光电子关键技术安毓英习题答案.doc

课后题答案
1.1设半径为Rc圆盘中心发现上，距圆盘中心为l0处有一辐射强度为Ie点源S，如下图所示。试计算该点光源发射到圆盘辐射功率。
思路分析：规定由公式，都和关于，依照条件，都可求出。解题过程如下：
法一

故：
又：
代入上式可得：

法二：

1.2如下图所示，设小面源面积为，辐射亮度为Le，面源法线与l0夹角为；被照面面积为，到面源距离为l0。若为辐射在被照面入射角，试计算小面源在上产生辐射照度。
思路分析：若求辐射照度，则应考虑公式。又题目可知缺少Ie，则该考虑如何求Ie。通过课本上知识可以想到公式，通过积分则可出Ie。解题过程如下：
解：

由可得

= ，故：

1.3如果有一种按朗伯余弦定律发射辐射大扩展源（如红外装置面对天空背景），其各处辐射亮度Le均相似。试计算该扩展源在面积为Ad探测器表面上产生辐射照度。
思路分析：题目中明确给出扩展源是按朗伯余弦定律发射辐射，且规定辐射照度Ee，由公式可知，要解此题需求出，而朗伯体辐射通量为，此题可解。解题过程如下：
解：

1.4霓虹灯发光是热辐射吗？
答：霓虹灯发光是以原子辐射产生光辐射，属于气体放电，放电原理背面章节会涉及到。而热辐射是指由于物体中分子、原子受到热激发而发射电磁波现象。因而霓虹灯放电不属于热辐射。
此题不适合做例题，可在有关章节做个小思考题。
1.5刚粉刷完房间从房外远处看，它窗口总是显特别黑暗，这是为什么？
答：刚粉刷完房间可以当作一种光学谐振腔，由于刚粉刷完墙壁比较光滑，容易产生几何偏折损耗，故看起来总是特别黑。
这个题目也是不适合伙为例题，可以和1.4题同样以思考题形式浮现。
1.6从黑体辐射曲线图可以看出，不同温度下黑体辐射曲线极大值处波长随温度T升高而减小。试由普朗克热辐射公式推导出
T=常数
这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为
思路分析：由公式可知，若规定得，可对进行求偏导。证明过程如下：
证明：

令=0，解得：
。得证
1.7黑体辐射曲线下面积等于在相应温度下黑体辐射出射度M。试普朗克热辐射公式导出M与温度四次方成正比，即
M=常数
这一关系称为斯忒藩——波尔兹曼定律，其中常数为
思路分析：对公式进行积分即可证明。
此题和上题极为相似，如果两个都为例题就显很啰嗦，因此我觉得这个题最佳放在上个例题下面，让同窗们自己依照例题去练习。
1.8宇宙大爆炸遗留在宇宙空间均匀背景辐射相称于3K黑体辐射，此辐射单体辐射出射度在什么波长下有极大值？
思路分析：通过1.6题不难看出，对于黑体辐射，当辐射出射度取最大值时，波长和温度T关于系，且乘积为常数，此题便可运用这个关系直接求解。解题过程如下：
解：由1.6可知

T=3K

这个题目和1.6题关联性很大，我觉得把这两个合并成一题也行。您看怎么合并比较适当呢？
1.9惯用彩色胶卷普通分为日光型和灯光型。你懂得这是按什么区别吗？
答：日光型和灯光型是按色温来区别。为了表达一种热辐射光源所发出光光色性质，惯用到色温度这个量，单位为K。色温度是指在规定两波长具备与热辐射光源辐射比率相似黑体温度。
这个问题比较简朴，本意就只想考查下什么是色温，也就能做个思考题然后引出众温这个概念。
1.11如果激光器和微波激射器分别在=10um，=500nm和=3000MHz输入一瓦持续功率，问一秒钟从激光上能级向下能级跃迁粒子数分别为多少？
思路分析：本例题自身从思路上讲还是比较简朴，只要懂得能量守恒和即可解。解题过程如下：
解：
由能量守恒可得：

当=10um时，

当=500nm时，

当=3000M时

1.12设一对激光能级为E2和E1（g2=g1），相应频率为，各能级上粒子数为n2和n1。求：
（1）当时，？
（2）当时，？
（3）当时，温度T=？
思路分析：这个题目重要考查是公式，依照题目所给条件，不难求出成果。解题过程如下：
（1）
（2）由可求出，代入得

（3） =0.1

1.13试证明，由于自发辐射，原子在E2能级平均寿命
证明思路：这个题重要考查是对A21理解。A21定义为单位时间内n2个高能态原子中自发跃迁原子数与n2比值，即

证明过程如下：
证明：
为单位时间内自发跃迁原子数，为平均寿命，可理解为跃迁时间，故
由，代入上式，即可证得
1.14这个题答案为课本P21、P22两页公式，若作为例题来出不好，直接套公式题拿来当例题让人看着比较没水平。
1.15今有一球面腔，R1=1.5m，R2=-1m，L=0.8m。试证明该腔为稳定腔。
证明思路：直接从稳定腔条件入手，，，解出、看与否满足稳定条件。证明过程如下：
证明：
=0.467
=1.8
=0.84
符合，得证
1.16某高斯光束，L=0.8m求与束腰相距0.3m，10m和1000m远处光斑大小及波前曲率半径R。
思路分析：由公式可知，若求需找出f，解出f，代入公式即可求出成果。解题过程如下：
解：

1.20试拟定下列各组光波表达式所代表偏振态：
（1）
（2）
（3）
思路分析：判断偏振光状态，应看相位差。解题过程如下：
解：
（1）

为圆偏振光
（2）

为右旋椭圆偏振光
（3）

为圆偏振光
1.21已知冕牌玻璃对0.3988um波长光折射率为n=1.52546，，求光波在该玻璃中相速度和群速度。
思路分析：相速度、群速度，代入求解。解题过程如下：
解：

2.1 何为大气窗口，试分析光谱位于大气窗口内光辐射大气衰减因素。
答：对某些特定波长，大气吸取呈现出极为强烈吸取。依照大气选取吸取特性，普通把近红外区别成8个区段，将透过率较高波段称为“大气窗口”。位于大气窗口内光辐射对大气分子吸取几乎免疫，因此衰减因素重要是大气分子散射、大气气溶胶衰减和大气湍流效应。
2.2 何为大气湍流效应，大气湍流对光束传播产生哪些影响？
答：大气始终处在一种湍流效应，即大气折射率随时间和空间做无规则变化。这种湍流状态将使激光辐射在传播过程中随后变化其光波参量，使光束质量受到严重影响，浮现所谓光束界面内强度闪烁、光束弯曲和漂移、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，这些统称为大气湍流效应。光束闪烁将使激光信号受到随后寄生调制而呈现出额外大气湍流噪声，使接受信噪比减小。这将使激光雷达探测率减少，漏减率增长；使模仿调制大气激光通信噪声增大；使数字激光通信误码率增长。光束方向抖动则将使激光偏离接受孔径，减少信号强度；而光束空间相干性退化则将使激光外差探测效率减少。
2.3 、2.6这两个题目与晶体材料有关，我不会做，新书中也没解说到。
2.4 一块切割GaAs晶体，长度为L，电场沿z方向，证明纵向运用时相位延迟为。
证明思路：这个题目和课本上第60页中、推导比较类似，不同就是晶体是切割，对于证明题，用倒推法便可证出。（由于用证推法和晶体方面知识关于，我也不会，因此这个题目最多也就做个思考题，用做例题话有些勉强。）证明过程如下：
证明：

。
2.5 何为电光晶体半波电压，半波电压由晶体哪些参数决定？
答：当光波两个垂直分量、光程差为半个波长（相应相位差为）时，所需要加电压，称为“半波电压”，普通以或表达。

半波电压是表征电光晶体一种重要参数，这个电压越小越好，特别是在宽频带高频率状况下，半波电压越小，需要调制功率越小。晶体半波电压是波长函数。
由上式可知，半波电压还跟0和关于。
2.7 若取，n=2.35，，试估算发生拉曼——纳斯衍射所容许最大晶体长度=?
思路分析：考虑到声束宽度，则当光波传播方向上声束宽度L满足条件

才会产生拉曼——纳斯衍射。求出代入公式即可。解题过程如下：
解：

=，代入数据得，

2.8 运用应变S与声强Is关系式，证明一级衍射光强I1与入射光强I0之比为（取近似值）。
思路分析：找到有关公式，然后互相代入（这个题目就是不同公式互相转换，没多大意思）。证明过程如下：
证明：

由：
，

由
得
将代入得

2.9 考虑熔岩石英中声光布喇格衍射，若取，n=1.46，，，计算布喇格角。
思路分析：依照公式求解，过程如下：
解：

代入公式得：

代入数据得：

由于很小，故可近似为：
2.10 一束线偏振光通过长L=25cm，直径D=1cm实心玻璃，玻璃外绕N=250砸导线，通有电流I=5A。取韦德常数为，试计算光旋转角。
思路分析：由，知需求，又有，通过已知求出H则本题可解。解题过程如下：
解：

代入 ，，
得：
2.11 概括光纤弱导条件意义。
答：光纤弱导特性是光纤与微波圆波导之间重要差别之一。其弱导基本含义是指很小折射率差就能构成良好光纤波导构造，并且为制造提供了很大以便。

3.1 一纵向运用KDP电光调制器，长为2cm，折射率n=2.5，工作频率为1000kHz。试求此时光在晶体中渡越时间
思路分析：本题目事实上是求光在晶体中运动时间。规定期间需要懂得路程和速度，从题目中已知不难求得。详细过程如下：
解：

m
3.2 在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中加入一种波片，波片轴向如何设立最佳？若旋转波片，它所提供直流偏置有何变化？
答：为得到线性调制，需在调制器光路上插入一种波片，其快慢轴与晶体主轴x成45°角，从而使和两个分量之间产生固定相位差。若旋转波片，出射光光强会变小，故应加大其直流偏压。
3.3 为了减少电光调制器半波电压，用4块z切割KD*P晶体连接（光路串联，电路并联）成纵向串联式构造，为了使4块晶体光电效应逐块叠加，各晶体x轴和y轴应如何取向？并计算其半波电压。
思路分析：由题意可知，此调制器是横向电光调制，故应用横向调制有关知识来解答。详细过程如下：
答：应使4块晶体成纵向排列，且相邻晶体光轴应互成90°排列，即一块晶体和z轴分别与另一块晶体z和轴平行，这样排列后第一块和第三块晶体光轴平行，第二块和第四块晶体光轴平行。
通过第一块晶体后，亮光束相位差

通过第二块后，其相位差

于是，通过两块晶体之后相位差为

由于第一块和第三块晶体光轴平行，第二块和第四块晶体光轴平行，故总相位差为

3.4 如果一种纵向电光调制器没有起偏器，入射自然光能否得到光强度调制？为什么？
答：不能。由于自然光可以当作无数方向上偏振光叠加，故通过调制器后各个方向上偏振光叠加后仍是自然光。
分析：这个题目只适合伙为普通思考题，做例题并不适当。
3.7 用PbMoO4晶体做成一种声光扫描器，取n=2.48，M2=37.75´10-15s3/kg，换能器宽度H=0.5mm。声波沿光轴方向传播，声频fs=150MHz，声速vs=3.99´105cm/s，光束宽度d=0.85cm，光波长l=0.5mm。
⑴ 证明此扫描器只能产生正常布喇格衍射；
⑵ 为获得100%衍射效率，声功Ps率应为多大？
⑶ 若布喇格带宽Df=125MHz，衍射效率减少多少？
⑷ 求可辨别点数N。
答：⑴ 由公式证明不是拉曼-纳斯衍射。
⑵ ，
⑶ 若布喇格带宽Df=125MHz，衍射效率减少多少？，
⑷ 用公式和计算。

4.1 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差别。
答：光子效应是指单个光子性质对产生光电子起直接作用一类光电效应。探测器吸取光子后，直接引起原子或分子内部电子状态变化。光子能量大小，直接影响内部电子状态变化大小。由于，光子能量是h，h是普朗克常数，是光波频率，因此，光子效应就对光波频率体现出选取性，在光子直接与电子互相作用状况下，其响应速度普通比较快。
光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸取光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态变化，而是把吸取光能变为晶格热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升成果又使探测元件电学性质或其她物理性质发生变化。因此，光热效应与单光子能量h大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选取性。只是在红外波段上，材料吸取率高，光热效应也就更强烈，因此广泛用于对红外线辐射探测。由于温度升高是热积累作用，因此光热效应响应速度普通比较慢，并且容易受环境温度变化影响。值得注意是，后来将要简介一种所谓热释电效应是响应于材料温度变化率，比其她光热效应响应速度要快得多，并已获得日益广泛应用。
4.2 总结选用光电探测器普通原则。
答：用于测光光源光谱特性必要与光电探测器光谱响应特性匹配；考虑时间响应特性；考虑光电探测器线性特性等。
4.3 为设计题，没有详细方案。
4.4 已知一Si光电池，在光照下，开路电压，光电流。试求：
（1）在（200~700）光照下，保证线性电压输出负载电阻和电压变化值；
（2）如果取反偏压V=0.3V，求负载电阻和电压变化值；
（3）如果但愿输出电压变化量为0.5V，怎么办？
思路分析：从题目上可以看出是交变光电信号下探测，为了保证输出特性线性度，通过已知条件即可求解。详细过程如下：
解：

代入公式得：

解得：

将代入

代入数据求解得：

（2）若取反偏压V=0.3V，则相称于开路电压减去0.3V，故将上面过程中换成0.25V代入公式求解即可。
（3）此时题目相称于已知=0.5V，求过程。
由

得：

故应加一种1.37V正偏压。
4.5 如果Si光电二极管敏捷度为10 ，结电容为10pF，光照功率5 时，拐点电压为10V，偏压40V，光照信号功率，试求；
（1）线性最大输出功率条件下负载电阻；
（2）线性最大输出功率；
（3）响应截止频率。
思路分析：对于Si光电二极管来讲，交变光电探测状况下有两种状况，由已知可以看出此处应用第一种状况分析。运用公式求解，详细过程如下：
解：（1）

（u为光照功率5 时所相应电压）

将各参数代入公式得：

（2）：

（3）

4.6 证明。
思路分析：本题是对量子效率等概念综合运用。
证明：

分别代入即得：

原题得证。

5.1 以表面沟道CCD为例，简述CCD电荷存储、转移、输出基本原理。CCD输出信号有什么特点？
答：构成CCD基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器。正如其他电容器同样，MOS电容器可以存储电荷。如果MOS构造中半导体是P型硅，当在金属电极（称为栅）上加一种正阶梯电压时（衬底接地），Si-SiO2界面处电势（称为表面势或界面势）发生相应变化，附近P型硅中多数载流子——空穴被排斥，形成所谓耗尽层，如果栅电压VG超过MOS晶体管启动电压，则在Si-SiO2界面处形成深度耗尽状态，由于电子在那里势能较低，咱们可以形象化地说：半导体表面形成了电子势阱，可以用来存储电子。当表面存在势阱时，如果有信号电子（电荷）来到势阱及其邻近，它们便可以汇集在表面。随着电子来到势阱中，表面势将减少，耗尽层将减薄，咱们把这个过程描述为电子逐渐填充势阱。势阱中可以容纳多少个电子，取决于势阱“深浅”，即表面势大小，而表面势又随栅电压变化，栅电压越大，势阱越深。如果没有外来信号电荷。耗尽层及其邻近区域在一定温度下产生电子将逐渐填满势阱，这种热产生少数载流子电流叫作暗电流，以有别于光照下产生载流子。因而，电荷耦合器件必要工作在瞬态和深度耗尽状态，才干存储电荷。
以典型三相CCD为例阐明CCD电荷转移基本原理。三相CCD是由每三个栅为一组间隔紧密MOS构造构成阵列。每相隔两个栅栅电极连接到同一驱动信号上，亦称时钟脉冲。三相时钟脉冲波形如下图所示。在t1时刻，φ1高电位，φ2、φ3低电位。此时φ1电极下表面势最大，势阱最深。假设此时已有信号电荷（电子）注入，则电荷就被存储在φ1电极下势阱中。t2时刻，φ1、φ2为高电位，φ3为低电位，则φ1、φ2下两个势阱空阱深度相似，但因φ1下面存储有电荷，则φ1势阱实际深度比φ2电极下面势阱浅，φ1下面电荷将向φ2下转移，直到两个势阱中具备同样多电荷。t3时刻，φ2仍为高电位，φ3仍为低电位，而φ1由高到低转变。此时φ1下势阱逐渐变浅，使φ1下剩余电荷继续向φ2下势阱中转移。t4时刻，φ2为高电位，φ1、φ3为低电位，φ2下面势阱最深，信号电荷都被转移到φ2下面势阱中，这与t1时刻状况相似，但电荷包向右移动了一种电极位置。当通过一种时钟周期T后，电荷包将向右转移三个电极位置，即一种栅周期（也称一位）。因而，时钟周期变化，就可使CCD中电荷包在电极下被转移到输出端，其工作过程从效果上看类似于数字电路中移位寄存器。

电荷输出构造有各种形式，如“电流输出”构造、“浮置扩散输出”构造及“浮置栅输出”构造。其中“浮置扩散输出”构造应用最广泛，。输出构造涉及输出栅OG、浮置扩散区FD、复位栅R、复位漏RD以及输出场效应管T等。所谓“浮置扩散”是指在P型硅衬底表面用V族杂质扩散形成小块n+区域，当扩散区不被偏置，即处在浮置状态工作时，称作“浮置扩散区”。
电荷包输出过程如下：VOG为一定值正电压，在OG电极下形成耗尽层，使φ3与FD之间建立导电沟道。在φ3为高电位期间，电荷包存储在φ3电极下面。随后复位栅R加正复位脉冲φR，使FD区与RD区沟通，因 VRD为正十几伏直流偏置电压，则 FD区电荷被RD区抽走。复位正脉冲过去后FD区与RD区呈夹断状态，FD区具备一定浮置电位。之后，φ3转变为低电位，φ3下面电荷包通过OG下沟道转移到FD区。此时FD区（即A点）电位变化量为：

式中，QFD是信号电荷包大小，C是与FD区关于总电容（涉及输出管T输入电容、分布电容等）。

CCD输出信号特点是：信号电压是在浮置电平基本上负电压；每个电荷包输出占有一定期间长度T。；在输出信号中叠加有复位期间高电平脉冲。据此特点，对CCD输出信号进行解决时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。
5.2 何谓帧时、帧速？两者之间有什么关系？
答：完毕一帧扫描所需时间称为帧时Tf(s)，单位时间完毕帧数称为帧速（帧／s）：。
5.3 用凝视型红外成像系统观测30公里远，10米×10米目的，若红外焦平面器件像元大小是50μm×50μm，假设目的像占4个像元，则红外光学系统焦距应为多少？若红外焦平面器件是128×128元，则该红外成像系统视场角是多大？
答：
水平及垂直视场角：
5.5 一目的经红外成像系统成像后供人眼观测，在某一特性频率时，目的对比度为0.5,大气MTF为0.9，探测器MTF为0.5，电路MTF为0.95，CRTMTF为0.5，则在这一特性频率下，光学系统MTF至少要多大？
答：
5.6 红外成像系统ANETDA不大于红外成像系统BNETDB，能否以为红外成像系统A对各种景物温度辨别能力高于红外成像系统B，试简述理由。
答：不能。NETD反映是系统对低频景物（均匀大目的）温度辨别率，不能表征系统用于观测较高空间频率景物时温度辨别性能。
5.7 试比较带像增强器CCD、薄型背向照明CCD和电子轰击型CCD器件特点。
答：带像增强器CCD器件是将光图像聚焦在像增强器光电阴极上，再经像增强器增强后耦合到电荷耦合器件（CCD）上实现微光摄像（简称ICCD）。最佳ICCD是将像增强器荧光屏上产生可见光图像通过光纤光锥直接耦合到普通CCD芯片上。像增强器内光子－电子多次转换过程使图像质量受到损失，光锥中光纤光栅干涉波纹、折断和耦合损失都将使ICCD输出噪声增长，对比度下降及动态范畴减小，影响成像质量。敏捷度最高ICCD摄像系统可工作在10-6lx靶面照度下。
薄型、背向照明CCD器件克服了普通前向照明CCD缺陷。光从背面射入，远离多晶硅，由衬底向上进行光电转换，大量硅被光刻掉，在最上方只保存集成外接电极引线某些很少多晶硅埋层。由于避开了多晶硅吸取， CCD量子效率可提高到90％，与低噪声制造技术相结合后可得到30个电子噪声背景CCD，相称于在没有任何增强手段下照度为10-4lx（靶面照度）水平。尽管薄型背向照明CCD器件敏捷度高、噪声低，但当照度低于10-6lx（靶面照度）时，只能依赖图像增强环节来提高器件增益，克服CCD噪声制约。
电子轰击型CCD器件是将背向照明CCD当作电子轰击型CCD“阳极”，光电子从电子轰击型CCD“光阴极”发射直接“近贴聚焦”到CCD基体上，光电子通过CCD背面进入后，硅消耗入射光子能量产生电子空穴对，进而发生电子轰击半导体倍增，电子轰击过程产生噪声比用微通道板倍增产生噪声低得多，与它获得3000倍以上增益相比是微局限性到。电子轰击型CCD器件采用电子从“光阴极”直接射入CCD基体成像办法，简化了光子被多次转换过程，信噪比大大提高，与ICCD相比，电子轰击型CCD具备体积小、重量轻、可靠性高、辨别率高及对比度好长处。

6.1 试阐明自会聚彩色显像管特点。
答：精密直列式电子枪；开槽荫罩和条状荧光屏；精密环形偏转线圈。
6.2 如图6.15所示，光在向列液晶中传播，且，试分析当位相差为0，π/4，π/2，3π/4，π，5π/4，3π/2，7π/4和2π时，输出光偏振状态。
答：线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、线偏振光
6.3 试比较TN－LCD和STN－LCD特点。
答：TN－LCD运用了扭曲向列相液晶旋光特性，液晶分子扭曲角为90º，它电光特性曲线不够陡峻，由于交叉效应，在采用无源矩阵驱动时，限制了其多路驱动能力。STN－LCD扭曲角在180º—240º范畴内，曲线陡度提高容许器件工作在较多扫描行数下，运用了超扭曲和双折射两个效应，是基于光学干涉显示屏件。STN-LCD所用液晶材料是在特定TN材料中添加少量手征性液晶以增长它扭曲限度，盒厚较薄，普通5-7μm。STN-LCD工艺流程基本上和TN-LCD类似，但由于STN-LCD是基于光干涉效应显示屏件，对盒厚不均匀性规定＜0.05μm(TN-LCD只规定＜0.5μm)，否则就会出底色不均匀，预倾角规定达到3º～8º，电极精细，器件尺寸较大，因而其规模生产难度较TN-LCD大许多。
6.4 试阐明充气二极管伏安特性中击穿电压和放电维持电压概念。
答：曲线AC段属于非自持放电，在非自持放电时，参加导电电子重要是由外界催离作用（如宇宙射线、放射线、光、热作用）导致，当电压增长，电流也随之增长并趋于饱和，C点之前称为暗放电区，放电气体不发光。随着电压增长，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CD段是欠正常辉光放电区，C点电压Vf，称为击穿电压或着火电压、起辉电压，EF段相应电压VS称为放电维持电压。

6.5 试阐明注入电致发光和高场电致发光基本原理。
答：注入电致发光是在半导体PN结加正偏压时产生少数载流子注入，与多数载流子复合发光。高场电致发光是将发光材料粉末与介质混合体或单晶薄膜夹持于透明电极板之间，外施电压，由电场直接勉励电子与空穴复合而发光。