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）光电检测技术在军事上的应用：夜视瞄准机系统：非冷却

2、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

3、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420-460nm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，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

4、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，

5、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，

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、），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

12、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

13、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：在徹弱信号的辐射下，将式（1-S03=）代入H-83L并对其求导即可得半导删料在弱辐射下的光电导灵敏直対鼻=諾=酱1_严）.由此可知时间t响应越长.灵敢度越貳2、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？解同一型号的光敏电阻.在不同光取度下和不同的环境溟度下.其光电导灵敏度和时间常数不相同。在閭度相同而逼度不同曰匚其光电导灵敏度不相同和时闾常数也不相同:苴刪料卅

14、质已4样只是决定了的值一定.光昵度和环境蛊度不同.则产生的光生电子浓虞和热主电二浓度各异.决定了值不同嵋度相同决定光生电子浓度相同.温度不同决定热牛邑子浓度开同.同样也决宇了值本同.由H-E5）和（l-S8推岀光电灵敏度不相同：由如）和刊1）推岀其时间常数不相同*3.为什么结型托电器tr在止问偏直时，役有明显的充电皱应？它必须在邮料佃這伏态？为什么¥答;因拘PF结在外加正问偏压时,即使没有光，照,电谎也随着电压指数级在增加,所认有比损时.九七戒辿不明云，p-n结心狈仕反向诟丘的實心下，坷明显的元勺欣应产生，这是也.为匚"石住.乂诟电土卜生刃电吩妾泡和，片以尢煦塔兀1：衣得到

15、酌元二冃流祝舍明显壇冬仕如图3-70所示的照明灯控制电路巾.将題3所给的CdS充敏电阻用什充电传感器&在如右團所示的現明灯手訓电路种.cds光敏电皑用作光电传感器，光敏电阻最大功耗为30M,光电寻灵致度沁=0待X10-阳门恥定电#g0=0.若已知继电器绕组的电阻为SkQ,继电器的吸舎电流为沁电阻R=1MK试求：为使继电器吸合所需要的照度：要使继电器在照度为3lx时吸台，应如何调整电IS肌（10）ft.帽牝电亀的克瞰鬲t土易戸甘淮弱光朋时Kya=l.n.Arttit电冒朝件晦启的肿厘腐足Q=沪己tniv=2mA|!比址电魁曼咒功札为弭0RL就电和儿m时,U£3M/2-150V即

16、耦M斟帆.盏=器=加加伽咂厦？时吸命，収（也二帶二总2“皿12220V,无沈地斟总久高的电临另一商地斥竹33劇囲严超"一出克堆电1泗川便览这刘这么岳的电总也敏阿隠损坏，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？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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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光和光电的转换器件。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路。2楼道照明灯自动控制电路设计原理图機逍照明灯仆动控制电路设计卷电豁图如图”隅m所水它朮电淋电路、充控电黯和埜时挣制书略、寒释电幻外虜闵电路以紀电话控制电牌四暫扮削威，2M讯取圧经讨电沁电寤部分琲行降拆、整流、滤酸及橢尿后为具它电眸提供MV的直流工作电捱：冋射通甦:it敏电魁、新塑热秤电红外砌篠徘及时基集共同控制锲白天灯茄亮，夜同有人来的时候灯门动点亮，人走炳砸时殴时间门动

22、塩页，从而达利竹能的II的.恵强还加卜.f审话掾制葢统说保还电採在界常情况FFT堺竝程控帛h團7換道照明紆直动控別电话控制更谿i阿谢凰町灯ti动护制11賂.耳tit膛*节r師址坏靖无战鞅昭时心*龙临屈的审«由吐-ttt«K的像41电不瞬帰舟T作审売Mb与仙与太小的由音封点押览时开親丁加连他灯氐特过一宅时间G点un柠追时卅吴RKEI两斷幷.n«x3|P67T4teffilfr的輒Iif所朮电)A中.3址議电魁冊嶽龙电衿牌联+龙輸电MrdirKuomw.=osx10*s/ti.鼠牡孕知弓乩齐亡知進电期罐謝門吐出治咗8*趙电JJHKMi恍时打訂虬甘輛曙t*i12、试分折

23、图3-72(a),(b)所示的欣大电路叽光耿虫阻即的件用.h孙SM&曲奇尢比照利Rp阻叵很兀即曰利貝谟支往叩貝谟电片艮丸输出氐土畐。托卿加J使得Rp4使得同相反馈支路阻值减小,输出电压F降.M无光頤时.卸阻值很丈.输人近佩开跖输出电压保光强増加X使得便得辆人信号进人.输岀信号增大1氛为什久在光矍庭増犬到一定程庸氐硅光电池的开跻电压不再随入射昭度的増大而増±?硅光电池的最大开踣电压为參少？齿什么硅光琨池的有载输出电压总小于相同履度下的JT路电压？备答:当光照换度増人到慕个辂速值时，睦光电池的p-n产生的光生载涼了数达创了凰大徐即川观帼利.苒t曾大光照强度.其幵跻中JR不禅随2塔

24、大”硅将/代入hu光电池的幵路电压表达或为t/=ln(-+l)rq打dU的表达戌并求关子的一阶导数，令飞=°,求得最大开路电压。由ffgjgfr于输出电压匕"/产14-gw77-1)|&即悩含丁扩散电臨，百和踊电流的影响，悝得硅光电池的有载输川电压总小于JI路迅压UMn14、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？(1)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) 光生伏特器件有反向偏置电路，零偏置电

25、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、试比较硅整流二极管与硅光电二极管的伏安特性曲线，说

26、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：硅光电漲管的士电说J5朝为he式申，为光电封料的光电转换效率.为材料对光的啜收系数.光电流対无辆射时的电

27、啟为i(庐-1)打，为暗电汛，匕为加在光也极管两端的也丿k,敗眾件的温JL*为玻尔融住常點，q18、L匕较2CU型硅光电：扱倉和2DU电舉桂的结构特点，说明引入环极的羸义*答t2CU型硅光电二极管是采川T1型硅材料作基底，在n区的一面扩散三价元素闕而生城亟播杂旷型讣厂型层和n型莊相按他殆成F-H為引由电极，在光蚁南卜餘I-SiO2保护赂2DU型琏光由极管足映轻膠飛的p厘柱材料做勘色在P凰基底丄扩敢五价元索磷理诫重擦朵r厂型壊*pm和犷型睚接触形成结.在汩区引出正扱.井涂以透刎的SiO为保护腰，垂底懶錄蘇姑后引出億电枫*在硅光电二极管的制造过程屮，在班敏如上涂川门工保扩圧躺讯程不可盅免阁会嵌一坐

28、杂展疋离于.辿时静赳区检引起表血海电廨，井毘而产生晤电濂報散粒嗥声.因此，角了减歩由于瞬0卫屮少理正岡子的薛电感倉所产生的表丽湍由流，在氧化层屮也犷歌一个环靈p-Tl蜡丽将受光血包甬息來.即引入环极，以増加喬阴区宽度，避免边缘过早蒂穿口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？（1）影响光生伏特器件频率响应的主要因素有三点：1）在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间Tdr,即漂移时间；2）在PN结区夕卜产生的光生载流子扩散到PN结区内所需的时间Tp,即扩散时间；3）由PN结电容Cj、管芯电

29、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

30、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

31、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

32、、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，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

33、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

34、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，

35、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？沬比电IX存紂fl咐发允，极皆的健光电流为J厂接收藩FI光魁一概愉产生的光电液町出JT人声川p空是U炭光极讥的发光超序*it'll枇冷的増益&丹之问甜离筲雾数布关拘亦碌为比激发歿仁a般比戕RL历以朴，燉竖人于心由丁7?为/艸J仃的止伉.規此比电祸詮简f"不办I纵育股人展的时.山电流传制t“总小1.Fflj艸搂收益卄輕川览电上槻鸽的由尸允电三侵背本身具脊电流旗人作川因此谕出比电渝人干尊于发JL曲SL也即英电渝传输比大于筹于】（泄曲械怯输出光狀擁徑/rt数議经，而）t换三极饋的输出址电魏"mA故

36、诒级“如6.11）览朮韭鵝合冊fl海城風门、礎门逻御地路墾炭醪出樂歸圏sthiit电祸命粽m砌砸的戍门:川丸堪網合窘耕输戒的醺非门为:29*&1IJt电谓舍醴仲祖电路中加信专件输作用9电粹的陋IT4童作川晦卄么牢冋F柠首光比电耦含器件的俏号ft綸矣段光倍总的胎我谴行的.这与电容利用屯械或电乐传输佶号不同：菽次"处电耦合腊啊：可以将输入躺的打旅信号转换为光信号进FM轴ft.而电容几有純山作料，无怨機输宜泌佶号I再次"对于妇t佶号*光电耦吉翻件将具IW制边周载率光怖号怙馨.对不同锁率的仙均无i谢柞ML而电界倍输龙流悄号时会表现出廉噸率芋同而噓化的阻抗也即过泄人无汕世榆他

37、倾仃；用肩.抗丁扰利恂喘ZZ丽比迫耦仔痔耕比熏辭要好°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

38、小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。31=2、给出了用光电耦合器件隔熹的一种高压稳定电路！说明其工作限理及对该光电網合器的要点¥解，本电是低圧控制高压输出装置.由仁、门負合管.组咸变压电流放大电路.田光电耦合器组成低压控制高压的光控器中宙取样电阻（跆、zR5）比较腹犬电器V3和基谁邑压3艮或稳压控制电当负载上升，吃上升，3_上弁，宦合管V扌的Ut上升，Ik拡少，由于k故1£拡卜光耦合作用碱小，光耦合三极管DC30的扛减小，复合管V2的息減小，蔑ZC随之被小，复合管VI的吐升。其S也随之上珀负载电济张上升夕苴电压匚城也随之上升。反之则反，从而实现了低压控高压的目的

39、6;（其中R1电阻提供编置电氐R2作为基准电阴作降压用。珞作为限流电阻，作反馈用，VD作为基准电压管）-3尊热辐射检瀏器通常分为哪两亍阶段辛哪亍阶段能載严生熱咳应？第一阶段：器件吸收光辐目I談量而便自号温度发生变化,弟二阶段：器件依赖某种温度敏感技性把辐射引起的温度变忧转化为相应的电信号而达到光韬射探測目的，第二阶段能碾产生热电鼓应33、3-33热释电效应应如何理解？热电检测器为什么只能检测交变辐射信号？趟释电沁热释电晶体吸收光辐射温度改变，塩夏的变化引起了热电畐体时自发极化強度的变化，从而在晶休的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应*很据热釋电效陆热释电採測器的电凉和温段的变代満足

40、i-如果照射尤是恒走挞，dz那么温度T杲恒定恒电流为零.所以热电探测器是一种交癇器件。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电动势热电动势，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

41、化钴、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0150plm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。

42、护土貯理氏1图】所不外皑絹屮设电曲电尿=9匕元敏二檢论的供史耕件自线见阿扫齐光懐二概符I.的光通&O-】EE)uhnN瀏涎比一若无勿疑"ft転阐出庠4眩基応.£：慢愉讯盘童电缶蚪紳伉料理+求貯謁的巾工AID册1光救二换管綸人电S3及冀伏安特性輪A电跻；【即试安将性Vh皿国炖氐若出*弼戰陽话封屈唱谨2(M”瓷莊坯为SOgltn射的逐电直沖】7屮.慟世牴电31號任审空暂光曲蛊前細ff汇"二爭04世偌更命的由*ffL=47=1负找找如阳i忖肃示関过1<戍帥)作一条与u抽诚口=也垃叱的社勢与丨m点.斟血卸为所求的陆戕找.口为电略骼工杵点3：只知某创兀电二根簣

43、的灵敏度为0.5IXA/HW鉛间班导G=O.OWs(微西).转折电圧K0=L0YlA射吒功率从p+,=15kw到F'=25偏压匸UWDV。衣最大输占功率吋的最佳呦载RL、输出电流AL“输出电压匸和输出功率PLo"P1泊T3)U>a杲勺忧电一协管的灵敢哎为0.5nA/|Jw-站的电Eg=601#刿微刈h转折»tH0=10V+Aft-W*K=isuw®到p=25pw*=sovjkr输出型事时的屉催蛍栽叫、療出电私匚錯出电功事吒-Ki初始战异务10寸S亦寸曲皿MAF-PSS-15&/-ULhV-015w1E.39&-占.抉1£凹%

44、-电刖料a'5.W5-"J邙称(P1MT4IJ如臬51兄电二械帯凱I風戟疫沟U.5凶讪¥,席闻电导左二tKHQi炭也料折电氐Dm二iDY，人射光妙宰从P=E+ZSfnwiftJtUi,=4CV.试求=(tl忙号縊舟送飙故丈胖时.敗褂用尢血耶钠电凰図冲、加大辱的愉入电审松也腔集运到啟大i»的电斥览功率.解山皓迄条件可确定出脉祜光功率他为民=3pWfi>=5nW最大功节愉出附FI捷说置吐辱耳金*2昭*轴叶05X(3+ZK5)+2>0Ma10石勵u_7T=5"0H2IAS电刚SfcJtB的轴入电爭<7ld=Cm+ti-0-112+0.

45、01二0.122电魁局二VCU二1/0,122士8.197MQ幡入电用眸曲%-2钿"2*0.也"1唧输入功率有灶值5：光电倍増管偏首电路如图4-22示“光电倍増管的阴极积分灵敏廃駅=3啦伽.阳极视分滨敏厦弘TOAUm阳极暗电療10=41输人电路是电阻R=ios0n电容AF的阴极面积为80mm2,要求信EUIL=10-4A(计算阳极噪声电號，负载电阻上的噪声电压和信噪比*gfPJOPM期带:?所护.光班稱埔怦的阴段眾侍臭紋殴二弧nA/hi.闌极頼对臭Ift啤A/Ihk阳蠅Fna=4A.=iowiwa.1pP#)jt<r明證而印的血曲了为.軽灿号电流-io-*A.计浮阳軽

46、昼声电廉，恆!电胆H品卷声牡耳和们曉比*齢讥冋牧噪胡带竟馭监匪电齬奁除宰故止羯甲井増人緘二阿.餐社山耳i弓雾山口隅怨融順邨声电渡10显蝦卜.豹曉声咆用ttmteSE如、MJ5丽匸而忑=/2Xr.6022xw1*M0.3：?3X10()M2.5X?S=2.582XID*1A=2.5H：iH101uA式=Sa/Sk-1D/3O=0333M,sfts100nA-媛泡潇僵同于“址土序搭囉由电溉*=t.2Aji7/iMl&_h0=129/25/10H50n=氐(MoX10"IJA«2jCH0XltT*汕£嗦声电顽M=払忑*-2.5B3x垃7力戟电融I.的址声电用Ux

47、=Jitff-2.611X1OJKU1=Z58X1OSV3Htt曙ItUNRh=Wh=100/(158iM10-1)=3.S71XW1w帼皿呵简述誹畫皱究肿妒瘠数达到昴小他的杀忆菩H诿置就大舒址由窠融”El泾略r"1T4JkTfl.A/4iTAf敌開适敏丈就址闵抵战达常廉小沆第糸It绘魏电禺尊J凹丈斟噪由电乐耳联也电涯的比他卅即第五章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？'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

48、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）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

49、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

50、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.直接探测方沫的基本區醴是什久丁对！点探测光电斂匕怎样涯岛索址的作川和i§5?菩；n接探鸿是将待检测的光忙号it接入射判光探测罄的地敏商n为光探测盎将

51、光强门号茂接转代为栢应的电茄裁电床.眼据不同桑统妁耍戍.弭经后缁电路处理如放尢、連潼或希种们号妾换电踣人最舞师有用的苗号*提高点探测光电系址飾作用曲离吋以从以KJLT方商谢3：提孫发射系轨的玳俺立体殆的辐村功率.把光瀬炭射光谱進选在大窗蒞隔内探碑停作U标.锂结构尺寸允许的情况F，增大光郢媒蜥的U径轴弧第六章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。答江作原理上：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

52、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=05，入射的信号光波长A=lym,负载电阻RL=50Q,试求该光外差探测系统的转换增益PIF/PS=?2.自以比子挥啷:B运用与恕1锲#h佬視人时到呃淘癫理匕的木抛光功鞘PiMOmW.光混

53、頰罄的邑子裁率4=0島入射的门弓光波也A=Him.煲戟电Rson.试壊込此外师矗喲媒纽的转换垢益P./P5-?Wfnr7l=2Ccn/hv）2PLRt-1-r*1O*1OJ*5O=4.O2*1CU<&?*10Mr3:试述实现外差检测必须满足的采fN笞：0夢灵参干沅舸曲佶号泸;F本扳卅丙是理玛册干的皀颛羊模讨.夢有隕卡的扳荡颛率和相位，对往光总披器上乍号托三本抿光要采嗚五万向一致uI信号光mt振托更求宁间沂子口配.即夢求宁间诣唯（谁官、鼻轴-波百殴肓直盲人刖干讦握颛丢百。二十朿/.肘角烷斜a应溝是矢糸y®：其卞w是本粧光波长丄是光电探测豈托敏可尺寸、4:求北零弄相干检测齐

54、输出负载殆轄的峰1W佶号功率5-求光零罡想干探测在辙出员栽&尉的峰值们号功率光零差相干探测惱时屮频电斥为僦卢$抵如址:瞬时功率Kf=V|F1/Rl邙5%號=4便“何勺丹肌英中Pl.在分别为木振光和荷号论的功率5试述激光干涉谓长的基本原理°帚如囱乎示启羽別桓羽頻渊说干淤心甲|耳幵示負.因.潢小篙1由长疸为2O5tnni的全内腔HiXe激光密发出一对互相垂直間取纵模耀怕攥光.模廁隔対Al=r2HL（式中匚崗光連丄為谱振腔牧山那空气折射军.甚值閔7毎MHJ.经布條持窗取出程频信号*选行热稳频具余光束再经析光磁躬及选射.反射閉一对正交线扇乘光作为勞薄倩号经选琐、隔撮片严主招频倨号*为

55、光电樱收嚣按煦"谨射无经光扩濮鑫滾負扩束后.为尿更分此琥分光以爭分蚩期向剩於吊牝琥.垂亘分豎射向固定吊除備两霜光返国后经造谎、隔振片产生抱奴当攔量说在时间f内以遊度厂移动一距高时因多茜蜀效应而引起频墨吏化歼.迄样裱挪慢胚信皂戟于返回光率中.井为光是摆收器犊收*JI壬上亠跆可牌濟址債运动距為与相也姜芟化飾关系式4*咆据测量價运动引記的多昔勒澈極那与相位的矢祭有；50=2jT1?因而*工厶莎L=f牛dffdt垃竽-“V可见在惑略了测貝程中呆第不稳忑11彩响及鬲斯光束干涉附加项的变化影响閉情况T,只赛对瘵童憶运韵过理申務需号与聲番倨号的相位董变化開周明数.即可號得所需测武长匿晁廉*6:如何

56、实现干涉信号的方向判别与计数。由于测量反射镜在测量过程中可能需要进行正、反两个方向的移动，或在测量过程中由于各种干扰因素的影响，可能使测量镜在正向移动过程中产生一些偶然的反射移动。（正、反方向移动均使干涉信号产生明、暗的变化）若测量系统中没有判向能力，则由光电检测器接收信号后，由计数器所显示的计数值是测量镜正反移动的总和，而不是真正的被测长度。测量系统的电路中必须设计有方向判别部分，把计数脉冲分为加、减两种脉冲。当测量镜正向移动时所产生的脉冲为加脉冲，则测量镜反向移动时所产生的脉冲为减脉冲。这两种脉冲送入可逆计数器进行可逆计数，即可得出测量镜的真正位移量。7：试述多普勒测速原理。当光（激光）照

57、射运动物体或流体时，其反射光或散射光将产生多普勒频移，用它（即反射光或散射光）与本振光进行混频可测得物体或流体的速度。第七章：第七章：1：用射线理论简述光纤的导波工作原理。WjSS卩=禺sinic=%sinOc=TZjsinw=%Jl-Ln卩=g屜nnsinG©=J/i；兀=AG4NA定义为光纤的"数值孔径”，为衡量光纤集光性能的主要参数。在光纤端面，只有入射角小于的光才能在光纤中传输。2：试述传光型和功能型光纤传感器的基本含义。功能型传感器（即FF型光纤传感器、传感型光纤传感器。）：是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，即光纤与被测对象相互作用，使得光纤结构参数发生变化，使其传光特性发生相关变化。非功能型传感器（即NF型光纤传感器、传光型光纤传感器）：是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质。3：什么是单模光纤？成为单模光纤的基本条件是什么？单模光纤只能传输一种模式，纤芯直径仅几个微米，接近波长。单模光纤的有点是没有模式散射，可利用波导色散抵消材料色散，以得到零色