张永林第二版《光电子技术》课后习题答案内容.doc.doc
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1、|1.1 可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少?波长:380780nm 400760nm频率:385T790THz 400T750THz能量:1.63.2eV1.2 辐射度量与光度量的根本区别是什么?为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量?为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应,分析光电敏感器件的光电特性,以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算,常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。根本区别在于:前者是物理(或客观)的计量方法,称为辐射度量学计量方法或辐射度参数,它适用于整个电磁辐射谱区,对辐射量进行物理的计量;后者是生理(
2、或主观)的计量方法,是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算,称为光度参数。因为光度参数只适用于0.380.78um 的可见光谱区域,是对光强度的主观评价,超过这个谱区,光度参数没有任何意义。而量子流是在整个电磁辐射,所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量.光源在给定波长 处,将 +d 范围内发射的辐射通量 de ,除以该波长 的光子能量 h,就得到光源在 处每秒发射的光子数,称为光谱量子流速率。1.3 一只白炽灯,假设各向发光均匀,悬挂在离地面 1.5m 的高处,用照度计测得正下方地面的照度为 30lx,求出该灯的光通量。=L*4R2=30*4*3.14*1.52=848.23l
3、x1.4 一支氦-氖激光器(波长为 632.8nm)发出激光的功率为 2mW。该激光束的平面发散角为 1mrad,激光器的放电毛细管为 1mm。求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。若激光束投射在 10m 远的白色漫反射屏上,该漫反射屏的发射比为 0.85,求该屏上的光亮度。 32 2 511 22( ) ( ) ( ) 683 0.265 210 0.362( ) ( )2 2(1 cos )( ) 0.362 1.15102(1 cos ) 2(1 cos0.001) 1.4610 /cos cos cos0( ) 0.3v m ev vvvvv v vvvvKV lmdI d
4、S RhR RI cddI I IL cdmdS S rdMdS 5 2262 4.610 /0.0005 lmm 2 222 2 210 0.0005 ( 6)0.85 0.85 0.85cos0.85 155 /cos 2vv v vvv vvl m r m Pd rM E LdS lrLd dM lL cd md dS d |1.6 从黑体辐射曲线图可以看书,不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长 随温度T 的升高而减小。试用普朗克热辐射公式导出 常 数Tm式这一关系式称为维恩位移定律中,常数为 2.89810-3mK。普朗克热辐射公式求一阶导数,令其等于 0,即可求的。教材 P82.
5、1 什么是光辐射的调制?有哪些调制的方法?它们有什么特点和应用?光辐射的调制是用数字或模拟信号改变光波波形的幅度、频率或相位的过程。光辐射的调制方法有内调制和外调制。内调制:直接调制技术具有简单、经济、容易实现等优点。但存在波长(频率) 的抖动。LD、LED外调制:调制系统比较复杂、消光比高、插损较大、驱动电压较高、难以与光源集成、偏振敏感、损耗大、而且造价也高。但谱线宽度窄。机械调制、电光调制、声光调制、磁光调制2.2 说明利用泡克尔斯效应的横向电光调制的原理。画出横向电光调制的装置图,说明其中各个器件的作用。若在 KDP 晶体上加调制电压 U=Um ,U 在线性区内,请写出输出光通量的表达
6、式。Pockels 效应:折射率的改变与外加电场成正比的电光效应。也称线性电光效应。光传播方向与电场施加的方向垂直,这种电光效应称为横向电光效应。2.3 说明利用声光布拉格衍射调制光通量的原理。超声功率 Ps 的大小决定于什么?在石英晶体上应加怎样的电信号才能实现光通量的调制?该信号的频率和振幅分别起着什么作用?当超声波在介质中传播时,将引起介质的弹性应变作时间上和空间上的周期性的变化,并且导致介质的折射率也发生相应的变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象,这就是声光效应。声光介质在超声波的作用下,就变成了一个等效的相位光栅,当光通过有超声波作用的介质时,相位就要受到调制,其结果如同
7、它通过一个衍射光栅,光栅间距等于声波波长,光束通过这个光栅时就要产生衍射,这就是声光效应。布拉格衍射是在超声波频率较高,声光作用区较长,光线与超声波波面有一定角度斜入射时发生的。2.4 说明利用法拉第电磁旋光效应进行磁光强度调制的原理。磁场使晶体产生光各向异性,称为磁光效应。法拉第效应:光波通过磁光介质、平行于磁场方向传播时,线偏振光的偏振面发生旋转的现象。|电路磁场方向在 YIG 棒轴向,控制高频线圈电流,改变轴向信号磁场强度,就可控制光的振动面的旋转角,使通过的光振幅随角的变化而变化,从而实现光强调制。3.1 热电探测器与光电探测器相比较,在原理上有何区别?光电探测器的工作原理是将光辐射的
8、作用视为所含光子与物质内部电子的直接作用,而热电探测器是在光辐射作用下,首先使接收物质升温,由于温度的变化而造成接受物质的电学特性变化。光电探测器响应较快,噪声小;而热电探测器的光谱响应与波长无关,可以在室温下工作。3.2 光电效应有哪几种?各有哪些光电器件?物质在光的作用下释放出电子的现象称为光电效应。光电效应又分为外光电效应(如光电发射效应)和内光电效应(如光电导效应和光伏效应) 。当半导体材料受光照时,由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大,因而导致材料电导率的增大,这种现象称光电导效应。光敏电阻、光导探测器当半导体 PN 结受光照射时,光子在结区(耗尽区)激发电子-空穴对。在自建场的作用
9、下,电子流向 N 区,空穴流向 P 区,从而在势垒两边形成电荷堆积,使 P 区、N 区两端产生电位差。P 端为正,N 端为负。这种效应称为光伏效应。光电池、光电二极管、双光电二极管,光电三极管、光电场效应管、光电开关管、光电雪崩二极管某些金属或半导体受到光照时,物质中的电子由于吸收了光子的能量,致使电子逸出物质表面,这种现象称为光电发射效应,又称外光电效应。光电倍增管,真空光电管、充气光电管。3.3 光电器件的光电特性(光照特性)有哪两种情况?每种特性的器件各自的用途是什么?当光电器件上的电压一定时,光电流与入射于光电器件上的光通量的关系 I=F( ) 称为光电特性,光电流与光电器件上光照度的
10、关系 I=F(L) 称为光照特性。3.4 什么是光电器件的光谱特性?了解它有何重要性?光电器件对功率相同而波长不同的入射光的响应不同,即产生的光电流不同。光电流或输出电压与入射光波长的关系称为光谱特性。光谱特性决定于光电器件的材料。应尽量使所选的光电器件的光谱特性与光源的光谱分布较接近。由光电器件的光谱特性可决定光电器件的灵敏度(响应率)光谱灵敏度和积分灵敏度。3.5 为什么结型光电器件在正向偏置时没有明显的光电效应?结型光电器件必须工作在哪种偏置状态?因为 p-n 结在外加正向偏压时,即使没有光照,电流也随着电压指数级在增加,所以有光照时,光电效应不明显。p-n 结必须在反向偏压的状态下,有
11、明显的光电效应产生,这是因为 p-n 结在反偏电压下产生的电流要饱和,所以光照增加时,得到的光生电流就会明显增加。3.6 若光电 PN 结在照度 L1 下开路电压为 U ,求照度 L2 下的开路电压 U 。|3.7 负电子亲和势光电阴极的能带结构如何?它有哪些特点?表面区域能带弯曲,真空能级降低到导带之下。特点:1.量子效率高 2.光谱响应延伸到红外,光谱响应率均匀 3 热电子发射小 4.光电发射小,光电子能量集中3.8 何谓“白噪声”?何谓“ 噪声”?要降低电阻的热噪声应采取什么措施?f1功率谱大小与频率无关的噪声,称白噪声。功率谱与 f 成反比,称 1/f 噪声。措施:1.尽量选择通带宽度
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