赖老师的课到期中考试为止一共有 9 次作业，依次分别由冯成坤、饶文涛、黄善津、刘明凯、郑致远、
黄瑜、陈奕峰、周维鸥和陆锦洪同学整理，谨此致谢！
作业一：
1、桌上有一本书，书与灯至桌面垂直线的垂足相距半米。若灯泡可上下移动，灯在桌上面多高时，书
上照度最大？（假设 灯的发光强度各向通性，为 I0）
解：设书的面积为 dA，则根据照度的定义公式：
（1）
其中 为上图所示的立体角。 因而有：
（2）
将（2）式代入（1）式得到：
（3）
为求最大照度，对（3）式求导并令其等于零，
计算得：
因而，当高度为 时书上的照度最大。
dA
dI
dA
d
E 0
d
2/32222 )h(L
hdA
hL
cosdA
d
2/3220 )h(L
h
IE
0
dh
dE
m
22
1
h
m
22
1
2、设 He-Ne 激光器中放电管直径为 1mm，发出波长为 6328 埃的激光束，全发散角为 q=10-3rad，辐射
通量为 3mW，视见函数取 V(6328)=，求：
（1）光通量，发光强度，沿轴线方向的亮度？
（2）离激光器 10 米远处观察屏上照明区中心的照度？
（3）若人眼只宜看一熙提的亮度，保护眼镜的透射系数应为多少？
解：（1）光通量：
发光强度：
亮度：
（2）由题意知，10 米远处的照明区域直径为：
从而照度为：
（3）透射率：
作业二
1、说明蓝色火焰与黄色火焰的色温谁高，为什么？
答：色温是用黑体的温度来标度普通热辐射源的温度。 如果热辐射体的光色与温度为 T 的黑体的光色
完全一样，则称该热辐射体的色温为 T。
由维恩位移定律 （其中 ），可知，峰值波长 与温度成反比，峰
值波长随温度升高而蓝移。因为蓝色火焰发出的光波长比黄色火焰的小，所以蓝色火焰的色温高。
2、何谓标准照明体与标准光源? 初级和次级标准光源?
答：标准照明体指特定的光谱功率分布。CIE 针对不同的用途定义了不同的标准照明体，其中常用的三
种标准照明体为：
标准照明体 A：温度为 2856K 的黑体所发出的光谱
标准照明体 B：相关色温约为 4874K 的直射阳光的光谱
标准照明体 C：相关色温为 6774K 的平均日光的光谱
标准光源指实现标准照明体的发光源。常用标准光源有三种：黑体、钨带灯、钨管灯。黑体是初级
标准光源，经过它校准的为次级标准光源，如钨带灯、钨管灯。
3mv
4
d
d
I 5
2
vv
211
23
5
m/
)10(
4
dAcos
dI
L
轴
m101010LD 23
)10(
4
1
D
4
E
222
v
8
11
4
10
L
1
T
轴
（熙提）
Tm / Km 2898 m
3、说明气体放电发光的工作原理? 假设气体放电灯中所充工作气体的激发态与基态能量差为 2eV，则此
灯发什么颜色光？
答：气体放电指电流通过气体媒质时产生的放电现象。气体放电的种类很多，但在光源中用得较
多的是辉光和弧光放电两类。气体放电灯结构：放电气体、阴极、阳极和玻璃罩
气体放电发光的基本过程：
①、初始电子加速
①、加速电子与气体分子碰撞，能量传给气体分子，使其激发、
跃迁到高能级
①、受激发分子返回基态时，发射光子，即发光。
由 知：
当 时， ，为橙光。
4、高压气体放电灯与低压气体放电灯的光谱特点？
答：高压气体放电灯因为其气压大于一个大气，相邻原子接近，原子之间的相互作用加强，导致工作气
体的原子或分子谱线展宽，并迭加在较强的连续背景光谱上。显色性较好。通常发光效率随压力增加而
提高。
低压气体放电灯：气压在 10-1-10-2乇的气体光源。其光谱
特点是表现为工作原子或分子的发射谱线，即单个原子的线状光谱，带有明显的特征颜色，显色性不好。
5、卤钨循环原理及如何改善白炽灯性能？
答：在白炽灯中充入卤族元素，在适当的温度下，从灯丝蒸发出的钨在泡壁区域内形成挥发性的卤钨化
合物。当卤钨化合物扩散到较热的钨丝周围区域时分解，释放出来的钨沉积在灯丝上，而卤素扩散到温
度较低的泡壁区域在继续与钨化合，形成钨的再生循环。
通过这种方法，是卤钨灯比白炽灯具有以下特点：体积小；光通量稳定；光效率高，20-30 流明/
瓦；；色稳高，达 3300K；；寿命长。
作业三
1、产生激光的必要充分条件？四能级激光器的工作阈值为何低？
解：
（1）、产生稳定激光输出地条件如下：
必要条件：至少为三能级体系，能够实现粒子数反转 。
充分条件：光学正反馈和大于阈值的泵浦功率。
（2）对于四能级系统（ 的跃迁）， 能级几乎为空，即 ，故有：
能级布居数的衰减由 的抽运补偿，有：
hc
hvE
eVE 2 nmE
hc
3 2E E 2E 2 0N
32 3 32 3 2( )A N A N N
3E 1 4E E
14 1 32 3 2( )IB N A N N
故其阈值抽运强度为：
（1）
对三能级系统（ 的跃迁），在粒子数反转不大时，有：
能级 中的布居数的减少由 的抽运补偿：
即： （2）
比较（1）、（2）两式，可发现四能级系统的抽运阈值多了一个激发因子： ，而且
。所以四能级系统的工作阈值远低于三能级系统。
2、何为激光的横模与纵模？
答：横模：指光束横截面上的能量分布。通常用横电模 表示，其中 为基横模。
纵模：指激光器振荡的一个频率或该频率电磁波在谐振腔内形成的驻波的能量分布模式。它是由于谐
振腔的选频作用引起的。
3、比较红宝石激光器与 Nd:YAG 激光器的性能？
解：如表：
红宝石激光器 Nd：YAG 激光器
工作物质
（重量
比），具有弱双折射
(原
子百分比)，具有各向同性
能级结构 三能级系统（ ） 四能级系统（ ）
输出波长 ，倍频后可输出 的光。
偏振特性
若激光不沿光轴方向则输出为
线偏光。偏振垂直于光轴，为 o
光
泵浦特性 阈值较高，用脉冲氙灯，辅以 因是四能级系统，阈值比红宝石低很多。
3 2 32 3 2
14 1 14 32 1
( ) 1
th
N N A N N
I
B N B N
2 1E E
2 1 0 / 2N N N
2E 1 3E E
1 13 21 2N IB A N
21
13 13 21
1
th
A
I
B B
3 2
1
N N
N
3 2
1
1
N N
N
mnTEM 00TEM
3+
2 3Al O +%Cr
3 5 12 2 3YAG=Y Al O +%Nd O
2 1E E 3 2E E
6943A μm μm
椭圆聚光腔。 常用氪灯泵浦，辅以椭圆聚光腔。因其阈
值低，故可高重复率运转，但要特殊设计
的电路。
作业四
1．氦-氖激光器中如何实现 mm 波长输出？激光输出频率为何漂移？如何稳定？
答：（1）氦氖激光器的工作物质是 Ne, He 作为辅助气体。气体以低压形式封装于玻璃管内。通过两端
电极的高压作用产生辉光放电。高速电子激发 He 原子由 1S 到 2S 态。He 的 2S 态中的 21S 态 23S 态分别
与 Ne 的 2S 和 3S 态能量非常接近，通过碰撞的形式引起能量的共振转移，使 Ne 的 2S 和 3S 态得到激发。
当然 Ne 本身也可以在高速电子激发下被激发至高能态。Ne 的受激发射可以发出 3 种波长：,
, 。其中 的增益最大。为实现 的输出，需要利用玻璃或石英窗口吸收
的辐射，从而对其进行抑制。亦可利用轴向非均匀磁场产生塞曼效应，使 谱线加宽从而降低增
益。
（2）由于激光器在工作过程中会受到各种环境因素的扰动，激光器本身的参数也相应地扰动。结果是
使得由这些参数确定的频率发生漂移。例如：
由纵模 ， ，n 为介质折射率，可得 .
（3）为实现稳频，可通过几方面的方法。
a. 利用低膨胀系数的材料制造腔管
b. 将谐振腔的腔镜固定在殷钢等低膨胀系数材料的支架上。
c. 防震，恒温等
d. 更高的频率稳定度可使用饲服系统，通过频率漂移的方向和大小对激光器的参数进行调控，使频
率稳定于参考标准频率附近的目的。
2. 何谓准分子？准分子激光的能级结构？为何准分子激光的频谱较宽？如何泵浦？
答：
（1） 准分子是一种束缚在电子受激态中的分子。它的基态位能无极小值，即没有稳定的基态，但
却存在稳定的受激态（亚稳态）。
（2） 能级结构如右图
（3） 虽然准分子的能级结构有利于形成粒子数反转，但由于基态的不稳定性，跃阡能量有一定的
范围，频谱较宽。
Lnmcf /2 Nm )//( nnLLff
（4） 由于准分子上能级寿命较短，需要运用快速泵浦。一般采用高强度短脉冲电子束激励。以气
体为例，泵浦过程中相对论电子激励稀有气体混合物，产生受激稀有气体原子、离子，从而
使泵浦能量转化为气体的受激能量。（详细请参阅课本 p95）
3. 染料激光器中激光“猝灭”指什么？如何消除？
答：（1）“猝灭”简而言之就是染料对自身所发出的激光的再吸收而导致激光无法起振。
具体而言，染料的能态存在自旋 S=0 的单态和 S=1 三重态，跃迁选择定则要求①S=0。 故单重态和
三重态之间的跃迁是禁戒的。但是通过碰撞，单重态 S1可衰减到三重态 T1，同时由于 T1-->S0
是禁戒的，于是 T1 就有可能堆积大量粒子。由于 , 则由 S1①S0 发出
的荧光就会被 T1－>T2 跃迁吸收。当 T1 寿命 tT> tST (S 和 T 系间交叉速率)， T1 会堆积大量
粒子，大量吸收荧光，从而出现“猝灭”。
（2） 消除“猝灭”的方法关键就是使 tT< tST , 通常使用短脉冲光源激励，以及在染料中添加三重态猝灭
剂，提高溶液氧含量。（详见课本 p101）
作业五
1、何谓激光器的 Q 值？调 Q 实质上是调节什么？
答： Q 指谐振腔的品质因素，它定义为腔内存储的能量与每秒中损耗的能量之比，即 ，
式中 W 为腔内总能量，c 为每秒钟损耗的能量，n0为中心频率。
设激光在腔内走一个单程的能量损耗率（包括输出）为 d，则光在一个单程中对应的能量损耗为 dW。
设腔长为 L，平均折射率为 n，光速为 c，则光在腔内走单程的时间为 nL/c，所以每秒钟损耗的能量为
dW/(nL/c)= dWc/nL。带入 Q 表达式中得 。
上式表明 Q 值反比于损耗率。所以调 Q 就是调节谐振腔的损耗率。激光振荡需要足够的增益，当
损耗过大时，增益不够，激光停止振荡。所以，调 Q 能控制激光的振荡。
2、钛宝石激光器的宽发光谱起因？它的谐振腔特点？为什么？
答：从钛宝石的能级图（如下图）可以看到，由于钛宝石晶体激发态各振动的能级之间的间小，基态各
振动能级间的能级差也很小，因此各自形成很宽的准连续能带，这样电子带间的振动跃迁就形成一个宽
1201 TTSS EEEE
W
Q 02
0
2 nl
Q
的发光谱带。
掺钛蓝宝石具有很强的三阶非线性，利用这一特性可以实现激光的相位调节-自相位调节，锁定不
同纵模间的位相，实现锁模运转。由于自相位调节是一种非线性效应，需要强的光功率密度，所以钛宝
石激光谐振强设计中要考虑提高宝石棒中的光功率密度，需要加一对聚焦亚腔，使激光聚焦通过钛宝石
棒，获得强的光功率密度，进而强的自相位调节。
3、绘制如下 p、n 型半导体形成的 p-n 结的平衡态能带图？
答：如图。
作业六
1、端镜耦合输出调 Q 和腔倒空调 Q 技术的工作原理和特点？
脉冲透射式 Q 开关（PTM）又称腔倒空。发展腔倒空技术是为了进一步压缩 Q 开关脉冲和输出更高的
脉冲能量。可以将腔内全部能量在一个振荡周期内倒出，提高脉冲峰功率一个数量级。
激光是在高 Q 状态振荡输出的，至少要振荡几个周期，才能有好的相干性、好的方向性和足够的增益。
Q 开关脉冲宽度为 m2L/c。激光端镜耦合输出通常只有 10%左右，剩余的 90%左右的能量在腔内没有输
出。
2、主动和被动调 Q 技术有哪些？
常见的调 Q 技术包括机械调 Q、电光调 Q、声光调 Q 和染料调 Q 四种技术。其中前三种技术属主动调
Q 技术，而染料调 Q 属被动调 Q。
3、锁模技术分类？各自包括哪些技术？
锁模技术包括主动、被动和自锁三种。主动锁模包括损耗调制和位相调制。染料锁模是被动锁模的一种。
自锁模通过自相位调制实现，能实现自锁模的激光器是钛宝石激光器。
4、锁模技术能获得脉冲宽度反比于被锁的模数目，而腔长影响纵模间隔，进而影响纵模数，所以影响
锁模脉冲的宽度？对吗，为什么？
不对。
纵模频率间隔为 ，如果不考虑导致展宽的因素，激光增益介质的荧光线宽 是一定的
（与腔长 L 无关）。而脉宽 ，故脉宽不随 L 变化。
腔长只影响脉冲的重复率（脉冲间隔）。
作业七
1、说明正弦周期和非正弦周期损耗调制锁模的异同？对调制频率有什么要求？调制器应放在何处，为
什么？
解：
（1）对正弦周期损耗调制锁模
透射率：
由
可得
上式表示三个频率为 的平面波的叠加，也即一个调幅平面波可以分解为三个
平面波的叠加，激光往返一次又可以激发起两个边频，一直到
的所有模式。
对于非正弦周期调制信号 ，可用傅立叶级数展开为多个正弦波的叠加，各个正
弦波的角频率差为 ，所以锁模速度更快，一次便可以激发起所有的模式。
（2）调制频率
（3）调制器应该贴住反射镜，以保证调制频率为 。
/ 2c L g
2 /(2 1) 1/(2 1) 1/ gM M
, ,c m c c m
( 0,1, 2,...)c mn n
2
( ) ( )
n
T t T t
nk g
2
2m
c
L
m
)sin()( 10 tt m
)sin()( 20 tTTtT m
)sin()]sin(1[
)sin()]sin([)()()(
2
200
ccmc
ccm
ttmA
ttTTEtTtEte
])sin[(
2
])sin[(
2
)sin()(
2
2
cmc
c
cmc
c
ccc
t
mA
t
mA
tAte
2、钛宝石激光器的自锁模过程？
钛宝石有很强的二阶电光效应，也即克尔效应。
进而引起位相变化
自相位调制会引起普线展宽
自相位调制是非线性、非周期性的，因而频谱展宽为一个连续带，而连续带中仅与谐振腔允许的纵模频
率相同的谱线能够维持振荡，使得脉冲变窄， 更大，频谱展宽更大，激发取更多的纵模。经过多次
自相位调制，就能激发起所有允许的纵模，并使相邻纵模间的相位关系恒定，从而实现锁模。
3、连续、脉冲和脉冲编码调制的内涵？各自的优缺点？
答：
（1） 连续调制是指利用连续的信号调制光的振幅、频率、位相、强度，从而实现信号的传输。脉冲
调制是指根据采样定律对模拟信号进行采样，要求采样频率大于信号带宽的 2 倍，用这些脉冲
采样信号来调制光，并可根据这些脉冲无损的恢复原信号。脉冲编码调制是指首先将模拟信号
转换为数字信号，然后再逐位调节光载波的某个参数，实现信息的光传输。
（2） 优缺点：连续调制是较为原始的调制，脉冲调制可以节约带宽和发射功率。连续调制和脉冲调
制均为模拟调制，抗干扰能力差。脉冲编码调制具有强的干扰能力，但是是有牺牲传输速率位
代价的。
作业八
1、已知某横向电光调制器的 90%衰减点带宽为 1GHz，如果将它 改成行波结构，电极的上电场的传播
速率为 1X108 米/秒，调制器 电光晶体材料的折射率为 2，求该行波调制器的 90%衰减点带宽？
因为
所以
所以
=
2、说明行波型和驻波型声光拉曼-奈斯衍射的异同？如何区分它们的？
不同点：
0 2( )n I n n I
2
2 2
nL n IL
2
2d L dI
n
dt dt
dI
dt
max
1
( ) 1
4m d
V GHz
横向
1
4
d
GHz
max
1
( )
4 (1 / )m d m
V
c nc
行波
8
8
1
2
3 10
1
2 1 10
GHz
①折射率分布不同
行波：
驻波：
①物理图象不一样
行波：以速度 V 传播，它所形成的声光光栅的栅面在空间移动，引起光学介质密度呈疏密交替的
变化
驻波：由波长、相位和振幅相同而传播方向相反的两列波所合成。这种合成的声驻波的波腹和波
节在介质中的位置是固定。从而可以认为它所形成的声光栅是固定在空间而不随时间变化，其相位变化
与时间成正弦关系。
①行波：产生一个简单的多普勒频移单色光
驻波：含有各级多普勒频移分量的复合光束，其强度随时间以 2w 的角频率调制。
3、一个磁光晶体长 5 厘米，在轴向磁场作用下，它对 500nm 波长 的左、右旋圆偏振光的折射率分别为
和 ，求线偏振光通 过此磁光晶体后偏振面转角？在调制器出口设置偏振方向与入射 光偏振一
致的检偏振器，透过检偏振器后光强会有显著变化吗， 为什么？
对于左旋圆偏光，电场矢量转向的角度为
偏振转角
因此通过检偏器后光的偏振方向不变，光强不会有显著变化
作业九
1、设计一个三维数字电光偏转器，标出八个输出态。
2、说明声光偏转器的布拉格衍射角的自动跟踪原理。
根据布拉格衍射条件
( , ) sin( )s sn x t n w t k x
( , ) sin( )sin( )s sn x t n w t k x
7 5
1 1
2 2
5 10 10
500
n l
7 5
2 2
2 2
5 10 10
500
n l
1 2 10
2 2
d
2 sins B
由于超声波波长 ，故上式可化为
其中 为激光光束偏角。由上式得新的布拉格衍射条件为
即超声波频率的改变会导致光布拉格衍射角的改变。为保持布拉格衍射条件，就必须改变超声波的传播
方向，以实现布拉格角的跟踪，通常采用列阵接触器，通过控制各列阵元间的位相差，控制合成超声波
前的传播方向。
3、光辐射探测有哪些方法？各自利用光子的什么特征？
答：（1）光压法：利用光的量子特性，当光子投射在反射表面上被反射时，根据冲量定理，
。
（2）光热法：利用物质吸收光能后，温度升高或温度升高而引起物质的某个参数变化来探测光能量。
（3）光电法：利用材料的光电效应，直接将光子能量传递给电子，使电子的状态发生变化，从而改
变材料的导电特性，实现对光子能量的测量。
4、通常的热电探测器有什么特点？热释电探测器的特点、工作 原理？
答：（1）光热探测器是利用物质吸收光能后，温度升高或温度升高而引起物质的某个参数变化来探测
光能量的探测器。其特点是光谱响应范围宽，并且响应均匀，除热释电探测器外响应速度均
较慢。
（2）热释电探测器的特点是：响应光谱范围宽、均匀，响应速度快。
工作原理是：利用铁电晶体具有的相变记忆特性，极化铁电晶体，使其产生各向异性，出现宏观偶
极矩，在与偶极矩垂直的表面上出现束缚电荷，进而产生电势差；在低于居里温度范
围 T<Tc 内，极化强度 P 是温度 T 的递减函数，当
此晶体吸收光能量，温度升高时，电势差减小；只要定标电势差与光能量间的关系，
就能通过测量电势差获得光能量。
作业十一
1、真空光电管的结构？基于什么效应？
答：真空光电管由光电阴极、阳极和真空罩组成。基于外光电效应。
s ?
2 B s
s s
f
2B ss
f
V V
F t p
2、光电倍增管的结构，倍增原理？二次倍增体？（二次电子发射体）
答：（1）光电倍增管的结构如下图，由光电阴极、输入系统，倍增系统和输出系统组成。
原理：利用二次电子发射体制成的倍增电极对阴极受光照产生的电子进行多级放大。具体过程为：
光照射在光阴极上，电子从阴极上飞出，进入放大系统，逐次打在各个倍增极上，每个倍增
极上被打出更多的电子，最后全部被阳极收集，形成电流输出。
（2）二次倍增体指具有二次电子发射能力的物体。
3、通道式倍增管（CEM）的结构，工作原理？增益饱和效应？
答：通道式倍增管（CEM）的结构如图。
工作原理：如上图所示为 CEM，管内壁涂高阻值的导电层，并具有 d>3 的二次发射系数。电子或光
子从低电压端入射到管壁产生电子，在均匀电场的加速下，电子与管内壁多次碰撞，产生倍
增电子，在高压端输出，可达到 108的增益。
增益饱和效应：当输出脉冲电子数约为 3X108个时，增益就趋于饱和。引起饱和的物理原因是输出
端的负空间电荷场排斥来自管壁的二次电子，使其不能获得足够的动能再次碰撞管壁产生二
次电子。
作业十二
1、光电导探测原理？基于什么效应？
答：光电导探测器基于内光电效应。即电子吸收光子能量后，从价带激发到导带，使光电导的电导率发
生变化，即光敏电阻。
2、光电导增益原理？
答：增益指输出电子与产生电子－空穴对数目的比值。光电导增益原理：起源于“电荷放大”效应，半导
体中的杂质能级（位于禁带中）会捕获少数载流子，如 N 型（P 型）光电导的空穴（电子）会被杂
质能级捕获，使光电导带正电（负电），而吸引负极（正极）的电子（空穴）进入光电导，在电场
作用下漂移到正极（负极），这就相当于增加了电子（空穴）的产生率。
3、光电池与光电二极管的异同？
答：p-n 结型光电二极管的结构实际上与光电池完全相同，只是反向响应而已。如图所示，光电二极管
被反偏置，即工作在伏安特性曲线的的第三象限，而光电池工作在第四象限。
4、光电二极管、PIN、雪崩二极管的异同？
答：三者都是基于 p-n 结的结型光电探测器，工作在伏安特性曲线的第三象限。
光电二极管结构如下图所示。光电二极管的反向偏置电压主要施加在 p-n 结的耗尽层上，而非耗尽
层的 P、N 端的电压降很小，电子在非耗尽区运动主要是靠浓度扩散，所以电子运动速度慢，导致普通
p-n 结型光电二极管的响应速度慢，响应时间在 10-7s 量级。
PIN 型光电二极管的结构如下图所示，它由 P、N 型半导体间夹一本征半导体层，而 P、N 端的厚度
很薄。所以，反偏置电压近似均匀分布在整个 PIN 结上，电子在电场作用下快速漂移运动，减小了电子
的渡越时间，提高了响应速度。响应时间在 10-9s 量级。
雪崩二极管的结构和普通二极管的类似，只是在 p-n 结区增加了一个保护环，以提高 p-n 结的反向击
穿电压。雪崩二极管的工作原理：施加接近反向击穿电压的反向偏置电压，使耗尽区的电场强度达 105
伏/厘米，光生电子在强电场加速下，获得高的动能，当与晶格发生碰撞时，使晶格电离形成二次电子。
二次电子再被强电场加速，再次与晶格碰撞，使其电离产生二次电子，这个过程继续下去，称为雪崩过
程，雪崩过程使电子数剧增，产生大的增益。
雪崩型光电二极管，它既响应快，又具有高的增益。所以具有高的光电灵敏度，接近光电倍增管。
作业十三
1． 变象管与象增加器的异同？
答：相同之处：两者都属象管，基本原理类似，即利用光电阴极将可见或不可见图象转换为光电子图象，
利用具有成象和电子动能增强二合一功能的电子透镜或 MCP 将光电子图象增强并成象到荧光屏上，轰
击荧光屏发出足够亮度的可见光谱图象。结构也类似，即由输入系统、电子光学成象和增强系统、输出
系统和真空外壳组成。
相异之处：变象管是把不可见光谱图象转化为可见图象的成象器件，而象增强器则是增强微弱图象到可
视亮度的成象器件。即变象管改变的是图象光谱的波长（即单个光子的能量），而象增强器改变的是图
象的光强（即光子数）。
2．选通式变象管的结构，工作原理，优点？
答： 结构如下图
工作原理：锥形聚焦电极产生固定焦距的准球形静电场，物-象共轭面接近球面，象的位置和放大率与
两极间电压无关，完全由电极形状决定。用光纤面板实现平面-球面的转换。在阴极前增加了控制栅极,
当栅极电压低于阴极电压－ 90V 时，变象管截止，而比阴极电压高 175V 时，变象管导通。
优点：与脉冲照明光同步工作，只接受来自确定距离的景物的反射光信号，而此景物前后的反射光（信
号和噪声）被阻止。所以信噪比高。通过扫描栅极脉冲电压相对于照明脉冲光的延迟时间，就可以选择
观察不同距离的景物。
3． 象管与摄象器件的异同？
答：相同点：两者均是针对图象的转换器件。对光图象的处理，均经由光电转换来完成。其结构中均包
括光电转换元件。
不同点：两者光转换的目的和结果不同。象管转换的图象最终由人眼观察，因此光电转换后使光电子轰
击荧光屏，最终产生有足够亮度的可见光谱图象。而摄象器件的目的是实现图象的存储、传输，因此光
电转换之后，最终将电信号进一步转换存储或进行传输。
4. 光电异摄像管的结构与工作原理？
答：光电导摄像管由光电导靶和扫描电子枪组成。光电导靶兼做光电转换和电信号存储元件。电子枪做
扫描读出器件。结构如下图：
工作过程：
（1） 电子束扫描光电导上所有象素，并带相同负电。而信号输出面加正电，所以光电导内形成电场，
方向指向负极。
（2） 学图象照射光电导靶，使光电导内产生电子空穴对，在电场作用下，电子漂向正极，流入电源。
而空穴漂向负极，与原来扫描时留下的电子复合，使负极电位升高。
（3） 由于不同象素上的光强度不同，所以，负极电位升高量不同，这样光学亮暗图象就转换为负极
的电位高低分布图。保存时间由漏电流大小确定。
（4） 电子束扫描读出电位图象，并重新初始化光电导阴极电位。电子束再次扫描光电导，将阴极电位
初始回低电位，就会引起充电电流流过负载电阻，并通过负载电阻转化为电压信号，此电压信号的大小
正比于被充电光电导象素的阴极电位高低。
作业十四
1. CCD 的含义？CCD 以何种方式存储信号？
答：CCD，即 Charge Coupled Device，电荷耦合器件。CCD 是通过其 MOS 结构，控制金属的栅极电压，
引起半导体能带倾斜，形成势阱，来存储电荷信号。
2. 线阵和面阵 CCD 各有哪些结构、优缺点？说明为何两相线阵 CCD 不能采用并行转移？
答：线阵 CCD 器件，根据转移寄存器的结构，可分为单线和双线结构。
单线结构 CCD，转移寄存器与感光单元并行排列，两者间通过转移栅连接。
双线结构 CCD 的转移寄存器按奇、偶序号分别排在 CCD 的两侧，与单线结构 CCD 相比具有更高的空
间分辨率。
面阵 CCD 为二维成象器件。按传输结构的不同，仍然可以分为两种：行间传输结构和帧传输结构
帧传输结构中，光敏区和暂存区分别分为两部分。
缺点：帧转移时间较长，信号串扰 (smear) 较严重。设置快门，转移期间关闭光。
行间传输结构 CCD 中，光敏 CCD 列与暂存 CCD 列交替排列，一列光敏元和一列暂存 CCD 夹一个垂直
转移栅，组成一组。多个这样的组水平排列，组间由高阻沟道隔开。
两相线阵 CCD 不能并行转移：
电荷转移开始前，要求转移到的目标单元必须处于“空闲”状态，即目标单元必须先把自身的电荷转
移出去，处于“无信号”状态，才能再接收新的信号。
而从电荷开始转移到目标单元到转移完成的这段时间，则要求目标单元相邻的下一个单元是无信
号状态，对电荷形成“阻隔”，否则电荷又将沿势阱流入目标单元下一单元，影响这一单元的信号，形成
串扰。
对于两相线阵 CCD，此时按离放大和滤波电路从远到近排序，设带电荷单元为 1，3，5……，不
带电荷单元为 2，4，6……。则当 1 单元将电荷转移到 2 单元的过程中，必须保证 3 单元上已无信号。
但如果是并行转移，则实际上 3 单元中的信号此时也正在向 4 单元转移，而并未达到“空闲”状态。这样
的结果，就是 1 单元的部分电荷流入 2 单元后，又流入 3 单元……，结果造成整个线阵单元信号之间的
严重串扰。所以，在两相线阵 CCD 中，只能采用串行转移，将信号一个个传送出去，把 3 单元的电荷
转移了之后，才能从 1 单元向 2 单元转移电荷。
如采用三相结构，同一时间带电荷的单元是 1，4……，从工作过程可以看出，在并行转移过程中，
当 1 单元向 2 单元转移电荷过程中，3 单元始终处于“空闲”状态，1 单元的电荷不会进入 3 单元，也不
会透过 3 单元而对 4 单元中的另一信号造成干扰。
3. 分析下图所示滤波电路的幅频特性。
答：幅频特性：
1
1
o
i
i
V
H
V C R
L
当 时 取最大值。
此滤波电路为带通滤波器。
4. 相关检测测量何种微弱信号？它与有源滤波测量的异同？
答：有源滤波提供了在频率域中提取微弱信号的方法。而相关法提供在时间域中提取微弱信号的方法。
两者是等价的，通过付里叶变换联系起来。
作业十五
1. 取样积分器提高信噪比的原理？
答：取样积分器直接利用信号和零均值随机噪声具有不同的二级统计特性，通过多次累加，提高信噪比，
实现微弱周期信号的检测。
当对信号的 m 个周期重复采样，并累加采样值，则对噪声为白噪声的情况，信噪比增益为 ，
提高信噪比依靠牺牲时间增加累加次数来实现。
2. 取样积分器与光子计数器所检测的微弱信号有何异同？
答：光子计数是一种绝对微弱但高信噪比信号的灵敏检测技术，而锁相放大和积分累加是低信噪比的相
对微弱信号的灵敏检测技术。即取样积分器检测的微弱信号，信号强度相对较大，“相对微弱”指的是信
号叠加在一个同样可观的“噪声背景”之上，信噪比低。而光子计数器测量的信号则是信号本身强度极其
微弱（因此探测器输出的不是连续信号，而是脉冲序列），但信噪比高。
3. 光学多道分析器的结构，提高信噪比的原理？
答：光学多道分析器是传统光谱仪与面阵或线阵探测器相结合的产物。将传统光谱仪的出射狭缝改为出
射孔，设置阵列探测器件在出射孔处同时测量不同波长的光强。即同时测量宽的光谱。对于弱信号，也
可以通过阵列探测器多次累加信号，获得强的、高信噪比光谱信号。典型的 OMA 结构如下图：
4. 单光子计数的上、下限功率如何确定？并解释其物理意义。
答：（1）测量上限由探测器的渡越时间偏差确定，数学表示为：
1
c
LC
H
m
它反映了实现光子计数的第一个重要前提：光电倍增管渡越时间足够短，以产生对应于光子数目
的电脉冲数，对电脉冲的计数才能表征光子数目，即弱光强度。
(2)测量下限由背景噪声脉冲数决定。数学表示为：
这个下限反映了实现光子计数的另一个重要前提：信号脉冲相对于背景噪声脉冲有足够的信噪比。
作业十六
1、二阶非线性晶体为何必须是非中心反演对称的？
答：非线性光学研究高阶非线性光学现象，即物质的响应与光的场强成非线性关系。此时，通常的
线性光学参数中包含与光的场强有关的项。对各向同性介质，二阶极化强度随电场的平方变化，表
示为：
，
其中，c(2)称为二阶极化率。由于 P 为 E 的偶函数，当 E 改变为-E 时，P 不变，所以，若介质为具
有中心反演对称结构的物质，c(2)也不随外电场方向变化，结果 P 不随外电场变化，即，不具有二
阶非线性效应。换句话说，二阶非线性介质必须是非中心反演对称结构的。
2、自己推导正单轴晶体的二类共线倍频匹配角公式。
答：当且仅当 时，倍频效率达到最大值。称 Dk=0 为满足相位
匹配条件。二类相位匹配条件是指两基频波具有不同的偏振态，即实现 的二类相位匹配。当
满足 条件时，可以实现 o+e®o 二类相位匹配，相位匹配条件：
。将 B（ ）点坐标带入椭圆方程中
最后可得
max ( )
h
P W
min ( )
bn hP W
2
1 2 3 0k k k k n n
o e o
2 2( ) / 2 2o o e e o on n n n n n
2( ) 2e e on n n
( ) cos , ( )sine en n
2 2
2 2 1( ) ( )o e
y z
n n
2 2 2
2 2 2
[( ) (2 ) ]
arcsin
2 [( ) ( ) ]
e o o o
o o o e
n n n n
n n n n
2)2( EP
作业十七
1. 导出正单轴晶体参量放大中二类相位匹配的相位匹配角公式？
解：设正常色散。
其中 3 下标指泵浦光，1 和 2 下标分别指信号光或闲置光。
（本题答案摘自佘卫龙老师《非线性光学》课程讲义）
2. 光学参量过程与光学倍频过程的异同？
答：相同点：两者均为光学二次谐波效应，即二阶非线性效应，其作用原理均可以用二阶非线性耦合波
理论来解释。
区别：光学参量过程是由高频的泵浦光产生低频率的激光。而光学倍频，则是由低频率的激光产生高
频率的激光。
A
B
Z
O
A
k①，k2①
①
Y
X
轴
2 2
1 2 3 0 0 0 00 ( ) 2 ( ) 2e ek k k n n n n n n
( ( ) cos , ( )sin )e en n
3 2
1 1
1
1 1
3 2
1 1 2 2 3 3
1
2 2 2
3 2
2 1 2 2
1 1
2 2
2
2 2
3 2
1 1
( )
sin cos
( )
( ) ( )
( )
sin ( )
( ) ( )
e o o
o o e
e o
o
e o
o o
n n n
n n n
n n
B n
n n
B n n
解得
－
