光子学与光通信导论——复习

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1、光子学与光通信导论第一章绪论·光子学内涵·从电子学到光子学·光子的特性·从牛顿力学到相对论·光的波动性与粒子性·光电效应·1.维恩位移定律：例题：1．用波长为400nm的紫光去照射某种金属，观察到光电效应，同时测得遏止电势差为1.24V，试求该金属的红限和逸出功。解:由爱因斯坦方程，得等号两边同除以普朗克常量h，得等号左边等于红限n0，所以因为所以：代入数值，得根据逸出功A与红限n0的关系，可求得逸出功2．有一钾薄片，距光源3米，此光源功率为1瓦。钾原子以原子半径为0.5A。(0.05nm)的圆面积来吸收光能量，并发射光电子。光电子脱离钾表面的脱出功为1.8eV。问按波动的观点，钾原子要从光

2、源吸收到这么些光能量，需要多长时间？解钾原子面积上照到的光能量为：逸出光电子所需的时间：显然用光波动理论无法解释光电效应第一章波粒二象性及测不准原理·光压·光学黏胶·几率波·测不准原理1.光是波、也是粒子：•光是波它具有波长λ和频率ν•光是粒子它具有能量E和动量Р动量光子质量光子质量与波长成反比例题：1.用强光照射Na原子(原子量为23,原子直径1A),若要求光子产生的压力比重力产生的压力大10倍,试求入射的光强度为多少?解按题意写出式中m=23Mp,g=10(m/Sec2)为重力加速度,S为Na原子的截面积。将各参数代入上式得：这就是说当光强达到0.147(瓦/毫米2)时,Na原子上受到的

3、光压力是重力的十倍。2.中子的平均动能为kBT,试求在300K温度下，中子的德布洛意波长=?解利用其中代入得中子的质量代入常温下中子的波长大约比光波长小三个数量级3.电子显微镜的线分辨率约等于德布洛意波长，使用的电压为100仟伏，求这台电子显微镜的波长理论极限?解2.测不准原理(UncertaintyPrinciple)·海森堡的测不准关系式(德国物理学家1927年提出）海森堡根据波粒二象性和实验上不能同时测准位置与动量的实验事实得出：·即量子体系中，位置与动量及时间与能量(或频率)不能同时测准的物理量。例题：1.子弹(50克)和电子的速度均为300米/秒，测速度的不确定度0.01%，若测速

4、度与测位置在同一实验中同时进行。试确定测子弹与测电子位置的不确定度各等多少?电子子弹2.原子受激之后在任何时刻都可能产生辐射，实验测出原子辐射的平均寿命为秒。试求辐射光子的频率不确定度?解：若上题的原子为铒原子，发射的中心波长为1500nm。试求原子发射的自然谱宽(即)为多少?解：在通讯技术中测不准原理的例子：1.天线射束的张角2.脉冲宽度与频谱第三章激光的产生和性质·受激辐射理论·激光振荡原理·激光泵浦技术·激光谐振腔·典型激光器·激光的性质·光纤放大器（选学）一．受激吸收、自发辐射与受激辐射二．激光振荡条件：例题：指数增益系数·假设激光棒直径为10mm激光束从中央轴线来回反射十次之反溢出

5、端面。试光束的发散角?和激光棒的放大增益?·解光束角为三．Fabry-Perot谐振腔设计一个窄线宽的干涉滤波器要求滤波器的工作波长=1550nm，自由光谱区，半高度全宽，试设计滤波器的主要参数。求精细度F求F-P的间隔距离d(腔内为空气n=1，正入射)求反射膜的R四．激光的性质1.波列长度与辐射谱宽、相干长度与相干时间的关系光谱的时间相干性相干时间τ与光谱频宽相干长度L=c×τ=c/Δν空间相干性1.亮度与光子简并度光子简并度每个模的平均粒子数即为：第四章光的传播·射线光学·谐振腔的稳定性·均匀介质高斯光束·高斯光束的ABCD定律·谐振腔的自洽性类透镜介质射线矩阵举例：类透镜介质构成

6、的(多模)光纤，其芯子直径a=50μm，折射率分布为：(当r=0有n(0)=1.465，r=a/2，n(a/2)=1.42)试求此类透镜介质的焦距=?解光的传播-----射线光学举例：例题求球透镜的焦点位置我们从第一个参考面RP1输入平行于Z轴的光线，经球面透镜折射进入玻璃球镜传播2R/n距离之后，从后球面折射出来再传播距离x。按照矩阵乘法的规则可以写出总的射线传输矩阵M。入射光平行Z轴，焦点在Z轴上，求焦平面应有A=0即得因此：0.43-0.57x=0得焦点位置：半球面透镜在光学中是很有用的。其折射率为n，半径为r，求半球面透镜的焦矩?解采用在介质中传输距离缩短和将折射率移到射线状态的列矢

7、量中去的方法，我们可写出：因此求得焦距为：高斯光束传播的ABCD定律---应用举例1.问题己知其一光学系统的ABCD参量，输入光束的光腰落在RP1上，在RP2上的复光束参量为q2。试证：证明：2.将He—Ne激光器6328A的激光束用10x倍的显微镜会聚、并注入到芯径为4μm的单模光纤中。问光腰到薄透镜之间的距离U取多少为宜?解：设He—Ne激光器为平凹型的半共焦腔，其输出激光的光腰正好落在平面镜处，腔长d=