《应用光电》期末答卷

应用光电 期末答卷 山东大学 1.从光学的发展过程出发谈谈你对光的认识。（15分） 答从牛顿的微粒学到惠更斯等的波动理论再到爱因斯坦提出光量子 的概念。光学一直在跌跌撞撞中前进，慢慢修补着理论不周到的地方, 推翻不正确的说法，一步步解释了各种光现象。而现代光学时期更是 现代物理学和现代科学技术的一块重要前沿阵地。 从细处来说光学从萌芽至今已经历了两三千年的历史。回顾这个 发展历程，我更加清楚地认识到光的本性。总体上讲，光具有波粒二 象性。并且作为波动，光是一种横波。也就是说，历史上曾相互对立 的光微粒说与光波动说，在现如今被更加清楚地认识到，这其实是光 的两种属性。对于光的本性，我认为应当将两者综合来看。早在牛顿 时代，对光的研究已经达到了比较高的水平。对透镜和棱镜等的利用， 使人们对光的反射、折射定律有了更深入的理解。光作为一种特殊的 粒子，确实具有动量、能量等这些微粒才具备的性质。但是，光同样 能够产生干涉、衍射等现象，对这些现象的解释又需要将光看做一种 波动。惠更斯一菲涅尔原理更是深入地揭示了光作为波动，并以波函 数形式传播的实质。之后，麦克斯韦建立了电磁理论，揭示出光是一 种电磁波的本质。 尽管光的微粒学说与波动学说曾呈现一种互相争斗的景象，但之后 对于黑体辐射等问题的研究更加深入地表现出能量量子化的实质。这 一切都在表明，光所具有的能量，也应当是量子化的。光电效应、康 普顿效应等诸多事实在证实着这一点。 光的本性问题一直是光学发展史的研究的重点。一方面，光的干涉、 衍射现象等光学现象说明光的波动性，对波动性质，需要用频率V和 波长入来描述。另一方面，光电效应等现象说明光的粒子性，对粒子 性质，又需要用能量E和动量P来描述。这两者之间是相互联系的， 如E mc2 hv,p - - o光作为一种横波，具备横波才具有的偏振现 c 2 象。光的振动方向对于传播方向具有不对称性。根据偏振态的不同， 又可以分为线偏振光、椭圆偏振光。 同时，光的相干性可以用相干光强来描述。对于相干性，利用其来 实现全息照相便是重要的应用。全息照相利用相干性好的激光产生干 涉、衍射效应来全面记录物体信息，并利用同样的光还原这一过程实 现物像重现。在全息照相实验中，我对这一过程有了更加深刻的了解。 利用光的特性来记录信息，在我看来还是未来的一大重要应用。另外, 处于同一状态的光子数目可用光子简并度来描述。 因此，到现在，光的本性在我看来的确是波粒二象性的。但随着科 学的发展，光的本性可能被更加深入地揭示。这就需要我们用更加敏 锐的眼光去对待实验中的每一种新奇现象。 于我而言，从高中是就开始接触一些比较简单的光现象，在老师的 指导下学习解各种题目，当时的想法比较麻木，只觉得围绕着光的问 题都神秘而复杂。现在学习了大学的课程特别这学期的应用光电，研 究了光学的发展过程，越发的觉得她是很神奇的存在，虽然她本身是 常见的是我们司空见惯的，可是去解释却花费了前人大量的精力。尤 其是在知晓了她的现代应用之后，更是觉得自己以前的认识只是九牛 一毛。虽然，还不能深入的搞懂她，但是我希望在今后的学习中还能 对这位我们身边常见却不平凡的“朋友”有更深的理解。 2. 激光的特性有哪些10分 答激光的特性有 1 单色性好。激光的谱线宽度很窄。普通光源发出的光子，通常 含有多个频率，因此含有多种颜色。而激光发射的光子频率相同，是 单色光源。 2 方向性好。从激光器发出的激光束，一般是很好地平行光束， 发散角在毫弧度的数量级，接近于衍射极限，具有很好的方向性。 3 相干性好。激光器中受激辐射的光子有相同的相位，再加之谐 振腔的选模作用，使得激光有较好的空间相干性。同时，激光的单色 性使得其时间相干性也很好。 4 亮度高。激光的发光面小，发散角小，线宽窄。大孔径毫微秒 宽度的脉冲激光，亮度高达iWIcmsr,而太阳表面的亮度仅为 2x103W /cm2 ・sr。 3. 激光器由哪几个部分构成各有什么作用实现其 稳定运转的条件是什么15分 答激光器一般由三个部分组成，分别是工作物质、泵浦源和光学 谐振腔。 作用分别是 1 工作物质是激光器的核心，只有能实现能级跃迁的物质才能够 作为激光器的工作物质。这些物质需要能够实现粒子反转。 （2）泵浦源能够将粒子从低能级抽运到高能级态。这是形成激光的 外因。 （3）光学谐振腔限制输出模式，同时还对激光频率、功率、光束发 散角及相干性产生影响，使激光具有极好的方向性，增强了光放大作 用，并使激光具有极好的单色性。 实现激光稳定运转的条件有 （1）粒子数反转。其中必要条件为粒子束反转分布和减少振荡模式。 充分条件为起振和稳定振荡。 （2）减少模式震荡数。即利用激光腔选模。 （3）阈值条件（起振条件）。光的增益超过损失时，光波才能被放大, 进而振荡，即有阈值。 （4）增益饱和效应（稳定振荡）。 4. 什么是光电效应内光电效应和外光电效应的特性 及对应的应用器件有哪些（15分） 答光电效应当一定频率的光照射到某些金属表面时，可以使电子 从金属表面逸出。 内光电效应发生在物体内部，分为光电导效应和光生伏特效应。① 光电导效应是电子吸收光子能量从键和状态过渡到自由状态。基于这 种效应的器件有光敏电阻O②光生伏特效应是光线作用使物体产生一 定方向的电动势。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管 以及雪崩光电二极管、肖特基势垒光电二极管等。 外光电效应发生在物体表面。也即光电子发射。基于该效应的器件 有光电管、光电倍增管、发光二极管等。 4.光电探测器的功能是什么常用的光电探测器有哪 几种类型，试阐述其中一种类型的光电探测器的工作 原理。（20分） 答光电探测器主要功能将光辐射量转换成另一种便于测量的物理 量。由于电量的方便和准确，大多数光探测器都是把光辐射量转换为 电量来实现对光辐射量的探测。 常见的光电探测器有光电倍增管、光电导探测器、光伏探测器、热 释电探测器和电荷耦合器件等。 光电导探测器光电导探测器主要利用光电导效应。半导体材料吸 收能量足够大的光子后，会使原先处于束缚状态的电子或空穴转变为 自由状态，从而使半导体的电导率增大。半导体在温度等于0K时， 导电载流子浓度为0；温度在0 K以上，由于热激发而不断产生热生 载流子（电子和空穴），它在扩散过程中又受到复合作用而消失。在 热平衡下，单位时间内热生载流子的产生数目正好等于因复合而消失 的数目。当光照射到外加电压的半导体上，如果光波长4小于或等于 光电效应的截止波长人，那么光子将在其中激发出新的载流子（电子 和空穴），从而改变材料的电阻率。光照愈强，器件电阻愈小。因此 可以灵敏地探测光辐射量。 6.本课程开设了哪些实验阐述其中一个实 验的实验原理，步骤，在实验中应注意的问 题。（25分） 答本课程开设的实验有He-Ne激光器的纵模与横模分析，重复 频率脉冲激光调Q实验，PbS光敏电阻的光谱响应的测量，线阵CCD 的应用尺寸测量，光电探测器响应时间测试。 以Pb