光电子技术复习总结
乔四超车-
光电子技术复习题总结（
2012.6.1
）<
/p>
第一章：光的基础知识及发光源
1.
光的基本属性？
光具有波动和粒子的双重性质，即具有波粒二象性。
2.
激光的特性？
< br>（
1
）方向性好（
2
）单色性好（
3
）亮度高
(4)
相干性好
3.
玻尔假说：定态假设和跃迁假设？
（
1
）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
E1
、
E2
、……
、
En
，而不能
采取其它值。
（
2
）跃迁假设；只有当原子从较高能量
En
的定态跃迁到较低能量
Em
< br>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？
受激吸收、自发辐射、受激辐射
5.
亚稳态？
自发辐射的过程较慢时，粒子在
E2
能级上的寿命就长，原子
处在这种状态
就比较稳定。寿命特别长的激发态称为
亚稳态
。其寿命可达
10-3~1s
，而一般激<
/p>
发态寿命仅有
10-8s
。
6.
受激辐射的光子性质？
受激辐射的光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致。
7.
受激吸收和受激辐射这两个过程的关系？宏观表现？
两能级间受激吸收和受激辐射这两个相反的过程总是同时存在，相互
竞争，
其宏观效果是二者之差。
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。
8.
受激辐射与自发辐射的区别？
<
/p>
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。
9.
光谱线加宽现象？
由于各种因素影响，自发辐射所释放的光谱并非单色，而是占据一定的频率
宽
度，分布在中心频率
v0
附近一个有限的频率范围内，自发辐射
的这种现象称
为
光谱线加宽。
10.
谱线加宽的原因？
由于能级有一定的宽度，所以当原子在能级之间自发发射时，它的频率也有
一个变化范围△
vn.
11.
谱线加宽的物理机制分为哪两大类？它们的区别？
分为均匀加宽和非均匀加宽两大类。
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。
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。
12
.
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。
13.
参与普通光源的发光的光与物质共振相互作用过程？
常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能<
/p>
量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能
级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高
能级（
E2)
的电子寿命很短（一般为
10
－
8
～
10
－
9
秒）
，在没有外界作用下会自
发地向低能级（
E1
）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为
h
< br>υ
=E2-E1
。
14.
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（形成稳定激光）
< br>
15.
激光器的基本结构及其各部分的作用？
激光工作物质
:
这种
介质可以实现粒子
数反转，以制造获得激光的必要条件。
泵浦源：
将粒子从低能级抽运到高能
级态的装置，称为泵浦源。提供能量
来激励工作物质，建立粒子数反转分
布状态。
谐振腔：
作用是限制输出模式，同时
还对激光频率、功率、光束发散角及
相干性都有影响。
16.
增益饱和现象？二能级系统为什么不能充当激光工作物质？
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，不能实现粒子数反转，
因而不能充当工作物质。
17.
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？
三能及系统：
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<
/p>
随之减少。但
由于
E3
< br>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
< br>N1
，于是实
现了亚稳态
E2<
/p>
与基态
E1
间的粒子数反转分布。
三能级激光器的效率不高，原因是抽运前几乎全部粒子都处于基态，
只有激
励源很强而且抽运很快，才可使
N2 > N1
，实现粒子数反转。
四能级系统：<
/p>
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。
18.
激光的纵模和横模？
激光的纵模：
光场沿轴向传播的振动模式称为纵模。
激光的横模：
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。
19.
激光横模形成的主要因素？
主要因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用。
20.
双简并半导体的能带特点？
<
/p>
双简并半导体：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。
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，
< br>（
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。
22.
同质结砷化镓激光器的特性？
与二极管相同，也具有单向导电性
2
3.
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。
24.
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。
第二章：光辐射在介质波导中的传播
1.
光波导的分类？
（
1
）平板波导（
2
）矩形波导（
3
）圆柱形波导
< br>
2.
以非对称型
(
从上到下
n3>n1>n2
)
< br>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？
可能存在的模式：
包层模
--
θ
1<
θ
c13<
θ
c1
2
衬底模
--
θ
c13<
θ
1<
θ
c12
导模
--
θ
c13<
θ
c12<
θ
1
（存在两个临界角，在下界面的全反射临界角为
c12
，在上界面的全反射临
界角为
c13
。由于
n2>n3
，
所以
c12
>c13
。
）