(完整版)光电检测技术与应用_郭培源_课后答案

1、光电检测技术与应用课后答案第1章1、举例说明你说知道的检测系统的工作原理。（1）光电检测技术在工业生产领域中的应用：在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配 定位（2）光电检测技术在日常生活中的应用：家用电器数码相机、数码摄像机：自动对焦 - 红外测距传感器自动感应灯：亮度 检测 -光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测 -热敏电阻、热电偶遥控接收：红外检测 -光敏二极 管、光敏三极管可视对讲、可视电话：图像获取 -面阵 CCD 医疗卫生数字体温计：接触式 -热敏电阻，非接触式 -红外传感器办公商务 扫描仪：文档扫描 - 线阵 CCD红外传输数据：红外检测 -光敏二极管、光敏三极管（ 3）光电检测技术

2、在军事上的应 用：夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标光电检 测技术应用实例简介点钞机（1）激光检测激光光源的应用用一定波长的红外激光照射第五版人民币上的荧光字， 会使荧光字产生一定波长的激光，通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。由于仿制 困难，故用于辨伪很准确。（ 2）红外穿透检测红外信号的检测红外穿透的工作原理 是利用人民币的纸张比较坚固、密度较高以及用凹印技术印刷的油墨厚度较高，因而 对红外信号的吸收能力较强来辨别钞票的真假。人民币的纸质特征与假钞的纸质特征 有一定的差异，用红外信号对钞票进行穿透检测时，它们对红外信号的吸收能力将会 不同，利用这一原理，可以实

3、现辨伪。（3）荧光反应的检测荧光信号的检测荧光检测的工作原理是针对人民币的纸质进行检测。人民币采用专用纸张制造（含 85以上的优质棉花），假钞通常采用经漂白处 理后的普通纸进行制造，经漂白处理后的纸张在紫外线（波长为 365nm 的蓝光）的照 射下会出现荧光反应（在紫外线的激发下衍射出波长为420460nm 的蓝光），人民币则没有荧光反应。所以，用紫外光源对运动钞票进行照射并同时用硅光电池检测钞 票的荧光反映，可判别钞票真假。（4）纸宽的检测红外发光二极管及接收二极管的应用主要是用于根据钞票经过此红 外发光及接收二极管所用的时间及电机的转速来间接的计算出钞票的宽度，并对机器 的运行状态进行判断

4、，比如有无卡纸等；同时也能根据钞票的宽度判断出其面值。（5）喂钞台、接钞台传感器红外对管的应用在点钞机的喂钞台和取钞台部分分别有 一个作为有无钞票的发射接收红外对管，用来检测是否有钞票放入或取出。2、如何实现非电量的测量？为实现非电量的电测量，首先要实现从非电量到电量的变换，这一变换是靠传感器来 实现的。传感器接口电路是为了与传感器配合将传感器输出信号转换成低输出电阻的 电压信号以方便后续电路的处理。一般说来，信号都需要进一步放大并滤除噪声。放 大后的信号经模拟 / 数字变换后得到数字信号，以便于微处理器或微控制器。微处理器 或微控制器是测控系统的核心，它主要有两个作用：一是对数字信号进行进一

5、步处理 并将信号输出显示、存储和控制。二是管理测控系统的各个部分以实现测控系统的智 能化，即根据信号和测量条件的变化，自动地改变放大器的增益、滤波器的参数及其 它的电路参数。在选用合适的传感器之后，就要设计传感器的接口电路。从电子学的 角度来看，不同的传感器具有不同的电特性和需要不同的驱动信号（也有的传感器不 需要驱动信号），为取得更高的精度和最佳的性能，需要设计传感器接口电路。3、影响检测测量精度的主要因素有哪些，而其中哪几个因素有时最基本而且需要特别 注意的？测量器具本身存在的误差。环境因素，如气温，气压，干燥程度，震动，磁场等。人 为因素，如视觉误差等等。还有使用测量器具时的方法不得当造

6、成的误差。4、什么是噪声和干扰？什么是有用信号？噪声是来自元器件内部粒子；而干扰是指其他的有害信号，有系统外部的，也可以有 内部的。有用信号指传递用户所需信息的信号，或是用来让接收设备收到信号后产生 一个预先设定的动作的信号。从物理角度看，噪声是由声源作无规则和非周期性振动 产生的声音。噪声为电子系统中任何不需要的信号。噪声会导致信号质量下降以及精 确测量方面的错误。噪声包括固有噪声及外部噪声，这两种基本类型的噪声均会影响 电子电路的性能。外部噪声来自外部噪声源，固有噪声由电路元件本身生成，最常见 的例子包括宽带噪声、热噪声以及闪烁噪声等。干扰分 3 部分，干扰源、耦合通道和 敏感对象。在不同

7、空间和时间尺度上偶然发生，不可预知。5、如何判断干扰？如何避免干扰？常见的信号的干扰有：（ 1）器件工作的噪声干扰，比如说数字电路正负逻辑的转换导 致的电磁场干扰，电搜索压电流变化产生的电磁场干扰。（2）高频信号噪声干扰（串扰和回损），因为高频电路能产生强电磁场，产生感应信号。（3）电源噪声干扰，现在大部分电源系统采用的都是开关电源，开关电路的高频开关动作会导致严重的高频 噪声。（ 4）地线噪声干扰，都知道只要是线就会存在电阻，当一条地线上挂有多个设 备时，而且工作电流较大时，小电阻也会产生电位差，从而影响设备。总之干扰无处 不在，在设计电路或画 PCB时可以考虑从3点处理，即屏蔽干扰源、切断

8、耦合通道、 保护敏感对象。6、电子计数器如何实现既能测量频率又能测量周期？为什么要通过测量周期的方法来 测量低频信号的频率？采用多周期同步测量技术，这种测量方法实际上是对信号周期进行测量，信号的频率 是经过倒数运算求出来的。因而，从测频的角度，上述测量方法也称为倒数计数器法。数字频率计测量频率的原理：石英振荡器 1MHz 标准脉冲信号，经过分频器分频为 1Hz 周期 1s 的尖波信号接到控制门的控制端，被测信号通过放大整形变为正半波尖脉 冲信号，接到控制器的信号端；第一个秒信号触发控制门打开，尖脉冲通过控制门， 第二个秒信号到来后控制门关闭，脉冲计数器记录两个秒信号间隔时间内通过控制门 的尖脉

9、冲个数就等于被测信号的频率值。数字频率计测量周期的原理：采用上述方法 测量低频信号时可能产生较大的误差，因为第一个秒信号到来的时间是随机的，计数 器从开启到关闭可能多记一个或少记一个数；因此，为了保证低频信号测量的精度， 可以用周期测量法：即用被测信号脉冲去控制门电路的开启，让标准时间通过控制门， 进入计数器进行计数，这样计数器的值就等于一个被测电压的周期内有几个标准时间 脉冲通过，相当于一个周期等于几个时间单位。这就是为什么要通过测量周期来测定 低频型号的频率搜索的原因。8、试叙述光电检测系统的组成及特点。P6 组成：（1）光学变换时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽空域变换：光学扫描光学参

10、量调制：光强、波长、相位、偏振形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。（2）光电变换光电 /热电器件（传感器）、变换电路、前置放大将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）。（3）电路处理放大、滤波、调制、解调、 A/D、 D/A 、微机与接口、控制。第2章1、简述光电效应的工作原理。什么是暗电流？什么是亮电流？ P112.2.1 暗电流指的是在无光照时，由外电压作用下 P-N 结内流过的单向电流。光敏电阻两端加电压（直流或交流）。无光照时，阻值很大，电流（暗电流）很小；光照时， 光生载流子迅速增加，阻值急剧减少，在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动， 形成亮电

11、流。2、简述光生伏特效应的工作原理。为什么光伏效应器件比光电导效应器件有更快的响 应速度？答：（ 1）光生伏特效应的工作基础是内光电效应 .当用适当波长的光照射 PN 结时，由 于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向 n 区，光生空穴拉向 p 区，相当于 PN 结上加一个正电压。（ 2）光伏效应中，与光照相联系的是少数载流子的行为，因为少 数载流子的寿命通常很短，所以以光伏效应为基础的检测器件比以光电导效应为基础 的检测器件有更快的响应速度。3、简述光热效应工作原理。热电检测器件有哪些特点？ P154、比较光电效应和热电效应在作用机理、性能及应用特点等方面的差异。答：所谓光电效应是指，光辐

12、射入射到光电材料上时，光电材料发射电子，或者其电导率发生变化，或者产生感生电动势的现象。光电效应实质上是入射光辐射与物质中 束缚于晶格的电子或自由电子的相互作用所引起的。光电效应就对光波频率（或波长） 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。按照 是否发射电子，光电效应又分为内光电效应和外光电效应。具体有光电子发射效应、 光电导效应、光生伏特效应、光子牵引效应和光电磁效应等。光热效应的实质是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 又使探测元件与温度有关的电学性质或其他物

13、理性质发生变化。原则上，光热效应对 光波频率（或波长）没有选择性，因而物质温度的变化仅决定于光功率（或其变化 率），而与入射光辐射的光谱成分无关。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。光热效应包括热释电效 应、温差电效应和测热辐射计效应等第3章 1、试说明为什么本征光电导器件在越微弱的辐射作用下，时间响应越长，灵敏度越高解；在微弱信号的辐射下，将式（1活0） 0 =和叫乂 1-L ）代入（1皿人并对其求导即可得半导体材料在弱辐弟下的光电导灵敏度为蛊此可知时间T响应越长.灵甌竝喜62、对于同一种型号的光敏电阻来讲，在不同光照度和不同环境温度

14、下，其光电导灵敏度与时间常数是否相同？为什么？如果照度相同而温度不同时情况又会如何？琳同一型号的光敏电狙.在不同光照變下制不同的坏境蛊疫下具光电与灵敕度柏时 闾常数不相同冶在朋度相同而逼廈不同时.茸充电辱灵敏虞不相同和时闾當数也不确同* 其将料性隔已经一样H星决宝了的苜一忑.光躍廈和环境桂度不同.则产生的光生电子 浓虞和热生电子浓度各异，决定了 值不同”尿度相同决定光生电子浓度相同.温庫不同决 定麹生电子较.度不同.同样也决宝了 借不同°由（1-商）筍（-S8）推岀光电灵敏度不拥 同，由（站）和（2J1）推岀其时f可常数不相同.乳为什么结型光电器杵在止向偏直时，段有明显的光电效辰&#

15、165;它必殖在哪杵假童伏态営为 什名丫亀因兴pF结在外加正向偏压乩即伕役有気照电谎也随看电压扌澈级在増加，所以有 光照时，光电效应不明显.旷血结必须在反冋偏后审秋态下，有明显审光电歆应产生，这是 因为P口结在反偏电压下产生韵电逾芸饱和.所以光照增加时，得到旳光生电流就会明显增虹在如图旷70所示的照明灯程制电蹑中.聒題3浙給爾CdS苑敏电阻用fl尤电传惑器 乳住如右图所示的照明灯控啊底路种S CdS光敏电阻境作光电传感器，光敏电凰 最大功耗为30M,光电寻灵盛度Sj=O.5X10-6S lx.磨电寻g0=（h若己知继电 藩绕组的史題为3kQ,绽电器的吸合电流为2n比 电融R-1MK 试求I d

16、）为使继 电器吸合所需要的照度：©35使继电8S在照度为3 lx时吸合，应如呵调整电归肛（10）気比电乐的览电谎心二禺F尸帘也廉朗K盟晞接烟陷al电矿I欝所孟时段厦満出£ = »时巾 Jtt4Ut4K 肿K） m 甌葩畫関J»t U S 300/2 19）VM加斶豪筋 nttwnto=iy=i33i3w> 22帕駆堆那的电氐 fl - jSitK1331M¥tMif W tt-Jt#电魁的楼Rt电床1测即使縫阀2禺航用光欤即麗 损坏，即无论怎么调整电阻 R,都不会使继电器吸合时间常数是否相同？为什么？如果照度相同而温度不同时情况又会如何？

17、3、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在哪种偏置状态？ 为什么？答：因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加， 所以有光照时，光电效应不明显。p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生，这是因为p-n结在反偏电压下产生的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光 生电流就会明显增加。4、在如图3-70所示的照明灯控制电路中，将题 3所给的CdS光敏电阻用作光电传感 器5、光电导器件响应时间（频率特性）受哪些因素限制？光伏器件与光电导器件工作频 率哪个高？实际使用时如何改善其工作频率响应？响应时间主要受光电导器件中载流子的平均寿命有关，减

18、小，则频率响应提高其次，光电导器件的响应时间与运用状态也有光，例如，光照强度和温度的变化， 因为它们都影响载流子的寿命。光伏特器件的工作频率高于光电导器件。要改善光伏 器件的频率响应，主要是减小响应时间，所以采取的措施主要有：减小负载电阻； 减小光伏特器件中的结电容，即减小光伏器件的受光面积；适当增加工作电压。6、硅光电池的开路电压为什么随着温度的升高而下降？影响光电倍增管工作的环境因 素有哪些？如何减少这些因素的影响？温度升高时，半导体的导电性将发生一定的变化，即少数载流子浓度随着温度的 升高而指数式增大，相对来说多数载流子所占据的比例即越来越小，这就使得多数载 流子往对方扩散的作用减弱，从

19、而起阻挡作用的p-n结势垒高度也就降低。从 Fermi能级的变化上来理解：温度越高，半导体Fermi能级就越靠近禁带中央（即趋于本征化），则两边半导体的 Fermi能级之差也就越小，所以 p-n结势垒高度也就越低，也 就是开压降低。光电倍增管的响应度受多方面的因素影响，比如：偏置电压的高低、环境光和温度 变化等多方面因素的影响。无光时光电倍增管对光的响应度更趋于平稳，使实验数据 也更具有可靠性。因此，无光环境是决定光电倍增管对微弱光信号的检测能力的重要 因素之一。光电倍增管工作时由于阴极材料发热，这样对光电倍增管的响应度产生较 大的影响，因此不稳定的工作温度对光电倍增管的响应度也会带来不同程度

20、的影响。 降低光电倍增管的使用环境温度可以减少热电子发射，从而降低暗电流。另外，光电倍增管的灵敏度也会受到温度的影响。7、分析光电信号输出电路工作原理。试以光电导器件为例，说明为什么光电检测器件的工作波长越长，工作温度就越低？8、 简述发光二极管的发光原理及半导体激光器的工作原理。P44它们的结构简单说就是三明治的夹心结构，中间的夹心是有源区。二者的结构上是相似的，但是LED没有谐振腔，LD有谐振腔。LD工作原理是基于受激辐射、LED是基于自发辐射。LD发射功率较高、光谱较窄、直接调制带宽较宽，而 LED发射功率较小、光谱较宽、 直接调制带宽较窄。9、 试判别下列结论，正确的在括号里填写T,错

21、误的则填写F:（1）光电导器件在方波辐射的作用下，其上升时间大于下降时间。（F）（2 ）光敏电阻的阻值与环境温度有关，温度升高时光敏电阻的阻值也随之升高。（T）（3）光敏电阻的是由于被光照后所产生的光生电子与空穴的复合需要很长时间，而且，随着复合的进行，光生电子与空穴的浓度与复合几率不断减小，使得光敏电阻恢复被照前的阻值需要很长时间。（T）10、 简述光电耦合器件的工作原理？P51光电偶合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极体）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电一光和光一电的转换器件。11、利用光敏电阻等器件设计楼梯内的节能灯控制电路及测量应用中的自动增益控制 电

22、路。2楼道照朋灯自动控制电路设计原理图楼道熹明订fl动控制电踣设汁总电路图如圈7所朮，它由电源电路、光揑电酹和題时控制珀路、麹释电幻蚪剧丹电踣以蛊电错控制电酩囚部酚俎成.MOV电床经过电海电辭静分进行降 爪、糅沆、滤陂仗檢庶頂*为其它电昭慢供I2Y的直流T作电*-冋肘顼过此敏电睨、幫哩駅肝电 怔外怪愿曙及时基磁魁黠N苗55怎研控制便口尺灯不亮，夜何脊人來前冊眠灯fl动点亮，人龙 肓旌时一屋时闾fl动嵋衣，从血'达到节能的口的.电路述加电话控制系址旦摆证电路在界就 诸况F可以址程控AP纲涇灯门制拧制电晤K 1 fTHFli Wr*i<t*mtll!tfli,t WS 崑电戢的翩鬣糊

23、爲， «« k不MWTfrtiK.亍肃r大小的卢科时.声样馳对卄拒帀工|4啦，打亮.特过址畸同L.卢 忡迢网幵黄MK “越鼬卄习雄匱，UM3iP44 t fflj師护的KUH所不电購川*3 戏敏电K用犠址电Hr 嬉 Bl. *.tft 41 K1： Jfiff '-JllJO mW. l»ftS l*knFVa - OS xt&'4 S/hr r llflgn 0-齐 C知蹩.电曙!1 齟的电SH，肝 kfl, ftrU"0命* #4i<i i< mM<nMi l"*1F<12、试分析團3-H（!

24、） <b）所示的收大吐路巾，光戦股阻即的作用.Cb>答；（aJ无兀照时，Rp阻值很大，即同柑辰馈支匿的反馈电卩且很大，输出电压鬲。尤强眉 如b使得內U使得同相反饰支路阻值诚<K输出电丘F降°细）无光韻时.即诅值很丈.辎入近佩开路.翔出电压低。光强瞎加忙 便得昭.便 得辆八倍号进入输岀悟号增丈1氣为41么在XfflgJgA到一定程廈匚SX光电池的开踣电圧;F再施人射四厦的增人面増 大？讦说电泡的最大开跆电FF为多少？为什么砰瑪电池的有载输岀琨FF見小于相同照瞎下 的幵路压？答答：当光胆摞度増人制莱个特定值时，硅光电池Wp-n结产生的光生鞍流了数达9JT®大他

25、即川现細U再增大光照强甌其开賂电圧不再随2增大“硅将扎=_?（】 Y<-）e“代入 hu光电池的幵路电压表达式为兀=Inl）, 专打的农达式井求关十的阶9數,dUdA=0.求得JR大开貉电压"*于输出电压乞人矶叫如-打（戶-I）%,即包含了扩散电% 1和睛电流g的影码悝得陡光电池的右载输出电爪总小于丿I路电14、硅光电池的内阻与哪些因素有关？在什么条件下硅光电池的输出功率最大？（ 极电容，串接电阻，串接电阻越小越好。(2) 显然，存在着最佳负载电阻 Ropt，在最佳负载电阻情况下负载可以获得最大的 输出功率Pmax。15、光生伏特器件有几种偏置电路 ？各有什么特点？(1) 光生

26、伏特器件有反向偏置电路，零偏置电路，自偏置电路。(2) 特点：自偏置电路的特点是光生伏特器件在自偏置电路中具有输出功率，且当负载为最佳负载电阻时具有最大的输出功率，但是自偏置电路的输出电流或输出电压与入 射辐射间的线性关系很差，因此在测量电路中好少采用自偏置电路。反向偏置电路： 光生伏特器件在反向偏置状态，PN结势垒区加宽，有利于光生载流子的漂移运动，使光生伏特器件的线性范围加宽，因此反向偏置电路被广泛应用到大范围的线性光电检测与光电变换中。零偏置电路：光生伏特器件在零伏偏置下，输出的短路电流Isc与入射辐射量(如照度)或线性关系变化，因此零伏偏置电路是理想的电流放大电路。16、试比较硅整流二

27、极管与硅光电二极管的伏安特性曲线，说明它们的差异。答：比较硅整流二极管与硅光电二极管的伏安特性曲线可知：当没有光辐射时，二者 的伏安特性曲线是一样的；当有光辐射时，则硅光电二极管的全电流为负值，特性曲 线向下平移，且向下平移的程度随辐照度的不同而变化。但是硅整流二极管的伏安特 性曲线不受光照的影响。此外，正常工作状态下，硅光电二极管两端所加正向电压必 须小于0.7V，否则不能产生光电效应。该值通常为负，即处于反偏状态；硅整流二极 管两端所加偏压须为正，且要大于开启电压Uth值。17、写出硅光电二极管的全电流方程，说明各项的物理意义。答，壮光电一桎管的仝电流为艮为/ =-叱(I 一严)席“ +-

28、1)he成巾，为光电材料的光电转换效部.为材料对光的嘅收乘数芒光电流为hu腐辆肘时的电洼为-1)/心护电论,为加圧光电一扱色曲耶的电为語件购通2k为玻尔鉉处帝駆，g18.比较2CU型硅光电一扱管和2DU型硅比电一扱汐的結构特点，说明JI入环极的趨义.答 2CU型硅光电一 极管是采川型確林料祚旱底.左n区的一向扩般三价无素硼而生成 威拶杂P*割融 P*型层科界型硅相接触形咸吋 海 引出电祐 在光戰商上涂上心$保 护楼.2DU据硅光电二楓管超取轻摻杂、届甩值的p型従材料做星底，在p里基底上护散 五愉元SW，形成亟摻朵脱*型层，p堂硅和；T型陡播鮭舷成Mi给*在就亠区引出正鐵，井 涂以透削的戲O工怦

29、为傑护1R,曙JftIMft煎«1馬引出负电松 在硅光也 加管的制泪引加山 亦光敏面上涂用f人保护绘的过秽中.不nr滙烧豹空沾和一叫径爾山离于適过静旳博向引 起表血漏电流，井琏而产生冊电逋沖歉粒喋眉.因直，为了减少由于霹OjH少量正萬子的 静电感战折产生的表丽満电瓯 在轼牝椁屮也扩龍一个环形pm給而将受右ti包甬赳來.印 引入环极，以増加高阳区宽度，避免边缘过早击穿口19、影响光生伏特器件频率响应特性的主要因素有哪些？为什么PN结型硅光电二极管的最高工作频率小于等于 107Hz ?怎样提高硅光电二极管的频率响应 ？影响光生伏特器件频率响应的主要因素有三点：1 ）在PN结区内产生的光生

30、载流子渡越结区的时间t dr，即漂移时间；2）在PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内所需的时间t p，即扩散时间；3）由PN结电容Cj、管芯电阻Ri及负载电阻RL构成 的RC延迟时间tRC。对于PN结型硅光电二极管，光生载流子的扩散时间tp是限制硅光电二极管频率响应的主要因素。由于光生载流子的扩散运动很慢，因此扩散时间tp很长，约为100ns ,则其最高工作频率小于等于 107Hz。（3）1 ）减小PN结面积；2 ）增加势垒区宽度，提高材料体电阻率和增加结深；3）适当增加工作电压；4）尽量减少结构造成的分布电容； 5）增加PN结深，减小串联电阻； 6）设计选用最佳负载阻值。20、为什么说

31、发光二极管的发光区在PN结的P区？这与电子、空穴的迁移率有关吗？答：对于PN结注入发光的发光二极管，当 PN结处于平衡位置时，存在一定的势垒区。 当加正向偏压时，PN结区势垒降低，从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发 光，并主要发生在 P区。这是因为发光二极管在正向电压的作用下，电子与空穴做相 对运动，即电子由 N区向P区运动，而空穴向 N区运动。但由于电子的迁移率 ？N比空 穴的迁移率？P高20倍左右，电子很快从 N区迁移到P区，因而复合发光主要发生在 P区。21、为什么发光二极管必须在正向电压下才能发光？反向偏置的发光二极管能发光吗?答：由于LED的发光机理是非平衡载流子即电子与空穴

32、的扩散运动导致复合发光，因 此要求有非平衡载流子的相对运动，使电子由N区向P区运动，而空穴由P区向N区运动。在不加偏加或加反向偏压的情况下，PN结内部的漂移运动占主要优势，而这种少子运动的结果是电子与空穴的复合几率小，而且表现在数量上也是很微弱的，不足以使LED发光。因此，要使 LED发光，必须加正向偏压。22、发光二极管的发光光谱由哪些因素决定？光谱的半宽度有何意义？发光二极管的发光光谱由材料的种类、性质及发光中心的结构决定，而与器件的几何 形状和封装方式无关。无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长即为峰值波长p 。在LED谱线的峰值两

33、侧处，存在两个光强等于峰值一半的点，分别对应p，它们之间的宽度即为半谱线宽度，也称半功率宽度，它是一个反映LED单色性的参数。半宽度越小，则发光光谱单色性越好，发光功率集中于半谱线宽度内。23、产生激光的三个必要条件是什么？答：产生激光的三个必要条件是：（1）必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高能 态上去，为此需要泵浦源；（2 ）要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以口服损耗；（3）有一个谐振腔为出射光子提供正反馈及高的增益，用以维持受激辐射的持续振荡。24、半导体激光器有什么特点？ LD与LED发光机理的根本区别是什么？为什么 LD光 的相干性要好于LED光？答：半导体激光器体积小，重量轻，

34、效率高，寿命长，并可采用简单的注入电流的方 式来泵浦。其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可以与之单片集成，并且还可用 高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，它广 泛应用于光通信、光学测量、自动控制等方面。LD的发光机理是激光工作物质的受激辐射，而LED发光的机理是非平衡载流子的复合发光。由于LD的发光过程是受激辐射，单色性好，发射角小，因此有很好的时间和空间相干性。25、为什么需要将发光二极管与光电二极管封装在一起构成光电耦合器件？光电耦合 器件的主要特性有哪些？答：将发光器件与光电接收器件组合成一体，制成的具有信号传输功能的器件，即为 光电耦合器件。由于光

35、电耦合器件的发送端与接收端是电、磁绝缘的，只有光信息相 连。同时，它在信号传输速度、体积、抗干扰性等方面都具有传统器件所无法比拟的 优势。因此，在实际应用中它具有许多优点，被广泛应用于工业自动检测、自动控制、 电信号的传输和处理及计算机系统等方面。光电耦合器件的主要特性有：（1）具有电隔离的功能；（2）信号传输具有单向性；（3）具有抗电磁干扰和噪声的能力；（4） 响应速度快；（5）实用性强；（6）既具有耦合特性又具有隔离特性。26、举例说明光电耦合器件可以用在哪些方面？为什么计算机系统常采用光电耦合器 件？答：光电耦合器件目前在自动控制、遥控遥测、航空技术、电子计算机和其它光电、电子技术中得到

36、了广泛的应用。其具体应用实例可参见教材6.5小节所述。在计算机主体运算部分与输入、输出之间，用光电耦合器件作为接口部件，将会大大提高 传输中的信噪比。27、为什么由发光二极管与光电二极管构成的光电耦合器件的电流传输比小于1,而由发光二极管与光电三极管构成的光电耦合器件的电流传输比大于等于1？淬記电比汁器什屮发比 檢泮的发比电论为打接收电 極？if生的址11浊町用 人"心 粧応 K中空以发汕 槪泮的炭尤效：吒电厳存的增益及间孤肉笛的羅数.称为光激发毁牢，a 般比所叹仆 ttKA干由T p A /r<? WlLtf；.闪此尤电fi：不加虹冷收人 械竹时.英电渝传协比总小仃ifij

37、采用尤电三剜时，由于jt电三wtt*aA?f电at*t人作用，pi此输出）t电at人 Z 发尢电亂 也即其电诡條懈比人i TH k （起电 械讥幡岀jt电ift血M 如燃.喇 死电三檢洽的输出址电泌mA啟兼fltJ4 1“ H牡理幅合器ri榊也火h或f'j逻绚屯豁|量来能出电路阁箸*用尤削就仔鬻n梅城的说门!w工电馬舍鲁ti构诫的威廿门为：«.H 光电構合聯忡柱电踣中的信号隹輪柞HJ并电痹苗陶h件空件:州有忡伙不冃fnr ?T先，比电幅OSS啊啲借兮件输矍:以尤佶心的膽典进和的，诂hHtl春利川电就iiK砲圧件 输牯号于岡I st空* xniffirvrT可吃将入竭的rr就倚

38、毋和换为此常号进和传輯而电會 JVHHI亢怖HI心上佟输宜池怙5 卅圧.对于变疽僧号咒屯耦汴衆竹将让调创山m*JU1 師车WJdrJ ±.T ；! 1（：厂卩 i八J； I：1k乩:-HP ；-i 而喪优狮阻航丈讯：过asj.无祛佟输低蜕佶号*最后*店抗t扰和抑賺方面.旳电網介襦 啊比車祥憂灯30、简述半导体激光器的工作原理。它有哪些特点?原理：半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件：（ 1） 要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；（ 2） 有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；（3 ）要

39、满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发 光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振 荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。特点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。31-2. 结出了用光电耦合器件隔离的一种高压穩宦电路.说明其工作原理及对该光电耦 合嚣的要占9 *解，本电是11氐圧控制高压输出装置.由管仁复启管，组成变压电流放大电躇” i曰尤电耦合器姐成低JE控制高压的托控器中，电阴（R趴 血、R5）比较战大 电路V3和基淮直压他瓦媳虽控制軸备。*当负载氐上升，k上

40、升。%上弁，愛合管¥3的1上升.施少.由于上=卩 h故加减小，尤耦合作甬减小光耦合三极营DC3旳的氐减小，复合管V2的也减 小，其ZC随之滅卜复合管Y1的 2升。其吐也随之上升*负栽电流fee上升* 也随之上升。哎之则氐 从而实现了低压控嵩压的吕的° （苴申R1电阻援 供编置电氐R2作为基准电I®作降压用°险作为限流电阻 作反馈用，VD作为基 准电压管）3"然辐射栓購器通第分为娜曲乎阶段V娜个阶段能劈严生赭酥应亍第一险W；器件眠收光专畐射能量而便自号遍度发生銮优，第二阶段*器杵恢戦某种溟度敏惑特性把辐射弓起的温度变优转化为相迪的电信号.而达到

41、尤輙探制目的，第二陆段蛊够产生热电放应33*333热释电效应应如何理解？热电捡测器为什么只能检测交变辐射信号？ 热释电敢应，热釋电晶体吸q文戏辐射焉度改变，淙度的变化引起了热电畐体K）自发极化强 度的变化，从而在晶休的特定方向上引超裘面电荷的变代，这就是热释电效应*很据热释电效应，热稚电探渕器的电谎和温度的变化满足f 如果照射尤是恒走曲， di那么矚底TJ&恒定II,母溢为零所以执电探测器县一种交溢器件。34、简述热电偶工作原理？热电检测器为什么只能检测变幅射信号?热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯 度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在

42、电动势一一热电动势，这就是所 谓的塞贝克效应（Seebeckeffect ）。35、为什么半导体材料常具有负温度系数?热敏电阻是指电阻值随温度变化而变化的敏感元件。在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电热敏电阻器阻器。负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钻、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要 原料，采用陶瓷工艺制造而成。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，完全类似于 锗、硅晶体材料，体内的载流子(电子和空穴)数目少，电阻较高；温度升高，体内 载流子数目增加，自然电阻值降低。第四章1：总结不同类型光电检

43、测器确定静态工作点的方法主要有图解计算法和解析计算法。 答：不同类型光电检测器确定静态工作点的方法主要有图解计算法和解析计算法。2 :如图所示电路中，设电源电压源为Ub=9V，光敏二极管的伏安特性曲线如图b所示。光敏二极管上的光通量在0150 Mm变化。若光通量在此范围内做正弦变化，要是输出交变电压的幅值为 3V,求所需的负载电阻 RL,并作出负载线。护掏I伺工所审的电帶屮.魄吋旳电用3*工9*.丸歎二愠雀的优氏静tt出/蝕個脚)兄塩：曲管的扎迪总北创锻fl比糸战汕作卜记電代 W七綸卅盘哽电用的解位为IV.求忙肓的伉 性电無累并佯雷貴霰找一6阳闻艸门右出*比戰 出弼的EK 41灣2(M.比逊童

44、为lSOulirm削比电酒为吗|iA.憎此汇电淳覽化帀 为CJ = 17-2 = IS> 7!E uA.Ts=04 Mil员枚统如图1(b)所示Jfi过N点(9,0)作一条与U牯成a = aman£的H如 耳I轴乂 J M & 划MN印为所q求的负铁线.Q为电烙的工作点3：己知某Si光电二极管的灵敏度为MAA/mv.结间車导G=0.01 (微西).转折电圧 UO=10V.AltX.功率从p-=15W M到P *=25w, fiHlb=50Ve茨最大输出功率时的 最佳负载RL、输岀电流Al、输岀申压【和输岀功率PL。7(P109T3)l1知某$<光电二极管的灵敏哎为

45、0S必/jiW结何电EG =0.01 Q備N).转折电fiU0 = 10V.入 科光功= IS pW««P* =： 25 pW.= SOVjRjR大输出功审时的愉出礎潦山、冷出电床和转出功李吒0.3151175MO输出电乐th功甲P'G4Q0X1*0.315=1S.3&S V&/ qq 0日15 X 1538S - 4月亿 pAMt初始电3Go = G + 学=0.01 + 泸=L26pS取大输出时.U.10 = = 1-26'50 = 0315Pt S 61 Air S 4 Mfi X : 5.4B5 s 75®W(P109T4)

46、 CfcJ某0尢电二様If的灵徽应为OS uA/uW.结创电导G = 001uS(微色).转折电FKGm - 10V. 入対光功亭从P = 5 + 3G>uh (pW).= 40V.试求，电苗号冷出送到故大18时敢得最大功專的电RlHg、W的®I入电用屿以及愉送到放艾的电斥及功卒.Ki由给宜条件叩81定出1»初光功亭位为= 3 mW. A)= 5uW&(& + 2儿)20如2(Ub )ail2|iS05 x (3 2 x 5)2 x ftOl x 102x(40-10)电R1血-1/Gbo 8929 MQ% 二 咋 G = 0.112 + 0.01 =

47、 0.1? 応电昵詹入咆压嶂蛆输入功率育貌血島 1/Cuf1/0.122 - B4*>7 MO_升验 «.5x 3'师"20413* 6.H8 V(0.5 X3)1 八 航TH "嘶呷5：咒电倍増鹫筍百电路如倒丄工所示柯尤怎倍増管的阴极和分灵SK0HA Un.阳 椒祖分灵敬度SATQA/lm阳tSlWStM-4RA.输入咆躇是陀限只-1晓。和电容匚。弋 仏尸的弁联、阴械白載为S0umi2,要家信号电療IL7G，计算阳极噪芦电凉，员戦屯阻 丄的噪声电压和佶噪比*9PW9K«l|giW抵电將圳曾的阴楼鞅分規她k =D M/lm. ff3tt&#

48、171;5i<ft5SA = «l A/lin.川2Al a£<g = 4 pA. ItXtftfiMlff = 10sAAlft = 0.1 pPtin#-#.椁车乍!号怔灣- 10-U.汁却珀柚从声电丢*応叢吃駅卜的峰戶电HUI打徑氐朴卩再故噪屮即氏和ti王电跆祎幘奉AN樺和用闵（2）”H3fft门筑鸭电atm员建卜抽雜卢电用 畝強唯厲吃亜汕 = JiiHUaA = X 1 6（r7?y io_x o.i:（x m ：M）> 7 S x 75 - 3.W2 r 汕卡 A = 1占的 k lfi-r 臥大fliHk料二 Sj/5r =10/10= O.m

49、M. = fL= lOOpA.唏史用銀用于曲飢$5婚嵯由电瀛/aT N、阳4*a M Ifl-15 - 19/25/io K IO-13 - 2.J10 x 10'12 A - 2j044 x ID-4 皿 直毎声电潭J仏 + 番 * Z = 2.S83 X lOgA粧总电融I .的哙中吃用U* = 1 科 H 二 E.fcM X IQ * X U1 = SHJ X 10 * VPMBVtt= y = 100/（1583 x 1 旷町：1971 x10 eiO9T印简腔113大囁声累敷这到录小值的矗ft熬晴3(放大SS堆孩鶴收达対廉水值皑条m魏电期導做大耳噪虑唱斥与域山吧直的比他肘.S

50、U第五章1：直接检测系统的基本原理是什么？为什么说直接检测又称为包络检测?匚=-aii2+a2rf|7)21所谓光电直接检测是将待测光信号直接入射到光检测器 光敏面上，光检测器响应于光辐射强度（幅度）而输出相应的电流或电压信号。光检 测器输出的电流为： 式中：第一项为直流项。若光检测器输出端有隔直流电容，则输出光电流只包含第二 项，这就是包络检测的意思。2 :对直接检测系统来说，如何提高输入信噪比?答：对于光电检测系统来说，其噪声主要有三类：（1 ）光子噪声包括：A.信号辐射产生的噪声；B.背景辐射产生的噪声。（2）探测器噪声包括：热噪声；散粒噪声；产生 复合噪声；1/f噪声；温度噪声。（3

51、）信号放大及处理电路噪声在实际的光电探测 器中，由于光电转换机理不同，各种噪声的作用大小亦各不相同。若综合上述各种噪 声源，其功率谱分布可用下图表示。由图可见：在频率很低时，1/f噪声起主导作用；当频率达到中间范围频率时，产生复合噪声比较显著；当频率较高，甚至于截至 频率时，只有白噪声占主导地位，其它噪声影响很小。很明显，探测器应当工作在1/f噪声小、产生-复合噪声为主要噪声的频段上。因此，对于直接探测系统，提高输入信 噪比的措施有：（1 ）利用信号调制及选频技术可抑制噪声的引入白噪声的大小与电路 的频带宽度成正比，因此放大器应采用带宽尽可能窄的选频放大器或锁相放大器。（2）将器件制冷，减小热

52、发射，降低产生-复合噪声。采用半导体制冷、杜瓦瓶液态气体制冷或专用制冷机制冷。（3）采用最佳条件下的偏置电路，使信噪比（S/N）最大3 :什么是直接检测系统的量子极限？说明其物理意义。答：当入射信号光波所引起的散粒噪声为主要噪声,其他噪声可忽略时，此时信噪比为：该式为直接检测理论上的极限信噪比。也称为直 接检测系统的量子极限。量子极限检测为检测的理想状态。4 :试根据信噪比分析具有内增益光电检测器的直接测量系统为什么存在一个最佳倍增 系数。（参考）答：当光检测器存在内增益（如：光电倍增管）时当很大时，热噪声可忽略。若光电 倍增管加致冷、屏蔽等措施以减小暗电流和背景噪声，则可达到散粒噪声极限。在

53、直 接检测中，光电倍增管、雪崩管的检测能力高于光电导器件，采用有内增益的检测器 是直接检测系统可能趋近检测极限的唯一途径。5 :对于点检测光电系统，怎样提高系统的作用距离？3. TE核傑消方注的基朕惊甦琵什么？对！点探测光电桌绘” 14¥握站集统的作卬刊离T為ft鞭探務是梅待检演的光忖号直接入射判光漲関器的光歎商h自光裸團器祥光强匚号比接粹化为相应的电菰成电耳.根聊不同握嫌的狂灾.再阿右徴电籍处理（如敢大*滤波或备种锻号受换电路人晟终获得有用的怕号.握岛点拯测光电躱统的柞川斑禺闰以从U卜儿卜方沏爭电：槌药炭射系纸的单位立休 州旳轴射功軌 祀光渕圾對光诵址送杵大范韓内滋攥介作U林.旋络

54、构尺寸允许的 情«Tr晞大比序原娴的口往第.第六章1:试从工作原理和系统性能两个方面比较直接检测系统和光外差检测系统的特点。答:工作原理上：直接探测系统是将携带有待测量的光信号直接入射到探测器光敏面 上，光探测器响应的是光辐射强度而输出相应的电流和电压；光外差检测是利用两 束频率不同的相干光在满足波前匹配条件下，在光电探测器上进行光学混频，探测器 输出的信号是两光波频差的拍频信号，该信号包含有调制信号的振幅、频率和相位特 征。系统性能上：直接探测系统检测方法简单，易于实现，可靠性高，但是不能改善输 入信噪比，不适宜检测微弱信号；光外差检测系统复杂，对光外差两输入信号有严 格的空间条件

55、和频率条件，但检测距离远，检测精度高，灵敏度高，是天然检测微弱 信号的方法。2:有一光子探测器运用于相干探测。假设入射到光混频器上的本振光功率PL=10mW ,光混频器的量子效率n =0.5，入射的信号光波长入=1呵，负载电阻RL=50 Q,试求该 光外差探测系统的转换增益 PIF/PS=?2.有口光子探测25运用4总千探測.假盪入射到光泡毀25卜.的木捉光功6Pi“OmW 光滋须S的址子牧牢乍05入射的仅号光波长A«lnm. ftetuai Rt-50n.试求诚比炸描探测系纭的转换堆益Pb/Ps-?杯iWZ5/hv丹貝晋碍ioTg.02z3：试述炙现外差检测必须满足的条IN答：1）

56、尊求参干窗的信号光和本抵吒应杲理想才冃干庐学额单模光.萼有稳宗的拆荡颉 率和相位，2）在光混频罟上信号光与本振光要求偏拆方闻一致。3）信号光与本振光要 求空间洗前匹配.即夢求空间调准（准育、共轴）.波面吻合垂直入射干光混颉表面。二光 束入肘角偏斜®应溝足关糸e<x0L:其中ko是本振光淤长丄是光电探测器光敢面尺寸。 4：求光零寿相干椅测秆输出负载R1端的峰偵信号功率5.求光零垫想干探测任输出负載&端的絲值们号功率光零差相干探测麟时屮频电床为V卢ba$a<r諒时功率 Pir=Vir7Ri=p2AsVRt=4(en/hv)2PLPsRL其中Pl、P,分别为木按光和仿号

57、光的功率.5试述激光干涉骑长的基本原理番 汕因所示杲裁纵模収颉激光干淤収的臣理示爲.因。由长度为206mm的全内82 He Ne激光管发出一对互相垂BL的双纵覆线佐拆光.籾可隔 为厶vdlnL （式中c为光連.厶为谐振胶长.刃为空气折射军.其值约728MHz）.经市 僞持荀取出稳频信号.遗行热稳频耳余光束再经析光诡反射及迭射反射的一对正交线僞 采光作为参考信号.经迭诜、倨抵片产生10频信号.为光电接收吉接收选射光经光扩展猪 茯B扩束后为偏謙分光儷分光.水平分量射向测角锂債.垂宜分射向固定角很債：.两 路光返E3后经迭現.臨撫片产生拍频.当测量僥在时闾？内叹連度厂移功一距厲8仁 因多音 勒效应而引超频垄交化纣这样被测长宴信思载于返光東中井为光电接收養接收.6 L = 60可得测量債运动距高与相位差变化的关系式°不舉据测僥运动引圮的多昔勒效应歹与相位的关系有：53 = sf因而,6L二牛孙L -:牛6/ fdt 今N町见在忽