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西南科技大学2007 2008学年第 1 学期光电子技术期末考试试卷（A 卷）课 程 代码4 1 3 8 命题单位理学院光信息与应用物理教研室学院：理学院 _ 班级 : 光信息科学与技术2004级姓名：学号：_ 一、选择题（ 10 分，2 分/ 题，多选、少选、错选和不选均不得分）1、光电子技术主要应用在（）A.光纤通信B. 在线检测C. 精密测量D. 遥感测量2、描述时间相干性的等效物理量是（）A. 相干时间B. 相干长度C. 谱线宽度D. 简并度3、光调制按照调制方式分类分有（）等，所有这些调制过程都可以归结为将一个携带信息的信号叠加到载波光波上。A. 振幅调制 B. 强度调制 C. 相位调制 D. 频率调制4、掺杂型探测器是由（）之间的电子 - 空穴对复合产生的，激励过程是使半导体中的载流子从平衡状态激发到非平衡状态的激发态。A.禁带 B.分子 C.粒子 D.能带5、CCD 摄像器件的基本工作原理是 ( ) A. 势阱的形成 B. 少数载流子的捕获C. 少数载流子的转移 D. 电荷检测二、是非题（ 10 分，2 分/ 题，正确用 “”表示，错误用 “”表示）6、任意一种朗伯体的辐射亮度都是均匀的，与辐射的方向角没有关系。7、KDP晶体沿 Z （主）轴加电场时，由单轴晶变成了双轴晶体。8、光波通过超声频率为fs的介质后所得到的调制光的频率将为声频率的两倍。9、当光辐射照在某些材料的表面上时，若入射光的光子能量足够大， 就能使材料的电子逸出表面，向外发射出电子，这种现象叫外光电效应。西南科技大学2007 2008学年第 1 学期光电子技术期末考试试卷（A 卷）10、现在市场销售的液晶显示器主要应用P 型液晶。三、填空题（ 10 分，2 分/ 题）11、色温是指。12、 磁光效应包括法拉第旋转效应、 克尔效应和磁双折射效应等。 其中最主要的是效应，它使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转。13、在光线作用下，半导体的电导率增加的现象属于。14、决定红外成像光学系统的衍射分辨率及像面上的辐照度。15、在显像管中电子束的扫描是通过转来实现的。四、简答题（ 50 分，10 分/题）16、简述光子的基本特性。17、利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强度调制，纵向电光调制和横向电光调制各有什么优缺点？18、比较光子探测器和光热探测器在作用机理、性能及应用特点等方面的差异。19、试比较带像增强器的 CCD 、薄型背向照明 CCD 和电子轰击型 CCD 器件的特点。20、试比较 TN LCD 和STN LCD 的特点。五、计算题（ 20 分，10 分/ 题）21、用凝视型红外成像系统观察40 公里远， 5米 5米的目标，若红外焦平面器件的像元大小是50m 50m ，若目标像占 4个像元，则红外光学系西南科技大学2007 2008学年第 1 学期光电子技术期末考试试卷（A 卷）统的焦距应为多少？若红外焦平面器件是128128元，则该红外成像系统的视场角是多大？22、 一束线偏振光经过长 L=25cm ， 直径D=1cm 的实心玻璃，玻璃外绕 N=250 匝导线，通有电流 I=5A。取韦尔德常数为 V=0.2510-5（ ）/ cm T，试计算光的旋转角。西南科技大学2007 2008学年第 1 学期光电子技术期末考试答案及评分细则（A 卷）一、选择题（ 10 分，2 分/ 题，多选、少选、错选和不选均不得分）1、光电子技术主要应用在（A 、B、C、D ）A.光纤通信B. 在线检测C. 精密测量D. 遥感测量2、描述时间相干性的等效物理量（A、B、C ）A. 相干时间B. 相干长度C. 谱线宽度D. 简并度3、光调制按照调制方式分类分有（A、B、C、D ）等，所有这些调制过程都可以归结为将一个携带信息的信号叠加到载波光波上。A. 振幅调制B. 强度调制C. 相位调制D. 频率调制4、掺杂型探测器是由（D ）之间的电子 -空穴对复合产生的，激励过程是使半导体中的载流子从平衡状态激发到非平衡状态的激发态。A.禁带B.分子C.粒子D.能带5、CCD 摄像器件的基本工作原理是( A、B、C、D ) A. 势阱的形成B. 少数载流子的捕获C. 少数载流子的转移D. 电荷检测二、是非题（ 10 分，2 分/ 题，正确用 “”表示，错误用 “”表示）6、任意一种朗伯体的辐射亮度都是均匀的，与辐射的方向角没有关系。（）7、KDP 晶体沿Z（主）轴加电场时，由单轴晶变成了双轴晶体。（ ）8、光波通过超声频率为fs的介质后所得到的调制光的频率将为声频率的两倍。（）9、当光辐射照在某些材料的表面上时，若入射光的光子能量足够大，就能使材料的电子逸出表面，向外发射出电子，这种现象叫外光电效应。（）10、现在市场销售的液晶显示器主要应用P 型液晶。（）三、填空题（ 10 分，2 分/ 题）11、色温是指 在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。12、磁光效应包括法拉第旋转效应、克尔效应、磁双折射效应等。其中最主要的是法拉第旋转效应，它使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转。13、在光线作用下，半导体的电导率增加的现象属于内光电效应或光导效应。14、相对孔径决定红外成像光学系统的衍射分辨率及像面上的辐照度。15、在显像管中电子束的扫描是通过磁偏转来实现的。四、简答题（ 50 分，10 分/题）16、简述光子的基本特性。答：光是一种以光速运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有能量、动量和质量。它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等）之间的关系满足： （5 分） （1）hE； （1 分） （2）22chcEm，光子具有运动质量，但静止质量为零； （1 分） （3）kP； （1 分） （4） 、光子具有两种可能的独立偏振态，对应于光波场的两个独立偏振方向； （1 分） （5） 、光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，是玻色子。（1分）17、利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强度调制，纵向电光调制和横向电光调制各有什么优缺点？答：纵向电光调制器具有结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响等优点。其缺点是半波电压太高，特别是在调制频率较高时，功率损耗比较大。（3 分）横向效应运用时，存在自然双折射产生的固有相位延迟，它们和外加电场无关。在没有外加电场时，入射光的两个偏振分量通过晶体后其偏振面已转过了一个角度，这对光调制器等应用不利，应设法消除。（3 分）横向效应运用时，总的相位延迟不仅与所加电压成正比，且与晶体的长宽比(L/d )有关。而纵向应用时相位差只和V=Ez L 有关。因此，增大L 或减小 d 就可大大降低半波电压，但必须采用两块晶体，结构复杂， 而且其尺寸加工要求高，对环境温度敏感。（4 分）18、比较光子探测器和光热探测器在作用机理、性能及应用特点等方面的差异。答：光子效应是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。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。因为，光子能量是h，h 是普朗克常数 , 是光波频率， 所以，光子效应就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，其响应速度一般比较快。（3 分）光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量h的大小没有直接关系。 （3分）原则上， 光热效应对光波频率没有选择性。只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。（2分）因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。 （2分）19、试比较带像增强器的CCD、薄型背向照明 CCD和电子轰击型 CCD器件的特点。答：带像增强器的CCD器件是将光图像聚焦在像增强器的光电阴极上，再经像增强器增强后耦合到电荷耦合器件（CCD ）上实现微光摄像（简称ICCD ） 。最好的 ICCD是将像增强器荧光屏上产生的可见光图像通过光纤光锥直接耦合到普通CCD 芯片上。像增强器内光子电子的多次转换过程使图像质量受到损失，光锥中光纤光栅干涉波纹、折断和耦合损失都将使ICCD 输出噪声增加，对比度下降及动态范围减小，影响成像质量。灵敏度最高的ICCD摄像系统可工作在10-6lx 靶面照度下。（3 分）薄型、背向照明CCD 器件克服了普通前向照明CCD 的缺陷。光从背面射入，远离多晶硅，由衬底向上进行光电转换，大量的硅被光刻掉，在最上方只保留集成外接电极引线部分很少的多晶硅埋层。由于避开了多晶硅吸收，CCD 的量子效率可提高到90 ，与低噪声制造技术相结合后可得到30 个电子噪声背景的CCD ，相当于在没有任何增强手段下照度为 10-4lx （靶面照度）的水平。尽管薄型背向照明CCD 器件的灵敏度高、噪声低，但当照度低于10-6lx（靶面照度）时，只能依赖图像增强环节来提高器件增益，克服CCD噪声的制约。（3 分）电子轰击型CCD 器件是将背向照明CCD 当作电子轰击型CCD 的“ 阳极” ， 光电子从电子轰击型CCD 的“ 光阴极 ” 发射直接 “ 近贴聚焦 ” 到 CCD 基体上，光电子通过 CCD 背面进入后，硅消耗入射光子能量产生电子空穴对，进而发生电子轰击半导体倍增，电子轰击过程产生的噪声比用微通道板倍增产生的噪声低得多，与它获得的3000倍以上增益相比是微不足到的。 电子轰击型 CCD 器件采用电子从 “ 光阴极 ” 直接射入 CCD 基体的成像方法，简化了光子被多次转换的过程，信噪比大大提高，与ICCD相比，电子轰击型CCD 具有体积小、重量轻、可靠性高、分辨率高及对比度好的优点。（4 分）20 、试比较 TNLCD 和STNLCD 的特点。答： TN LCD 利用了扭曲向列相液晶的旋光特性，液晶分子的扭曲角为90o ，它的电光特性曲线不够陡峻，由于交叉效应，在采用无源矩阵驱动时，限制了其多路驱动能力。（ 2分）STN LCD 的扭曲角在 180o 240o 范围内，曲线陡度的提高允许器件工作在较多的扫描行数下，利用了超扭曲和双折射两个效应，是基于光学干涉的显示器件。（ 2分）STN-LCD所用的液晶材料是在特定的TN 材料中添加少量手征性液晶以增加它的扭曲程度，盒厚较薄，一般5-7m。 （2分） STN-LCD的工艺流程基本上和TN-LCD类似，但由于STN-LCD是基于光干涉效应的显示器件，对盒厚的不均匀性要求0.05m(TN-LCD只要求 0.5m) ，否则就会出底色不均匀，预倾角要求达到3o8o ，电极精细，器件尺寸较大，因此其规模生产难度较TN-LCD大许多。（4分）五、计算题（ 20 分，10 分/ 题）21、用凝视型红外成像系统观察40 公里远， 10米 10米的目标，若红外焦平面器件的像元大小是 50m 50m ，假设目标像占 4个像元，则红外光学系统的焦距应为多少？若红外焦平面器件是 128128元，则该红外成像系统的视场角是多大？解：由已知条件得到：/3321050104010f（3分）mmf400/（1分）水平及垂直视场角：05389. 0360011024001281050（6分）22、一束线偏振光经过长L=25cm ，直径 D=1cm的实心玻璃，玻璃外绕N=250 匝导线，通有电流 I=5A 。取韦尔德常数为 V=0.2510-5（ ）/cmT，试计算光的旋转角。解：由公式L（3分）VH（3分）和LNIH（2分）计算，得到/310125.3VNI（2分） 。西南科技大学2007 2008学年第 1 学期光电子技术期末考试试卷（B 卷）课 程 代码4 1 3 8 命题单位理学院光信息与应用物理教研室学院：理学院班级 : 光信息科学与技术2004级姓名：学号：_ 一、选择题（ 10 分，2 分/ 题，多选、少选、错选和不选均不得分）1、电磁波具有的性质有（）A. 电场、磁场和波的传播方向满足右手定则 B. 偏振C. 电场和磁场相位同步 D. 电场与磁场存在相互依存关系2、图像通信系统主要由图像输入设备、 （）等组成。A. 编码器 B. 调制器 C. 信道 D. 显示终端3、以下几种探测器属于热探测器的有（） 。A. 热电偶型 B. 热释电型 C. 高莱气动型 D. 热敏电阻型4、成像转换过程需要研究的有（） 。A. 能量 B. 成像特性 C. 噪声 D. 信息传递速率5、电子枪是显像管中极为重要的组成部分。电子束的( ) 均由电子枪来完成。A. 发射 B. 调制 C. 加速 D. 聚集二、是非题（ 10 分，2 分/ 题，正确用 “”表示，错误用 “”表示）6、大气分子在光波电场的作用下产生极化，并以入射光的频率作受迫振动。（）7、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，这种现象称为电光效应。 （）8、光电池是利用光生伏特效应，直接将光能转换为电能的光电器件。（）西南科技大学2007 2008学年第 1 学期光电子技术期末考试试卷（B 卷）9、热辐射光纤温度探测器是利用光纤内产生的热辐射来探测温度的一种器件。（）10、等离子体显示器缺点是每一个像素都是一个独立的发光管。（）三、填空题（ 10 分，2 分/ 题）11、处于空腔单位体积内，频率位于 附近单位频率间隔的光波模式数为。12、若超声频率为fs，那么光栅出现和消失的次数则为2fs，因而光波通过该介质后所得到的调制光的调制频率将为声频率的倍。13、微光光电成像系统的核心部分是。14、液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。15、光电二极管按结构分有。四、简答题（ 50 分，10 分/题）16、何为电光晶体的半波电压？半波电压由晶体的那些参数决定？17、总结选用光电探测器的一般原则。18、何谓帧时、帧速？二者之间有什么关系？19、红外成像系统 A的NETDA小于红外成像系统 B的NETDB，能否认为红外成像系统A对各种景物的温度分辨能力高于红外成像系统B，简述理由。20、试说明自会聚彩色显像管的特点。五、计算题（ 20 分，10 分/ 题）21、已知垂直射到地球表面每单位面积的日光功率（称太阳常数）等于1.37 103W/ m，地球与太阳的平均距离为1.5 108km ，太阳的半径为西南科技大学2007 2008学年第 1 学期光电子技术期末考试试卷（B 卷）6.76 105km 。 (1)求太阳辐射的总功率； (2)把太阳看作黑体，试计算太阳表面的温度。22、用 PbMoO4晶体做成一个声光扫描器，取n=2.48 ，M2=37.75 10-15 s3/kg ，换能器宽度 H =0.5 mm 。声波沿光轴方向传播， 声频fs=150MHz， 声速vs=3.99 105cm/s， 光束宽度d=0.85cm， 光波长 =0.5m。西南科技大学2007 2008学年第 1 学期光电子技术期末考试答案及评分细则（B 卷）一、选择题（ 10 分，2 分/ 题，多选、少选、错选和不选均不得分）1、电磁波具有的性质有（A、B、C、D ）A. 电场、磁场和波的传播方向满足右手定则B. 具有偏振C. 电场和磁场相位同步D. 电场与磁场存在相互依存关系2、图像通信系统主要由图像输入设备、（A、B、C、D）等组成。A. 编码器B. 调制器C. 信道D. 显示终端3、以下几种探测器属于热探测器的有（A、B、C、D） 。A. 热电偶型B. 热释电型C. 高莱气动型D. 热敏电阻型4、成像转换过程需要研究的有（A 、B、C、D ）A. 能量B. 成像特性C. 噪声D. 信息传递速率5、电子枪是显像管中极为重要的组成部分。电子束的( A、B、C、D )均由电子枪来完成。A. 发射B. 调制C. 加速D. 聚集二、是非题（ 10 分，2 分/ 题，正确用 “”表示，错误用 “”表示）6、大气分子在光波电场的作用下产生极化，并以入射光的频率作受迫振动。（ ）7、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，这种现象称为电光效应。（）8、光电池是利用光生伏特效应，直接将光能转换为电能的光电器件。（）9、热辐射光纤温度探测器是利用光纤内产生的热辐射来探测温度的一种器件。（）10、等离子体显示器缺点是每一个像素都是一个独立的发光管。（）三、填空题（ 10 分， 2 分/题）11、处于空腔单位体积内，频率位于附近单位频率间隔的光波模式数为3c2812、若超声频率为fs，那么光栅出现和消失的次数则为2 fs，因而光波通过该介质后所得到的调制光的调制频率将为声频率的2 倍。13、微光光电成像系统的核心部分是微光像增强器件。14、向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。15、光电二极管按结构分有同质结与异质结光电二极管。四、简答题（ 50 分， 5 分/ 题）16、何为电光晶体的半波电压？半波电压由晶体的那些参数决定？答：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）时所需要加的电压，称为半波电压。（4分）半波电压6332rnVo（2分）主要由光波长（1分） 、O光折射率on（1分） 和电光系数63r（1分） 共同决定（ 1分） 。17、总结选用光电探测器的一般原则。答：用于测光的光源光谱特性必须与光电探测器的光谱响应特性匹配（4分） ；考虑时间响应特性（ 3分） ；考虑光电探测器的线性特性等（3分） 。18、何谓帧时、帧速？二者之间有什么关系？答：完成一帧扫描所需的时间称为帧时Tf(s) ， （3分）单位时间完成的帧数称为帧速F（帧 s） （3分） ，FTf1。 （4分）19、红外成像系统A的NETDA小于红外成像系统B的NETDB，能否认为红外成像系统A对各种景物的温度分辨能力高于红外成像系统B，试简述理由。答：不能。（ 3分） NETD 反映的是系统对低频景物（均匀大目标）的温度分辨率，不能表征系统用于观测较高空间频率景物时的温度分辨性能。（7分）20 、试说明自会聚彩色显像管的特点。答：精密直列式电子枪； （3 分）开槽荫罩和条状荧光屏； （3 分）精密环形偏转线圈。五、计算题（ 20 分， 10 分/ 题）21、已知垂直射到地球表面每单位面积的日光功率（称太阳常数）等于1.37 103W/ m ，地球与太阳的平均距离为1.5 108km ， 太阳的半径为6.76 105 km。 (1)求太阳辐射的总功率；(2) 把太阳看作黑体，试计算太阳表面的温度。解： （1）根据距离平方反比定律2/ RIEee，（2 分）太阳的辐射强度为srWREIee/10028.3252。（1 分）得到太阳的总功率为WIee26108.34（2 分）（2）太阳的辐射亮度为srcmWAILe./10989.127（2 分）太阳的辐射出射度为27/1025.6mWLMee（2 分）太阳的温度为KMTe57614（1 分）22、用 PbMoO4晶体做成一个声光扫描器，取n=2.48 ，M2=37.7510-15s3/kg ，换能器宽度 H=0.5mm 。声波沿光轴方向传播，声频fs=150MHz ，声速 vs=3.99105cm/s ，光束宽度 d=0.85cm ，光波长=0.5m。解： 根据题意得到mL3105.8，而cmnLs3420201077.85. 04105. 1/99.348.24（1 分）故得到0LL由公式0204snLL证明不是拉曼 -纳斯衍射。（1 分）22222cosLMIBs，LHMHLIPBss2222cos（3 分） 若布喇格带宽f=125MHz，ssBfnv2，HPvPnffsBsscos2232270（3 分） 用公式)(,RN和RfvNss计算。（2 分）