张永林第二版《光电子技术》课后习题答案.

1、可见光的波长、频率和光子的能量范圉分别是多少？380 780nm400 760nm400T750THz385T 790THZ1.6飞.2eV1.2辐射度量与光度量的根木区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？为了定量分析光与物质相互作de,除以用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出 相应的计量参数和量纲。辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。根本区别在于：前者是物理（或客观）的计量 方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理（或主 观）的计

2、量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。因为光度参数只适用于 0. 380. 78um的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。而量子流是在整个电磁辐 射，所以星子 流速率的计算公式中不能岀现光度星.光源在给定波长入处，将入入+d入范围内发射的辐射通量该波长入的光子能量h V,就得到光源在入处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。1.3 只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地而 岀该灯的光通量。 =L*4 n 02=30*4*3. 14*1. 52=848. 231x1.4 一支氨-氛激光器（波长为632. Snm ）发岀激光的

3、功率为2raWo该激光束的平面发散角为 电毛细管为1mm O求岀该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光岀射度。若激光束投射在10m远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为1.6从黑体辐射曲线图可以看书，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长 用普朗克热辐射公式导岀式这一关系式称为维恩位移定律中，常数为2. 898?10-3m?K。普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0,即可求的。教材P82.1什么是光辐射的调制？有哪些调制的方法？它们有什么特点和应用？1.5in的高处，用照度计测得正下方地而的照度为301X,求Imrad,激光器的放0.85,求该屏上的光亮度。随温度T的升高而减小。试光辐射的

4、调制方法有内调制和外调制。（频率）的抖动。光辐射的调制是用数字或模拟信号改变光波波形的幅度、频率或相位的过程。内调制：直接调制技术具有简单、经济、容易实现等优点。但存在波长LD、LED外调制：调制系统比较复朵、消光比高、插损较大、驱动电压较高、难以与光源集成、偏振敏感、损耗大、而且 造价也高。但谱线宽度窄。机械调制、电光调制、声光调制、磁光调制2.2说明利用泡克尔斯效应的横向电光调制的原理。画岀横向电光调制的装置图，说明其中各个器件的作用。 若在KDP晶体上加调制电压U=Ura , U在线性区内，请写岀输岀光通量的表达式。Pockels效应：折射率的改变与外加电场成正比的电光效应。也称线性电光

5、效应。光传播方向与电场施加的方向垂直， 这种电光效应称为横向电光效应。2.3说明利用声光布拉格衍射调制光通量的原理。超声功率Ps的大小决定于什么？在石英晶体上应加怎样的电信号才能实现光通量的调制？该信号的频率和振幅分别起着什么作用？当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变作时间上和空间上的周期性的变化，并且导致介质的折射率也发生相 应的变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。声光介质在超声波的作用下，就变成了一个等效的相位光栅，当光通过有超声波作用的介质时，相位就要受到调制，其 结果如同它通过一个衍射光栅，光栅间距等于声波波长，光束通过这个光栅时就要产生衍射，这就

6、是声光效应。布拉格衍射是 在超声波频率较高，声光作用区较长，光线与超声波波而有一定角度斜入射时发生的。2. 4说明利用法拉第电磁旋光效应进行磁光强度调制的原理。磁场使晶体产生光各向异性，称为磁光效应。法拉第效应：光波通过磁光介质、平行于磁场方向传播时，线偏振光的偏振面发生旋转的现象。电路磁场方向在 YIG棒轴向，控制高频线圈电流，改变轴向信号磁场强度，就可控制光的振动而的旋转 角，使通过的光振幅随角的变化而变化，从而实现光强调制。3.1热电探测器与光电探测器相比较，在原理上有何区别？光电探测器的工作原理是将光辐射的作用视为所含光子与物质内部电子的直接作用，而热电探测器是在光辐射作用下， 首先使

7、接收物质升温，由于温度的变化而造成接受物质的电学特性变化。光电探测器响应较快，噪声小；而热电探测器的光谱 响应与波长无关，可以在室温下工作。3. 2光电效应有哪几种？各有哪些光电器件？物质在光的作用下释放岀电子的现象称为光电效应。光电效应又分为外光电效应（如光电发射效应）和内光电效应（如光电导效应和光伏效应）。当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，因而导致材料电导率的增大，这种现 象称光电导效 应。光敏电阻、光导探测器当半导体PN结受光照射时，光子在结区（耗尽区）激发电子-空穴对。在自建场的作用下，电子流向 N区，空穴流向P区，从而在势垒两边形成电荷堆积，使P区、N区两端

8、产生电位差。P端为正，N端为负。这种效应称为光伏效应。光电池、光电二极管、双光电二极管，光电三极管、光电场效应管、光电开关管、光电雪崩 二极管某些金属或半导体受到光照时，物质中的电子由于吸收了光子的能量，致使电子逸出物质表而，这种现象称为光电发射 效应，又称外光电效应。光电倍增管，真空光电管、充气光电管。3. 3光电器件的光电特性（光照特性）有哪两种情况？每种特性的器件各自的用途是什么？当光电器件上的电压一定时，光电流与入射于光电器件上的光通量的关系流与光电器件上光照度的关系I二F （L）称为光照特性。3. 4什么是光电器件的光谱特性？ 了解它有何重要性？光电器件对功率相同而波长不同的入射光的

9、响应不同，即产生的光电流不同。光电流或输岀电压与入射光波长的关系称 为光谱特性。光谱特性决定于光电器件的材料。应尽量使所选的光电器件的光谱特性与光源的光谱分布较接近。由光电器件的 光谱特性可决定光电器件的灵敏度（响应率）一一光谱灵敏度和积分灵敏度。3. 5为什么结型光电器件在正向偏置时没有明显的光电效应？结型光电器件必须工作在哪种偏置状态？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。3. 6若

10、光电PN结在照度L1下开路电压为U ,求照度L2下的开路电压U。3. 7负电子亲和势光电阴极的能带结构如何？它有哪些特点？1=F （）称为光电特性，光电表面区域能带弯曲，真空能级降低到导带之下。3热电子发射小4光电发射小，光电子能量特点：1.量子效率高2.光谱响应延伸到红外，光谱响应率均匀 集中1 一3. 8何谓口噪声？何谓噪声"？要降低电阻的热噪声应米取什么措施? f功率谱大小与频率无关的噪声，称口噪声。功率谱与f成反比，称1/f噪声。措施：1.尽量选择通带宽度小的2.尽量选择电阻值小的电阻3.降低电阻周围环境的温度3. 9探测器的D*=1011cm Hzl/2 - W-1,探测器

11、光敏器的直径为0.5cm,用于f=5xlO3Hz的光电仪器中，它能探测的最小辐射功率为多少？3. 10应怎样理解热释电效应？热释电探测器为什么只能探测调制辐射？热电晶体的自发极化矢量随温度变化，从而使入射光可引起电容器电容改变的现象成为热释电效应。由于热释电信号正比于器件的温升随时间的变化率，因此它只能探测调制辐射。3. 13 一块半导体样品，有光照时电阻为50欧姆，无光照时电阻为5000欧姆，求该样品的光电导。Cj=8pF,放大器的输入电容Ci=5pF,输入电阻"10k计算变3.25用光电三极管301；12探测交变信号。结电容换电路中频时的输岀电压 U0上限频率f3. 26设计光控

12、继电器开关电路。己知条件：光电晶体管3DU15的S二1卩A/lx,继电器K的吸合电流为lOmA ,线圈电阻1.5k Qo要求光照大于2001X时继电器J吸合。3. 27试述PSD的工作原理，与象限探测器相比，PSD有什么优点？PSD是利用离子注入技术制成的一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的光电器件，分为一维和二维两种。当入射光是非均匀的或是一个光斑时，其输岀与光的能量中心有关。与象限探测器相比，PSD的优点有：对光斑的形状无严格要求；光敏而上无象限分隔线，对光斑位置可进行连续测量，位置分辨率高，可同时检测位置和光强。 3. 28光电发射和二次电子发射有哪些不同？简述光电倍增管的工作原理。光电

13、发射是光轰击材料使电子逸岀，二次电子发射是电子轰击材料，使新的电子逸岀。1) 光子透过入射窗口入射在光电阴极K上。2) 光电阴极电子受光子激发，离开表而发射到真空中。光电子通过电子加速和电子光学系统聚焦入射D1上，倍增极将发射岀比入射电子数目更N次方倍。3)到第一倍增极多的二次电子，入射电子经N级倍增极倍增后光电子就放大3) 经过倍增后的二次电子由阳极P收集起来，形成阳极光电流，在负载RL上产生 信号电压3. 29光电倍增管中的倍增极有哪几种结构？每一种的主要特点是什么？鼠笼式：结构紧凑，体积小；但灵敏度的均匀性稍差。直线聚焦式：极间电子渡越时间的离散性小，时间响应很快，线性好：但绝缘支架可能

14、积累电荷而影响电子光学系统的 稳定性。盒栅式：电子的收集效率较高，均匀性和稳定性较好；但极间电子渡越时间零散较大。百叶窗式：工作而积大，与大面积光电阴极配合可制成探测弱光的倍增管；但极间电压高，有时电子可能越级穿过，从而，收集率较低，渡越时间离散较大。近贴栅网式：极好的均匀性和脉冲线性，抗磁场影响能力强。微通道板式：尺寸大为缩小，电子渡越时间很短，响应速度极快，抗磁场干扰能力强，线性好。3. 30 (a)iffl岀具有11级倍增极，负高压1200V供电，均匀分压的光电倍增管的工作原理，分别写岀各部分名称及标岀Ik, Ip和lb的方向。(b)若该倍增管的阴极灵敏器 Sk为20卩A/lm,阴极入射

15、的照度为 0, 11X.阴极有效而积为2cm2，各倍增极发 射系数均相等(b =4 ),光电子的收集率为 0.98,各倍增极电子收集率为0.95,试计算倍增系统的放大倍数和阳极电流。200mV,求放大器的有关参数，并画岀原理图(C)设计前置放大电路，使输岀的信号电压为(a)如图(b)阴极由流；h二S?(T)=2O10-60. 110=410-10A倍增系统的放大倍数=0. 98:M=sIk(40.95)11112. 34阳极电流：lFM?h=936卩ACf阴极而上最大允许的光通量为多少流明？因为阳极电流过大会加速光电倍增管的疲劳与老化。b问各倍3. 32某GDB的阳极积分灵敏度为lOA/lm

16、, Sk=20卩A/lnu倍增极有11级。若各级的电子收集效率为增极的平均倍增系数为多少?3. 33现有GDB-423型光电倍增管的光电阴极而积为105,阳极额定电流为20卩A,求允许的最大光照。4.1简述PbO视像管的基木结构和工作过程。2cin2,阴极灵敏度Sk为25卩A/lm,倍增系统的放大倍数为光学图像投射到光电阴极上，产生相应的光电子发射，在加速电场和聚焦线圈所产生的磁场共同作用下打到靶上，在靶的扫描面形成与图像对应的电位分布最后，通过电子束扫描把电位图像读岀，形成视频信号,4. 2摄像器件的参量一一极限分辨率、调制传递函数和惰性是如何定义的?分辨率表示能够分辨图像中明暗细节的能力。

17、极限分辨率和调制传递函数（MTF极限分辨率，人眼能分辨的最细条数。用在图像（光栅）范围内所能分辨的等宽度黑口线条数表示。也用线对/mm表不。MTF:能客观地表示器件对不同空间频率目标的传递能力。惰性：指输岀信号的变化相对于光照度的变化有一定的滞后。原因.靶面光电导张弛过程和电容电荷释放惰性。4. 3以双列两相表而沟道CCD为例，简述CCD电荷产生、存储、转移、输岀的基木原理。以表而沟道CCD为例，简述CCD电荷存储、转移、输岀的基木原理。CCD的输岀信号有什么特点?答：构成CCD的基本单元是MOS （金属-氧化物-半导体）电容器。正如其它电容器一样,MOS电容器能够存储电荷。如果MOS结构中的

18、半导体是P型硅，当在金属电极（称为栅）上加一个正的阶梯电压时（衬底接地），Si-SiO 2界而处的电势（称为表面势或界而势）发生相应变化，附近的P型硅中多数载流子一一空穴被排斥，形成所谓耗尽层，如果栅电压 Vg超过MOS晶体管的开启电压，则在Si-SiO 2界面处形成深度耗尽状态，由于电子在那里的势能较低，我们可以形象化地说：半导体表面形成了电子的势阱，可以用来存储电子。当表而存在势阱时，如果有信号电子（电荷）来到势阱及其邻近，它们便可以聚集在表而。随着电子来到势阱中，表而势将降低，耗尽层将减薄，我们把这个过程描述为电子逐渐填充势阱。势阱中能够容纳多少个电子，取决于势阱的深浅”即表面势的大小，

19、而表面势又随栅电压变化，栅电压越大，势阱越深。如果没有外来的信号电荷。耗尽层及其邻近区域在一定温度下产生的电子将逐渐填满势阱,这种热产生的少数载流子电流叫作暗电流，以有别于光照下产生的载流子。因此，电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。以典型的三相CCD为例说明CCD电荷转移的基木原理。三相CCD是由每三个栅为一组的间隔紧密的MOS结构组成的阵列。每相隔两个栅的栅电极连接到同一驱动信号上，亦称时钟脉冲。三相时钟脉冲的波形 如下图所示。在ti时刻，“高电位，牡.也低电位。此时“电极下的表面势最大，势阱最深。假设此时已有信号电荷（电子）注入，则电荷就被存储在如电极下的势阱中。t2

20、时刻，帕 族为高电位，也为低电位，则幘血下的两个势阱的空阱深度相同，但因也下面存储有电荷，则曲势阱的实际深度比叔电极下面的势阱浅,下面的电荷将向叔下转移，直到两个势阱中具有同样多的电荷。t3时刻，竝仍为高电位，也仍为低电位，而“由高到低转变。此时 也下的势阱逐渐变浅，使 如下的剩余电荷继续向血下的势阱中转移。t4时刻，血为高电位，奶.机为低电位，血下而的势阱最深，信号电荷都被转移到叔下而的势阱中，这与tl时刻的情况相似，但电荷包向右移动了一个电极的位置。当经过一个时钟周期T后，电荷包将向右转移三个电极位置，即一个栅周期（也称一位）°因此，时钟的周期变化，就可使CCD中的电荷包在电极下

21、被转移到输岀端，其工作过程从效果上看类似于数字电路中的移位寄存器。电荷输岀结构有多种形式，如电流输岀”结构.浮置扩散输出”结构及 浮置栅输出”结构。其中浮置扩散输岀”结构应用最广泛，。输岀结构包括输岀栅 0G、浮置扩散区FD.复位栅R、复位漏RD以及输岀场效应管T等。所谓浮置扩散”是指在P型硅衬底表而用V族杂质扩散形成小块的h区域，当扩散区不被偏置，即处于浮置状态工作时，称作浮置扩散区”也与FD之间建立导电沟电荷包的输岀过程如下：VoG为一定值的正电压，在0G电极下形成耗尽层，使道。在 机为高电位期间，电荷包存储在柯电极下面。随后复位栅R加正复位脉冲奴,使FD区与RD区沟通,因Vrd为正十几伏

22、的直流偏置电压，则FD区的电荷被RD区抽走。复位正脉冲过去后FD区与RD区呈夹断状态，FD区具有一定的浮置电位。之后,施转变为低电位，妲下面的电荷包通过0G下的沟道转移到FD区。此时FD区（即A点）的电位变化量为:式中，Qfd是信号电荷包的大小,C是与FD区有关的总电容（包括输岀管T的输入电容、分布电容等）。CCD输岀信号的特点是.信号电压是在浮置电平基础上的负电压；每个电荷包的输出占有一定的时间长度CCD的输岀信号进行处理时，较多地采用了To ；在输岀信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。据此特点，对取样技术，以去除浮置电平.复位高脉冲及抑制噪声。4.4 CCD驱动脉冲工作频率的上、下限受哪些条

23、件限制，应该如何估算?45双列两相80驱动脉冲$ 1、$ 2、SH、RS起什么作用？它们之间的位相关系如何？为什么？1、2:驱动脉冲1、驱动脉冲2,将模拟寄存器中的信号电荷定向转移到输岀端形成序列脉冲输岀SH:转移栅控制光生电荷向CCDA或CCDB转移。RS:复位脉冲，使复位场效应管导通，将剩余信号电荷卸放掉，以保证新的信号电荷接收。4.7 TCD1200D的中心距为14卩m,它能分辨的最小间距是多少？它的极限分辨率怎样计算？它能分辨的最小间距是14卩01。4.8简述变像管和图像增强器的基木工作原理，指出变像管和图像增强器的主要区别。亮度很低的可见光图像或者人眼不可见的光学图像经光电阴极转换成

24、电子图像；电子光学系统将电子图像聚焦成像在荧 光屏上，并使光电子获得能量增强；荧光屏再将入射到其上的电子图像转换为可见光图像。变像管:接受非可见辐射图像并转换成可见光图像的直视型光电成像器件:红外变像管、紫外变像管和射线变像管等，功能是完成图像的电磁波谱转换。像增强器:接受微弱可见光图像的直视型光电成像器件:级联式像增强器、带微通道板的像增强器、负电子亲和势光阴极的 像增强器等，功能是完成图像的亮度增强。5. 1光盘记录有什么优点？存储密度高。非接触式读/写信息(独特)。存储寿命长。信息的信噪比高。信息位价格低。(1)存储密度高数据传输速率高存储寿命长信息位价低更换容易5.2光盘发展经历了哪几

25、代？每一代的特点是什么？自美国ECD及IBM公式共同研制出第一片光盘以来，光盘经历了四代: 只读存储光盘(read only memory 、 ROM )这种光盘中的数据是在光盘生产过程中刻入的，用户只能从光盘中反复读取数据。这种光盘制造工艺简单，成本低,价格便宜，其普及率和市场占有率最高。一次写入多次读岀光盘(write once read many , WORM )这种光盘具有写、读两种功能，写入数据后不可擦除。可擦重写光盘(rewrite, RW )用户除了可在这种光盘上写入、读岀信息外，还可以将已经记录在盘上的信息擦除掉，然后再写入新 的信息；但擦与写需要两束激光、两次动作才能完成。直

26、接重写光盘(overwrite , 0W)这种光盘上实现的功能与可擦重写重写光盘一样，所不同的是，这类光盘可用同一束激光、通过一次动作就擦除掉旧信息并录入新信息。5.3说明ROM光盘的存储原理。将事先记录在主磁带上的视频或音频信息通过信号发生器、前置放大器去驱动电光或声光调制器，使经过调制的激光束 以不同的功率密度聚焦在甩有光刻胶的玻璃衬盘上，使光刻胶曝光，之后经过显影、刻蚀，制成-stamper),然后再经过2P注塑形主盘(又称母盘，master),再经喷镀、电镀等工序制成副盘(又称印模 成ROM光盘。5. 4说明激光热致相变RW光盘的读、写、擦原理。近红外波段的激光作用在介质上，能加剧介质

27、网络中原子、分子的振动， 从而加速相变的进行。因此近红外激光对介质的作用以热效应为主，其中写、读、擦激光与其相变的进行。图的上半部是用来写入、读岀及擦除信息的激光脉 冲，下半部表示岀在这三种不同的脉冲作用下，在介质内部发生的相应相变过程。信息的记录信息的读岀对应介质从晶态C向玻璃态G的转变。选用功率密度高、脉宽为几十至儿百纳秒的激光脉冲，使光斑微区因介质温度刹那间超过熔点、而进入液相，再经过液相快瘁完成到达玻璃态的相转变。用低功率密度、短脉宽的激光扫描信息道，从反射率的大小辨别写入的信息。一般介质处在玻璃态（即写入态）时反射率小，处在晶态（即擦除态）时反射率大。在读岀过程中，介质的相结构保 持

28、不变。信息的擦除 对应介质从玻璃态G向晶态C的转变。选用中等功率密度、较宽脉冲的激光，使光斑微区因介质温度升 至接近T口处，再通过成核一生长完成晶化。在此过程中，光诱导缺陷中心可以成为新的成核中心，因此激光作用使成核速 率.生长速度大大增加，从而导致激光热晶化壁单纯热晶化的速率要高。5.5简述可擦重写磁光光盘读、写、擦原理。如图9-14 ,目前磁光薄膜的记录方式有补偿点记录和居里点记录两类，前者以稀土一钻合金为主，后者则多为稀土一 铁合金。以补偿点写入的磁介质为例来讨论磁光记录介质的读、写、擦原理。信息的写入GdCo有一垂直于薄膜表而的易磁化轴。在写入信息前，用一定强度的磁场质进行初始磁化，使

29、各磁畴单元具有相同的磁化方向。在写入信息时，磁光读写头的脉冲激光聚焦在介质表而，光照微斑因升 温而迅速退磁，此时通过读写头中的线圈施加一反偏磁场，就可使光照区微斑反向磁化，如图所示，而无光照的相邻磁畴磁化 方向仍将保持原来的方向，从而实现磁化方向相反的反差记录。上,如图所示。反之，若以一 k表示。实际测试时，使检偏器的主信息的读出信息读出是利用Kerr效应检测记录单元的磁化方向。用线偏振光扫描录有信息的信 道，光束到达磁化方 向向上的微斑，经反射后，偏折方向会绕反射线右旋一个角度 光扫描到磁化方向向下的微斑9反射光的偏振方向则左旋一个Ho方向相同的偏置磁场，则记截面调到与一 对应的偏振方向相垂直的方位，则来自向下磁化微斑的反射光不能通过检偏器到达探测器，而从向上磁化微斑 反射的光束则可以通过的分量，这样探测器就有效地读出了写入的信号。擦除信息时，如图所示，用原来的写入光束扫描信息道，并施加与初始录单元的磁化方向又会回复原状。对于稀土一铁合金磁光介质，其写、读、擦原理与补偿点记录方式一样，所不同的是，这类介质有一个居里点当介质微斑温度高于时，该区的矫顽力He很快下降至极小值。因此在记录时，应使光照微斑的 温度升至以上,再用偏置磁场实现反向磁化。这种记录方式叫居里点写入。5.6