光电子技术作业解答(4)

2019-04-09 11:29

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:

H????Vo1 ?Vi?1???C??Ri??L?当???c?1时H???取最大值。 LC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m,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:

Pmax?h???(W) 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:

Pmin?nbh??(W)

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:

, P??(2)E2其中,?(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,?(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?k?k?k?k?0?n??n2?时,倍频效率达到最大值。称?k=0为满足相

123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o?e?o的二类相位匹配。当满足no?(no?ne)/2?ne?2no?no条件时,可以实现o+e?o二类相位匹配,相位匹配

?2??条件:ne。将B(ne?(?)cos?,?ne?(?)sin?)点坐标带入椭圆方程中 (?)?2ne?no2????2??y2z2??1 ?2?2(no)(ne)ne???arcsin最后可得

2no2??no?[(no?)2?(2no2??no?)2] [(no?)2?(ne?)2]A Z k?,k2? X轴

? Y ??(ne(?)cos?,?ne(?)sin?)OA B k1?k2?k3?0???2?ne(?)?n0?2n0?2???ne(?)?2n0?n0

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。

n1e(?)?1?n2o?2?n3o?3?sin?cos???3??2?n?n?n1e(?)???2??2? ?1o?12o(no)??(ne)321122?12?1?2?2B?2?(no)sin(?)???1?2?1?2(ne)?(no)?解得??B??3n?3-?2n?2??1o?1o?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。


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