第一章2. 如图所示，设小面源的面积为∆A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0的夹角为θs ；被照面的面积为∆A c ，到面源∆A s 的距离为l 0。

若θc 为辐射在被照面∆A c 的入射角，试计算小面源在∆A c 上产生的辐射照度。

解：亮度定义:r r ee A dI L θ∆cos =强度定义:ΩΦ=d d I e e可得辐射通量：Ω∆=Φd A L d s s e e θcos在给定方向上立体角为：2cos l A d cc θ∆=Ω 则在小面源在∆A c 上辐射照度为：2cos cos l A L dA d E cs s e e e θθ∆=Φ=3.假如有一个按朗伯余弦定律发射辐射的大扩展源（如红外装置面对的天空背景），其各处的辐亮度L e 均相同，试计算该扩展源在面积为A d 的探测器表面上产生的辐照度。

答：由θcos dA d d L e ΩΦ=得θcos dA d L d e Ω=Φ，且()22cos r l A d d +=Ωθ则辐照度：()e e e L d rlrdrl L E πθπ=+=⎰⎰∞20022227.黑体辐射曲线下的面积等于等于在相应温度下黑体的辐射出射度M 。

试有普朗克的辐射公式导出M 与温度T 的四次方成正比，即 M=常数4T ⨯。

这一关系式称斯特藩-波耳兹曼定律，其中常数为5.6710-8W/m 2K 4解答：教材P9，对公式2151()1e C TC M T eλλλ=-进行积分即可证明。

第二章3．对于3m 晶体LiNbO3，试求外场分别加在x,y 和z 轴方向的感应主折射率及相应的相位延迟（这里只求外场加在x 方向上）解：铌酸锂晶体是负单轴晶体，即n x =n y =n 0、n z ＝n e 。

它所属的三方晶系3m 点群电光系数有四个，即γ22、γ13、γ33、γ51。

电光系数矩阵为：L e∆A s∆A cl 0θsθc第1.2题图⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=0000000002251513313221322γγγγγγγγγij 由此可得铌酸锂晶体在外加电场后的折射率椭球方程为：12)(2)1()1()1(2251233121322202152220=-++++++++-xy E xz E yz E z E n y E E n x E E n x x z z ez y z y γγγγγγγ （1）通常情况下，铌酸锂晶体采用450－z 切割，沿x 轴或y 轴加压，z 轴方向通光，即有E z =E y =0,且E x ≠0。

晶体主轴x,y 要发生旋转，上式变为：1222251222222=-+++xy E xz E n z n y n x x x zy x γγ （2） 因151〈〈x E γ，且光传播方向平行于z 轴，故对应项可为零。

将坐标轴绕z轴旋转角度α得到新坐标轴，使椭圆方程不含交叉项，新坐标轴取为⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡''cos sin sin cos y x y x αααα，z=z ’ （3） 将上式代入2式，取o 45=α消除交叉项，得新坐标轴下的椭球方程为：1''1'1222222022220=+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-e x x n z y E n x E n γγ （4）可求出三个感应主轴x ’、y ’、z ’（仍在z 方向上）上的主折射率变成：ez x y xx n n E n n n E n n n =-=+='22300'22300'2121γγ （5）可见，在x 方向电场作用下，铌酸锂晶体变为双轴晶体，其折射率椭球z 轴的方向和长度基本保持不变，而x,y 截面由半径为n 0变为椭圆，椭圆的长短轴方向x ’ y ’相对原来的x y 轴旋转了450，转角的大小与外加电场的大小无关，而椭圆的长度n x ，n y 的大小与外加电场E x 成线性关系。

当光沿晶体光轴z 方向传播时，经过长度为l 的晶体后，由于晶体的横向电光效应（x-z ），两个正交的偏振分量将产生位相差：l E n l n n x y x 22302)''(2γλπλπϕ=-=∆ （6）若d 为晶体在x 方向的横向尺寸，d E V x x =为加在晶体x 方向两端面间的电压。

通过晶体使光波两分量产生相位差π（光程差λ/2）所需的电压x V ，称为“半波电压”，以πV 表示。

由上式可得出铌酸锂晶体在以（x-z ）方式运用时的半波电压表示式：l dn V 22302γλπ=（7） 由（7）式可以看出，铌酸锂晶体横向电光效应产生的位相差不仅与外加电压称正比，还与晶体长度比l /d 有关系。

因此，实际运用中，为了减小外加电压，通常使l /d 有较大值，即晶体通常被加工成细长的扁长方体。

6．在电光晶体的纵向应用中，如果光波偏离z 轴一个远小于1的角度传播，证明由于自然双折射引起的相位延迟为2220012θωϕ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=∆e n n n c L，式中L 为晶体长度。

解：()22222sin cos 1e o e n n n θθθ+=，得()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=222001211θθe e n n n n 自然双折射引起的相位延迟：()[]222000122θωλπϕθ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=∆e e n n n c LL n n 7. 若取v s =616m/s ，n =2.35， f s =10MHz ，λ0=0.6328μm ，试估算发生拉曼-纳斯衍射所允许的最大晶体长度L max =?解：由公式0204λλsn L L ≈<计算。

9 考虑熔岩石英中的声光布喇格衍射，若取00.6238m λμ=，n=1.46，35.9710/s v m s =⨯，100s f MHz =，计算布喇格角B θ。

解： ss sv f λ= 代入公式得： sin 22B s s sf n nv λλθλ==代入数据得： sin 0.00363B θ=由于B θ很小，故可近似为： 0.00363B θ=10. 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 =0.25⨯10-5（'）/cm •T ，’ 3．为了降低电光调制器的半波电压，用4块z 切割的KD*P 晶体连接（光路串联，电路并联）成纵向串联式结构，为了使4块晶体的光电效应逐块叠加，各晶体的x 轴和y 轴应如何取向？并计算其半波电压。

应使4块晶体成纵向排列，且相邻晶体的光轴应互成90°排列，即一块晶体的'y 和z 轴分别与另一块晶体的z 和'y 轴平行，这样排列后第一块和第三块晶体的光轴平行，第二块和第四块晶体的光轴平行。

经过第一块晶体后，亮光束的相位差31'006321()2x z e z n n n E L πϕϕϕγλ∆=-=-+ 经过第二块后，其相位差32'006321()2z x e z n n n E L πϕϕϕγλ∆=-=-+ 于是，通过两块晶体之后的相位差为3120632Ln Vdπϕϕϕγλ∆=∆+∆=由于第一块和第三块晶体的光轴平行，第二块和第四块晶体的光轴平行，故总的相位差为3120634'22()Ln Vdπϕϕϕϕγλ∆=∆=∆+∆=3063()4dV n Lπλλ= 4 如果一个纵向电光调制器没有起偏器，入射的自然光能否得到光强度调制？为什么？解答：不能得到强度调制。

因为自然光偏振方向是任意的。

自然光通过电光调制器后，不能形成固定相位差。

5 一个PbMoO 4声光调制器，对He-Ne 激光进行调制。

已知声功率P s =1W ，声光相互作用长度L=1.8mm ，换能器宽度H=0.8mm ，M 2=36.310-15s 3/kg ，试求PbMoO 4声光调制器的布喇格衍射效率？ 解答：⎥⎦⎤⎢⎣⎡==s s P M H LLI I 222sin 1λπη 计算可得71.1％6 一个驻波超声场会对布喇格衍射光场产生什么影响？给出造成的频移和衍射方向。

解答： 新的光子沿着光的散射方向传播。

根据动量守恒和能量守恒定律：()d i s k k k =+ ，即 ()d i s k k k =+ （动量守恒）i s d ωωω+= （能量守恒）（能量守恒）——衍射级相对于入射光发生频率移动,根据光波矢量的定义，可以用矢量图来表示上述关系，如图所示图中ss k λπ2=为声波矢量，'22ck ii πυλπ==为入射光波矢量。

()'22c f dk s d +==υπλπ为衍射光波矢量。

因为s f >>υ，f s 在1010Hz 以下，υ在1013Hz 以上，所以衍射光的频率偏移可以忽略不计。

则 i i s d ωωωω≈+=在上面的等腰三角形中 B i s k k θsin 2= 布拉格条件： siB λλθ2sin =和书中推导的布拉格条件相同。

入射光的布拉格角只由光波长，声波长决定。

7. 用PbMoO 4晶体做成一个声光扫描器，取n =2.48，M 2=37.75⨯10-15s 3/kg ，换能器宽度H =0.5mm 。

声波沿光轴方向传播，声频f s =150MHz ，声速v s =3.99⨯105cm/s ，光束宽度d =0.85cm ，光波长λ=0.5μm 。

⑴ 证明此扫描器只能产生正常布喇格衍射； ⑵ 为获得100%的衍射效率，声功P s 率应为多大？ ⑶ 若布喇格带宽∆f =125MHz ，衍射效率降低多少？ ⑷ 求可分辨点数N 。

解：⑴ 由公式0204λλsn L L ≈<证明不是拉曼-纳斯衍射。

⑵ 22222cos L M I B s θλ=，⎪⎭⎫⎝⎛==L H M HLI P B s s 2222cos θλ，答案功率为0.195W 。

⑶ 若布喇格带宽∆f =125MHz ，衍射效率降低多少？ssB f nv ∆=∆2λθ，⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=H P v P n f f s B s s θλπρ∆ηcos 2232270 ⑷ 用公式)(λωφφθR N =∆∆∆=和R f v N s s ∆=∆∆=ωφθ计算。

答案：148。

第四章5 如果Si 光电二极管灵敏度为10uA/uW ，结电容为10pF ，光照功率为5uW 时，拐点电压为10V ，偏压40V ，光照信号功率()()W t t P μωcos 25+=，试求： （1）线性最大输出功率条件下的负载电阻；（2）线性最大输出功率； （3）响应截止频率。