光电检测课程总结

1、1.光电检测技术的特点高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。高速度：光速是最快的。远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。2.简述本征吸收、杂质吸收。本征吸收:电子从价带激发到导带引起的吸收称为本征吸收,当一定波长的光照射到半导体上时，电子吸收光后能从价带跃迁入导带，显然，要发生本征吸收，光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg。杂质吸收:由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗（二章38-43）3.外光

2、电效应、内光电效应、光伏效应外光电效应：固体受光照后从其表面逸出电子的现象称为光电发射效应或外光电效应。当金属或半导体受到光照射时，其表面和体内的电子因吸收光子能量而被激发，如果被激发的电子具有足够的能量，足以克服表面势垒而从表面离开，产生了光电子发射效应。被光逸出的电子称为光电子,基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。内光电效应：物质受到光辐射的作用后，内部电子能量状态产生变化，但不存在表面发射电子的现象。（二章57）光伏效应：又称光生伏特效应，是指由内建电场形成势垒，此势垒将光照产生的电子空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，产生光生电动势的效应。（二章91-112）4.简述光

3、电探测器的特性参数。响应特性、噪声特性、量子效率、线性度、工作温度响应度（或称灵敏度）：是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的量度。描述的是光电探测器件的光电转换效率（响应度是随入射光波长变化而变化的,响应度分电压响应率和电流响应率）电压响应度:光电探测器件输出电压与入射光功率之比;电流响应度:光电探测器件输出电流与入射光功率之比;光谱响应度：探测器在波长为入的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比;积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度;响应时间：响应时间T是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数（上升时间：入射光照射到光电探测器后，光电探测器输出上升到稳定值所

4、需要的时间。下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。）;频率响应：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应噪声特性:在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象光电探测器常见的噪声：热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声、1/f噪声工作温度：工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度。光电探测器在不同温度下，性能有变化。5.光子器件和热电器件的区别光子器件：响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器件无响应。响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒。热电器

5、件：响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感，响应慢，一般为几毫秒。(三章)6.光电池有哪些参数？它们的含义是什么？结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。原理：当光照射PN结的一个面时，电子-空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生0.2V0.6V电压、50mA电流。1. 光照特性1.1 硅光电池的伏安特性：表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。1.2 照度-电流电压特性：光电池的短路光电流Isc与入射光照度成正比，而开路电压UOC与光照度的对数成正比；在光照度一定时，UOC与受光面积的对数成正比，短路

6、电流Isc与受光面积成正比。1.3 照度-负载特性：光照增加到一定程度后，输出电流非线性缓慢地增加，直至饱和，并且负载电阻越大，越容易出现饱和，即线性范围较小。因此，如欲获得较宽的光电线性范围，负载电阻不能取很大。注：不同照度时的伏安特性曲线，一般硅光电池工作在第四象限。若硅光电池工作在反偏置状态，则伏安特性将延伸到第三象限2. 光谱特性光电池对不同波长的光灵敏度不同；硅光电池的光谱响应峰值在0.8pm附近，波长范围0.41.2pm。硅光电池可在很宽的波长范围内应用；硒光电池光谱响应峰值在0.5pm附近,波长范围0.380.75pm。3.频率特性频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关

7、系。硅光电池频率响应较好，硒光电池较差。所以高速计数器的转换一般采用硅光电池作为传感器元件。对同一材料光电池，负载大时频率特性变差，减小负载可减小时间常数T，提咼频响。但是负载电阻RL的减小会使输出电压降低，实际使用时视具体要求而定。(i)要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻；(ii)光电池面积越大则响应时间越大总的来说，由于硅光电池光敏面积大，结电容大，频响较低。4. 温度特性光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路电压Voc与短路电流Isc随温度变化的情况。开路电压Voc随着温度的升高而减小，其值约为23mV/oC；短路电流Isc随着温度的升高而增大，但增大比例很小，约为10-510

8、-3mA/oC数量级。5. 稳定性当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时,光电池的性能是相当稳定的,使用寿命也很长。硅光电池的性能比硒光电池更稳定。光电池的性能和寿命除了与光电池的材料及制造工艺有关外，在很大程度上还与使用环境条件有密切关系。7简述PIN探测器的工作原理。PIN型光电二极管也称PIN结二极管、PIN二极管，在两种半导体之间的PN结，或者半导体与金属之间的结的邻近区域，在P区与N区之间生成I型层，吸收光辐射而产生光电流的一种光检测器。具有结电容小、渡越时间短、灵敏度高等优点。工作原理在上述的光电二极管的PN结中间掺入一层浓度很低的N型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到减小扩

9、散运动的影响，提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征(Intrinsic)半导体，故称I层，因此这种结构成为PIN光电二极管。I层较厚，几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在丨层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。8.简述雪崩光电二极管APD的工作原理。雪崩光电二极管是一种p-n结型的光检测二极管，其中利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度。其基本结构常常采用容易产生雪崩倍增效应的Read二极管结构（即N+PIP+

10、型结构，P+面接收光），工作时加较大的反向偏压，使得其达到雪崩倍增状态；它的光吸收区与倍增区基本一致（是存在有高电场的P区和丨区）。9简述LD的发光原理。半导体激光器发出一系列光脉冲，经过光纤耦合器进入光纤，来自被测光纤的部分后向散射光再次经过耦合器传输到雪崩光电二极管转换为电信号。10、简述LED的发光原理。PN结上加正向偏压时：自由电子通过二极管时会陷入P型层中的空穴。这一过程涉及电子从传导带到低轨道的跌落，因而电子会以光子的形式释放出能量。这种发射过程主要对应光的自发辐射过程。11、简述光电探测器中的热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声和低频噪声的含义热噪声：或称约翰逊噪声，即载流子无规则的

11、热运动造成的噪声。导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动（相当于微电脉冲），尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声又称为白噪声。散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的，PN结中通过结区的载流子数也是随机的。散粒噪声也是白噪声，与频率无关。散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。产生-复合噪声：半导体受光照，载流子不断产生-复合。在平衡状态时，在载流子产

12、生和复合的平均数是一定的，但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。低频噪声:或称闪烁噪声或低频噪声。噪声的功率近似与频率成反比，多数器件的1/f噪声在200300Hz以上已衰减到可忽略不计。（三章33页-）12、光电池的工作原理光电池的主要功能是在不加偏置的情况下能将光信号转换成电信号。按用途光电池可分为太阳能光电池和测量光电池。光电池是一个PN结，根据PN结材料的不同，常见的光电池有硒光电池，硅光电池、砷化镓光电池和锗光电池四种。结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。原理：当光照射PN结的一个面时，电子-空

13、穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生0.2V0.6V电压、50mA电流。（六章）13、光纤传感器01.概念光纤传感器FOS，用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质或作为感受被测量的敏感器。（其实质是通过光调制器，将一个携带着待测信息（被测对象）的信号叠加到载波光波上，经光纤传输后由光探测系统解调、经信号处理系统处理后检测出所需要的待测信号。）02.主要优点：灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可挠性强、可实现不带电的全光型探头。频带宽、动态范围大。可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器。便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测和

14、控制。可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境。结构简单、体积小、重量轻、耗能少。03.光纤的结构 纤芯：石英玻璃，直径5-75um,材料以SiO2为主，掺杂微量元素，掺杂的作用是提高材料折射率。 包层：直径100-200um，折射率略低于纤芯。 涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。 套层：尼龙或其它有机材料，提高机械强度，保护光纤。04.光缆的结构由缆芯、加强钢丝、填充物和护套等几部分组成05.斯乃尔定理（Snell'sLaw）当光由光密物质（折射率大）入射至光疏物质时发生折射，如图，其折射角大于入射角，即n1>n2时，0r>0i。nlsinOi二n2sin0r入

15、射角0i增大时，折射角0r也随之增大，且始终0r>0i。06.光纤导光原理及数值孔径NA结论：arcsinNA是一临界角，凡入射角0i>arcsin（NA）的光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反，只有入射角0iVarcsin（NA）的光线才可进入光纤被全反射传播。NA定义为"数值孔径"。它是衡量光纤集光性能的主要参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有20c张角内的光，才能被光纤接收、传播（全反射）；NA愈大，光纤的集光能力愈强。产品光纤通常不给出折射率，而只给出NA。石英光纤的NA=0.20.4。07.光纤的临界角对应光纤的入射角临界值为08.光纤模式及其

16、对光信号传输的影响09.光纤的种类（1）、按材料性质高纯度石英玻璃光纤：耐温度较高，导光效率佳多组分玻璃光纤：用更常规的玻璃制作，损耗很低塑料光纤：损耗小，体积小（2）按折射率分布：阶跃折射率光纤；渐变折射率光纤3）按光纤的传输模式：单模光纤；多模光纤4）按用途分：通信光纤；特殊光线：液芯光纤、红外光纤等（5）按制作方法分：CVD；MCVD010011.012.光纤传感器的分类（1）功能型（全光纤型）光纤传感器FF利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤（或特殊光纤）作传感元件，将"传"和"感"合为一体的传感器。传感型光纤传感器（功能型光纤传感器）（本

17、征型）原理：指利用外界因素改变光纤中光的特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的。特点：传感合一，信息的获取和传输都在光纤之中。（2）非功能型（或称传光型）光纤传感器NFF光纤仅起导光作用，只"传"不"感"，对外界信息的"感觉"功能依靠其它物理性质的功能元件完成。原理：利用其它敏感元件测得特征量，由光纤进行数据传输。特点：是充分利用现有的传感器，便于推广应用。013.光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。在光纤传感器中，光的解调过程通常是将光载波携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探

18、测器进行检测。014.光纤的光波调制技术（1）强度调制：光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。分为：a光束切割型；b遮光型光强调制；c开关式光强调制；d松耦合型e物理效应型强度调制分为： 非功能型光强调制：基本原理是根据光束位移、遮挡耦合及其它物理效应，通过一定的方式使进入接收光纤的光强随外界信号变化而改变； 功能型光强调制：指光纤本身作为传感元件，被测量通过改变传感光纤的外形、纤芯与包层折射率比、吸收特性及模耦合特性等方法对光纤传输的光波强度进行调制。分为：a微弯损耗与光纤微弯型光强调制b变折射率型光强调制（2）偏振调制与解调光波按照光的振动矢

19、量E、H在垂直于光线平面内矢端轨迹的不同，又可分为线偏振光（又称平面偏振光）、圆偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光。利用光波的这种偏振性质可以制成光纤的偏振调制传感器。光纤传感器中的偏振调制器普遍采用的物理效应有旋光效应、磁光效应、普克尔效应、克尔效应及光弹效应。（3）相位调制与解调外界信号（被测量）按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生相应的变化，光相位的变化量即反映被测的外界量。特点:灵敏度高;几何形状灵活多样;工作对象广泛;需要特殊类型的光纤（4）频率调制与解调光频率调制，是指用被测量对光纤中传输的光波频率进行调制，频率偏移即反映被测量的变化。015.光纤传感器实例1光纤位移传感器2光纤温

20、度传感器3光纤角速度传感器4光纤压力传感器5光纤电流传感器6光纤流量、流速传感器016.分布式光纤传感器分布式光纤传感器是将传感光纤沿场排布，并采用独特的检测技术，对沿光纤传输路径上场的空间分布和随时间变化的信息进行测量或监控。分布式光纤传感技术的特点： 分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤; 一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测量的二维和三维分布情况； 系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围的变化一般只能观测其平均值; 检测信号一般较微弱，因而要求信号处理系统具有较高的信噪比； 由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的

21、扫描、相位的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间。015.光纤传感器中的偏振调制器普遍采用的物理效应有：旋光效应、磁光效应、普克尔效应、克尔效应及光弹效应。（四章）14、相干检测和非相干检测通常把直接检测光信息的光强（或叫光功率）以及检测非相干光调制频率、振幅、相位的方法统称为非相干检测。被测量被携带于光载波的强度之中，这样的系统称为非相干检测系统。如果光源是相干光源，但用光调制的方法使被测信息加载于调制光的幅度、频率或相位之中，然后用光电解调的方法从调制光的幅度、频率或相位之中检测出被测信息的系统称为相干检测系统。被测信息加载于光载波（只能是相干光源）的振幅、频率或者相位之中的系统称为相干检测系统。（五章）15、直接探测和外差探测方式所谓直接检测是将携带有待测量的光信号直接入射到探测器光敏面，光探测器响应于光辐射强度而输出相应的电流或电压。检测系统可经光学天线或直接由探测器接收光信号，在其前端还可以经过频率滤波和空间滤波处理。接收到的光信号入射到光探测器的光敏面上同时，光学天线也接收到背景辐射，并与信号光一起入射到探测器光敏