【正文】 第一章 緒 論1. 光電子器件按功能分為哪幾類？每類大致包括哪些器件？ 光電子器件按功能分為光源器件、光傳輸器件、光控制器件、光探測器件、光存儲器件。光源器件分為相干光源和非相干光源。相干光源主要包括激光和非線性光學(xué)器件等。非相干光源包括照明光源、顯示光源和信息處理用光源等。光傳輸器件分為光學(xué)元件(如棱鏡、透鏡、光柵、分束器等等)、光波導(dǎo)和光纖等。光控制器件包括調(diào)制器、偏轉(zhuǎn)器、光開關(guān)、光雙穩(wěn)器件、光路由器等。光探測器件分為光電導(dǎo)型探測器、光伏型探測器、熱伏型探測器、各種傳感器等。光存儲器件分為光盤(包括CD、VCD、DVD、LD等)、光驅(qū)、光盤塔等。2．談?wù)勀銓怆娮蛹夹g(shù)的理解。光電子技術(shù)主要研究物質(zhì)中的電子相互作用及能量相互轉(zhuǎn)換的相關(guān)技術(shù)，以光源激光化，傳輸波導(dǎo)（光纖）化，手段電子化，現(xiàn)代電子學(xué)中的理論模式和電子學(xué)處理方法光學(xué)化為特征，是一門新興的綜合性交叉學(xué)科。3．談?wù)劰怆娮蛹夹g(shù)各個發(fā)展時期的情況。20世紀(jì)60年代，光電子技術(shù)領(lǐng)域最典型的成就是各種激光器的相繼問世。20世紀(jì)70年代，光電子技術(shù)領(lǐng)域的標(biāo)志性成果是低損耗光纖的實(shí)現(xiàn)，半導(dǎo)體激光器的成熟特別是量子阱激光器的問世以及CCD的問世。20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了大功率量子阱陣列激光器；半導(dǎo)體光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)功能器件的得到了迅速發(fā)展；也出現(xiàn)了保偏光纖、光纖傳感器，光纖放大器和光纖激光器。20世紀(jì)90年代，摻鉺光纖放大器(EDFA)問世，光電子技術(shù)在通信領(lǐng)域取得了極大成功，形成了光纖通信產(chǎn)業(yè)；。另外，光電子技術(shù)在光存儲方面也取得了很大進(jìn)展，光盤已成為計算機(jī)存儲數(shù)據(jù)的重要手段。21世紀(jì)，我們正步入信息化社會，信息與信息交換量的爆炸性增長對信息的采集、傳輸、處理、存儲與顯示都提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，國家經(jīng)濟(jì)與社會的發(fā)展，國防實(shí)力的增強(qiáng)等都更加依賴于信息的廣度、深度和速度。 ⒋ 舉出幾個你所知道的光電子技術(shù)應(yīng)用實(shí)例。如：光纖通信，光盤存儲，光電顯示器、光纖傳感器、光計算機(jī)等等。⒌ 據(jù)你了解，繼陰極射線管顯示（CRT）之后，哪幾類光電顯示器件代表的技術(shù)有可能發(fā)展成為未來顯示技術(shù)的主體？等離子體顯示（PDP），液晶顯示（LCD），場致發(fā)射顯示（EL）。第二章 光學(xué)基礎(chǔ)知識與光場傳播規(guī)律⒈填空題 ⑴光的基本屬性是光具有波粒二象性，光粒子性的典型現(xiàn)象有光的吸收、發(fā)射以及光電效應(yīng)等。光波動性的典型體現(xiàn)有光的干涉、衍射、偏振等。 ⑵兩束光相干的條件是頻率相同、振幅方向相同、相位差恒定，最典型的干涉裝置有楊氏雙縫干涉、邁克耳孫干涉儀。兩束光相長干涉的條件是為光程差。 ⑶兩列同頻平面簡諧波振幅分別為、位相差為，則其干涉光強(qiáng)為，兩列波干涉相長的條件為 ⑷波長的光經(jīng)過孔徑D的小孔在焦距f處的衍射愛里斑半徑為。 ⒉在玻璃上涂一種透明的介質(zhì)膜以消除紅外線的反射。⑴求該介質(zhì)膜應(yīng)有的介電常量及厚度。⑵如紫外線垂直照射至涂有該介質(zhì)膜的玻璃上，反射功率占入射功率百分之多少？⑴ 正入射時，當(dāng)時，膜系起到全增透作用，正入射下相應(yīng)的薄膜厚度最薄為⑵正入射時，反射率為 ⒊有兩個具有共軛復(fù)振幅的單色波，具有相同的頻率，其復(fù)值分別為及。比較它們的強(qiáng)度、波前和波前法線。以平面波與球面波為例。平面波的強(qiáng)度,因波前可以是任意的曲面，故它的波前即為波前函數(shù)，波前法線垂直于波前。它的共軛波的強(qiáng)度，波前函數(shù)同樣是該波的表達(dá)式，波前法線垂直于波前。球面波的強(qiáng)度為，波前函數(shù)即該波表達(dá)式，波前法線垂直于波前。它的共軛波的強(qiáng)度為，波前函數(shù)即該波表達(dá)式，波前法線垂直于波前。⒋光束垂直投射在無限大不透明的環(huán)狀小孔（半徑為a和b，ab）上，發(fā)生夫瑯和費(fèi)衍射，求光強(qiáng)度的角分布。見物理光學(xué)⒌ 的光波以角從空氣入射到電極化率為的介質(zhì)表面上，求⑴此光波在介質(zhì)中的方向（折射角）。⑵光波在介質(zhì)中的衰減系數(shù)。⑴ 由得 ⑵衰減系數(shù)⒍輸出波長＝。％？ 設(shè)玻璃的折射率＝ 由題意： ，即 即 故至少涂覆7個雙層。⒎ 有m個相距為d的平行反射平面。一束光以傾角投射反射面。設(shè)每一反射平面僅反射一小部分光，大部分光投射過去；又設(shè)各層的反射波幅值相等。證明時，合成的反射波強(qiáng)度達(dá)到最大值，這一角度稱為Bragg角。 d d因各輻射波的反射波幅值相等，當(dāng)它們反射波疊加，相位依次相差的整數(shù)倍時，合成的反射波強(qiáng)度達(dá)到最大值，最簡單情況下，相位相差。如圖所示： 即 故當(dāng)時，反射波強(qiáng)度達(dá)到最大值。⒏ 從麥克斯韋通式（2－28）出發(fā)，推導(dǎo)波動方程（2－44）。 對該式取旋度左邊＝ 右邊＝（由） 由 上式 在電介質(zhì)中，一般有,從而，于是上式可化為 ＝ ＝第三章 激光原理與技術(shù)1．填空 ⑴最早的電光源是炭弧光燈，最早的激光器是 1960 年由美國家的梅曼制作的 紅寶石激光器。 ⑵光在各向同性介質(zhì)中傳播時，復(fù)極化率的實(shí)部表示色散與頻率的關(guān)系，虛部表示物質(zhì)吸收與頻率的關(guān)系。 ⑶激光器的基本結(jié)構(gòu)包括激光工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔。激光產(chǎn)生的充分條件是閾值條件和增益飽和效應(yīng)，必要條件包括粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和減少振蕩模式數(shù)。 ⑷今有一個球面諧振腔，r1=,r2=1m,L=80cm,它屬于穩(wěn)定腔。2．試簡單說明以下光電子學(xué)術(shù)語的科學(xué)含義： ⑴受激輻射(畫出二能級圖)處于激發(fā)態(tài)E2上的原子，在頻率為υ21的外界光信號作用下，從E2能級躍遷到E1能級上，在躍遷過程中，原子輻射出能量為、與外界光信號處于同一狀態(tài)的光子，這兩個光子又可以去誘發(fā)其他發(fā)光粒子，產(chǎn)生更多狀態(tài)相同的光子，這樣，在一個入射光子作用下，就可以產(chǎn)生大量運(yùn)動狀態(tài)相同的光子，這一發(fā)射過程稱為受激發(fā)射過程。 ⑵譜線的多普勒加寬多普勒展寬是由于氣體物質(zhì)中作熱運(yùn)動的發(fā)光粒子所產(chǎn)生的輻射的多普勒頻移引起的。 ⑶譜線的自然加寬自然加寬是由于粒子存在固有的自發(fā)躍遷，從而導(dǎo)致它在受激能級上壽命有限所形成的。⑷光放大 光束在激活介質(zhì)中傳播時，設(shè)入射端面處光強(qiáng)為,距離x處光強(qiáng)為，且，則 可見光強(qiáng)在激活介質(zhì)中不斷放大，為此，我們引入激活介質(zhì)的增益系數(shù)式中，是傳播距離時的光強(qiáng)的增量。這說明：介質(zhì)的增益系數(shù)在數(shù)值上等于光束強(qiáng)度在傳播單位長度的距離時，光強(qiáng)增加的百分?jǐn)?shù)。由于，因而，所以可以表示光在激活介質(zhì)當(dāng)中的放大特性。 ⑴λ＝，什么溫度下自發(fā)輻射率與受激輻射率相等？T=300K時，什么波長下自發(fā)輻射率相等？自發(fā)輻射率為A21，受激輻射率為W21。由愛因斯坦關(guān)系式可知：，由普朗克公式可知： ， 由題意A21＝W21，故，當(dāng)T=300K時，⑵，、縱模頻率間隔。如果增益曲線寬度為Hz,則可能引起的縱?？倲?shù)是多少？氣體的折射率由得縱模頻率間隔實(shí)際振蕩縱?？倲?shù)⑶紅寶石激光器的工作物質(zhì)有特性：、300K處，，n=,求其在中心頻率處的增益系數(shù)。 ⑷一維電子振蕩器在電磁場E(t)作用下的運(yùn)動方程如式（3－2），推導(dǎo)簡諧電場與簡諧振子條件下，復(fù)極化率的表達(dá)式。電子運(yùn)動方程為，在簡諧電場和簡諧振子條件下，則瞬時電場與位置偏移為 、表示對應(yīng)于頻率的振幅值，將、代入運(yùn)動方程，并求解得在平面光波場作用下，原子在光場作用下產(chǎn)生感應(yīng)極化，形成電偶極振子 設(shè)單位體積中原子數(shù)為N，則介質(zhì)極化強(qiáng)度 又 4．簡述題⑴ 簡述激光的特點(diǎn)。激光的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下四個方面：①激光具有激光極好的方向性②激光的單色性非常好③激光的相干性好④激光具有極高的亮度和單色亮度。信息光電子技術(shù)中所用的光源，著重單色性、高速脈沖性、方向性、可調(diào)諧性和高能量密度等。激光正是滿足這些條件的最好的光源。⑵ 分析單色輻射場與連續(xù)輻射場與粒子體系相互作用情況。Ⅰ單色輻射場與粒子體系的相互作用如圖3－8所示，粒子線型函數(shù)為，中心頻率為，譜線寬度為，輻射場的中心頻率為，帶寬為。單色輻射場與粒子體系相互作用過程，要求粒子體系的展寬要遠(yuǎn)大于輻射場寬度，即與間滿足公式，很小，于是中被積函數(shù)只有在附近一個很窄的范圍內(nèi)不為零。且在內(nèi)可以認(rèn)為不便，于是單色輻射場能量密度可表 示為 式中，（單位：）為光輻射強(qiáng)度。上式表明由于譜線寬度，和粒子體系產(chǎn)生相互作用的單色光場的頻率并不一定要精確位于的中心頻率處才能產(chǎn)生受激輻射，而是在附近一定頻率范圍內(nèi)均可，躍遷概率的大小取決于單色光場中心頻率相對于線型函數(shù)中心頻率的位置，－越小，則越大，當(dāng)＝時，受激躍遷概率最大。這種相互作用不僅與、有關(guān)，而且還與有關(guān)。Ⅱ連續(xù)輻射光場與粒子體系相互作用 當(dāng)連續(xù)輻射光場與粒子體系相互作用時（圖3－9），滿足條件，于是中被積函數(shù)只有在附近很小的范圍內(nèi)（量級）才不為零，且內(nèi)可以認(rèn)為近似為常量，于是式中，為連續(xù)輻射光場在粒子線型函數(shù)中心頻率處的單色能量密度。 可見，連續(xù)輻射場中只有頻率等于粒子體系中心頻率的那部分輻射場才能引發(fā)粒子體系受激輻射，其他部分實(shí)際上被粒子體系所散射。⑶ 試推導(dǎo)愛因斯坦關(guān)系式。設(shè)一個原子系統(tǒng)有兩特定能級、（ ），其簡并度分別為、若原子系統(tǒng)在溫度T處于熱平衡狀態(tài)，、能級的原子數(shù)密度分別為、則原子系統(tǒng)從輻射場中吸收能量后，單位時間內(nèi)從躍遷到能級的原子數(shù)為式中，表示熱平衡狀態(tài)下光輻射場的能量密度。處于上的原子，可以通過自發(fā)輻射與受激輻射兩種途徑躍遷至上，單位時間內(nèi)，的原子數(shù)為由于系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，則應(yīng)有以下關(guān)系式成立即因而有 又由于在熱平衡狀態(tài)下，、按照玻爾茲曼分布式中，K為玻爾茲曼常量。于是有在熱平衡條件下，光輻射的能量密度又可由普朗克公式給出式中，為真空光速，于是比較上述兩式，可知這即為愛因斯坦關(guān)系式。⑷ 為什么二能級系統(tǒng)不能產(chǎn)生激光？ （畫出二能級圖）當(dāng)外界激勵能量作用于二能級體系物質(zhì)時，首先建立起自發(fā)輻射，在體系中有了初始光輻射之后，一方面物質(zhì)吸收光，使減少、增加；另一方面由于物質(zhì)中存在輻射過程，使減小、增加，兩種過程同時存在，最終達(dá)到＝狀態(tài)，光吸收和受激發(fā)射相等，二能級系統(tǒng)不再吸收光，達(dá)到所謂的自發(fā)輻射狀態(tài)，這種狀態(tài)下不再繼續(xù)增加；即便采用強(qiáng)光照射，共振吸收和受激發(fā)射以相同的概率發(fā)生，也不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。⑸ 以一個三能級原子系統(tǒng)為例，說明激光器的基本組成和產(chǎn)生激光的基本原理。激光器的基本結(jié)構(gòu)包括激光工作物質(zhì)、泵浦源、和光學(xué)諧振腔。激光工作物質(zhì)提供形成激光的能級結(jié)構(gòu)體系，是激光產(chǎn)生的內(nèi)因。要產(chǎn)生激光，工作物質(zhì)只有高能態(tài)（激發(fā)態(tài)）和低能態(tài)（基態(tài)）是不夠的，還至少需要有這樣一個能級，它可以使得粒子在該能級上具有較長得停留時間或較小得自發(fā)輻射概率，從而實(shí)現(xiàn)其與低能級之間得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，這樣得能級稱為亞穩(wěn)態(tài)能級。這樣，激光工作物質(zhì)應(yīng)至少具備三個能級。 （畫三能級圖）如圖所示，其中E1是基態(tài)，E2是亞穩(wěn)態(tài)，E3是激發(fā)態(tài)。外界激發(fā)作用使粒子從E1能級躍遷到E3能級。由于E3的壽命很短（），因而不允許粒子停留，躍遷到E3的粒子很快通過非輻射遲豫過程躍遷到E2能級。由于E2能級是亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長（），因而允許粒子停留。于是，隨著E1的粒子不斷被抽運(yùn)到E3，又很快轉(zhuǎn)到E2，因而粒子在E2能級上大量積聚起來，當(dāng)把一半以上的粒子抽運(yùn)到E2，就實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，此時若有光子能量為hυ＝E2－E1的入射光，則將產(chǎn)生光的受激輻射，發(fā)射hυ的光，從而實(shí)現(xiàn)光放大。泵浦源提供形成激光的能量激勵，是激光形成的外因。由于在一般情況下介質(zhì)都處于粒子數(shù)正常分布狀態(tài)，即處于非激活狀態(tài)，故欲建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，就必須用外界能量來激勵工作物質(zhì)。我們把將粒子從低能態(tài)抽運(yùn)到高能態(tài)的裝置稱為泵浦源或激勵源。事實(shí)上，激光器不過是一個能量轉(zhuǎn)換器件，它將泵浦源輸入的能量轉(zhuǎn)變成激光能量。主要有以下幾種泵浦方式：①光激勵方式②氣體輝光放電或高頻放電方式③直接電子注入方式④化學(xué)反應(yīng)方式。光學(xué)諧振腔為激光器提供反饋放大機(jī)構(gòu)，使受激發(fā)射的強(qiáng)度、方向性、單色性進(jìn)一步提高。不論哪種光學(xué)諧振腔，它們都有一個共同特性，那就是都是開腔，即側(cè)面沒有邊界的腔，這使偏軸模不斷耗散，以保證激光定向輸出。諧振腔分為穩(wěn)態(tài)腔（低損耗腔）和非穩(wěn)定腔（高耗散腔）兩大類。⑹ 分析四能級與三能級激光器相比所具有的優(yōu)點(diǎn)。 （畫四能級圖）四能級系統(tǒng)能級結(jié)構(gòu)如圖所示，由于 到、 到 的無輻射躍遷概率都很大，而 到、到 的自發(fā)躍遷概率都很小，這樣，外界激發(fā)使上的粒子不斷被抽運(yùn)到，又很快轉(zhuǎn)到亞穩(wěn)態(tài)，而留不住粒子，因而、很容易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生＝－受激輻射。四能級結(jié)構(gòu)使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)很容易實(shí)現(xiàn)，激光閾值很低。⑺ 分析激光產(chǎn)生的條件。激光產(chǎn)生的兩個必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和減少振蕩模式數(shù)，要形成穩(wěn)定的激光輸出還要滿足起振和穩(wěn)定振蕩兩個充分條件。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布指能級上的粒子數(shù)分布滿足條件，相應(yīng)地有，表示光束在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)下的工作物質(zhì)中的工作物質(zhì)中傳播時，光能 密度將不斷增加。我們稱這種狀態(tài)的物質(zhì)為激活介質(zhì)。要想得到方向性很好、單色性很好的激光，僅有激活介質(zhì)時不夠的，這是因?yàn)椋旱谝唬涸诜崔D(zhuǎn)分布能級間的受激發(fā)射可以沿各個方向產(chǎn)生，且傳播一定的距離后就射出工作物質(zhì)，難以形成極強(qiáng)的光束；第二，激發(fā)處的光可以有很多頻率，對應(yīng)很多模式，每一模式的光都將攜帶能量，難以形成單色亮度很強(qiáng)的激光。欲使光束進(jìn)一步加強(qiáng)，就必須使光束來回往復(fù)地通過激活介質(zhì)，使之不斷地沿某一