微光学器件总结

第一篇：微光学器件总结

大作业

丁武文

2008010646

精85 折射微光学元件： 1.折射微透镜：

椭圆微透镜的制备及在半导体激光器（LD）光束整形中的应用[1] 基础：

LD发射光束具有以下两个特点：（2）x与y方向上的光束发散角不同；（2）光斑是椭圆形的。传统的耦合技术是将LD基片与光纤端面直接相连, 称为平接连接法。由于LD和光纤之间数值孔径的巨大差异，平接连接的耦合效率只能达到10%。目前已有几种提高LD和光纤之间耦合效率的方法，这些方法可分为两类。第一类是将光纤一端做成半球形或圆锥形，相当于一个透镜。LD和透镜话光纤的耦合效率是2.5dB~6.4dB。另一类是利用梯度折射率光纤，光纤中不同部位的折射率不同，使得光纤像一个自聚焦透镜。使用这种方法的耦合效率大约是0.84 dB～3dB，工作距离低于4 500 μm。这里提到的方法是用椭圆微透镜耦合的方案。利用椭圆微透镜具有双焦距的特性，同时对LD光束进行准直、整形，使发散光束成为适合光纤传输的圆光束，提高了耦合效率。

微透镜的设计及制备：

按需滴定法成形是使用脉冲式点胶机将PMMA溶液按照所需体积滴在玻璃基板上，溶液是光学级纯度的PMMA溶于MMA单体所得的混合预聚溶液，实验装置如图1 所示。

在实验前对作为基板的石英玻璃板进行预处理: 先将石英基板放在超声波清洗器中用蒸馏水清洗10 min，晾干后再用分析纯的无水乙醇在超声波清洗器中清洗10 min。将清洗干净的石英基板放在含氮气氛的真空干燥箱中烘干使基板对水的接触角为10°，对PMMA溶液基本不浸润。然后在基板上用MMA溶液按所设计的透镜大小做一些椭圆形的区域，该区域对PMMA溶液完全浸润(如图2所示)。我们将溶液滴在这些椭圆形区域上，液滴在表面张力的作用下形成椭圆形的微透镜。在滴定完成后，样品应立即放入一个小密闭容器中以减小MMA单体的挥发和透镜的收缩率。然后放入烘箱，升温至100 ℃，这时PMMA和MMA单体快速聚合，等聚合完全后将炉温升到180 ℃，透镜处于熔融状态，但又具有很高的粘度，能够保持住形状，在表面张力的作用下微透镜表面还可进行自修复形成椭圆形微透镜。

所得椭圆透镜的相关参数之间的关系公式为

Di24h2Ri……（1）8hRfii…………（2）

n1fF#ii……………（3）Di其中fi为椭圆透镜焦距，包括X方向fx和Y方向fy;Ri为椭圆透镜曲率半径，包括X方向Rx和Y方向Ry;；Di为椭圆透镜直径，包括X方向Dx和Y方向Dy；F#i为椭圆透镜数值孔径，包括X方向F#x和Y方向F#y;；h为椭圆透镜矢高；n为材料折射率。

对于按需滴定法，当针头型号、气泵压力、脉冲时间决定之后，每次滴下的液滴的量也就固定。另外，在其他条件不改变的情况下，聚合物溶液与基板的接触角由溶液的粘度决定，而溶液的粘度又由浓度来改变。由此可知，浓度固定时，接触角就固定。所以由简单的几何关系就可知，对于成份相同的溶液，粘度和针头的型号就决定了单个液滴的形状(包括直径、矢高和曲率半径)。

实验中，通过摸索调整溶液粘度和压力大小及脉冲时间，就可以得到所需椭圆微透镜的两个焦距。实验中选用28号针头，其内径为0.15 mm，外径为0.35 mm;溶液浓度为4 mol/L。

使用微透镜阵列的耦合：

我们分别测量了传统的平接连接法和本文所介绍的微透镜耦合法的耦合效率和对不同轴的容忍性。由于LD的发散角和光纤的数值孔径都会影响到耦合效率和对不同轴的容忍性，所以我们在实验中使用了同样的LD和光纤来比较两者的耦合。测得1.55 μm的LD发出的光束在接触面处的垂直和水平发散角分别是39.3°和20.2°，光纤芯径为8.6 μm，折射率差为0.42%，数值孔径为0.096。

平接连接法中, 光束从LD直接进入光纤中。微透镜耦合法中, 在两者之间增加了一个椭圆微透镜, LD、微透镜和光纤被固定在高精度多轴定位平台上, 其在X、Y、Z方向移动精度上0.1 μm,θX、θY方向上转动精度是3″。激光光束经过一段一米长的SMF传至能量计上来测量其光能分布。利用红外感应卡(当被红外线照射时可以放射出可见光)来帮助调整定位。首先, 调整LD和光纤。对于平接连接法, LD发光面与光纤端面直接相连, 对于微透镜耦合法,LD与微透镜阵列背面(即石英基板一侧)相连。LD的驱动电流从9.0 mA调至18.0 mA, 测出激光输出能量。微透镜耦合方案的耦合效率是链接法的8倍。另外, 对不同轴的容忍性也是影响耦合效率的重要因素。不同轴包括水平错位、轴向错位和角度倾斜。与平接连接法相比, 微透镜耦合法对水平错位和轴向错位有很好的容忍性, 但对角度倾斜要求很高。

优缺点：

LD与光纤之间使用微透镜耦合的方案与传统的平接连接法相比, 耦合效率大大提高, 并且对水平和轴向的对接精度要求显著降低，但是对角度倾斜要求很高。

微反射镜：

静电微反射镜的应用研究主要集中在光开关、投影仪和被动式空间光通信器件三个领域中。光开关和应用于投影仪的微反射镜研究起步较早, 空间光通信器件的研究是最近几年才发展起来的。

微反射棱镜[2]: 微反射镜的另一重要应用领域是空间光通信, 这方面角锥棱镜(Cube-corner Retroreflector)的结构方式应用最为普遍。东京科技大学对其在无线通信系统中的应用进行了系统分析。角锥棱镜的入射光束分布于三个镜面上, 仅仅在有效光阑半径内的入射光才能经过三镜面的依次反射产生与入射光平行的出射光, 且出射光与入射光光强呈中心对称。角锥棱镜具有三个相互正交的工作平面, 相比平面镜来说体积较大、结构复杂, 同时还对工艺精度尤其是镜面的相互垂直度要求高。由于其入、出射光平行, 能从原理上自动跟踪光源, 可望用于近距离网络通信、星际通信等领域, 尤其适用于随动通信系统间的通信。DARPA 计划所提出的智能尘埃中的被动光通信装置就采用了角锥棱镜系统。它被作为空间光通信的重要器件从本世纪初起进行了重点研究, 其重点是具有高垂直精度的微角锥棱镜结构及工艺。具有良好工艺性和精度可靠性的典型结构如图5所示,它们分别包含两个侧反射面和一个底反射面。底反射面由可动微反射镜组成, 它通过微反射镜的角度变化改变三个面的正交性, 进而改变反射光的平行性。侧面分别由铰支结构、插装结构装配而成, 前者结构较为复杂、工艺复杂;后者相反, 工艺复杂结构简单。两种结构的共同缺陷是距离应用有一定差距。

应用于被动空间光通信领域的微角锥棱镜是静电微反射镜方向具有挑战性的课题之一，研究的成功将为通信带来又一次革命。它的研究始于DARPA 计划和加利福尼亚大学伯克利分校传感器与执行器研究中心(Berkeley Sensor & ActuatorCenter)的Pister 和Kahn 教授智能尘埃计划的提出。

不足：

深入研究微反射镜的特性。现有微反射镜的设计主要倾向于机电特性而欠缺对光学性能的深入分析。为此, 需进一步研究不同光学面形状、尺寸参数和阵列参数对光学性能的影响, 克服衍射效应等带来的不利影响。折射率渐变微透镜： Spot-size converter（波导模态变换器）是光纤与光波导连接之间的一种常用的过渡结构，它可有效地提高不同类型的波导结构之间的耦合效率。目前，已有多种Spot-size converter 的报告，例如由高相对折射率差Δ的半导体材料制备的光波导采用了波导宽度和高度渐变型过渡区。

渐变折射率Spot-size converter[3]的设计：

取单模石英光纤的Δ为0.3%，芯直径为8μm，芯层折射率为1.4681（波长在1550nm处）；Δ为0.6%的单模矩形光波导宽度为6μm，高度为6μm，芯层折射率为1.5343（波长在1550nm处）。采用光束传播法仿真软件（Beam PROP软件）计算的结果表明，若光波导不设置Spot-size converter结构，光纤与波导的端面耦合效率为78%。为了提高光纤与光波导器件的连接耦合效率，减少插入损耗，本文计算设计了两种平面Taper结构的Spot-size converter。

第一种波导Spot-size converter结构为图1所示的，波导侧边为线性渐变型Taper的结构，Taper的厚度与直波导的相同，为了6μm。其他结构参数为W1=8μm，W2=6μm、L为折射率线性渐变区长度。Taper波导区的Δ，由起始处的0.3%线性增加到0.6%。如图2所示。扫描改变L的大小，由BPM（beam propagation method）仿真计算Spot-size converter与单模石英光纤的端面耦合效率，结果示于图3中的曲线1.当Ｌ＝３００μｍ时，耦合效率达到９０％；当Ｌ再

增大时，耦合效率基本不变。

设计的第二种结构如图４所示，波导厚度为６μｍ，Ｔａｐｅｒ区的波导具有对称的抛物线渐变形侧边，Ｔａｐｅｒ区波导宽度Ｗ是Ｚ的函数，满足式

W=W2-W12Z+W1，Z0，L……（2）2L其中，Ｗ１＝８μｍ，Ｗ２＝６μｍ，Ｔａｐｅｒ区波导相对折射率差Δ具有线性渐变分布，满足式

Z=0.3%+0.3，Z0，L……（3）

L扫描Ｌ的大小，由ＢＰＭ仿真计算端面耦合效率，结果如图３中的曲线２所示。当Ｌ＝２８０μｍ时，耦合效率提高到９１.３％ 左右，L再增大，耦合效率基本保持不变。

从图3结果看出，采用折射率渐变区可使波导与光纤的端面祸合效率得到改善, 渐变区长度L 存在一个饱和距离, 既当渐变区长度大于这一距离时,祸合效率基本不变。采用饱和距离作为过渡区长度时, 藕合效率最大且Spot-size converter的尺寸较短, 有利于器件的集成型化。两种结构的比较表明,侧边抛物线渐变结构的效果要比侧边线性渐变结构的好。

优点：

高分子光波导由于具有良好的光学性能、易加工、价格低廉等优点，近年来成为研究热点。

衍射微光学元件： 二元光学：

二元光学元件(Binary Optical Elements ,简写BOE)是一种位相型的衍射光学元件。它以光的衍射效应为基本工作原理,采用对光学波面的分析来设计衍射位相轮廓。目前制作二元光学元件的方法主要有微电子工艺中的刻蚀法、镀膜法,高精度钻石车床程序控制切削法等。其中微电子工艺技术中的刻蚀法是目前采用的主要手段。由于实际制作出的位相轮廓,是以2 为量化倍数,与理想的连续位相轮廓的台阶形状近似,故被称为“二元光学元件”。二元光学元件的设计与制作: 二元光学器件的设计与制作过程是,首先根据使用要求(包括孔径、分辨率、焦距、波面特性等),经计算机的优化设计,确定表面的位相分布,按刻蚀次数设计成N 个振幅型掩膜,经光刻显影,离子蚀刻去胶后得到位相型二元光学元件,其典型工艺过程见图1。

图1 示出用蚀刻法进行形状制作的工序。在基板上涂敷光致抗蚀剂进行光掩模曝光和显影,复制图形。然后利用反应性离子蚀刻,除掉基板直至光程长深度为λ0/ 2 ,最后除掉残留的光致蚀剂。据此,能够制成2 级形状。但是,每道工序除掉基板的一半深度。与用反应性离子蚀刻法除掉基板的方法相反,也有沉积几分之一波长厚的薄膜的制造方法,图2 示出这种薄膜沉积法。

二元光学一词是美国林肯研究所的Veld2kamp 等人提出的,在最初的研究中只使用一次蚀刻法的工序,就形成二级(二元)形状,这就是二元形状的由来。

这样,在二元光学无元件的制作中,由于采用蚀刻法,所以适合于大批量生产。过去的折射型透镜的制作大多是靠工作人员的经验,而现在则用已确立的蚀刻工序实施的。另外,过去是组合许多透镜来构成非球面,以修正像差。而二元光学元件由于形状可以自由设计,所以用一个元件就能实现像差修正,这是其优点。

应用：

矫正视力缺陷,制成双焦隐形眼镜[4] 二元光学双焦透镜，用于眼科病人矫正视力非常有效。医生将病人的被白内障致混浊的眼球水晶体用冷冻法去除后，配上二元光学透镜，使入射光聚焦在两点上,一个将图像直接聚焦在视网膜上；另一个在其稍后。由大脑选择它认为是最清晰的一个，而放弃另外一个。

菲涅尔透镜：

菲涅尔透镜提高太阳能利用率的研究[5] 太阳能能源清洁无污染，但是太阳能光伏发电的成本高达普通煤电成本的6至8倍，如此高的成本很难使其得到普遍推广。因此, 提高太阳能的利用效率、降低成本是

目前太阳能光伏发电的主要研究方向。其中，降低太阳能电池发电成本的有效途径之一是用聚光太阳能电池来减少给定功率所需的电池面积，并用比较便宜的聚光器来部分代替昂贵的太阳能电池。在这种系统中，太阳能电池的费用只占系统总费用的一小部分，所以可以采用工艺先进、效率更高而价格较贵的电池来提高整个系统的性能。

在太阳能利用中的聚光器要求①具有较好的光学性能，反射率或透射率一般要在以上②具有足够的刚度和强度，保证聚光器能够在风载、雪载、自重等负荷下正常工作③具有良好的抗疲劳能力，以保证机械结构在反复交变工作条件下的寿命④具有良好的抗沙尘和冰雹等能力，以保证电站在沙漠、高寒等恶劣条件下正常工作，同时抵卸非正常气候的破坏⑤具有良好的抗腐蚀能力，要有抗紫外、防盐雾和酸雨等性能⑥具有良好的运动性，以使结构本身的运动能耗降到最低⑦具有良好的保养、维护和运输性能。

菲涅尔透镜的结构和特点：

菲涅尔透镜是由平凸透镜演变而来的, 是一面刻有一系列同心棱形槽的轻薄光学塑料片,如图1所示其每个环带都相当于一个独立的折射面, 这些棱形环带都能使入射光线会聚到一个共同的焦点上因此, 消球差是菲涅尔透镜的固有特点普通的菲涅尔透镜是具有正光焦度的平面型透镜, 其中一个面为棱形槽面, 另一个面是平面这种透镜结构简单, 加工方便。另一种形式为弯月型, 即它的基面为曲面, 其优点是为消像差增加了自由度, 对提高成像质量有利, 但工艺较复杂菲涅尔透镜的棱形槽一般为每毫米2到8个槽, 精密型的可达到每毫米20个槽左右。这样, 菲涅尔透镜便完全有可能同以衍射极限为分辨力的一般透镜相比拟通常, 菲涅尔透镜在整个直径范围内的厚度基本相同,所以使用它可以节省材料, 减轻重量, 还可减少光吸收作用。

与传统的光学玻璃透镜相比, 菲涅尔透镜用于太阳能电池聚光的优点是①体积小, 重量轻, 价格便宜, 用很少的原料便可得到较大口径的透镜②加工方便, 不易脆裂, “ 光学记忆力”好③透光率高, 实际上可达到以上考虑了反射损失和制造缺陷的影响④适当设计齿的角度, 如采用变焦距技术, 可使电池上的光强分布合理, 这是其它聚光镜难以做到的⑤透镜本身就是电池外罩的一部分, 可以保护电池, 聚光束被包括在一个封闭的罩子里, 可防止意外烧伤人体和灼伤眼睛, 防止可燃物碎片落入聚光器引起火灾⑥散热效果好, 采用菲涅尔透镜的聚光系统的散热器位于电池外罩的阴影里,不会被太阳直射, 便于散热电池温度低, 效率也就高⑦保养清扫方便, 电池无需清扫, 如采用齿面向电池的透镜, 上面的积尘也很容易清除⑧有一定的强度和韧性, 能经得起砂、石的打击。

优点与不足： 菲涅尔透镜作为折射式聚光器可明显提高太阳能的利用率, 但其聚光倍数会随光强的减弱而变小, 而且还会随太阳视场角的增大明显减小, 主要是透镜表面存在反射损失。因此, 若把透镜应用到聚光太阳能系统, 为使光线能垂直入射, 跟踪技术一直是该领域的研究重点。

菲尼尔透镜应用2：

热释电红外传感器应用与车流量检测系统[6] 使用热释电红外传感器时, 其表面必须罩上一块菲涅尔透镜。所谓的菲涅尔透镜就是一种特殊设计的、由塑料制成的光学透镜组, 是根据菲涅耳原理制成的。它把红外光线分成可见区和盲区, 具有聚焦的功能;其与热释电元件配合, 可以提高传感器的灵敏度, 扩大监视范围。菲涅耳透镜有折射式形式, 它的聚焦作用是增加灵敏度, 使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式影响红外传感器, 这样红外传感器就能产生变化的电信号。当传感器加上菲涅尔透镜后, 其检测距离大约可以增加到原来的五倍。

优缺点：与普通透镜相比，菲涅尔透镜加工方便，重量轻，价格低廉。折衍混合系统：

液体可变焦折衍混合系统的研究[7] 液体变焦透镜技术及其发展：

微光学系统中使用的光学组件的典型尺寸为几十至几百微米，在这个尺度下，液体的行为强烈地受表面张力的影响，表面张力已经超过重力等其它力而成为主导力。目前已经提出了很多种操纵微小液滴的方法用于改变液体透镜的焦距，包括利用结构化表面、热毛细管作用、电化学效应、介电电泳和介质上的电润湿(EWOD)、通过机械结构直接改变液滴表面曲率等，其中最后两种方法以直接用电控制离散液滴表面张力的EWOD法和通过机械结构直接改变液滴表面曲率法受到日益关注。

举例说明：

电润湿法液体变焦透镜

介质上电润湿是从电润湿I’0](Eleetrowetting，Ew)发展而来的。1936年，Aleksandr Froumkine利用电场来改变处于金属表面上的小水滴的形状，并成功的推动液滴在平板上运动，这种现象便被称为电润湿，它是通过在液滴和电极之间施加电场，来改变液一固表面的张力系数，从而改变接触角的大小。然而，对于这种液滴与电极直接接触的结构，接触角的改变量很小，而且易产生气泡，稳定性差。近年来研究发现在液滴与电极间插入一层薄的绝缘介质层后仍然可以用电控制液滴的接触角，从而被称为介质上的电润湿(Eleetrowettingonnieleetrie，EwOD)。改变液滴接触角所需的静电场是通过在液滴和平板电极问施加一定电压来完成的，平板电极内嵌于绝缘衬底，并且距液体与固体的交界面有一定距离。利用介质上电润湿，可以制作出由微小液滴组成的变焦透镜，其基本结构如图3.1所示。当小液滴置于疏水绝缘层上时，在表面张力的作用下，液滴与疏水绝缘层之间的初始接触角为钝角，液面曲率大。入射平行光线经过液滴时发生折射而会聚于一点如图2.1(a)，此时液滴形成的透镜的焦距短。当在液滴与电极间施加一定电压时，由于EWOD效应，液滴的接触角将减小，液面的曲率也随之减小，入射光线经液滴后将会聚于较远的点，透镜焦距增大如图2.1(b)。在液滴接触角未饱和的情况下，所加电压越高，EWOD效应将越明显，液滴接触角及液面曲率越小，透镜焦距越大，从而达到通过改变控制电压来调节透镜焦距的目的。

利用EWOD效应，通过外加电压来调节液面的曲率，就可以实现对透镜焦距的控制。与其它结构相比，这类透镜具有功耗低、失真小、寿命长、可调范围大等突出优点，越来越受到人们的青睐。目前，国外已有许多单位在研究这类透镜，而且进展很快，有的已经产品化了，例如Philips公司于2004年3月发布了一款名为FluldFocus的可用于拍照手机等便携设备的液体变焦透镜。

与传统的固体变焦透镜相比，液体可变焦透镜具有功耗低、失真小、寿命长、可调范围大等突出优点，越来越受到人们的青睐。

液体变焦透镜存在的问题：

但是上述的液体变焦单透镜仍然为传统的折射光学系统，不可避免的存在色差问题。如果用传统的双胶或三片镜片来消除色差仍然会有体积大，结构复杂的弊端，如果将变焦光学组件的尺寸降为几十至几百微米时由于液体的行为强烈地受表面张力的影响，表面张力已经超过重力等其它力而成为主导力。此时不同液体的接触面曲率就容易发生变化，不容易控制，这不适合双胶或三片镜片的形式来消除色差。因此普通的液体可变焦单透镜在变焦的同时要做到消除色差并不容易。

液体变焦透镜作为光电子器件中的新兴部件，其巨大的优点正受到各行各业的广泛注意，业界专家还表示，液体透镜很有可能会全面取代传统光学镜头。

但是传统的液体变焦透镜无论是电湿润式的还是机械式的，都往往会有色差现象，而且在变焦的同时要做到消除色差并不容易。随着二元光学技术的发展，人们越来越多地采用二元光学技术来改进传统的折射光学元件(如折衍混合系统)，以提高它们的性能，并实现普通光学元件无法实现的特殊功能。

本文提出两种液体可变焦折衍混合透镜，如图4.1所示，一种为二元面在基底为平面的折射面上的可变焦混合透镜(图4.1(a))，另一种为二元面附着在基底为曲面的折射面上的可变焦混合透镜(图4.1(b))。如图所示。

设计模型Ａ：

液体可变焦折衍混合光学系统由传统的液体折射透镜系统和二元透镜系统组成。由于BOE的色散特性与材料的无关性和负向性就非常有利于消色差，这也是BOE在成像领域受到青眯的主要原因。这种以液体作为折射系统的材料，结合衍射面的可变焦单透镜变焦非常具有可行性。

该模型A将二元面附着在基底为平面的折射面上，当基底另一侧表面曲率发生变化时，不影响二元面结构，如图4.2所示。为了设计该光学系统，我们设λｄ为设计中心波长，λＦ和λＣ为消色差波长，整个光学系统的焦距为F。

该模型的光路示意图如图４.３所示。

该光学系统的成像过程可以视为物点M经过液体折射透镜第一次成像于Ｏ点，再经过衍射透镜进行第二次成像于Ｏ’点。图中Ｐｍ为第m带外边缘，AB的长度d定义为刻蚀深度，有

dnp1

其中ｎｐ为衍射面的折射率。

折射元件的色差是由光学材料的材料色散引起的，而BOE的色差是有微结构衍射的波长依赖性引起的，其色散特性和材料特性正好相反。

对于液体可变焦折衍混合透镜来说，对焦距的改变起决定作用的是其折射部分。衍射部分主要负责消除色差，其对于焦距的变化量很小。液体变焦透镜在成像时要得到合适的透镜焦距，并不需要像传统透镜那样通过透镜自身的镜头沿光轴方向转动。液滴和油滴表面曲率的改变才是液体透镜实现变焦的关键所在，如两种液体间接触面的形状在电压作用下会发生改变，从而实现变焦。由于考虑薄透镜，因此焦距变化公式为:

fref'R

n()1由于普通的液体变焦透镜在基底曲率变化的同时不可避免地会存在色差现象，因此将衍射面附着在液体变焦透镜的其中一个折射面上，形成液体可变焦折衍混合系统。因为该混合透镜模型衍射部分的焦距为寿，则其总的系统焦距则为:

FFfdifRfdif[n()1]

上式即为该液体折衍混合系统模型系统焦距与其基地半径的变化关系。由于衍射部分的焦距ｆｄｉｆ远大于折射部分焦距ｆｒｅｆ，因此整个折衍混合系统焦距Ｆ仍然可以看作与半径R呈线性关系。衍射部分由于色散特性的负向性，其对整个折衍混合系统很好地起到了消除色差的作用，但随着基底半径R的变化增大，色差也不可避免地会逐渐增大，因此在实际应用中往往使得半径R在一定范围内变化，从而使色差最小。

设计模型B 在光学系统中，为提高象质和简化系统，经常使用非球面。但非球面的加工、测试困难，成本高，重复性差，精度不能保证。而对于衍射光学元件，引人复杂的非球面相位分布，并不增加加工难度，也不影响加工精度，所以利用BOE，在不影响精度和加工难度的情况下，增加了设计自由度，这对光学系统的设计非常有利。BOE的这一特点在准单色光系统中特别有用，利用BOE可精确的引入任意的非常大的非球面自由度。而在宽波段场合，BOE的非球面度随波长的不同而不同，因而引入过大的非球面度会引入很大的色像差，因而在宽波段场合，通常可利用BOE引入少量的非球面度，以校正系统的色像差。

一般来说，BOE在HOS中的作用与其使用的场合有关。对单色光、准单色光场合，BOE的主要作用是提供非球面自由度，它有很强的色差校正功能，而且利用BOE消色差不会增加系统的绝对光焦度，因此，此模型把衍射面附着在基底为非球面的折射面上，其结构如图4.5所示。为了设计该光学系统，我们同样设λd为设计中心波长，λF和λC为消色差波长，整个液体可变焦折衍混合光学系统的焦距为F’。

由图中可以看出，不同于模型A，此模型的二元面附着在一个曲面上。因此随着基底的曲率变化，衍射面曲率也发生。在此模型中，假设其衍射面的刻蚀深度变化很小。

设计模型B的折射部分：

假设仍然将该模型视为薄透镜，液体材料的折射率随波长不同而不同，设为n(λ)，R为该模型基底的曲率半径。其在波长为λ的情况下，同样满足下列焦距公式:

fref'R

n()1该液体折射透镜的焦距fref’同样随着基底的曲率半径R和基底材料折射率n(λ)的变化而变化。在不同的波长下，该液体折射透镜的焦距不同，即同样存在着色差。

设计模型B的衍射部分：

该模型的成像过程仍然可以视为两步，首先物点M’经过液体折射透镜第一次成像于O点，再经过衍射透镜进行第二次成像于O’点，只不过此模型的衍射面附着在曲面上，因此当变焦时，衍射面的结构随着基底曲率的变化而变化。其成像过程如图4.6所示。

折衍混合系统应用2：

折_衍混合红外物镜的超宽温消热差研究[8]：

保证光学系统在较宽的温度范围内正常工作的技术被称为消热差技术。根据仪器的特点和使用场合的不同，消热差技术一般可分三类：机械主动式、机械被动式、光学被动式。利用基于二元光学元件的折/衍混合系统，实现光学被动式消热差设计。

采用传统折射光学系统只能通过改变结构参数、曲率及使用不同的光学材料来校正像差，一般至少需要三种红外材料，使得系统结构复杂，系统所需透镜数量增加，光学效率也不高。由于红外系统的空间是有限的，如果能减轻重量，减小体积是非常有实际意义的。折/衍混合成像系统充分利用了传统光学元件和衍射光学元件各自的优点，有效的简化光学系统结构、减轻重量、缩小体积和改善成像质量，实现许多传统成像光学所不能达到的目标，是对传统成像光学的重大变革。

微光学系统：

自由空间微光学系统： 微光学平台[9]：

近年来, UCLA 的科研人员将表面微机械工艺制作的微型铰链与自由空间集成光学结合研制完成了一种可实现片上光学处理的微光学平台, 引起广泛关注。自由空间集成光学较光波导方法有如下优点: 高的空间带宽、无干扰的光学路径、三维光学互连、光学信号处理(例如傅立叶光学)的可能性。但是其制作要比波导器件困难得多, 因为大多数单独制作的光学元件都是平躺在基片表面, 而光路处理却恰恰要求它们直立起来。

解决元件直立问题的办法是使用表面微机械铰链和弹簧锁, 这一技术为自由空间集成光学开辟了一个全新的空间, 采用该技术可使三维微光学元件集成在同一硅片上。这里硅基片相当于一个微型光学平台, 微透镜、反射镜、光栅和其它光学元件首先在掩模设计阶段进行预对准, 之后投入制作, 其精确调整和定位由集成在片上的微制动器和微型定位器来实现, 例如旋转或移动工作台;最后再将有源器件集成在芯片上, 一个完整的光学系统就制作成了, 如图13 所示。

微光学平台是微光机电系统技术应用的一个典型例子，它主要用于光学测量和实验。传统的光学系统平台体积大，系统中的元件是先分开制造然后组装的，装配量很大，成本提高。而微光学平台体积小，系统中的元件可集成加工在单一芯片上，对准精度高，可成批生产，成本低。这些优点使微光学平台相对于传统的光学系统有很大的优势。所以，该方面的研究是微光机电系统研究的最基本部分。研究包括各种铰链（图a）、微反射镜（图b）、微衍射透镜（图c）、微折射透镜（d）、光束分离器和光栅等。上面图13为美国加州大学洛杉矶分校提出的微光学平台样机。该微光学平台由微透镜、分束器、反射镜和光栅等元件通过铰链组装技术集成在一个芯片上。

堆叠式：

光栅光谱仪[9]：

图9所示是通过MEMS技术加工得到的光栅光谱仪。它是通过表面硅和体硅混合工艺加工而成。其原理是，输入光束通过由铝膜形成的光栅后，经过三次反射，不同波长的光束分别反射到光电二极管阵列的特定位置上，分别检测出特定波长的光束。

平面型微光学系统：

为实现光路集成，像电路一样，具有二维平面的集成和三维空间集成，光器件就要波导化、阵列化，充分利用现有集成电路的微加工工艺。

近些年发展起来的平面光波导光路（PLC），就是希望实现像电路印刷版一样的平面光子回路的大规模集成，为二维平面集成。PLC具有成本低、便于批量生产、易于集成的诸多优点，被认为是光通信系统产业的救星。分离光器件向光波导的集成器件发展是一种必然趋势。

LiNbO3光波导调制器[10,11,12]: 光纤通信系统的调制器主要是LiNbO3光波导调制器。LiNbO3光波导调制器是利用电光效应对光波的相位、强度或偏振态进行调制的器件。对高速系统而言，最常见的LiNbO3光调制器是Mach-Zehnder干涉仪（MZI）型行波电极强度光调制器，图1.2是其结构示意图。这种调制器采用了MZI的波导结构和行波电极结构，不仅可获得很高的工作速度，而且调制信号的频率啁啾非常小。

根据晶体的电光效应，人们提出了外调制器, 由最初的体调制器发展到行波调制器,由相位调制器到强度调制器。目前研究的多为行波调制器。由于难以检测光相位, 故采用M ach2Zehnder 强度调制器的结构。迄今为止, 已提出了多种结构的行波调制器, 如共面波导,非对称共面微带结构的行波调制器。行波调制器的主要参数调制带宽受限于光波与微波的速度失配, 这源于铌酸锂的介电常数太高, 导致调制器的微波等效折射率远大于光波的折射率。为了获得较宽的调制带宽, 许多旨在降低调制器的等效折射率的新结构就被提出来。这些方案在获得宽带宽和低的驱动电压的同时, 特性阻抗却远小于508 , 这是由于它们在提高速度匹配的同时调制器的电容大大增加了。

微光机电系统（MOMES）[13]： MOMES加速度传感器： 随着MOEMS技术的发展，为了解决现有的MEMS加速度传感器普遍存在的精度较低的问题，因此利用光学测量精度高的优势与MEMS技术相结合的MOEMS加速度传感器的研究成为了一个重要的发展方向，与前文所述的各种原理的MEMS加速度传感器相比，MOEMS的加速度传感器具有抗干扰能力强，适宜于强电磁干扰及强腐蚀环境，灵敏度高，体积小重量轻，适合于航空、航天及狭窄空间的应用，并且成本相对较低等诸多优点。但是目前MOEMs的加速度传感器大多数都还处于实验室研究阶段，国内外对MOEMS加速度传感器的研究主要有以下一些类型: 1.光纤Fabry-Perot(F-P)腔的MOEMS加速度传感器：

光纤F一P腔的MOEMS加速度传感器是利用加速度传感质量块的一个端面与固定的光纤端面平行形成F一P腔，其结构如图1.12所示，通过干法刻蚀或湿法腐蚀工艺在硅基底上刻蚀出传感质量块和悬臂梁结构，传感质量块的一个端面与光纤的端面在加速度敏感轴方向上相互平行，形成一个F一P腔，光纤固定在硅基底上制做出的V形槽内。光纤同时作为光信号的出射和接收端，宽谱光源入射的光通过光纤端面进入F一P腔，光在质量块和光纤端面之间多次反射，形成多光束千涉，干涉信号同样由光纤端面接收输出到探测器。如图所示，当外界加速度作用时，传感质量块会沿垂直于光纤端面的方向移动，由于质量块移动引起F一P腔的腔长的变化导致F一P反射谱漂移。通过探测输出光谱的漂移，就能反映出加速度的变化。

目前这种结构的MOEMs加速度传感器实际分辨率可达1mg，但是光纤F一P腔的MOEMS加速度传感器对质量块反射端面与光纤端面的平行度和反射率要求都非常高，F一P腔的装调难度大，并且在质量块振动过程中很难保证其平行度。另外，F一P腔的腔长变化范围有限，因此这种MOEMS加速度传感器测量的动态范围很小，一般不会超过±2g，限制了它的实际应用。

2.微结构光栅的MOEMS加速度传感器

这种类型的MOEMS加速度传感器是利用MEMS加工工艺，在同一基底上加工出可动光栅和固定光栅两种结构，如图1.13所示1301。在一个基底上通过双面刻蚀制做出传感质量块和可动光栅一体的微结构，该结构包括了四个折叠的悬臂梁、传感质量块以及一组可动光栅组成，而固定光栅则制做在固定基底上。光源照射在光栅上，这样一组可动光栅和固定光栅形成发射相位光栅。当垂直于质量块的表面方向上的加速度作用到质量块上时，质量块会带动可动光栅发生上下移动，形成明暗相间的衍射条纹。当可动光栅与固定光栅的高度差发生变化时，由光栅反射形成的衍射条纹各级衍射极大的位置将发生变化，这样探测器上所探测到光强就会发生变化，从而达到测量加速度大小的目的。

衍射光栅式的MOEMS加速计体积很小，整个结构在同一基底上制做完成，有很高的集成度，而且在理论上有这很高的分辨率，可以达到声g量级。但是，为了获得较高的分辨率，就必须提高光栅周期数，即在有限的尺寸下减小光栅间距，但是光栅间距的减小给加工工艺提出了更高的要求。由于传感质量块的厚度较大，因此需要在反面质量块的制做过程中采用深度反应离子束刻蚀，这样的设备非常昂贵，而且深反离子刻蚀的过程中需对正面制作好的光栅结构进行保护，由于光栅线条很细，因此在最后的结构释放时由于保护层残余应力的作用，很容易造成微光栅结构的变形和断裂，制作难度非常大，成品率很低。普通的设备和工艺很难满足该结构的加工要求。

3.光波导光强检测的MOEMS加速度传感器

这种结构的加速度传感器是将光纤、光波导和MEMS技术集成在一起，传感质量块和悬臂梁的结构依然是采用双面的体硅刻蚀方法制做而成，四个直角悬臂梁分布在质最块的两侧，在质量块的表面集成了由Si3N4和SiO2构成的直线光波导结构作为传感器件。如图1.14a)所示。在周围的固定硅基底上，传感质量块上直线光波导的两端也分别集成了输入和输出光波导，传输光通过光纤导入和接收。

当Z轴方向上的加速度作用到传感结构上时，质量块会带动传感的光波导沿Z轴方向移动，这时，传感光波导和输入输出波导端面就会方向相对位移，使输入波导祸合进入传感光波导的光强发生变化。同样，由传感光波导祸合到输出波导的光强也会发生相应的变化。通过探测输出光纤的光强就能反映出传感质量块所受Z轴方向上加速度的大小，如图1一14b)所示。该结构的MOEMS加速度传感器采用了硅基底与光波导一体化的结构，并且四个直角悬臂梁接收使得其自然谐振频率比普通悬臂梁结构要高，但是在实用化过程中，输入和输出端的光纤和基底光波导之间的插入损耗、以及光波导本身的传输损耗都是需要解决的问题，而且由于光波导端面尺寸的限制，传感质量块上集成的光波导在Z轴方向上能移动距离非常有限，这使得该结构的MOEMS加速度传感器测量范围和精度都很难做高。

参考文献： 1.李同海，吴国俊等。椭圆微透镜的制备及在LD光束整形中的应用。科学技术与工程，2005；24(5): 23-25 2.任大海，杜杰等。静电微反射镜的发展与应用。激光杂志，2006；27（6）：3-5 3.高仁喜，陈抱雪等。聚合物波导折射率渐变型Spot一size converter 设计。上海理工大学学报，2005；27（6）:517-519 4.孙炳全，丘坤霞，盖志涛。二元光学元件及其应用。抚顺石油学院学报，1998；18（2）：75-78 5.姚叙红，朱林泉等。菲涅尔透镜提高太阳能利用率的研究。红外，2009；30-34 6.王捷，艾红。热释电红外传感器应用与车流量检测系统。自动化仪表，2010；72-74 7.鲍赟，“液体可变焦折衍混合光学系统的研究”硕士论文，中国科学院研究生院，2007。8.邹百英，“折_衍混合红外物镜的超宽温消热差研究”硕士论文，哈尔滨工业大学，2008。9.张培玉，微光机电系统技术的研究与应用（下）。《电子产品世界》，2001；66-67。

10.徐坤，周光涛等。基于L iNbO3光波导调制器高速光码型调制技术的比较。北京邮电大学学报，2004；27（4）：50-54。

11.徐小云，陈树强等。脊波导结构L iNbO3调制器的分析与设计。通信学报，1999；20（6）：26-31。

12.龙祖利。用于空间光通信的宽带LiNbO3行波调制器。测控技术，2006；25（2）：71-72。13.吴宇，“微纳光纤环MOEMS加速度传感器理论与应用研究”，博士论文，浙江大学，2008。

对课上题的解答。

第二篇：光学历年总结

北京大学工学院光学试题2013年04月07日 23:03:44

我把所有能收集到的题目就乱乱的都贴在一起了~ 版本1：

1.写出惠更斯-菲涅尔原理的内容及基尔霍夫衍射积分公式

2.写出光栅的结构因子和单元因子。与投射式光栅相比，反射式闪耀光栅的优点是： 3.写出Abbe干涉成像原理的内容及其意义

4.泽尼克相衬显微镜（1）研究对象是什么（2）用4f系统和矢量图解法画出工作原理（Ps：这个是他上课讲了但是书上和ppt上都没有的东西……）（3）写出步骤（4）能否将 零级谱光强完全去除，为什么？

5.波带片如图所示（只露出第2、4条半波带）：（1）写出各焦点的位置（2）为何会有 多个焦点？（3）用螺旋式曲线求主焦点和左侧第一次焦点的光强（4）为何对于圆孔在轴 线上会有亮暗分布，而圆屏则轴线上各点均是亮点？

6.Apple公司新出的Iphone4，分辨率为326像素/英寸（25.4mm），据负责人Steven说已超过了人眼的分辨率，请问是否事实如此。人眼的极限分辨率是多少？瞳孔直径2~8mm，接受的波长范围400~750nm（Ps：可能具体数字不准确……）。将该Iphone4放到多远处可看清每个像素？

7.用波长为λ的平行光和球面光全息照相得到余弦光栅底片，其透过率函数为t(x,y)=t 0 + t1*cosk(x^2+y^2)/2Z.现用与水平面夹角为θ向右下入射的波长为2λ的平行光照射 该余弦光栅，问衍射场的组成及特点。

8.写出透镜的空间极限频率与仪器分辨本领的关系，物放在焦面F处。

9.一台光栅光谱仪，两个凹面镜的焦距均为30cm，接收用CCD宽度为2cm，分2000个像素。接收的波长范围是650~750nm，问光栅应如何选取？若入射光的宽度为1cm，应怎样选择透镜以符合其分辨率？

10.根据惠更斯原理，画出平行光正入射到负晶体上，晶体内和晶体外的o光e光传播方向、偏振方向和波前。光轴方向为与水平面夹角α。

11.两偏振片垂直放置，中间放有光程差（n0-ne）d=λ/2的晶片，初始时光轴平行第一 个偏振片放置，然后晶片以ωt的角速度旋转。I0的自然光垂直入射到第一个偏振片上，求I1（透过第一个偏振片的光）I2（透过晶片的光）及I3（透过第二个偏振片的光）。

版本2：

期中也是，考了好多概念和应用的题，不难不复杂，但是要是原理不清，很可能想不清楚 做不对（比如本人……）

Ps：光学本身很妙，但是上wsf的光学，一定随着他讲课的进度及时自学，否则到考试前 再自学恐怕内容太多来不及……ppt和蓝皮书结合看还是不错的。别的不说啥了，大家懂 得，想选光学的学弟学妹们先去试听一节再说。好自为之……

版本3： 填空题： 简述惠更斯原理 两束光相干的三个条件 两种干涉装置及举例 傍轴条件和远场条件

解答题

1、画出迈克尔孙星体干涉仪的简图，说明其巧妙性。

2、近视眼能不能看清等倾条纹？能不能看清等厚条纹？

3、已知波长，求光频率（这个比较简单……）

4、一个凸透镜在中间，左右是两个焦面。左焦面上有OQ两点源，O在光轴上，Q在光轴上方a处。写出两点波前函数（透镜前和透镜后，一共4个）和右焦面接受屏上的干涉条纹形状、间距。

5、凸透镜劈两半的那个干涉装置。画出干涉区域，求两像点连线中垂面接受屏上的干涉条纹形状、零级亮斑位置。

6、（比较怪诞的题）迈氏干涉仪装置的变型。但是n和h都是T的函数。已知dn/dT和dh/dT，还有初始时的n、h、λ，吞吐了80个条纹，求最后的温度。（主要是计算怪异……据说是270多度？）

7、杨氏干涉装置中光源宽度的问题。求极限宽度、极限缝距（和前面一问条件不同）和在第二问条件下缝距变为1/3时的衬比度。

8、已知相关数据，求迈氏干涉仪的测长精度、量程、讯号频率。

9、（书上习题的翻版）工件上有条沟，已知等厚干涉图样、条纹间距和条纹偏离距离，求沟深。

版本4：（送分题部分）

光场时间相干性和空间相干性的反比公式 惠更斯-菲涅尔原理的表述、做图、积分式 阿贝成像原理的表述、意义

四种光波的成分分析（一种平面，两种球面，一种球面加平面）费马定律的表述 用费马定律推导折射定律

（大题部分）

1、类似于对切透镜，但是只有上半部分。即平行光照射，一个凸透镜的上半部分在光轴 上，远处在3F处有个屏，求干涉条纹和一些性质。

2、等厚干涉检验验规是否等高、平整。和红书上那题类似。

3、已知电视机对角线长度，长宽比，分辨率，人眼直径，光波长，求在多远距离之外看电视比较合适。

4、全息图。把一平面波和一球面波（波长相等）的波前记录下来作为衍射光栅，用另一种波长是前两波一半的球面波去重现，求重现波。

5、衍射重复单元。结构单元是单缝，间距分别为a、2a、a、2a、……求衍射场。

6、平行光照射透射光栅。具体不记得了。但就是关于光栅性质的简单计算。（结果我还 是算错了……ft）

7、两个相同的余弦光栅垂直叠加。求频谱面上出现几个谱斑。然后是滤波：只需要cos（2πf（x+y））成分，画图说明怎么滤掉。

8、偏振片干涉。没做完，不说了。

版本5：

1.岸上一个信号发射器，发出电磁波，水面船上一个信号接收器。已知两者高度，电磁波波长。在一个距离D接收器收到加强信号，在D-80米处又收到。求D以及下一次收到加强信号的位置。

2.和现代光学基础4.18题类似。

版本6：

1、惠更斯-菲涅尔原理的内容、积分式与图示说明，并利用积分式说明为什么太阳看起 来是均匀发光的圆盘

2、阿贝成像原理的内容与意义

3、反射闪耀光栅相比投射光栅的优点

4、相衬显微镜的原理

5、布儒斯特角相关，说明对于平行玻璃板，上表面反射光为线偏振光时，下表面反射 光的偏振状态

6、布拉格衍射相关，说明寻找晶体衍射斑的方法及原因；以及微波衍射中，给定波长 时设计合适的晶面间距使得观察效果较好---------概念与计算的分割线-----------------

7、给定星体角间距，求望远镜的最小口径及对应的放大倍数

8、全息图相关，给定物光、参考光、与成像时的入射光，求屏函数与出射场的成分

9、单缝衍射中，将下半部分以折射率为n，厚度为d的啥（名字不记得了）覆盖，（其 实就是增加(n-1)d的光程），求新的衍射场，并在给定缝宽a与(n-1)d的条件下画出光强 分布图

10、透射光栅相关，给条件求光栅常数d、缝宽a、总长度D并说明衍射场情况11、4f系统相关，求正交密接的全同余弦光栅在频谱面上的光斑形状，并设计滤波器使 得像场与cos(2πf(x+y))成正比。

12、利用四分之一波晶片，求自然光与圆偏振光的混合光中两者的比例

13、偏振光相关，叫欧啥棱镜（名字又不记得了），画光路图并计算出射光夹角，类似 小红本习题指导3-14题，但光轴方向不同

第三篇：光学实验总结

2011年第一学期光学实验心得体会

生命科学学院

09级生科3班

余振洋

200900140156 2011/6/1

这个学期即将过去，而光学实验也已经全部结束了。老实说，虽然我是一名学习生物科学的理科生，但这却是我第一次正真意义上的接触到各种光学仪器，第一次深入了解不同的光学原理。因此在实验过程中，当每一次面对不同的仪器和不同的方法时，都需要一个了解和熟悉的过程，这也使得实验的过程显得不是那么的顺利，但总体来说还算平稳，自己也从中收获了很多。

在这个学期中，我跟随着四位不同的老师，学习和体验了六个不同的光学实验，分别是：应用最小偏向角法测定三棱镜的折射率；单色仪的调节与定标；偏振光的产生、检验及强度测定；小型旋光仪的结构、原理及使用；测量牛顿环直径并计算曲率半径；利用双棱镜干涉法测He—Ne激光波长。每做完一个实验，第一感想都是相同的：其实实验本身很简单，只要能够对实验原理有细致深入的了解，在过程中足够细心，很多之前出现过的问题和状况是完全可以避免的。

与此同时，对于我们所使用的这本《实验光学》教材，它在内容的编排上也有其独到之处。与以往的实验指导教材不同，它并不是将每次实验所涉及的实验目的、原理、实验仪器的操作、实验步骤堆在一起列举出来，而是首先将所有的实验原理、实验仪器的操作列举在了书的前面，而将从中发散思维而设计的实验的简洁的实验内容与之分开罗列。这样一来，在进行实验预习的时候就需要自己查阅课本及相关资料，再将它们串联起来。这个过程中就需要对本次实验所涉及的相关内容进行查询，了解设计实验的背景及相关资料，从而更好的认识到这次实验的目的及原理所在，学习前辈学者设计实验的思路及科学的思考问题和解决问题的方法，并且对其进行思考，从而有所发现，加深了对科学实验重要性的了解，明确了物理实验课程的地位，作用和任务。

在试验操作过程中，也培养了自己的动手能力，将学到的实验理论知识应用到实践能力，提高了将实验理论和实际的实验过程相结合的能力，对以后的实验操作及理论知识的学习打下了坚实的基础，有很大的促进作用。

在对实验结果分析的过程中，掌握了测量误差的基本知识，学会了正确处理实验数据的能力。这之中包括：测量误差的基本概念，直接测量量的不确定度计算，间接测量量的不确定度计算以及处理实验数据的一些重要方法。锻炼了分析问题及解决问题的综合能力，从实验过程所遇到的困难中，分析问题的症结所在，并从以往所学到的知识原理中寻找解决措施，从失败的实验结果中分析原因并找出解决方法，从成功的实验结果中分析成功的的关键所在，总结经验，以便下次实验的成功。

下面再对光学实验提出一点建议： 1． 关于实验仪器：

在整个的实验过程中，我想所有的同学包括老师们都知道，有些仪器在操作上并不是那么的准确，甚至是有问题的。而我们学生在使用时，事先并不知情，往往是做到第一组数据出来后或者已经进行到一半了才发现仪器的问题，这样不仅浪费了时间，也有可能打击同学们的积极性。不管是仪器老化还是维护技术的问题，我希望老师们能定时地做一次仪器检测，能调整的尽量调整，不能调整的，就在旁边做一个标注，说明这台仪器有问题，建议同学不要使用。

2.关于老师的教学方式：

我在一个学期的时间里接触到了四位老师，也体验到了不同的教学方式。但这之中，我觉得能带给我们更多启发的是教我们“应用最小偏向角测定三棱镜的折射率”的那位老师（不好意思，由于只接触了一次，我没能记住他的名字）。这位老师在讲解实验原理时，会把我们叫到一块儿，然后根据黑板上的图示，挨个提问我们。在我们说出自己对实验原理的理解后，老师会在此基础上进行正确的讲解并补充相应的细节。这一整个环节后，大家对实验原理就有了透彻的理解，也为接下来实验过程的顺利进行打好了基础。而虽然其他几位老师也都将实验原理及操作方法讲的很仔细，但毕竟只是单方向的输入，而且同时也不能排除有些同学压根就没预习，即使老师讲了以后也没搞懂，最后单纯只是依样画葫芦凑出实验数据了事，我想这样纯粹是浪费时间。而且我们组的成员都觉得，在那位老师和我们一起熟悉了实验原理后，各自都或多或少获得了一些启发性的东西，这样的话，该实验的意义便提高了一个层次了。3.关于实验报告：

每次做完实验，我们都会写一份实验报告，并在最后附上实验数据和针对数据的分析以及讨论。但是我们并不知道我们所回答的课后习题是否正确，而且也不知道我们所总结的实验收获是否完整，也无法了解其余同学的总结。所以希望老师们能在每次实验后将批改完的报告发给我们，以便我们进行自我修正，并提高自己的报告水平。有必要的话，还可以适当进行讲解，加深对实验的认识。4．关于实验内容：

由于时间有限，而实验的内容又很多，所以每个同学每学期只被安排做6个实验，所以很多好的、经典的物理光学实验，我们都没有机会去做，不免让人感到遗憾。比如说全息照相，当我听那些做过的同学讲其中的奥妙和乐趣时，心里那个羡慕啊。但是好像我们在大学阶段就再也无法接触到光学实验了，所以真的很遗憾。对于这点，我也没有很好的办法，毕竟我们不是本专业的学生，所以只能在这儿发一下小感慨了。

总之，我在基础光学实验中，学到了许许多多的东西，我在今后的学习生活中，一定会把它们用上的。最后，再一次对给予我们细致认真讲解和启发性指导的老师表达诚挚的谢意。

第四篇：电子材料与器件总结

Chapter 1.Introduction 1.What are electronic materials? 电子材料是用在电子电气工厂的材料，它们是电子器件和集成电路制造的基础。2.What are the functional electronic materials? 功能电子材料是指除强度性能外，还有特殊功能，或能实现光电磁热力等不同形式的交互作用和转换的非结构材料。

3.What are the basic requirements of modern society to electronic materials? 1.高纯度与完美的晶体结构。2.先进的制造技术。3.大尺寸。

4.寿命长且可控。5.具有优异结构与功能特性。6.减少污染节约能源。4.What is the future direction for the development of advanced electronic materials?

先进复合材料 有机电子材料 电子薄膜材料 5.What is Moore’s law?

集成电路上可容纳的晶体管数目将在每三年变成原来的4倍。

Chapter 2.Elementary materials science concepts 1.Please explain the shell model of atomic structure and sketch that for sodium.壳模型是基于波尔模型的。原子核：带正电的质子与中性的中子。原子序数：核电荷数。电子：质量极小，带负电，在原子中绕电子核旋转。核外电子排布：泡

利不相容定理、能量最低原理、洪特定理。

2.What’s the force between the two atoms when their separation is above the bond length, equal to the bond length and below the bond length? What are the net force and potential energy in bonding between two atoms?

距离大于键长时合力为吸引力，等于键长时合力为0，小于键长时合力为斥力。力为势能相对距离的导数。当两个原子距离无穷远时，几乎不相互作用，势能为0.当两个原子在吸引力作用下靠近时，势能逐渐下降，到达平衡位置时，势能最低。当原子距离进一步接近，要克服排斥力，使得势能重新升高。把平衡位置距离下对应的势能定义为结合能。

3.Please list three kinds of the primary bonds and the typical material.共价键：H2, CH4

金属键: copper.离子键: NaCl, ZnS.4.Please list two kinds of the secondary bonds and the typical material.诱发偶极矩: H2、CH4 氢键: H20.5.What’s the bond for semiconductors?

许多重要的半导体都是极化共价键，是一种混合键。6.What’s the origin of the Van der Waals bond? Please explain the formation of the hydrogen bond and induced dipole, respectively.范德华键：产⽣于分⼦或原⼦之间的静电相互作⽤

氢键：氧原子中的电子在远离氢原子的地方聚集，水分子是极性的有一个电偶极矩。水中各种偶极矩之间的引力引起范德华键，当一个偶极子的正电荷来自一个暴露的氢核时，范德华键便称作氢键。

诱发偶极矩：两个原子由于电子波动的同步性诱发电偶极矩彼此互相吸引。7.Please draw the body centered cubic and tetragonal crystal structure.8.What’s the miller index of the crystal plane?

9.Please draw the crystal direction and crystal plane in a cubic crystal.[110](110)

[111](111)

[12 1](12 1)10.Please describe different kinds of crystal defects.点缺陷：引起晶格周期性的破坏发生在一个或几个晶格常数范围内的缺陷。线缺陷：晶格周期性的破坏发生在晶体内部一条线的周围近邻。面缺陷：密排晶体中原子面的堆积顺序出现了反常所造成的缺陷。11.How to determine a Burger’s vector for a dislocation in a crystal? What’s the difference between the Edge dislocation and Screw dislocation? 在实际晶体中作一伯格斯回路，在完整晶体中按其相同的路线和步伐作回路，自路线终点向起点的矢量，即伯格斯矢量。伯格斯矢量垂直于刃位错线。伯格斯矢量与位错线平行。

刃型位错必须与滑移方向slipping direction垂直，也垂直与滑移矢量slipping vector.螺旋位错线平行于滑移方向。12.What are the characteristics at grain boundary? 晶界两侧晶粒的晶体结构相同，空间取向不同。

Point group点阵：从晶体结构中抽象出来的几何点的集合称之为晶体点阵 Basis 基元：原子、分子或多个原子构成的集团

Chapter 3.Dielectric materials and devices 1.What are the direct and converse piezoelectric effect?

Direct piezoelectric effect 正压电效应: 晶体在机械力作用下，一定方向产生电压，机械能转换为电能的过程。

Converse piezoelectric effect 逆压电效应: 在外电场激励下，晶体某些方向产生形变现象，电能转换为机械能的过程。2.What is the domains?

电畴：电偶极矩具有相同方向的区域称为电畴。

3.Please explain the polarization process for the piezoelectric ceramic..对压电陶瓷施加电场，可以使电畴有序排列，发生极化。施加外电场时，电畴的极化方向发生转动, 趋向于按外电场方向的排列, 从而使材料得到极化。4.Please draw the polarization versus stress for piezoelectric ceramic.5.Please give the piezoelectric equation and explain the parameters.极化感应电荷的大小与所加力的大小成比例，极性与力的方向有关:

d为压电系数

6.Please list at least three important piezoelectric material.Single crystals 单晶 Polycrystalline ceramics 陶瓷 Polymer 高分子聚合物 Thin films 薄膜

7.Why can’t a static force be measured by the piezoelectric sensor? 理论上来讲，如果施加在晶片上的外力不变，积聚在极板上的电荷无内部泄漏，外电路负载无穷大，那么在外力作用期间，电荷量将始终保持不变。但这是不存在的,漏电阻会很快泄放掉其上的电荷。

8.How to improve the sensibility of the piezoelectric sensor using Electrometer circuit? t=R(Ca+Cc+Ci)被测作用力变化缓慢，此时如果测量回路时间常数也不大，就会造成传感器的灵敏度降低。为了增大压电传感器的工作频率范围，必须增大时间常数。增大测量回路的电容来提高时间常数τ，则会影响电压灵敏度，通常用增加电阻来提高时间常数。

9.Please list the application of piezoelectric sensors.压电加速度传感器 压电压⼒传感器 超声波流量计

10.Please give the frequency response for a PZT and explain the origination for each section.直流响应为0，然后有一平坦区间，接着有一谐振峰，然后快速下降。第一个区间是由于压电材料的漏电组引起的，第三个区间是由于传感器机械结构的共振引起的。

11.How to measure the flow velocity of liquid by the piezoelectric sensor? 它采用两个声波发送器(SA和SB)和两个声波接收器（RA和RB）。同一声源的两组声波在SA与RA之间和SB与RB之间分别传送。它们沿着管道安装的位置与管道成θ角。由于向下游传送的声波被流体加速，而向上游传送的声波被延迟，它们之间的时间差与流速成正比。

第五篇：光电子器件概念总结

1.光的基本属性：光的波粒二象性。

2.激光的特性：方向性好、单色性好、亮度高、相干性好。

3.玻尔假说：定态假设和跃迁假设。定态假设：原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的能量只能采取某些分立的值，而不能采取其它值。跃迁假设：只有当原子从较高能量的定态跃迁到较低能量的定态时，才能发射一个能量为h的光子。

4.光与物质的共振相互作用的三种过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射。

5.自发辐射跃迁几率的意义：在单位时间内，E2能级上N2个粒子数中自发跃迁的粒子数与N2的比值；也可以理解为每一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生自发跃迁的几率。

6.自发辐射跃迁寿命：粒子在E2 能级上停留的平均时间称为粒子在该能级上的平均寿命，简称寿命。τ=1/A21 7.亚稳态：寿命特别长的激发态称为亚稳态。

8.受激辐射的光子性质：放出光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致。9.受激吸收和受激辐射这两个过程的关系及其宏观表现：在外来光束照射下，两能级间受激吸收和受激辐射这两个过程总是同时存在，相互竞争。当吸收过程比受激辐射过程强时，宏观看来光强逐渐减弱；反之，当吸收过程比受激辐射过程弱时，宏观看来光强逐渐加强。

10.受激辐射与自发辐射的区别：最重要的区别在于光辐射的相干性，由自发辐射所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一定的任意性，而受激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激发的光子高度一致，即有高度的简并性。

11.光谱线加宽现象:实际上光强分布总在一个有限宽度的频率范围内,每一条谱线都有一定的宽度, v = v0只是谱线的中心频率.这种现象称为光谱线加宽。

12.谱线加宽的原因:由于能级有一定的宽度。

13.谱线加宽的物理机制分为哪两大类？它们的区别？

可以根据谱线加宽的物理机制，将谱线加宽分为均匀加宽和非均匀加宽。

均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的。发光粒子的光谱因物理因素加宽后中心频率不变,由它们迭加成的光源光谱形状与发光粒子相同。主要包括自然加宽、碰撞加宽和热振动加宽等。谱线形状是洛伦兹形的。非均匀加宽：引起谱线加宽的物理因素对介质中的每个发光原子不一定相同，每个发光原子所发的光只对谱线内某些确定的频率。发光粒子的光谱因物理因素使得中心频率发生变化,由它们迭加成的光源光谱形状与发光粒子不同。主要包括多普勒加宽和残余应力加宽。谱线形状是高斯形的。14.谱线加宽对原子与准单色光辐射场相互作用的影响:由于发光粒子的谱线加宽，与它相互作用的单色光频率不一定精确等于粒子中心频率时才发生受激跃迁。而在v’=v0附近范围内，都能产生受激跃迁。当v‘=v0时跃迁几率最大，v’ 偏离v0跃迁几率急剧下降。

15．参与普通光源的发光的光与物质共振相互作用过程:受激吸收和自发辐射。

16.激光产生的必要条件和充分条件:必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式；充分条件：起振和稳定振荡。

17.激光器的基本结构及其各部分的作用:激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔。泵浦源：实现粒子数反转分布状态。光学谐振腔：减少振荡模式数。

18.增益饱和现象: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时，增益系数将减小，这种现象称为增益饱和现象

19.二能级系统为什么不能充当激光工作物质？光抽运可以将粒子从低能级抽运到高能级。在二能级系统中，由于发生受激吸收和受激辐射的几率是相同的（B12=B21），最终只有达到两个能级的粒子数相等而使系统趋向稳定。20.三能级和四能级系统如何实现粒子数反转？为什么四能级系统比三能级系统的效率高？

E1为基态，E2、E3 为激发态，中间能级E2为亚稳态。在泵浦作用下，基态E1的粒子被抽运到激发态E3上，E1上的粒子数N1随之减少。但由于E3能级的寿命很短，粒子通过碰撞很快地以无辐射跃迁的方式转移到亚稳态E2上。由于E2态寿命长，其上就累积了大量的粒子，即N2大于N1，于是实现了亚稳态E2与基态E1间的粒子数反转分布。

四能级系统是使系统在两个激发态E2、E1之间实现粒子数反转。因为这时低能级E1 不是基态而是激发态，其上的粒子数本来就极少，所以只要亚稳态E2上的粒子数稍有积累，就容易达到N2 大于N1，实现粒子数反转分布，在能级E2、E1 之间产生激光。于是，E3 上的粒子数向E2 跃迁，E1上的粒子数向E0 过渡，整个过程容易形成连续反转因而四能级系统比三能级系统的效率高。21.激光的纵模和横模:光场沿轴向传播的振动模式称为纵模；激光腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布称为激光的横模。22.激光横模形成的主要因素:激光横模形成的主要因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用。23.激活离子:为产生激光发射作用而掺入的离子。

24.固体激光器的基本构成:工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统。25.红宝石激光器的激活离子和能级系统:Cr3+ 三能级系统。26.Nd3+:YAG的能级系统:四能级系统。

27.He-Ne激光器的基本结构？其中激光管主要包括哪三部分？激光管和激光电源。放电管、电极和光学谐振腔。

28.在He-Ne激光器中，为保证632.8nm谱线起振并提高其输出功率, 设法抑制3.39μm谱线的振荡所采取的方法？棱镜色散法；腔内放置甲烷吸收盒；外加非均匀磁场法

29.双简并半导体的能带特点：半导体中存在两个费米能级。两个费米能级使得导带中有自由电子；价带中有空穴。

30.pn结如何形成双简并能带结构：当给P－N 结加以正向电压V时，原来的自建场将被削弱，势垒降低，破坏了原来的平衡，引起多数载流子流入对方，使得两边的少数载流子比平衡时增加了，这些增加的少数载流子称为“非平衡载流子”。这种现象叫做“载流子注入”。此时结区的统一费米能级不复存在，形成结区的两个费米能级EF+和EF-，称为准费米能级。它们分别描述空穴和电子的分布。在结区的一个很薄的作用区，形成了双简并能带结构。31.同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 ：单向导电性

32.从提高双异质结型半导体激光器的性能要求出发,对异质结两侧的材料的技术要求：(1)要求两种材料的晶格常数尽可能相等,若在结合的界面处有缺陷,载流子将在界面处复合掉,不能起到有效的注入、放大和发光的作用;(2)为了获得较高的发光效率,要求材料是直接跃迁型的;(3)为了获得高势垒,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。

33.双异质结型半导体激光器结构：双异质结（DH)LD由三层不同类型的半导体材料构成，不同材料发不同的波长。结构中间一层窄带隙P型半导体为有源层，两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体是限制层，三层半导体置于基片上，前后两个晶体解理面为反射镜构成谐振腔。光从有源层沿垂直于PN结的方向射出。34.光波导的分类：（1）平板波导、（2）矩形波导、（3）圆柱形波导

35.以非对称型平板介质波导为例，平板介质中可能存在的模式？以及相应的入射角与全反射角的关系？ 包层模、衬底模和导模θ1<θc13<θc12，θc13<θ1<θc12，θc13<θc12<θ1 36.从平板介质波导中的导波的特征方程，入射角与模序数的关系：由特征方程还可以看出，在其他条件不变的情况下，若θ1减小，则m增大，因而表明高次模是由入射角θ1较小的平面波构成的。

37.截止波长是的定义：当θ1=θc12 时处于截止的临界状态，导波转化为辐射模，此时的波长就是该模式的截止波长。

38.在非对称型平板介质波导所有模式中，截止波长最长的模式？以及单模传输的条件？TE0模的截止波长最长。λc(TM0)<λ0<λc(TE0)39.在对称型的平板介质波导中的两种特殊的现象：当TEm模出现时TMm模也伴随出现的兼并现象和没有截止现象。40.光纤的基本结构：由折射较高的纤芯和折射率较低的包层组成。

41.光纤涂覆层的作用：涂覆层的作用则是隔离杂散光、提高光纤强度和保护光纤等。

42.光纤是否为单模传输与什么有关：与光纤自身的结构参数和光纤中传输的光波长有关。

43.渐变型光纤与阶跃型光纤的区别：渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的增加而递减直到等于包层的折射率

44.光调制：光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上 45.这些参数包括：光波的振幅、位相、频率、偏振、波长等。

46.什么是内调制，什么是外调制：振幅内调制是将要传输的信号直接加载于光源，改变光源的输出特性来实现调制。外调制是在光源外的光路上放置调制器，将要传输的信号加载于调制器上，当光通过调制器时，透过光的物理性质将发生改变，实现信号的调制。

47.调制的波形特点：调幅波的振幅（包络）变化规律与调制信号波形一致；调幅度ma反映了调幅的强弱程度

48.电光效应：某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变

49.KDP晶体在外加电场时，折射率椭球体的变化：KDP晶体沿 z（主）轴加电场时，由单轴晶变成了双轴晶体，折射率椭球的主轴绕z轴旋转了45o角，此转角与外加电场的大小无关，其折射率变化与电场成正比。

50.什么是纵向电光效应，什么是横向电光效应？电场方向与通光方向一致, 称为纵向电光效应;电场与通光方向相垂直, 称为横向电光效应。

51.半波电压：当光波的两个垂直分量Ex’ , Ey’ 的光程差为半个波长(相应的相位差为π)时所需要加的电压，称为“半波电压”。52.电光强度调制器件的器件组成及工作原理：①起偏器、电光晶体、检偏器、1/4波片。②当一束线偏振光沿着 z 轴方向入射晶体, 且 E 矢量沿 x 方向，进入晶体(z=0)后即分解为沿 x’ 和 y’方向的两个垂直偏振分量。由于二者的折射率不同, 则沿x’ 方向振动的光传播速度快, 而沿 y’ 方向振动的光传播速度慢, 当它们经过长度 L 后所走的光程分别为 nx’L 和ny’L, 这样, 两偏振分量产生相位延迟，这个相位差作用就会改变出射光束的偏振态。如果在晶体的输出端放置一个与入射光偏振方向相垂直的偏振器，当晶体上所加的电压变化时。从检偏器输出的光只是椭圆偏振光的Y向分量，因而可以把偏振态的变化变换成光强度的变化

53.电光开关原理：电光开关的基本结构与电光调制器类似。在晶体前后放置两块通光方向相互垂直的偏振片，根据晶体性质，在两端加上相应的半波电压，使得进入晶体的偏振光在经过晶体后的偏振方向改变了 /2，正好与检偏器的通光方向一致，因而光波能完全通过，相当于开关接通的情况；如果不加电压，使得从晶体中出射光的偏振方向与检偏器的通光方向垂直，光波完全被阻挡，相当于开关断开的情况。

54.声光效应：声波在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。超声场作用的这部分如同一个光学的“相位光栅”，该光栅间距(光栅常数)等于声波波长s。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。

55.光相互作用的两种类型及其区别：拉曼—纳斯衍射：超声波频率较低。布拉格衍射：声波频率较高。56.声光体调制器的组成：声光介质、电—声换能器、吸声(或反射)装置及驱动电源等。

57.声光调制的工作过程：根据声光调制器的工作过程，首先是由电—声换能器把电振荡转换成超声振动，再通过换能器和声光介质间的粘合层把振动传到介质中形成超声波，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。

58．磁光调制的工作过程：磁光调制是电信号先转换成与之对应的交变磁场，由磁光效应改变在介质中传输的光波的偏振态，从而达到改变光强度等参量的目的。

59.光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件。

60.光电探测的物理效应的三大类：光电效应、光热效应、波扰动效应。

61.光电效应：光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生电动势，这些因光照引起物体电学特性改变的现象，统称为光电效应。

62.光热效应：器件吸收入射辐射功率产生温升，温升引起材料某种有赖于温度的参量的变化，检测该变化，可以探知辐射的存在和强弱。

63.内光电效应以及包括的两类效应：光子激发的载流子(电子或空穴)将保留在材料内部，主要包括光电导效应和光伏效应。64.光电导效应：光电导效应是光照变化引起半导体材料电导变化的现象

65.光伏效应：光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。

66.光生伏特效应过程：当光照射pn结时，只要光子能量大于禁带宽度，无论p区、n区或结区都会产生少数载流子。那些在结附近n区中产生的少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，总有一定概率扩散到结界面处，它们一旦到达pn结界面处，就会在结电场作用下被拉向p区。同样，如果在结附近p区中产生的少数载流子扩散到结界面处，也会被结电场迅速拉向n区。结内产生的电子-空穴对在结电场作用下分别被移向n区和p区。如果电路处于开路状态，光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，使pn结获得光生电动势。

67.光子器件和热电器件的区别：光子器件响应波长有选择性，热电器件波长无选择性，光子器件响应快，热电器件响应慢。69.为什么光电探测器存在噪声？光探测器会有哪些噪声？在光电转换过程中，半导体中的电子从价带跃迁到导带，或者电子逸出材料表面等过程，都是一系列独立事件，是一种随机的过程。每一瞬间出现多少载流子是不确定的，所以随机的起伏将不可避免地与信号同时出现。尤其在信号较弱时，光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性。光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、产生—复合噪声、光子噪声、热噪声和低频噪声。