散主要由什么決定？25、一光信號(hào)入射到光纖的功率為200uW，在經(jīng)過1km的傳播后，輸出光功率為100uW. 在繼續(xù)傳播一段距離后，輸出光功率只有25uW，求這段距離的長(zhǎng)度。26一光信號(hào)在光纖中行進(jìn)了500m以后，它的功率損失了85

16、 %，問以“dB/km”為單位，這根光纖的損耗有多大？27. 設(shè)光纖纖芯的半徑為25m，折射率為n1=1.46，n2=1.45，光纖的工作波長(zhǎng)為0.85m，求歸一化頻率及傳播的模式數(shù)。如果工作波長(zhǎng)為1.3m，傳播的模式有多少？22221201221.46,1.45,2.5,0.8553)Vnn k annaamm1221）根據(jù)據(jù)題意，將nn代入即可求得V3.15V2）對(duì)多模階躍光纖，導(dǎo)模數(shù)M=2解法見上述1）、2）28、一光電陰極在波長(zhǎng)為520nm的光照射下，光電子的最大動(dòng)能為0.67eV，求出光電陰極的逸出功。29、光纖的色散30、漸變型光纖31、遠(yuǎn)離截止?fàn)顟B(tài) 遠(yuǎn)離截止：光波頻率較高的光波在傳輸過程中，纖芯與包層界面入射角遠(yuǎn)大于臨界角，大部分能量集中在纖芯中傳播，該模式稱處在遠(yuǎn)離截止?fàn)顟B(tài)；32、為什么要研究折射率漸變型分布的光纖？33、光纖端面傾斜、斜光線的傳播、漸變型光纖的射線分析等討論涉及的中心問題是什么？該量的物理意義？有幾種表示方式？34、光纖的色散包括哪幾部分？單模和多模光纖分別以哪幾種色散為主？光纖的色散有哪幾種？哪些屬于模內(nèi)色散？哪些屬于模間色散？單模光纖與多模光纖分別由什么為主？35、什么是光波導(dǎo)？什么是波導(dǎo)的傳播模式？模式的階數(shù)與什么有關(guān)？