光电子总结

第一篇：光电子总结

周口师范学院2013~2014学年度第二学期期末考试

《光电子学基础 》试卷

物理与机电工程学院 光电子技术科学专业 李洁 201105100039

激光器的种类和应用

激光器的种类

按功率分:超大功率、大功率、中功率、小功率激光器.按输出激光连续性状况分：连续激光器、脉冲激光器；按泵浦方法分：光泵浦激光器、电泵浦激光器等。一般按激光工作物质的类型来划分:气体.液体.固体.半导体激光器

气体激光器

以气体为工作物质的激光器。

目前应用最广泛的一类激光器：小功率He-Ne激光器，大功率二氧化碳激光器等。大多数能连续工作，激励过程中涉及能级较固定，采用气体放电中的电子碰撞激发。根据能级跃迁类型，又分为原子、离子、分子、准分子型气体激光器。

1.原子气体激光器

工作物质：中性气体原子。

典型代表：He-Ne激光器。其激活介质按He:Ne=1:10填充，氖提供激光跃迁能级

2.离子气体激光器

工作物质：离子气体。

输出波长：大多在紫外和可见光区域，输出功率比原子气体激光器高。

3.分子气体激光器

工作物质：中性气体分子的激光器。

代表: CO2激光器，其能级与分子的振动和转动有关。充气：

又可分为直流放电型、横向放电大气压(TEA)型和波导型

4.准分子激光器

工作物质：稀有气体或稀有气体与卤素气体的混合气体，液体激光器

激光工作物质：液体。

可分为无机液体激光器和有机液体激光器。染料激光器最有代表性，典型例子：若丹明6G染料激光器。

固体激光器

激光工作物质：生长期间人为掺入杂质原子的晶体。

特点：体积小，结构稳，易维护，输出功率大且适于调Q产生高功率脉冲、锁模产生超短脉冲

典型例子：红宝石激光器、Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激光器）、钛蓝宝石激光器等。半导体激光器

工作物质：半导体材料（主要是化合物半导体）

泵浦：电流注入

激光器的应用

继固体激光器后, 气体激光器、化学激光器、染料激光器、原子激光器、离子激光器、半导体激光器、X 射线激光器和光纤激光器相继问世, 运用范畴也扩展到比如电子、轻工、包装、礼物、小五金工业、医疗器械、汽车、机械制作、钢铁、冶金、石油等, 为传统工业的技能改造和制作业的现代化供给领先的技能装备。

激光与通常光对比有4个特性即: 单色性(单一波长)、相干性、方向性和高光强。激光束易于传输, 其时刻特性和空间特功用够别离操控, 经集合后可得到极小的光斑, 具有极高功率密度的激光光束能够熔化、气化任何资料, 也可对资料的有些区域进行精细疾速加工。加工过程中输入工件的热量小,热影响区和热变形小;加工功率高;易于完成自动化。激光技能是一门归纳性高新技能, 触及光学、机械学、电子学等学科。一样, 激光加工设备也触及到很多学科, 因此决议了它的高科技性和高收益率。纵观世界和国内激光运用状况经过多年的研讨开发和完善, 今世的激光器和激光加工技能与设备已适当老练, 形成了系列激光加工技能。

我们来介绍激光加工技能在金属切开、焊接方面的运用状况。激光切开的特色及运用

激光切开是当时各国运用最多的激光加工技能, 在国外许多范畴, 例如, 汽车制作业和机床制作业都选用激光切开进行钣金零部件的加工。跟着大功率激光器光束质量的不断提高, 激光切开的加工目标规划将愈加广泛, 简直包含了一切的金属和非金属资料。例如能够运用激光对高硬度、高脆性、高熔点的资料进行形状杂乱的三维立体零件切开, 这也正是激光切开的优势地点。

激光切开的几项关键技能是光、机、电一体化的归纳技能。激光光束的参数、机器与数控体系的功用和精度都直接影响激光切开的功率和质量。激光切开的精准度、功率和质量因不一样的参数而改动, 如切开功率、速度、频率、资料厚度及原料等, 故操作人员的丰厚经历特别重要。

激光切开的首要长处

(1)切开质量好: 切断宽度窄，精度高、切断外表粗糙度好, 切缝通常不需求二次加工即可焊接。

(2)切开速度快, 例如选用2kW激光功率, 厚度8mm的碳钢切开速度为1.6m/min;厚度2mm的不锈钢切开速度为3.5m/min, 热影响区小, 变形极小。

(3)清洗、安全、无污染, 大大改进了操作人员的作业环境。

激光切开归于非触摸光学热加工, 被誉为“永不磨损的全能东西”。工件能够进行恣意方法的严密排料或套裁, 使原资料得到充分运用。因为对错触摸加工, 加工后的零件的歪曲表象降至最低并减少了磨损量。

其实激光切开亦有其不足之处, 就精度和切断外表粗度而言, 激光切开未能超越电加工, 就切开厚度而言难以达到火焰和等离子切开的水准。别的它亦不能像转塔冲床一样进行成型、攻牙及折边等。

激光切开的典型运用汽车范畴的运用

领先的三维激光设备, 不光能够完成车体零件的切开, 还可完成整个轿车车身全体的切开、焊接、热处理、熔覆、乃至三维丈量, 然后完成惯例加工无法完成的技能需求。德国通快公司的三维激光设备在奔、通用公司、福特公司、雷诺公司、SKODA公司、欧宝公司、SAAB公司、VOLVO公司和戴姆勒一克莱斯勒公司成功地运用多年。航空范畴的广泛运用

世界上很多的航空发动机公司选用三维激光设备进行燃烧器段的高温合金资料的切开和打孔使命, 在军用和民用航空器的铝合金资料或特别资料的激光切开都获得了成功。

2.激光焊接的特色及运用

激光焊接是一种高速度、非触摸、变形极小的焊接方法, 十分合适很多而接连的在线加工。跟着激光设备和加工技能的开展, 激光焊接才能也在不断增强。当前, 运用4kW的C02激光器焊接1mm的板材, 焊接速度高达20m/min, 例如, 汽车职业的轿车箱底的大板拼接焊接作业等。激光焊接的方法首要有传导焊和穿透焊2 种。当前全球的激光运用首要以穿透焊为主。近些年来, 高功率万瓦级激光器在机械、汽车、钢铁等工业部门获得了日益广泛的运用。

激光焊接机与其他焊接技能对比, 首要长处是:

(1)激光焊接速度快, 焊缝深宽比很大(可达5~10), 变形小。

(2)合适于精细件、箱体件和有密封需求焊接件的加工。激光束经集合后可获得很小的光斑, 能精细定位, 可运用于大批量自动化出产, 不只出产功率大大提高, 且热影响区小, 焊点无污染, 大大提高了焊接的质量。

(3)激光焊缝机械功用好, 通常焊缝的机械功用均强于母材。

激光焊接的典型运用激光焊接汽车用大板拼接的运用

为了满意汽车职业对宽幅钢板和特别功用钢板的需求, 经过激光焊接进行大板拼接, 满意汽车厂大型三维功用冲压件的需求。全球汽车制作商都已完成此类部件的激光焊接运用。例如, 奔驰、宝马、通用、丰田、欧宝SAAB、戴姆勒一克莱斯勒等很多公司都早已运用。能够把1m宽的冷轧钢板, 经过激光焊接, 拼成2m 宽的钢板。激光焊接在齿轮加工方面的运用

激光焊接齿轮的技能从根本上改动了传统的描绘和制作理念, 为齿轮箱体类部件的加工供给了非常好的经济性和更为紧凑的布局。运用激光焊接齿轮技能, 需求先加工整个环状长齿圈, 然后截成若干个齿圈, 再别离依据齿轮箱的需求焊在传动轴上

激光加工技能已在很多范畴得到广泛运用, 跟着激光加工技能、设备、技能研讨的不断深入, 将具有更宽广的运用远景。

第二篇：光电子技术

光电子技术

1.世界上第一台激光器，由修斯研究室的梅曼研制，并最终在1960年成功运转。（红宝石激光器）

2.黑体：能够完全吸收任何波长的电磁辐射。

3.跃迁：原子中的电子在特定的轨道上运动，并具有能量，各能量级能量不连续，当原子从某一能级吸收或释放了能量，转移到另一能级时，就称为跃迁。4.自发辐射：处于高能级E2上的原子自发的向低能级E1跃迁，并发射一个频率v=（E2-E1）/h的光子的过程称为自发辐射跃迁。5.受激辐射：处于高能级E2上的原子在频率为v=（E2-E1）/h的辐射场激励作用下或在频率为v=（E2-E1）/h的光子诱发下，向低能级E1跃迁并辐射出一个与激励辐射场光子或诱发光子的状态(包括频率、运动方向、相位等)完全相同的光子的过程称为受激辐射跃迁。

6.受激吸收：受激辐射的反过程为受激吸收过程，一般也称作吸收。

7.激光产生的基本原理：在受激辐射跃迁的过程中，一个诱发光子可以使处在上能级上的发光粒子产生一个与该光子状态完全相同的光子，这两个光子又可以去诱发其他发光粒子，从而产生更多状态相同的光子。必要条件：使激光工作物质处于粒子束反转状态。粒子束反转：采用诸如光照、放电等方法从外界不断地向发光物质输入能量，把处于下能级的发光粒子激发到上能级去，便可使上能级E2的粒子数密度超过下能级E1的粒子数密度的状态。此时，受激辐射大于受激吸收。

8.激光器构造：由三部分构成，包括激光工作物质(基质与激活粒子)、泵浦源（对激光工作物质进行激励）和光学谐振腔（得到稳定、持续、有一定功率的高质量激光输出）。9.激光粒子的能级系统：1三能级系统2四能级系统（P9页）

10.光学谐振腔：是常用激光器的三个主要组成部分之一。它是在激活物质两端适当位置放置两个反射镜组成。主要作用：1.提供光学正反馈作用。2.产生对振荡光束的控制作用。11.谐振腔的Q值：品质因数Q=ωW/ρ,式中ω为角频率，W为存储在谐振腔内的能量，ρ为每秒损失的能量。（P21页）12.横模：激光光束横截面上稳定的光场分布称之为横模。

13.激光纵模：激光器谐振腔内获得振荡的几种波形（波长稍微不同）沿光轴方向的分布。14.纵模的选择:1短腔法：两个相邻纵模间的频率差Δνq=νq-νq-1=c/2L’

(L’=(L-l)+nL表示谐振腔的光学长度；n晶体折射率，L物理长度，l晶体长度，c表示真空中的光速）例：在氦氖激光器中，其荧光谱线ΔνF约为1500MHZ。若激光器腔长为10cm，则纵模间隔Δνq为Δνq= c/2L’=3*108m/s /2*1*10*10-2m=1500MHZ 15.稳频技术:通常讲的频率的稳定性包括两方面：一是“稳定度”，指的是激光器在连续工作期间内它的频率该变量Δν’在振荡频率ν中所占的比例，即

Δν’/ν。二是“复现度”，指的是同样设计、同样方法制成的激光器在同样条件下使用时相互之间的频率偏差，或是在完全不同设计、和不同条件下，用相同的能级跃迁所制成的激光器，其振荡频率与与原子跃迁中心频率的偏差，如果这方面的偏差用Δν表示，则其在ν中所占比例Δν’’/ν称为复现度。

16.固体激光器：一般采用光激励（泵浦灯），其能量转换环节多，所以效率低。（光的激励能量大部分转换为热能）。气体激光器：一般采用电激励，其效率高、寿命长，长采用连续方式。

17.掺钕钇铝石榴激光器（YAG）：典型的四能级系统，激光波长为1.0641μm，优点是阈值功率低，可以做成连续激光器，输出功率已达千瓦量级。激光输出为多纵模。每次脉冲

’’输出功率在几千瓦以上。

18.红宝石激光器：属于三能级激光器，是最早的一种激光器。它的效率比较低，但由于它发射694.3nm的红光且能得到相干性好的单模输出，当研究顺便过程的全息照相时，作为可见光脉冲光源是比较合适的。

19.尖峰振荡效应：不加任何特殊装置的固体脉冲激光器，在一次输出中，激光脉冲的宽度大约是ms数量级。经过仔细的观察和分析会发现，这个脉冲并不是平滑的，而是包含着很多宽度更窄的短脉冲序列。而且随着激励的增强，短脉冲的时间间隔会更小。这种现象被称做弛豫振荡效应或尖峰振荡效应。其定性解释：一个短脉冲形成和消失，可以由激光系统反转粒子数密度的增减变化来解释。造成系统反转粒子数密度增加的因素是光泵浦，其增加速率在一个短脉冲序列的消长过程中可以看成是不变的。是反转粒子数密度减少的因素是受激辐射，其减少速率则是因腔内光子数密度的多少而变化。20.调Q技术原理：初期它处于关闭状态（Q值很低），抑制受激辐射的作用，在泵浦抽运工作一段时间后，突然将Q值提高（Q开关导通），上能级粒子瞬间释放，获得高功率巨脉冲。（腔内储存的能量通过受激辐射一下释放出来，瞬间达到获得高功率巨脉冲的目的）。

21.电光调Q激光器 ：（电光效应：对于某些晶体经过特殊方向的切割后，如果在某个特定的方向上外加电压，就可以通过它的线偏振光改变振动方向。）原理流程图如下（P60页）

22.声光Q开关原理：声光介质在超声波的作用下，介质的折射率会发生周期性的变化，使介质变成为正弦相位光栅，当光通过此介质时，由于衍射会造成光的偏折。如果这个装置放在激光器腔内，就会增加损耗改变腔的Q值。

其流程如下：（Ｐ６１页）

23.三基色：本质是三基色具有独立性，三基色中任何一色都不能用其余两种色彩合成。三基色具有最大的混合色域，其他色彩可由三基色按一定的比例混合出来，并且混合后得到颜色数目最多。红、绿、蓝为色光三基色。为了统一认识，１９３１年国际照明委员会规定了三基色的波长：红光为７００．０ｎｍ，绿光５４６．１ｎｍ，蓝光为４３５．８ｎｍ。

24.相加混色原理 ：由两种或两种以上的色光相混合时，会同时或者在极短时间内连续刺激人的视觉器官，使人产生一种新的色彩感觉。称这种色光混合为加色混合。这种由两种以上色光相混合，呈现一种色光的方法称为色光加色法。

25.激光显示技术：分三种类型；第一种是激光阴极射线管LCRT（laser cathode tube）,其基本原理是用半导体激光器代替阴极射线显像管荧光屏的一种新型显示器件；第二种是激光光阀显示，基本原理是激光束仅用来改变某些材料（如液晶等）的光学参数（如折射率或透过率）而再用另外的光源使这种光学参数变化而形成的像投射到屏幕上，从而实现图像显示；第三种是直观式（点扫描）电视激光显示，它是将经过信号调制过的RGB三色激光束直接通过机械扫描方法偏转扫描到显示屏上。

26.德国 Jenoptik 公司ＲＧＢ全固态激光器光路图：Oscillator振荡器；Amplifier放大器；SHG倍频，频率增加一倍，波长减少一半;SFM和频;OPO（Optical Parametric Oscillation）光学参量振荡器；AOM（Acoustic Optical Modulator）声光调制器；KTA crystal（KTA晶体，砷酸钛氧钾）；LBO晶体（三硼酸锂）；流程图如下：（p113页）

27.光电探测器的物理效应：通常分为两大类：光子效应和光热效应。光子效应：指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应，对光波频率表现出选择性，在光子直接与电子相互作用的情况下，其影响速度一般比较快。（光电效应：在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流。）光热效应：指材料收到光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，由于温度的变化而造成物质的电学特性变化。

28.光电发射效应：在光照下，物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象，称为光电发射效应。爱因斯坦方程：Ek=hυ—Eψ，Ek=mv/2是电子离开发射体表面时的动能；m是电子质量；v是电子离开时的速度；hυ是光子能量，Eψ是光电发射体的功率函数。光电发射效应发生的条件：υ≥Eψ/h≡υc（入射光波的截止频率），或用波长表示时：λ≤hc/ Eψ≡λc（截止波长）。

29.光电导效应：在光线作用下，对于半导体材料电导率吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值降低，这种现象称为光电导效应。（P148页）30.光伏效应：如果光导现象是半导体的材料的体效应，那么光伏现象则是半导体材料的“结”

效应。当照射光激发出电子-空穴对时，电势垒的内建电场将把电子-空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，形成光生伏特效应。（光照零偏PN结产生开路电压的效应，又称光伏效应。）31.温差电效应：当两种不同的配偶材料（可以是金属或半导体）两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势，回路中就有电流流通。如果把冷端分开并与一个电流表连接，那么当光照熔接端时，熔接端吸收光能使其温度升高，电流表就有相应的电流读数，电流的数值间接反映了光照能量的大小。——用热电偶来探测光能的原理。

232.热释电效应：当强度变化的光打到晶体上，引起材料温度变化——电极化强度发生变化——面电荷发生变化——产生热释电电流。压电晶体：发生压电效应的晶体。压电效应：某些晶体在特定的方向上施加外力，那么就会在某两个表面产生面电荷，当外力消失，晶体回到不带电。

33.量子效率η：灵敏度R从宏观描述了光电探测器的光电、光谱以及频率特性，量子效率则是对同一问题的微观-宏观描述。

η=hυRi/e（Ri电流的灵敏度），光谱量子效率

：ηλ =hcRiλ/eλ

(c是材料的光速)34.归一化探测度D*：

D*大的探测器其探测能力一定好。

35.光电导探测器——光敏电阻：利用光电导效应而工作的探测器。光电导效应是半导体材料的一种体效应，无需形成PN结，故又常称为无结光电探测器。这种元件在光照下会改变自身的电阻率，光照愈强，元件自身的电阻率愈小，因此常常又称光敏电阻或光导管。本征型光敏电阻一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测；非本征型光敏电阻通常必须在低温条件下工作，常用于中、远外辐射探测。由于光敏电阻没有极性，只要把它当做电阻值随光照强度而变化的可变电阻器对待即可，因此在电子电路、仪器仪表、光电控制、计量分析、光电制导、激光外差探测等领域获得了十分广泛的应用。常见的光敏电阻有CdS、CdSe、PbS以及TeCdHg等。其中CdS是工业上应用最多的，而PbS主要用于军事装备。

36.光频外差探测技术：原理：基于两束相干光在探测器光敏面上的相干效应。故也常称为光波的相干探测。相干光：振动方向相同，振动频率相同，相位相同或相位差保持恒定。37.曼莱-罗威关系：公式（P307页）

相互作用中三个光电场光子数的变化关系：ω1和ω3的光子数之和及ω2和ω3的光子数之和在非线性过程中始终保持不变。ω1与ω2光子数之差保持不变。如果频率为ω1与ω2的两个光子同时湮灭，可以产生频率为ω3的一个光子，这就是和频与倍频的情况。反过来ω3光子湮灭，同时产生两个频率为ω1与ω2的光子，这就是参量产生的过程。

38.相位匹配技术：为有效的进行非线性光学频率变换，必须使参与互作用的光波在介质中传播时具有相同的相速度。实现有效频率变换的方法之一是相位匹配技术，利用非线性晶体的双折射与色散特性达到相位匹配。39.单轴晶体的相位匹配条件及匹配角：(折射率)负单轴晶体——n0>ne。正单轴晶体——ne>n0.40.二次谐波的产生：能量守恒和动量守恒（P314页）

41.参量振荡器：光学参量振荡器（OPO）是利用非线性晶体的混频特性来实现频率变换的器件，其中有一个或两个光波具有振荡特性，具有谐振腔。具有调谐范围宽、结构简单及工作可靠等特性。光学参量放大的原理：实质上是一个差频产生的三波混频过程。由曼莱-罗威关系可知，在差频过程中，每湮灭一个最高频率的光子，同时要产生两个低频光子，在此过程中这两个低频获得增益，因此光学参量放大器可作为他们的放大器。如果将非线性晶体置于谐振腔中，并用强的泵浦光照射，当增益超过损耗时，在腔内可以从噪声中建立起相当强的信号光及空闲光。在光学参量振荡器中建立起来的两种频率的光波，任何一个光波都可以称为信号光或者空闲光。

42.参量振荡器的阈值：判断阈值与什么参量有关系？（P331页公式）

式中，k=

；gs为模耦合系数；l为有效参量增益长度；τ为1/e处脉冲半宽度；L=L’+(n-1)l;L’为OPO腔长；l为非线性晶体长度；n为信号输出 100μJ时（定义为阈值临界状态）腔内振荡次数；Pn为阈值处信号波能量；P0为参量量子噪声能量；a为参量光在介质中的场吸收系数；R为腔内各种损耗的总和。

43.光的干涉：用波的叠加而引起强度从新分配的现象。三个必要条件：频率相等，两束光存在相互平行的振动分量，位相差δ（P）恒定。

第三篇：光电子技术实验总结

光电子技术实验总结

本学期有开《光电子技术》这一门课，书中内容较为广泛，大多都涉及到光电方面的理论知识，在实际应用中只讲述了一个大概，这样就造成了我们对所学知识知道用在什么方面，而具体怎么落实，实现这一结果会用到哪些方法与技术，在实际过程中又会出现什么样的问题，堆积了一大堆困惑。通过对《光电子技术实验》这一门实验课的学习，通过实际动手操作实验，把理论知识用实验的效果展示出来，使我们对所学知识有了一个更加深刻的理解，并从实验过程中遇到的困难及解决方法，可以延伸到具体实际应用中可能出现的问题，培养了我们的动手能力及思考、分析问题的能力。

实验前我们先对将要进行的实验预习，从《光电子技术》这本书出发，结合实验指导书，做好实验原理及步骤的了解及分析，到达实验室后再随老师对实验进行时可能遇到的问题进行探讨，并从老师的演示实验中注意自己在进行实验时应该注意的问题，记录数据，并做好实验报告。

本门课程中令我印象最深的是《电光调制及其应用》这个实验，实验中将光路准直后，在两块正交的偏振片间加载一块铌酸锂（LiNbO3）晶体作为电光介质，并通过控制平行于晶体X轴的电场强度，及上下表面所加载的电压，对其中所通过的光路进行调制。实验进行得很顺利，直达加载音频信号的过程都很成功。但在反过来再次进行加载正弦交流信号调制时，发现调制过后的信号示波显示与加载的交流信号相位相反无论怎样改变调制幅度还是调制电压的深度，都是这样。而且，电压加载至半波电压时，的确有倍频显示，继续加载电压，示波器显示的调制波形依然与原波形的相位相反。通过对此现象的分析，可能的原因及分析的结果有：1.光波通过铌酸锂晶体后，其相位得到了延迟。然而改变移动铌酸锂晶体与光轴的夹角，使之通过铌酸锂经历的光程的改变，观察波形，否定这一假设。2。通过对实验指导书调制时选择不同工作点是输出的波形进行分析，发现输出波形在半波电压前后输出的波形确实一致，却依然没有解决相位相反的问题。3.假设为光敏接收器的本身相位延迟，可能是这个原因，网上查询资料后，这个问题确实存在，但具体对这个实验是不是这样的问题，综待思考。通过对这一系列实验的操作及问题思考，自己收获甚丰。

通过对光电子技术实验这一门课的学习，不仅增加了对理论知识的了解，更加深了理论应用于实际中问题的思考，培养了自身的综合能力。

最后对本门课程提出一些自己的看法，希望通过对本门课程的学习，让学生自己组队，根据《光电子技术》这本书涉及到的问题，根据理学院实验室自身实验设备条件，自己设计一个光电子技术试验并实现。

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（时间）

第四篇：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。

第五篇：光电子技术(论文)

光电子技术是继微电子技术之后近30年来迅猛发展的综合性高新技术。1962年半导体激光器的诞生是近代科学技术史上一个重大事件。经历十多年的初期探索，从70年代后期起，随着半导体光电子器件和硅基光导纤维两大基础元件在原理和制造工艺上的突破，光子技术与电子技术开始结合并形成了具有强大生命力的信息光电子技术和产业。

光电子技术是一个比较庞大的体系，它包括信息传输，如光纤通信、空间和海底光通信等；信息处理，如计算机光互连、光计算、光交换等；信息获取，如光学传感和遥感、光纤传感等；信息存储，如光盘、全息存储技术等；信息显示，如大屏幕平板显示、激光打印和印刷等。其中信息光电子技术是光电子学领域中最为活跃的分支。在信息技术发展过程中，电子作为信息的载体作出了巨大的贡献。但它也在速率、容量和空间相容性等方面受到严峻的挑战。采用光子作为信息的载体，其响应速度可达到飞秒量级、比电子快三个数量级以上，加之光子的高度并行处理能力，不存在电磁串扰和路径延迟等缺点，使其具有超出电子的信息容量与处理速度的潜力。充分地综合利用电子和光子两大微观信息载体各自的优点，必将大大改善电子通信设备、电子计算机和电子仪器的性能。

如果说微电子技术推动了以计算机,因特网,光纤通信等为代表的信息技术的高速 发展,改变了人们的生活方式,使得知识 经济 初见端倪,那么随着信息技术的发展,大容 量光纤通信 网络 的建设,光电子技术将起到越来越重要的作用.美国商务部指出: “90 年 代, 全世界的光子产业以比微电子产业高得多的速度发展, 谁在光电子产业方面取得主动权, 谁就将在 21 世纪的尖端科技较量中夺魁”.日本《呼声》月刊也有类似的评论: “21 世纪具 有代表意义 的主导产业,第一是光电子产业,第二是信息通信产业,第三是健康和福利产 业……” ,可以断言,光电子技术将继微电子技术之后再次推动人类 科学 技术的革命.1 世界光电子技术和产业的发展 光纤通信技术的发展速度远远超过当初人们的预料, 光纤已经成为通信网的重要传输媒 介,现在世界上大约有 60%的通信业务经光纤传输,到 20 世纪末将达到 85%,但从目前光 纤通信的整体水平来看, 仍处于初级阶段, 光纤通信的巨大潜力还没有完全开发出来.目前, 各种新技术层出不穷,密集波分复用技术(DWDM,在同一根光纤内传输多路不同波长的光 信号,以提高单根光纤的传输能力),掺铒光纤放大器技术(EDFA,可将光信号直接放大, 具有输出功率高,噪声小,增益带宽等优点)已取得突破性进展并得到广泛的应用.现在 DWDM 系统和光传输设备中,光电技术的比例将从过去比重不到 10%达到 90%.一种全新 的,无需进行任何光电变换的光波通信——“全光通信” ,由于波分复用技术和掺铒光纤放 大器技术的进展,也日趋成熟,将在横跨太平洋和大西洋的通信系统上首次使用,给全球的 通信业带来蓬勃生机.为此提供支撑的就是半导体光电子器件和部件.光电子器件和技术已 形成一个快速增长的,巨大的光电子产业,对国民经济的发展起着越来越大的作用.美国光 电子产业振兴协会估计,到 2003 年,光电子产业的总产值将达 2000 亿美元.Internet 应用的飞速增长对电信骨干网带宽提出越来越高的需求,为满足需求的增长, 人们可以铺设更多的光纤,或靠提高单路光的信息运载量(现在主干网可以分别工作在 2.5Gbps 和 10Gbps, 并已有 40Gbps 的演示性设备)但更主要的方法却是靠发展波分复用技.术,增加光纤内通光的路数(光波分复用的实验记录已经达到 2.64Tbps).报告称虽然 10 年内全光通信还不会全面商业化,但是全光交换将在几年内成为市场主流,报告也指出尽管光学部件市场被大公司所占据,但仍有创新性公司进入的可能.2 我国的光电子技术和产业近10 年来我国光电子技术研究在国家 “863” 计划和有关部门的支持下有了突飞猛进的 进展,在很多领域同国外先进国家只有两三年的距离,个别领域还处于世界领先地位.国内光 电子 有关产业基地在光电子器件,部件和子系统(如激光器,探测器,光收 发模块,EDFA,无源光器件)等已经占领了国内较大的市场份额,初步具备同国外大公司 竞争的能力,在毫无市场保护的情况下,靠自己的力量争得了一席之地,市场营销逐年有较 大的增长, 个别产品还取得国际市场相关产品中的销量最大的成绩.我国相应研究 发展 基 地和本领域高 技术公司的许多产品填补了国内相关产品的空白,打破国外产品在市场上的 垄断地位,同时争取进入国际市场.中国盟掺铒光纤放大器(EDFA)是高速大容量光纤通信系统必需的关键部件,国内 企业 产 品占国内市场 40%的份额.我国也是目前国际上少数几个有能力研制 PIC 和 OEIC 的国家.808nm 大功率激 光器及其泵浦的固体绿光激光器, 670nm 红光激光器已产品化和商品化并 批量占领国际市场.国内移动通信的光纤直放站所用的光电器件,90%使用国产器件,国 产 1.55mDFB 激光器 战胜了国外器件,占领了 100%的国内市场.但是,我们应当认识到在我国光电子技术发展中,光电子器件,部件虽是光通信,光显 示,光存储等高技术产业的关键部分,但在整个系统和设备成本中所占的比重较小,其产值 较低,目前科研开发主要处于跟踪和小批量生产阶段,光电子产业所需的规模化,产业化生 产技术目前还未有实质突破;国内研究生产的光电器件和部件有相当部分还未能满足整机和 系统的要求,导致国外器件占据国内市场相当多的份额;在机制上仍未摆脱科研,生产,市 场相互脱离的状况.我国在光电子技术方面是与国际水平差距相对较小的一个领域, 与世界发达国家几乎同 时起步.但是我们应该清醒地认识到我国制造技术的落后和材料水平有限, 而国际上光电子 产业已经进入加速发展阶段, 留给我们的时间只有三到五年, 如果我们不在目前产业化的技 术发展阶段进入,就会失去大好时机.机不可失,时不再来,到产业化后期时将要花数倍的 力量才能弥补,也许会彻底失去时机,受制于人.如果一个国家在一代元件上没有足够的投资以发展自主能力, 就会给外国竞争者提供进 入并占领下几代技术市场的机会.因而在关键器件,部件等方面,要通过引进社会资金和风 险投资,知识产权入股,开发人员持股等方式加快我国光电子成果的产业化步伐,鼓励科研 人员成果转化.只要贯彻有“有所为,有所不为”的方针,狠抓创新和高技术成果转化,打破 行业界限,按市场机制联合国内相关研究和开发单位,共同作好光电子产业化的工作,就一 定能发展我国的光电子事业,有望在研究上取得突破,在产业上形成规模 经济 ,取得我国 在该领域应有的市场份额.1