2025年大學《物理學》專業(yè)題庫——光子晶體在光電子學中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.下列哪個結構不屬于光子晶體？A.折射率沿一個方向周期性變化的結構B.折射率沿兩個正交方向周期性變化的結構C.折射率隨機分布的結構D.上述都不對2.光子帶隙的形成是由于：A.光的色散B.光的干涉C.光的衍射D.上述都有關3.一維光子晶體通常由哪兩種不同折射率的材料交替構成？A.金屬和絕緣體B.半導體和絕緣體C.透明介質和金屬D.透明介質和半導體4.光子晶體光纖與普通光纖相比，主要優(yōu)點是什么？A.傳輸損耗更低B.可以實現(xiàn)奇異的光學現(xiàn)象C.制造成本更低D.以上都不對5.光子晶體諧振器的主要功能是什么？A.濾波B.調制C.產生相干光D.以上都不對6.光子晶體濾波器的主要應用領域是什么？A.通信B.傳感C.激光器D.以上都不對7.自組裝技術制備光子晶體的主要優(yōu)點是什么？A.成本低B.可控性強C.適用于大規(guī)模生產D.以上都不對8.光子晶體傳感器的主要原理是什么？A.光的干涉B.光的衍射C.光的吸收D.以上都有關9.光子晶體激光器的主要優(yōu)勢是什么？A.輸出功率高B.光束質量好C.可調諧范圍寬D.以上都不對10.光子晶體在光電子學中的未來發(fā)展前景如何？A.應用領域有限B.技術發(fā)展緩慢C.具有巨大的潛力和廣闊的應用前景D.以上都不對二、填空題1.光子晶體是指具有__________的周期性結構介質。2.光子帶隙是指光子晶體中__________傳播的頻率范圍。3.光子晶體光纖的色散特性與普通光纖相比，具有__________的特點。4.光子晶體波導是利用光子帶隙效應實現(xiàn)__________的光波導。5.光子晶體諧振器的品質因數(shù)越高，其選模特性__________。6.光子晶體濾波器可以根據(jù)需要設計成__________、__________等多種類型。7.常見的制備光子晶體的微納加工技術包括__________、__________等。8.光子晶體傳感器利用光子晶體對__________的敏感特性來實現(xiàn)對物質的檢測。9.光子晶體激光器可以實現(xiàn)__________、__________等輸出模式。10.光子晶體在光電子學中的應用領域包括光纖通信、__________、__________等。三、簡答題1.簡述光子晶體實現(xiàn)光子帶隙的物理機制。2.與傳統(tǒng)光纖相比，光子晶體光纖有哪些獨特的光學特性？3.簡述光子晶體濾波器的工作原理。4.簡述自組裝技術制備光子晶體的基本過程。5.簡述光子晶體傳感器的基本原理。四、計算題假設一個一維光子晶體由折射率為n1和n2兩種材料交替構成，周期為a，求該光子晶體在正常入射條件下的光子帶隙范圍。五、論述題論述光子晶體在光電子學中的潛在應用前景，并舉例說明其在某個具體領域的應用。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.A4.B5.C6.A7.A8.D9.B10.C二、填空題1.一維空間折射率分布周期性2.能量不能傳播3.可調控性強4.光子帶隙中5.越好6.帶通式；帶阻式7.光刻；電子束刻蝕8.物理量9.單頻；多頻10.光子傳感；光通信三、簡答題1.解析：光子晶體由于具有周期性結構，會對光波的傳播產生散射。當光波入射到光子晶體時，會發(fā)生多次散射，形成布洛赫波。在特定頻率范圍內，布洛赫波的波矢k無法滿足布里淵區(qū)邊界條件，導致光波無法傳播，形成光子帶隙。2.解析：光子晶體光纖具有獨特的色散特性，可以實現(xiàn)負色散、零色散等。此外，光子晶體光纖還可以實現(xiàn)多芯、多模傳輸，以及特殊的光學效應，如非線性光學效應、光子帶隙效應等。3.解析：光子晶體濾波器利用光子帶隙效應，可以實現(xiàn)對特定波長光的濾波。當光波入射到光子晶體濾波器時，只有處于光子帶隙之外的波長才能通過，而處于光子帶隙內的波長則被阻止。4.解析：自組裝技術制備光子晶體的基本過程包括：首先制備種子層，然后在種子層上通過化學反應或物理過程生長出周期性結構。自組裝技術具有成本低、易于制備復雜結構等優(yōu)點。5.解析：光子晶體傳感器利用光子晶體對物理量或化學量的敏感特性來實現(xiàn)對物質的檢測。當被測物質與光子晶體相互作用時，會引起光子晶體光學特性的變化，如光子帶隙的位置、寬度等，通過檢測這些變化可以實現(xiàn)對被測物質的檢測。四、計算題解析：對于一維光子晶體，假設兩種材料的折射率分別為n1和n2，周期為a。根據(jù)布拉格條件，光子帶隙范圍滿足：\[\frac{2\pi}{\lambda}\cdot\sqrt{n_1^2\sin^2\theta+n_2^2\cos^2\theta}=m\pi,\quadm=1,2,3,\ldots\]對于正常入射，\(\theta=0\)，上式簡化為：\[\frac{2\pi}{\lambda}\cdotn_{eff}=m\pi\]其中，\(n_{eff}\)為有效折射率，滿足：\[\frac{2\pi}{\lambda}\cdot\sqrt{n_1^2+n_2^2}=m\pi\]解得有效折射率：\[n_{eff}=\sqrt{n_1^2+n_2^2}\]光子帶隙范圍：\[\lambda=\frac{2a}{m}\sqrt{n_1^2+n_2^2},\quadm=1,2,3,\ldots\]五、論述題解析：光子晶體在光電子學中具有巨大的潛力和廣闊的應用前景。例如，在光纖通信領域，光子晶體光纖可以實現(xiàn)低損耗、高帶寬的傳輸，以及特殊的光學效應，如非線性光學效應、光子帶隙效應等，可以用于構建新型光纖通信系統(tǒng)。在光子