光电检测复习提纲

1、第一章：光辐射与发光源2. 光辐射以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。一般认为其波长在10nm1mm，或频率在3´1016Hz3´1011Hz范围内。一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分：紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段波长用nm、在红外波段波长用mm表示。波数的单位习惯用cm-1。1. 辐射量 辐射能。辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波（主要指紫外、可见光和红外辐射）能量。辐射能一般用符号Qe表示，其单位是焦耳（J）。 辐射通量。辐射通量Fe又称为辐射功率，定义为单

2、位时间内流过的辐射能量，即 (1.2-1)单位：瓦特（W）或焦耳·秒（J·s）。 辐射出射度。辐射出射度Me是用来反映物体辐射能力的物理量。定义为辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，即 (1.2-2)单位：W/m2。辐射强度。辐射强度定义为：点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量，用Ie表示，即 (1.2-3)单位：瓦特·球面度-1（W·sr-1）。由辐射强度的定义可知，如果一个置于各向同性均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是Fe，则该点辐射体在各个方向的辐射强度Ie是常量，有 (1.2-4) 辐射亮度。辐射亮度定义为面辐射源在

3、某一给定方向上的辐射通量。如图2所示。 (1.2-5)式中q是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。单位：瓦特/球面度·米2（W/sr·m2）。SqdFdSdW图2 辐射亮度示意图显然，一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。但是有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足 (1.2-6)式中Ie0是面元dS沿其法线方向的辐射强度。符合上式规律的辐射体称为余弦辐射体或朗伯体。(1.2-6)式代入(1.2-5)式得到余弦辐射体的辐射亮度为 (1.2-7)可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角q无关。余弦辐射体的辐射出射度为 (1.2-8)辐射照度。在辐射接收面上的辐照度定义为照射在

4、面元dA上的辐射通量与该面元的面积之比。即 (1.2-9)单位：（W/m2）。单色辐射度量 对于单色光辐射，同样可以采用上述物理量表示，只不过均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量，并且对所有辐射量X来说单色辐射度量与辐射度量之间均满足 (1.2-10)考点1：(理解)：由辐射通量和辐射强度之间的关系式(1.2-4)可知，一个辐射强度为1 W·sr-1的点光源，总辐射通量等于W。现在假设有一个以这个点光源为球心、半径为1m的球面包围这个点光源，则该球面上的辐射照度为Ee=Ie/R2。这一结果表明，一个均匀点光源在空间一点的辐射照度与该光源辐射强度成正比，与距离的平方成反比。（P4）考点

5、2：坎德拉定义：一个光源发出频率为540*1012Hz的单色辐射，若在一给定方向上的辐射强度为(1/683)W/sr时, 则该光源在该方向上的发光强度就是1cd.考点3：（理解、分析图）问: 点光源均匀发光(l=500nm), 发光强度I=100cd,则总光通量Fl = ,总辐射功率为Fe,l = . 答:总光通量Fl = òIdW=4pI =400p(lm), 总辐射功率Fe,l=F,l/683Vl=400p/(683´0.3)=6.1(W)图3 光谱光视效率曲线8.色温（考点4）为了表示一个热辐射光源所发出光的光色性质，常用到色温度这个量，单位为K。色温度是指在规定两波

6、长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。色温度并非热辐射光源本身的温度。由于色温度是按规定的两波长处的辐射比率来比较的，所以色温度相同的热辐射光源的连续谱也可能不相似，若规定的波长不同，色温度往往也不相同。至于非热辐射光源，色温度只能给出这个光源光色的大概情况，一般来说，色温高代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙、红光的成分多些。8007006005004000.00.20.4习 题11.1 设在半径为Rc的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l0处有一个辐射强度为Ie的点源S，如图所示。试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。l0SRc第1题图 解答：因为，且在立体角内的辐射通量全部照在面元上。面

7、元的 根据立体角定义可知：，这里的，代入上式，得到：解答完毕。1.2 如图所示，设小面源的面积为DAs，辐射亮度为Le，面源法线与l0的夹角为qs；被照面的面积为DAc，到面源DAs的距离为l0。若qc为辐射在被照面DAc的入射角，试计算小面源在DAc上产生的辐射照度。LeDAsDAcl0qsqc第2题图解答：因为，推出：又因为推出：最后根据 第二章 光辐射的传播2.1 何为大气窗口，试分析光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素。对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为大气窗口。衰减的原因是大

8、气分子的少量吸收和散射占主导地位的损耗，大气溶胶的吸收和散射。2.2 何为大气湍流效应，大气湍流对光束的传播产生哪些影响？是一种无规则的漩涡流动，流体质点的运动轨迹十分复杂，既有横向运动，又有纵向运动，空间每一点的运动速度围绕某一平均值随机起伏。这种湍流状态将使激光辐射在传播过程中随机地改变其光波参量，使光束质量受到严重影响，出现所谓光束截面内的强度闪烁、光束的弯曲和漂移（亦称方向抖动）、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，统称为大气湍流效应。2.5 何为电光晶体的半波电压？半波电压由晶体的那些参数决定？电光晶体加入外电场后，当光波的两个垂直分量的光程差为半个波长（相应的相位差为p）时所需要

9、加的电压，称为半波电压。2.10 一束线偏振光经过长，直径的实心玻璃，玻璃外绕匝导线，通有电流。取韦尔德常数为，试计算光的旋转角由公式和计算。答案：0.31252.15 光波水下传输有那些特殊问题？主要是设法克服这种后向散射的影响。措施如下：1 适当地选择滤光片和检偏器，以分辨无规则偏振的后向散射和有规则偏振的目标反射。2 尽可能的分开发射光源和接收器。采用如图2-28所示的距离选通技术。当光源发射的光脉冲朝向目标传播时，接收器的快门关闭，这时朝向接收器的连续后向散射光便无法进入接收器。当水下目标反射的光脉冲信号返回到接收器时，接收器的快门突然打开并记录接收到的目标信息。这样就能有效的克服水下

10、后向散射的影响。第三章 光束的调制和扫描1.振幅调制振幅调制就是载波的振幅随调制信号的规律而变化的振荡，简称调幅。若调制信号是一时间的余弦函数，即 (3.1-2)调幅波的表达式为 (3.1-3)调幅波的频谱为 (3.1-4)频谱由三个频率成分组成，第一项是载频分量，第二、三项是称为边频分量，如图1所示。上述分析是单余弦信号调制的情况。如果调制信号是一复杂的周期信号，则调幅波的频谱将由载频分量和两个边频带组成。t2wmwc-wm wc wc+wm wAcmaAc/2maAc/2图1 调幅波频谱2.频率调制和相位调制调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而改变的振荡。因为这两种调制

11、波都表现为总相角y(t)的变化，因此统称为角度调制。对频率调制来说，就是中的角频率wc随调制信号变化 (3.1-5)则调制波的表达式为 (3.1-6)同样，相位调制就是 相位角jc随调制信号的变化规律而变化，则调相波的表达式为 (3.1-8)由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可写成统一的形式 (3.1-9)上式按三角公式展开，并应用得到 (3.1-10)可见，在单频余弦波调制时，其角度调制波的频谱是由光载频与在它两边对称分布的无穷多对边频组成。显然，若调制信号不是单频余弦波，则其频谱将更为复杂。3. 强度调制强度调制使光载波的强度(光强)随调制信号规律变化的激光振荡，如图2所示。光束

12、调制多采用强度调制形式，这是因为接收器一般都是直接响应其所接收的光强。光束强度定义为光波电场的平方 (3.1-11)于是，强度调制的光强可表示为 (3.1-12)仍设调制信号是单频余弦波，则 (3.1-13)I(t)t调制信号载波图2 强度调制强度调制波的频谱可用前面所述的类似方法求得，其结果与调幅波略有不同，其频谱分布除了载频及对称分布的两边频之外，还有低频wm和直流分量。以上几种调制方式所得到的调制波都是一种连续振荡波，统称为模拟调制。直接调制（考点一：理解、熟悉）直接调制(内调制)主要是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源（激光二极管LD或半导体发光二极管LED），从而获得调制光信

13、号。是目前光纤通信系统普遍采用的实用化调制方法。根据调制信号的类型，直接调制又可以分为模拟调制和数字调制两种，前者是有连续的模拟信号（如电视、语音等信号）直接接对光源进行光强度调制，后者是用脉冲编码调制数字信号对光源进行强度调制，下面介绍这两种调制方法。1.半导体激光器（LD）直接调制的原理图3为砷镓铝双异质结注入式半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系曲线。图4所示半导体激光器的光谱特性。10080604020850 950 1050波长(mm)相对辐射强度(%)高于阈值低于阈值图4 半导体激光器的光谱特性10500 50 100 It 150 200驱动电流(mA)输出功率(mW)图3半

14、导体激光器的输出特性图5所示的是半导体激光器调制原理以及输出光功率与调制信号的关系曲线。为了获得线性调制，使工作点处于输出特性曲线的直线部分，必须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流Ib，这样就可以使输出的光信号不失真。输出功率直流偏置调制信号输出光强信号ttt(b)CLLD调制信号直流偏置(a)图5半导体激光器调制 (a) 电原理图；(b) 调制特性曲线半导体激光器处于连续调制工作状态时，无论有无调制信号，由于有直流偏置，所以功耗较大，甚至引起温升，会影响或破坏器件的正常工作。2.半导体发光二极管（LED）的调制特性LD2LD1LED1LED2LED3LED4I(mW)Pout(mW)1

15、6141210864200 100 200 300 400图6 LED与LD 的Pout-I曲线比较半导体发光二极管由于不是阈值器件，它的输出光功率不像半导体激光器那样会随注入电流的变化而发生突变，因此，LED的PI特性曲线的线性比较好。图6示出了LED与LD的PI特性曲线的比较。3.半导体光源的模拟调制 无论是使用 LD或LED作光源，都要施加偏置电流Ib，使其工作点处于LD或LED的PI特性曲线的直线段，如图7所示。其调制线性好坏与调制深度m有关： LEDUb+EcIc已调光波(a)PoutItIco(b)图7 模拟信号驱动电路激光强度调制 (a) 驱动电路；(b) LED工作特性4.半导

16、体光源的脉冲编码数字调制如前所述，数字调制是用二进制数字信号“1”和“0”码对光源发出的光波进行调制。而数字信号大都采用脉冲编码调制，即先将连续的模拟信号通过“抽样”变成一组调幅的脉冲序列，再经过“量化”和“编码”过程，形成一组等幅度、等宽度的矩形脉冲作为“码元”，结果将连续的模拟信号变成了脉冲编码数字信号。然后，再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制，其调制特性曲线如图8所示。由于数字光通信的突出优点，所以其有很好应用的前景。首先因为数字光信号在信道上传输过程中引进的噪声和失真，可采用间接中继器的方式去掉，故抗干扰能力强；其次对数字光纤通信系统的线性要求不高，可充分利用光源（LD）的发光功率

17、；第三数字光通信设备便于和脉冲编码电话终端、脉冲编码数字彩色电视终端、电子计算机终端相连接，从而组成既能传输电话、彩色电视，又能传输计算机数据的多媒体综合通信系统。声光扫描器的主要性能参量（考点2）声光扫描器的主要性能参量有三个:可分辨点数，它决定描器的容量。偏转时间t，其倒数决定扫描器的速度。衍射效率hs，它决定偏转器的效率。3.43.7 用PbMoO4晶体做成一个声光扫描器，取n=2.48，M2=37.75´10-15s3/kg，换能器宽度H=0.5mm。声波沿光轴方向传播，声频fs=150MHz，声速vs=3.99´105cm/s，光束宽度d=0.85cm，光波长l=

18、0.5mm。 为获得100%的衍射效率，声功Ps率应为多大？解： ， 答案：0.195W第4章 光辐射的探测技术§1 光电探测器的物理效应光电探测器能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件。一、光子效应和光热效应（考点一）1. 光子效应指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态的改变。特点：光子效应对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。2. 光热效应探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,

19、温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。特点：原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。（在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。）二、光电发射效应外光电效应（器件：光电管、光电倍增管）指光照下,物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象。 -光电发射体（光阴极）爱因斯坦方程：为光电子的动能，为光电发射体的功函数。外光电效应条件：“红限”(截止波长) （考点二，截止波长、频率）截止波长指的是,单模光纤通常存在某一波长,当所传输的光波长超过该波长时,光纤只能传播一种模式(基模)的光,而在该波长之下,光纤可传播多种模式(包含高阶

20、模)的光。当保持电路输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍，或某一特殊额定值时该频率称为截止频率。（考点三：推导）对本征半导体，设每秒钟激发载流子对的数目为N，则， 光电导：DG与每秒钟所激发的载流子对数N成正比, 即与光功率成正比。光电导效应就是光照下探测器的电导率增大的效应，光照越强，光电导越大。 光电流: 电流增量并不等于每秒钟光激发的电量 eN, 定义光电导效应的电流增益:对N型半导体，光照时电子浓度增加量Dn是主要的，有： 五、温差电效应（考点四：温差电效应）当两种不同的配偶材料（可以是金属或半导体）两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动

21、势，称为温差电动势。提高测量灵敏度若干个热电偶串联起来使用热电堆六、热释电效应（考点五）热释电材料电介质一种结晶对称性很差的压电晶体在常态下具有自发电极化(即固有电偶极矩)。 热电体的|决定了面电荷密度的大小，当发生变化时，面电荷密度也跟着变化。| |值是温度的函数温度升高| |减小。升高到Tc值时,自发极化突然消失,TC称为居里温度。热释电体表面附近的自由电荷对面电荷的中和作用比较缓慢，一般在11000秒量级。热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件。§2 光电探测器的性能参数(考点六)一、积分灵敏度R二、光谱灵敏度R三、频率灵敏度Rf（响应频率fc和响应时间）四、量子效率五、通量阈

22、Pth和噪声等效功率NEP六、归一化探测度D*(读作D星)七、噪声七、光电转换定律光辐射量转换为光电流量的过程光电转换。 D探测器的光电转换因子式中：探测器的量子效率基本的光电转换定律： (1)光电探测器对入射功率有响应,响应量是光电流。因此,一个光子探测器可视为一个电流源。(2)因为光功率P正比于光电场的平方,故常常把光电探测器称为平方律探测器。或者说,光电探测器本质上一个非线性器件。例题：(考点7：会解)例如，若RL=Rg=1M,2,光敏面积为1cm2,则V不能超过632V，若光敏面积为0.01cm2,则V不允许超过63V.。(p131)几种典型的光敏电阻 (P133) 考点8，记。（1）

23、CdS和CdSe低造价、可见光辐射探测器光电导增益比较高(103104)响应时间比较长(大约50ms)（2）PbS近红外辐射探测器波长响应范围在13.4m，峰值响应波长为2m内阻（暗阻）大约为1M响应时间约200s（3）InSb在77k下,噪声性能大大改善峰值响应波长为5m响应时间短（大约50×10-9s）（4）HgxCd1-xTe探测器化合物本征型光电导探测器,它是由HgTe和GdTe两种材料混在一起的固溶体,其禁带宽度随组分x呈线性变化。当x=0.2时响应波长为814m,工作温度77k，用液氮致冷。考点：光电转换原理，为什么M=1？（考点9） 短路电流和开路电压精确表达式的推导短

24、路电流和开路电压精确表达式的推导 短路电流RL=0，则u=0,由（4-102）得: 光电池的短路电流与光功率成线性关系。光电池作为测量元件时，负载电阻应尽量取得小些，使之满足“短路”条件,从而使光电池成为线性元件.开路电压RL=,i=0,开路电压与光功率成非线性关系.P139 在室温（300K）下，(考点10 P146) 例题：已知某Si光电二极管的灵敏度S=0.5.P147频率响应特性影响因素（扩散时间、耗尽层中的漂移时间、结电容效应），哪两个重要，为什么？(考点11 P153) 若mm2，(考点12 P159) 光频外差探测有哪些物理量？ P165 4.1 比较光子探测器和光热探测器在作用

25、机理、性能及应用特点等方面的差异。答：光子效应是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。因为，光子能量是h，h是普朗克常数, 是光波频率，所以，光子效应就对光波频率表现出选择性，在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量h的大小没有

26、直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。值得注意的是，以后将要介绍一种所谓热释电效应是响应于材料的温度变化率，比其他光热效应的响应速度要快得多，并已获得日益广泛的应用。4.7 比较直接探测和外差探测技术的应用特点第5章 光电成像系统§1 固体摄像器件考点1：深刻理解并掌握“电荷耦合器件（CCD）与其他器件相比，最突出的特点用光注入的办法产生”固体摄像器件的功能：把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息

27、（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行输出的电信号 视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。固体摄像器件主要有三大类：电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD）互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS）电荷注入器件（Charge Injenction Device，即CID）一、电荷耦合摄像器件电荷耦合器件（CCD）特点）以电荷作为信号CCD的基本功能电荷存储和电荷转移CCD工作过程信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程电荷耦合器件的基本原理（1）电荷存储 构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态（2）电荷转移以三相表面沟道CCD为例表面沟道器件，即SCCD（Surface Channel CCD）转移沟道在界面的CCD器件 体内沟道（或埋沟道CCD）即 BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的转移沟道，避免了表面态的影响，使得该种器件的转移效率高达99.999以上，工作频率可高达100MHz，且能做成大规模器件（3）电荷检测浮