光电检测技术期末试卷试题大全

1、 光电器件的基本参数特性有哪些?（响应特性噪声特性量子效率线性度工作温度）@响应特性分为电压响应度电流响应度光谱响应度积分响应度响应时间频率响应@噪声分类：热噪声散粒噪声产生-复合噪声1/f噪声信噪比S/N噪声等效功率NEP、 光电信息技术是以什么为基础，以什么为主体，研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。（光电子学光电子器件）3、 光电检测系统通常由哪三部分组成（光学变换光电变换电路处理4、 光电效应包括哪些外光电效应和内光电效应）外光电效应：物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物。内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象。PNPN金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。、 光电池是根据什么效应制成的将光能转换成电能的器件，按用途可分为哪几种？（光生伏特效应太阳能光电池和测量光电池）6、 激光的定义，产生激光的必要条件有什么（定义：激光是受激辐射的光放大粒子数反转光泵谐振腔）7、 热释电器件必须在什么样的信号的作用下才会有电信号输出（交变辐射）、 CCD是一种电荷耦合器件的突出特点是以什么作为信号的基本功能是什么？（电荷 CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移9根据检查原理，光电检测的方法有哪四种。（直接作用法差动测量法补偿测量法脉冲测量法）10、光热效应应包括哪三种。（热释电效应辐射热计效应温差电效应）11、一般PSD分为两类，一维PSD和二维PSD，他们各自用途是什么？（PSDPSD）12其他元件都在真空管中，真空光电器件包括哪两类。（外光电效应光电管光电倍增管）二、名词解释1、响应度（（或称灵敏度2、信噪比（是负载电阻上信号功率与噪声功率之比）3、光电效应（4、亮电流（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））5、光电信号的二值化处理（将光电信号转换成“0”或“1”6、亮态前历效应(亮态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象)7、热释电效应（在某些绝缘物质中，由于温度的变化引起极化状态改变的现象称为热释电效应）8、暗电流9、暗态前历效应暗态前历效应暗态前历越长，光电流上升越慢。三、简答1、雪崩光电二极管的工作原理（PN（100~200V)PN）2、光生伏特效应与光电导效应的区别和联系？（而光电导效应是多数载流子导电的光电效应。）3、什么是敏感器？敏感器与传感器的区别和联系？（将被测非电量转换为可用非电量的器件。共性：对被测非电量进行转换。区别：敏感器是把被测量转换为可用非电量，传感器是把被测非电量转换为电量）4、发光二极管的工作原理。（PN，NP作用下，PNPN结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子和一个空穴对每一次复合，将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这个能量会以热能、光能、或部分热能和部分光能的形式辐射出来。5、说明电子器件与热电器件的特点。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。

热电器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需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒

响应慢，一般为几毫秒6、PIN型的光电二极管的结构、工作原理及特点（PNININ+和PPIN的吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子-空穴对，因而大幅度提供了光电转换效率，从而使灵敏度得以很高。两侧PNPIN特点是频带宽10GHzI7、热辐射检测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能够产生热电效应。（第一步：是热探测器吸收红外辐射引起温升，这一步对各种热探测器都一样；第二步：利用热探测器某些温度效应把温升转换为电量的变化。第二阶段）8、光电检测系统由哪几部分组成？作用分别是什么？（#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。#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#电路处理放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。）9、简述光电检倍增管的结构组成和工作原理（光电倍增管主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统、和阳极5部分组成。@1光照射到阴极转换成电子，出射到下一电极。@2@.3）10简述CCD器件的结构和工作原理（MOS电容器件+输入输出端=CCDCcdCCD元上；近形成电荷包，存储在像敏单元中。电荷包的大小与光强和积分时间成正比。电荷包在时钟脉冲作用下，由转移寄存器读出。即在ＣＣＤ栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面）11、简述热电偶的工作原理（热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连12、光电二极管的工作模式有哪几种？都分别用于什么场合？四、分析1、根据电路说明光电耦合器的作用。Q11

B1 B2+12V 1K 4N25 Q11+12V 1K 4N25U1 6.2K Y1 U1 6.2K30G6 Y233K 33K 30G6Q12Q122、分析下面电路的工作过程Cd5220V五、应用题1、举例说明脉冲方法测量长度的原理。（LvLNL=vt=vkN=KN)2、举例说明补偿测量方法的原理（补偿测量法是通过调整一个或几个与被测物理量有已知平衡关系（或已知其值）的同类标准物理量，去抵消（或补偿）。3、举例说明象限探测器的应用。（四象限探测器主要被用于激光准直方位定向位置探测）L射出接近平行的光束投向四象限管，形成一圆形亮斑。AC、BD准直仪可用于各种建筑施工场合作为测量基准线。4、举例说明光敏电阻的应用（举例一：照明灯的光电控制电路基本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。基本结构：整流滤波电路；光敏电阻及继电器控制；触电开关执行电路。基本原理：光暗时，光敏电阻的阻值很高，继电器关，灯亮；光亮时，光敏电阻阻值降低，继电器工作，灯关。举例二：把光敏电阻装在大门上汽车灯光能照到的地方，把带动大门的电动机接在干簧管的电路中，那么夜间汽车开到大门前，灯光照射光敏电阻时，干簧继电器接通电动机电路，电动机带动大门打开。置

举例三：天明告知装）电子科技大学二零零七 至二零零八学年第一学期期末试光电检测技术课程考试题B卷（120分钟）考试形式开卷考试日期2009 年6月12日课程成绩构成：平时 20 分，期中 分，实验 分，期末 80 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 合计一、填空题（每空一分，共15分）1、入射光在两介质分界面的反射率与（ ）有关。2、已知本征硅的禁带宽度Eg＝1.2eV，则该半导体材料的本征吸收长波限为（ 。3、某一干涉仪的最高频率为20MHz，选用探测器的时间常数应小于（ 。4、温度越高，热辐射的波长就（ 。5、光电检测是以光信息的变换为基础，它有（ ）和（）两种基本工作原理。6、光电探测器的物理效应通常分为（ （ （ 。7光电检测系统主要（ （ （ （ 。8光电三极管的增益比光电二极（ 但其线性范围比光电二极（ 。二、判断题（每题一分，共１０分）1、PIN管的频率特性比普通光电二极管好。（）2、提高载流子平均寿命能同时提高光电导器件的增益及其截止频率。（）3、有基极引线光电三极管可作为光电二极管和无基极引线光电三极管使用。（ ）4、对光源进行调制即可消除光源波动及背景光干扰的影响。 （ ）5光电二极管阵列中各单元面积减小则其信号电流和暗电流同比例减小（ ）6阵列器件输出的信号是数字信号。 （ ）7光敏电阻受温度影响大通常工作在低温环境下工作。 （ ）8在微弱辐射作用下光电导材料的光电灵敏度越高。 （ ）9光电探测器件输出的信号只有比噪声大时测量才能进行。 （ ）10光电池的频率特性很好。 （ ）三、简答题（每小题6分，共30分）1、总结原子自发辐射、受激吸收、受激辐射三个过程的基本特征。2、半导体激光器和发光二极管在结构上、发光机理和工作特性上有什么不同？3、说明为什么本征光电导器件在微弱的辐射作用下，时间显影越长，灵敏度越高。4、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?5流可以大很多倍？四、论述题（45分）1点。(10分)2、写出硅光电二极管的全电流方程，说明各项物理意义。（10分）3、试问图1-1(a)1-1(b)U0的表达式。(12分)(b)图1-1 光敏电阻偏置电路3、阐述用差动法检测溶液浓度的工作原理及工作过程。（13分）武汉理工大学考试试题纸（A卷）题号 一二三四五六七题号 一二三四五六七八九十总分题分1515101010151510100备注：学生不得在试题纸上答题(含填空题、选择题等客观题)一、 名词解释(每小题3分，总共15分)1.坎德拉(Candela,cd) 2.外光电效应3.量子效率4.象增强管 5.征光电导效应二、 填空题(每小题3分，总共15分) 光 电 信 息 变 换 的 基 本 式 、 、 、、 、。R光电倍增管是一种真空光电器件它主要由 、 、 、 和R组成。发光二极管(LED)PN型半导体组合而 成 。 其 发 光 机 理 可 以 分 为和 。产生激光的三个必要条件是 。已知本征硅的禁带宽度为E ，要使该材料有光电子产生，其入射光波的g最大波长为 。三、如图1所示的电路中，已知Rb=820Ω,Re=3.3KΩ,UW=4V，bRp,40lx6V，80lx是为9V。设光敏电阻在30~100之间的γ值不变。图1试求：(1)输出电压为8V时的照度； VD图1

Ubb=12VRpUoRe（2）Re

增加到6KΩ，输出电压仍然为8V，求此时的照度；(3)8V时的电压灵敏度。四、 如果硅光电池的负载为。(10分(1)、画出其等效电路图；(2)、写出流过负载的电流方程及开路电压和短路电流；(3)、标出等效电路图中电流方向。五、简述PIN光电二极管的工作原理。为什么PIN管比普通光电二极管好？(10分)K六、1200V负高压供电具有11级倍增的光电倍增管若倍增管的阴极灵敏度S 为20uA/lm，阴极入射光的照度为0.1Lx，阴极有效面积为2cm2，各K增极二次发射系数均相等(4)，光电子的收集率为 0.98，各倍增极的0电子收集率为0.95。(提示增益可以表示为G)N) (15分)0计算光电倍增管的放大倍数和阳极电流。并画出原理图。七、简述CCDCCD100原理简图，并分析测量原理。(15分)八、一InGaAsAPD管在倍增因子M=1，入射波长为1550nm时的量子效率＝60％，加偏置电压工作时的倍增因子M=12。(10分)20nW，APD管的光电流为多少？12时，APD管的光谱响应度为多少？光电技术A卷参考答案一、名词解释(Candela,cd540×10Hz1cd。hv种现象称为光电发射效应，又称外光电效应。的光电子数与入射的光子数之比值。电成像器件。本征光电导效应：本征半导体价带中的电子吸收光子能量跃入光生自由空穴，使得材料的电导率发生变化的现象。二、填空题化器的方式和光通信方式的信息变换。光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极。PN4、 5、四、根据图示为恒流偏置电路，流过稳压管的电流满足稳压管的工作条件当 4V时，由 得输出电压为6伏时电阻 6K，输出电压为9伏时电阻 3K，故 输出电压为8V时，光敏电阻的阻值为 =4K，带入，解得E=60lx（2）与上面（1）中类似，求出照度E=34lx(3)电路的电压灵敏度五、(1)光电池的等效电路图短路电流的表达式开路电压的表达式电流方向如图所示六、当光照射p－n结，只要人射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子－空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺电场方向运动，电子逆电场方向运动，在开路状态，最后在n区边界积累光电子，p区积累光生空穴，产生一个与内建电场方向相反的光生电场。光电二极管在正偏置时，呈单向导电性，没有光电效应产生，只有在反偏置或零偏置时，才产生明显的光电效应。其基本结构就是一个p-n结，属于结型光生伏特效应。当光照射时，满足条件hv>E

,则在结区产生的光生载流子将被内建电场拉开，于是在g对于PINIII层较无I七、CCD原理：当满足远场条件L﹥﹥d2/λ时，根据夫琅和费衍射公式可得到d=Kλ/Sinθ(1)当θ很小时（即L）Sinθ≈tgθ=X/Lk代入（1）式得 d= = = (2)S——暗纹周期，S=XS测量简图

/K是相等的，则测细丝直径d转化为用CCD测K八(1)SolutionTheresponsivityatM=1intermsofthequantumefficiencyisIfI istheprimaryphotocurrentand istheincidentpho 0opticalpowerthenbydefinitionsothat1、光源选择的基本要求有哪些?答：源发光的光谱特性必须满足检测系统的要。按检测的任务不同，要求的光谱范围也有所不同，如可见光区、紫外光区、红外光区等等。有时要求连续光谱，有时又要特定的光谱段系统对光谱范围的要求都应在选择光源时加以满足。 光对光源发光强度的要求为确保光电测试系统的正常工作对系统采用的光源的发光强度应有一定的要求。光源强度过低系统获得信号过小以至无法正常测试光源强度过高，又会导致系统工作的非线性有时还可能损坏系统待测物或光电探测器同时还会导致不必要的能源消耗而造成浪费因此在设计时，必须对探测器所需获得的最大、最小光适量进行正确估计并按估计来选择光源。 ③对光源稳定性的要。不同的光电测试系统对光源的稳定性有着不同的要求通常依不同的测试量来确定稳定光源发光的方法很多，一般要求时可采用稳压电源供电。当要求较高时，可采用稳流电源供电。所用的光源应该预先进行月化处理。有更高要求时，可对发出光进行采样，然后再反馈控制光源的输出。 ④对光源其他方面的要求光电测试中光源除以上几条基本要求外还有一些具体的要求如灯丝的结构和形状；发光面积的大小和构成；灯泡玻壳的形状和均匀性光源发光效率和空间分布等等，这些方面都应该根据测试系统的要求给以满足2、光电倍增管的供电电路分为负高压供电与正高压供电，试说明这两种供电电路的特点，举例说明它们分别适用于哪种情况?答：采用阳极接地，负高压供电。这样阳极输出不需要隔直电容，可以直流输出，一般壳至少要有10～20mm果靠近管壳处再加一个屏蔽罩，并将它连接到阴极电位上，则要注意安全。直电容，因此只能得到交变信号输出。可是，它可获得比较低和稳定的暗电流和噪声3、在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度有什么特点，？为什么要把光敏电阻制造成蛇形？答：在微弱辐射下，光电导材料的光电灵敏度是定值，光电流与入射光通量成正比，即保持线性关系。因为产生高增益系数的光敏电阻电极间距需很小（即d小小而不实用，因此把光敏电阻制造成蛇形，既增大了受光面积，又减小了极间距。9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，p-n这是因为p-n二~论述光电检测系统的基本构成，并说明各部分的功能。1、下面是一个光电检测系统的基本构成框图：光源和照明光学系统：这里所指的是上述光源所发出的光束在通过这一环节时，利用3）光信号的匹配光电转换电探测器为手段，将各种经待测量调制的光信号转换成电信号（电流、电压或频率，以利于采用目前最为成熟的电子技术进行信号的放大、处理、测量和控制等。电路的任务主要是解决两个问题：①实现对微弱信号的检测；②实现光源的稳定化。的待测量电信号直接经显示系统显示。2、在“反向偏置”电路中，有两种取得输出电压U0的方法：一种是从负载电阻RL上取得电压U0，另一种是从二极管两端取得电压U0。叙述两种方法的特点及它们之间的联系。（10分）对于图a）所示的电路，光电信号是直接取出的，U0=ILRL，而对于b）图，光电信号是间接取出的，U0=UC-ILRL； (2)两种电路输出的光电信号电压的幅值相等，但相位是相反的； (3)这两种方法只适合照射到P—N结上的光强变化缓慢和恒定光的情况这时光电二极管的结电容不起作用二极管本身的串联电阻很小实际上可以略去不计(4)当二极管的光电流与暗电流接近时，光电信号难以取出，因此，运用反偏法检测微弱的恒定光时不利的。3RLILUoc、Isc的表达式，说明其含义（图中标出电流方向（12分硅光电池的工作原理和等效电路为下图：（a）光电池工作原理图 （b）光电池等效电路图 （c）进一步简化从图（b）中可以得到流过负载RL的电流方程为：ii

i i

KTSEi

(eqV/KT1)p D（1）

p s0

E s0其中，SE为光电池的光电灵敏度，E为入射光照度，Is0是反向饱和电流，是光电池加反向偏压后出现的暗电流。i＝0

＝（开路L的开路电压，以VOC表示，由式（1）解得：kT I V ln p 1 （2）OC（4）

q I0当》Io时，V (kT/q)ln(I /I)OC p 0LR＝0（即特性曲线与电流轴的交点）时所得的电流称为光电流短路电流，以Isc表L示，所以

pIs＝I＝Se·E （4分）p从式（2）和（3）可知，光电池的短路光电流Isc与入射光照度成正比，而开路电压Voc与光照度的对数成正比。1PN反偏才能有光生伏特效应？答：1.p-n结在外加正向偏压时,外加电压削弱内建电场,使空间电荷区变窄,载流子的,从而在p-n一个电子和一个空穴的一次复合将释放出与材料性质有关的一定复合能量LED的发光机理。因为p-np-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p-n2、简述三种主要光电效应的基本工作原理答：PN结时，只要入射光子能量PN,这种光照零偏PN结产生开路电压的效应，若入射的光子能量h3、光电探测器与热电探测器在工作原理、性能上有什么区别？（或波长表现出选择性。光子牵引效应和光电磁效应等。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4、简述光电探测器的选用原则答：(1).光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配。(2)光电检测(3)(4)光5、简述光电池、光电二极管的工作原理及区别？,在零偏状态下,是光伏工作模式,器件内阻远低于负载电阻,相当于一个恒压源;而光电二极管必须在反偏电压下才能工作,是光电导工作模式,器件内阻远大于负载电阻,此时器件相当于.1场合？(10答：当光电池后接低输入阻抗放大电路时，其工作在短路或线性电流放大状态，这是LR（L

L<R

→0）的电流与光照RLRm路输入阻抗尽可能小，才能使输出电流尽可能大，即接近短路电流Isc，因为只有短路电流m（开路电压输出Rm时，电路就处于线性电压输出状态，此时RL<R

，这种工作状态下，在串联的负载电阻上能够得到与输入光通量近似成正比的信号电m区的光电池在与放大器连接时，宜采用输入阻抗高的电压放大器。空载电压输出是一种非线性电压变换状态，此时RL>Rm且R入阻抗变换器与后续放大电路连接，相当于输出开路。

→∞，要求光电池应通过高输L2、光敏电阻工作电路的三种偏置方法有什么特点？(10分)答：(1)恒功率偏置:输出电压U

IR R U S2p b

R U并不随负L L (Rp

R )2 LL载电阻线性变化，要使U 最大，须将式L

RL 微分，有d

L U

R2(Rp

R )L dR b L

(R R )3p L

与光敏电阻R相等时，即R=R，表示负载匹配，dU 则

最大。LL P L PL

dR LLb 此时探测器的输出功率最大，即 PL=ILULb

2/4R 则称为匹配状态。P:在基本偏置电路中，若负载电阻RLRPRL>>RIL简化为PIL=Ub/RL这表明负载电流与光敏电阻值无关，并且近似保持常数，这种电路称为恒流偏置电路随输入光通量ΔΦ的变化，负载电流的变化ΔIL变为 IL=SgUb(RP/RL)2Φ上式表明输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与偏置电压成正比。还可以证明RL很大，使光敏电阻正常工作的偏置电压则需很高100V以上R晶体管作为恒流器件来代替。RLRLRPRL<<RP时，负载电阻两端的电压为UL≈0此时光敏电阻上的电压近似与电源电压相等这种光敏电阻上的电压保持不变的偏称为恒压偏置，信号电压变为 UL=SgUbRLΦ式中，SgΔΦ＝ΔG是光敏电阻的电导变化量，是引起信号输出的原因。从上式中看出，恒压偏置的输出信号与光敏电阻无关，仅取决于电导的相对变化。所的一大优点。3、叙述实现光外差检测必须满足的条件。(12分)得到满足意味着所用激光器应该单频基模运转。好相等，因为不重合的部分对中频信号无贡献，只贡献噪声。③信号光波和本振光波的能流矢量必须尽可能保持同一方向上的角准直。或者有相同曲率的曲面。们是矢量相加。总之,要满足时间,空间条件外,还有满足频率条件和偏振条件.4、对直接检测系统来说，如何提高输入信噪比？(12分)答：对于光电检测系统来说，其噪声主要有三类：光子噪声 包括：A.信号辐射产生的噪声背景辐射产生的噪声。探测器噪声 包括：热噪声；散粒噪声；产生—复合噪声；1/f噪声；温度声。信号放大及处理电路噪声截至频率时，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因此，对于直接探测系统，提高输入信噪比的措施有：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或锁相放大器。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。采用最佳条件下的偏置电路，使信噪比最大图 光电探测器噪声功率谱分布示意图5、叙述激光干涉测长的原理。(16分)答：如图所示是双纵模双频激光干涉仪的原理示意图。测量角锥镜 偏振分光镜光扩展器 分光器 布儒斯特

激光器透镜固定角锥镜测量信号

偏振片光电接收器

稳频信号参考信号图 双纵模双频激光干涉仪原理示意图206mmHe-Ne为c/2nL（式中cLn为空气折射率，其值约728MH，经布tV移动一距离时，因多普勒效应而引起频差变化f，这样被测长度信息载于返回光束中，并为光电接收器接收。可得测量镜运动距离与相位差变化的关系式

L 1 4根据测量镜运动引起的多普勒效应f与相位的关系有： 2f因而：L

1f Lt1ffdt 1N2 02 2可见在忽略了测量过程中系统不稳定性影响及高斯光束干涉附加项的变化影响的情况量长度结果。8、阐述用补偿法检测溶液浓度的工作原理及工作过程。（13分）12为待测溶液的峰值吸收波长。将该光线用分束器BS分成两束，分别通过待测溶液S和参比2溶液S，并用两个性能一致的光电探测器接收。由于参比溶液对工作波长的光不产生吸收，1而待测溶液对该波长的光有较强的吸收，因此，探测器PD接收到的光强度I即为入射光强1 1度I，而探测器PD接收到的光强度I取决于待测溶液的浓度。0 2 2系统输出电压为：R KU C(lg

lg

)R/RC

2lg 110 0

2 2

0R K式中，C

上产生的光电流；1I

为

为PD0 1

2

1 2 1和PD的灵敏度，、

PDPDPDPD性能一致，则K＝K2 1 2故上式可变为：

1 2 1 2 1 2R R IU C 2lg 1C 2lg 10 0R R I1 2 1 2由于在忽略反射和散射的情况下，I1=I2,故IU Klg 00 I2可见，最后输出电压即为溶液的吸光度值，亦即反映了溶液的浓度。 （5分）1、光具有的一个基本性质是波粒二象性。2、光电检测技术研究的主要内容是信息变换技术电信号处理技术。3、光源调制通常分为机械调制和电调制或内调制和外调制。4、激光的形成必须满足粒子数反转、谐振腔共振、阈值条件。5、为了提高光电二极管的响应频率，应适当加大反向偏压。6、光敏电阻受温度影响大，通常工作在 低温 环境下。78、假设调制盘的转速为N转/分，得到调制光的频率为f，则调制盘的孔数为60f/N。2009~2010学年第一学期期末考试试卷光电检测技术及系统试卷2河南大学物理与电子学院200-200学年第学期期末考试光电检测技术题库试卷（二）参考答案—单项选择题（2分40分）光度量是辐射度量的（C ）倍．A.683 B.V（λ） C.683D.1/6832．波长为500nm的波属于（C ．A.远红外线B.太赫兹波C.可见光 D. X射线3．任何温度下对任何波长的入射辐射能的吸收比都小于1，称为（B A．黑体 B．灰体C．黑洞D．绝对黑体4．半导体中受主能级的位置位于（A ）中A. 禁带 B.价带C. 导带 D.满带斯忒藩----玻耳兹曼定律为（ A 。σT4 B.σT2 C.Tλm＝B D.α(λ,T)=ε(λ,T)热敏电阻的种类不包括（ D ）.PTC B.NTC C.CTC D.ZTC属于相干光源的是（ C ）.气体放电灯B.黑体辐射器C.固体激光器D.发光二极管下列光源中，最佳的彩色摄影用光源是（ A ．卤钨灯 B．氘灯C．汞灯 D．汞氙灯属于成像的器件是（C ）.LD B.LED C.CCD D.PMT充气卤钨灯是一种( B ).气体光源B.热光源C. 冷光源 D.激光光源TDICCD表示的是（ B ）CCD．增强型; B.时间延迟型; C.电子轰击模式; D.红外．热效应较小的光是（ D ）.紫光 B.红光C.红外 D.紫外在光电倍增管中，产生二次电子发射的是( C ).阴极 B.阳极 C.倍增极 D.玻璃窗光纤纤芯、包层、外套的折射率n1、n2、n0的关系是（ D ）.A.n1>n2>n0 B.n2>n0>n1C.n0>n2>n1 D.n1>n0>n2光照一定，短路电流与入射光波长的关系，属光电池的( C )特性：频率; B.伏安;C.光谱; D.温度．像管中（ C ）的出现和使用，成为了第二代像管出现的标志性部件。负电子亲和势阴极； B.电子光学系统；C．微通道板MCP； D. 光纤面板充气白炽灯主要充入（A ）.氩气 B.氙气 C.氖气 D.氪气1．硅光电二极管与硅光电池比较，后者（B ．A．掺杂浓度低 B．电阻率低C．反偏工作 D．光敏面积19．线阵CCD主要是通过（A ）工作.A.电荷 B.电压C.电流 D.电阻彩色CCD有（C ）种.A.1 B.2 C.3 D.4二、多项选择题（每题2分，共10分1．固体发光器件有（ABCDE 。A.LCD B.PDP C.ECD D.EPD E.VFD结型光电器件的特点( ABCDE )：A.有极性 B.灵敏度与光源光谱有关 C.响应速度决定于RCD.参量与温度有关 E．易受电磁场干3．光电池有（ABCD ）种类。A.硅光电池 B.硒光电池 C. 锗光电池D.砷化镓光电池 E.锂光电池热敏电阻的种类有（ABC 。A.PTC B.NTC C.CTC D.WTC E.ZTC光电效应有（ABCDE 。A.光电导效应B.光生伏特效应C.光电效应D.光磁电效应E.光子牵引效应三.填空题(每空1分,共10分)吸收比是物体吸收量与投射的辐射能量的比值.FTCCD指的是帧转移型CCD.紫外光的热辐射比红外光小．PN6.10cd.m-²时,555nmS（）＝U6.10cd.m-²时,555nm光源单位时间内向所有方向发射的能量，称为辐功率（辐通量．半导体受光照，在结区两边产生势垒的现象称光生伏特效应．光在光纤内形成驻波的光线组称为 模 ．四.简答计算题(共40分)（8分）掺杂大、受光面积大、电阻小、无偏状态工作。什么是外光电效应？（8分）外光电效应是指，光照射在金属上，金属向外发射电子的效应。种偏置状态？（12分）IFIP以忽略，即有无光光照基本上不影响电流大小；正偏时起不到光电检测效果。,其值很kGDB－4232S为25μA/lm，倍增系统的放大倍数为105，阳极额定电流为20μA（12分）k已知

=25μA/lm

=2cm2=2×10-4m2 M=105

=20μA 求E =?kk解：依公式Sk

k=k=k/PI/Φ I I M=k=k/P

P maxkΦ=Ik

/

I MS=/P =/

=20μA/105/(25μA/lm)=0.8×10-5 (lm)E=Φ/S=0.8×10-5(lm)/2×10-4m2=0.04(lx)最大光照度为0.04lx。2009-2010-2光电检测技术A卷试题及答案一、计算（共28分，共3题）1、如图1N，光电探测器输出的脉冲信号频率测量系统为（单位为r/mi（8分）图1转速测量系统（2）已知本征硅材料禁带宽度求该材料的禁带宽度。（8分）310km,1（12分）三、简答题（共46分）4、在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度有什么特点？为什么要把光敏电阻造成蛇形？（8分）5、光电导器件的响应时间（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？（8分）62(a)2(b)（10分）7RLRLIL方程及Uoc、Isc的表达式，说明其含义（图中标出电流方向（10 分）8、光伏探测器的工作模式分为哪几种？为什么（分类依据）？他们的主要区别？（10分）9、论述题（共26分）9、为什么说光外差检测方式是具有天然检测微弱信号的能力？（12分）10（同时画出原理图（表达式14分）答案：一、计算题1、转轴的转速为：2、hν ≥Eg λ≤hc/Eg则长波限为：1.03um， 材料的禁带宽度为：0.887ev3、被测距离最大范围为：10KM，所以最大尺子的量程至少为：10KM，此尺子能精确测到：10KM×1‰＝10m。因为要求测距精度为1cm，尺子的测量精度为1‰，所以最小量程的尺子为：1cm/1‰＝10m 纵上述，测量至少需要两把尺子：一个L=10K，其对应的工作频率为f=/2L0另一个L0=10m，其对应的工作频率为： f0=c/2L0＝1.5×10HZ二、简答题1即保持线性关系。而既可以减小载流子的有效极间渡越时间，也有利于提高灵敏度。2、响应时间主要受光电导器件中载流子的平均寿命τ有关，减小τ，则频率响应提高；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：①减小负载电阻；②减小光伏特器件中的结电容，即减小光伏器件的受光面积；③适当增加工作电压。3、都属于共射极电路，4、、硅光电池的工作原理和等效电路为下图：(4分)从图（b）中可以得到流过负载RL的电流方程为：其中，SE为光电池的光电灵敏度，E为入射光照度，Is0是反向饱和电流，是光电池加反向偏压后出现的暗电流。(2分)i＝0开路）VOC表示，由式解得：当R＝即特性曲线与电流轴的交点时所得的电流称为光电流短路电流Isc表示，所以IscIpSe·E （3。（4分）IscVOC与光照度的对数成正比。5光伏工作模式。当外回路采用反偏电压，即外加P端为正的电压时。无光照时的电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，电流就变大，而且流过它的光电流随照度变化所以称为光导工作模式。主要区别：器件处于光伏工作模式时，器件内阻远低于负载电阻，相当于一个恒压源；在光电导模式下，器件内阻远大于负载电阻，此时器件相当于恒流源。三、论述题而中频电流输出对应的电功率为：所以，这里的横线是对中频周期求平均。

，其中RL为光电探测器的负载电阻。从物理过程的观点看，直接探测是光功率包络变换的检波过程；而光频外差探测的光电转“”过程，即把以ωS

ωIF为转换换增益。为了衡量这种转换增益的量值，我们以直接探测为基准加以描述。为此令把（1）和（2）式代入（3）中得到：PL>>PSM>>1,MPSPL0.5mwPS值下，M1所示：1下，外差探测器表现出十分高的转换增益。例如，在也就是说，外差探测的灵敏度比直接探测将高

量级时，量级，所以我们可以说，光外差探测方式具有天然的探测微弱信号的能力。212后成为单色光，该单色光的波长应选BSS2和参比溶液S1PD1I1即I0PD2I2取决于待测溶液的浓度。系统输出电压为：Iφ1PD1Iφ2PD2K1K2PD1PD2φ1φ2PD1PD2PD1PD2K1＝K2由于在忽略反射和散射的情况下，I1=I2,故可见，最后输出电压即为溶液的吸光度值，亦即反映了溶液的浓度。 （5分）二零零七 至二零零八学年第一学期期末考试光电检测技术课程考试题A卷（120分钟）考试形式开卷考试日期2009 年6月12日课程成绩构成：平时 20 分，期中 分，实验 分，期末 80 分一一二三四五六七八九十合计一、填空题（每空一分，共15分）1、光具有的一个基本性质是（ 。2、光电检测技术研究的主要内容是（ ）（ 。3、光源调制通常分为（ ）和（ 。4激光的形成必须满（ （ （ 。5、为了提高光电二极管的响应频率，应适当加大（ 。6、光敏电阻受（ ）影响大，通常工作在（ ）环境下。7、光电检测技术是（ ）与（ ）相结合而产生的一门兴检测技术，它是利用（ ）进行检测。8、假设调制盘的转速为N转/分，得到调制光的频率为f，则调制盘的孔数为（。二、判断题（每题一分，共1０分）1、相干长度只与光波单色性有关，而与其波长无关。（）2、温度越高，热辐射的波长就越短。（）3、雪崩管的工作偏压一般不超过10V。（）4、光电探测器件输出的信号只有比噪声大时，测量才能进行。（）5、光电探测器件的1/f噪声是一种低频噪声。（）6、光电池的频率特性很差。（）7（）8、对光源进行调制即可消除光源波动及背景光干扰的影响。（）9、补偿法测量比差动法响应慢，但通常精度更高。（）10、倒置望远镜系统对激光束发散角有缩小的作用。（ ）（每小题6分，共30分）1、简述半导体激光器的工作原理，它有哪些特点？对工作电源有什么要求？2、光源选择的基本要求有哪些?3、光电倍增管的供电电路分为负高压供电与正高压供电，试说明这两种供电电路的特点，举例说明它们分别适用于哪种情况?4、在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度有什么特点，？为什么要把光敏电阻制造成蛇形？5置状态？为什么？四、论述题（45分）1、论述光电检测系统的基本构成，并说明各部分的功能。（10分）02、在“反向偏置”电路中，有两种取得输出电压U0

的方法：一种是从负载电阻0RL上取得电压U0，另一种是从二极管两端取得电压U。叙述两种方法的特点0及它们之间的联系。（10分）3、如果硅光电池的负载为RL，画出它的等效电路图，写出流过负载IL的电流方Uoc、Isc的表达式，说明其含义（图中标出电流方向（12分）4、阐述用补偿法检测溶液浓度的工作原理及工作过程。（13分）答案：一、填空题1、光具有的性质（波粒二象性） 2、光电检测技术研究的内容（信息变换技术（电信号处理技术） 光源调制通常分（机械调制（电调制或内调制（外调制）4激光的形成必须满足（粒子数反转（谐振腔共振（阈值条件） 5、为了提高光电二极管的响应频率应适当加（反向偏压） 6光敏电阻（温度影响大通常工作（低温）环境下7、光电技术是（光学）和（电子技术）相结合而产生的一门新兴检测技术、它是利用（光电子技术对光信息）进行检测8、假设调制盘的转速是N转/分，得到调制光的频率为f，则调制盘的孔数是（60f/N）二、判断题相干长度只与光波但色性有关，与其波长无关（×）1（√（√3（√（√5（×（√（×（√）倒置望远镜系统对激光束发射角有缩小的作用（√）三、简答1、简述半导体的工作原理，它有哪些特点？对工作电源有什么要求？半导体激光器工作原理：半导体材料是LD的激活物质，在半导体的两个端面精细加工磨成解理面而构成谐振腔。半导体p-n结在内建电场下达到平衡；当外加正偏压时，外从而在p-n特点：体积小、重量轻、寿命长、具有高的转换效率，从紫外到红外均可发光，输出功率从几mw到几百mw，在脉冲输出时，可达数W，单色性比He-Ne激光器差。对工作电源的要求是稳定2、光源选择的基本要求有那些？段。系统对光谱范围的要求都应在选择光源时加以满足。出光进行采样，然后再反馈控制光源的输出。3、光电倍增管的供电电路分为负高压供电和正高压供电，说明两种电路各有什么特点？有10～20mm壳处再加一个屏蔽罩，并将它连接到阴极电位上，则要注意安全。4、在微弱辐射作用下，光电导材料的灵敏度有什么特点？为什么把光敏电阻制成蛇形？关系。因为产生高增益系数的光敏电阻电极间距需很小（即dr小果太小而不实用，因此把光敏电阻制造成蛇形，既增大了受光面积，又减小了极间距。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？它必须在哪种偏置状态？为什么？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-np-n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。四、论述题1.论述光电检测系统的基本组成，并说明各部分的功能？下面是一个光电检测系统的基本构成框图：(4分)被测对象及光学变换：这里所指的是上述光源所发出的光束在通过这一环节时，利用。电探测器为手段，将各种经待测量调制的光信号转换成电信号（电流、电压或频率，以利于采用目前最为成熟的电子技术进行信号的放大、处理、测量和控制等。电路的任务主要是解决两个问题：①实现对微弱信号的检测；②实现光源的稳定化。存储、显示与控制系统：许多光电检测系统只要求给出待测量的具体值，即将处理的待测量电信号直接经显示系统显示。 (6)2、在“反向偏置”电路中，两种取得输出电压U0的方法：一种是从负载电阻RLU0，如图a所示，另一种是从二极管两端取得电压U0，如图b所示。对于图a）U0=ILRL，而对于b）图，光电信号是间接取出的=U-IR； (3分)0 C LL两种电路输出的光电信号电压的幅值相等，但相位是相反的； (3)这两种方法只适合照射到P—N结上的光强变化缓慢和恒定光的情况这时光电二极管的结电容不起作用，二极管本身的串联电阻很小，实际上可以略去不计。 (2分)(4)当二极管的光电流与暗电流接近时，光电信号难以取出，因此，运用反偏法检测微弱恒定光时不利的。 (2)3、如果硅光电池的负载是R,画出等效电路。写出流过负载I的电流方程及Uoc,Isc的表达式，说明含义硅光电池的工作原理和等效电路为下图：光电池工作原理图 （b）光电池等效电路图 （c）进一步简化(4分)从图（b）中可以得到流过负载RL的电流方程为：iip

i ip s0

(eqV/KT1)SE

Eis0

(eqV/KT（1）其中，SE为光电池的光电灵敏度为入射光照度是反向饱和电流，是光电池加反偏压后出现的暗电流。 (2)i＝0

＝（开路L的开路电压，以VOC表示，由式（1）解得：q V kTlnq OC0

（4）当》Io时，V (kT/q)ln(I /I)OC p 0LR＝0（即特性曲线与电流轴的交点）时所得的电流称为光电流短路电流，以Isc表L示，所以

pIs＝I＝Se·E （（4分）p从式（2）和（3）可知，光电池的短路光电流Isc与入射光照度成正比，而开路电压Voc与光照度的对数成正比。412测溶液的峰值吸收波长。将该光线用分束器BS分成两束，分别通过待测溶液S2和参比溶液测溶液对该波长的光有较强的吸收，因此，探测器PD1接收到的光强度I1即为入射光强度I0，而探测器PD2接收到的光强度I2取决于待测溶液的浓度。系统输出电压为：

R KU C(lg

lg

)R/RC

2lg 110 0

2 2

0R K式中，C

上产生的光电流；1I

为

为PD0 1

2

1 2 1和PD的灵敏度，、 为到达

PDPDPD性能一致，则K＝K2 1 2故上式可变为：U

R2lg

1 2 1 2 1 2 R I1C 2lg 10 0R R I1 2 1 2I由于在忽略反射和散射的情况下，I1=I2,故IIU Klg 0I2可见，最后输出电压即为溶液的吸光度值，亦即反映了溶液的浓度。 （5分）（8分）河南大学物理与电子学院200-200学年第学期期末考试光电检测技术题库试卷（五）参考答案—单项选择题（每小题2分,共40分）结型光电器件与三极管连接，保证放大，要接在( A ).A.基射极间短路B.基集极间短路C.基射极间反偏D.基集极间正偏光电池的工作条件是( D ).加热B.加正向偏置 C.加反向偏置D.加光照IRCCD表示的是（D ）CCD．增强型;B.时间延迟型; C.电子轰击模D.红外．Sb－Cs材料，主要用( B )变像管光阴极．红外B.紫外C.可见D.X射5．汞灯是一种( A ).A. 气体光源B.热光源C. 冷光源D.激光光源辐通量相同时，光通量最小的光的波长是（D ）nm．A.555 B.590 C.620 D.780光电倍增管的高压模块，其输出电压一般为直流( A A．1000V B．100V C．10000V D．15VPN结光生伏特效应( B ).电子集中的P区； B.电子集中的N区结表面；C.电子集中的P区表面； D.电子集中的N区表面.用光电法测量某高速转轴的转速时，选用最合适的的光电器件是( D ).PMT B.CdS光敏电阻C.2CR42硅光电池 D.3DU型光电三极10．充气白炽灯主要充入循环剂是（B ）.A.氢气 B.溴化硼 C.氖气D.氪气如下不是降低光电倍增管的暗电流的方法（B ）.直流补偿; B.选频和锁相缩小C.冷却光电倍增管; D.增加电磁屏蔽灵敏度最高的光电器件是( B )．光电二极管B.光敏电阻C.光电三极管D.硅光电13．发光效率的单位（A ）.A.流明每瓦B.无量纲C.流明 D.瓦特每球面度14．已知某种光电器件的本征吸收长波限为 1.4μm,则该材料的禁带宽度（ A ）.A．0.886eV B.1eV C．2eV D.1.3eV下面属于冷光源的是（ C ）.太阳 B.白炽灯C.发光三极管 D.卤钨灯太赫兹波频率的范围在（A ．A.1011～1012 B.108～109C.1013～1014D.1015～1016假设将人体作为黑体，正常人体体温为36.5℃，那么由维恩定律，可以计出正常人体的峰值辐射波长为( D )．A.0.936umB.93.6um C.0.0936umD.9.36um半导体中施主能级的位置位于（A ）.禁带 B.满带C. 导带 D.价带波长为0.8μm的光线属（ A 。近红外线B.中红外线C.远红外线D.极远红外20．下边哪一项可作为光电耦合器件的发光件( D ).A.光电三极管B.光电池C.光敏电阻D.半导体激光器二、多项选择题（每题2分，共10分）CCD的种类有（ABCDE）.黑白CCD B.可见光CCD C.X射线CCDD.彩色CCD E.微光CCD属于相干光源的是（ABCDE）.染料激光器 B.半导体激光器 C.固体激光器D.等离子体激光器 E.气体激光器下列红外探测器，属于热探测器的是( ABCDE ).测辐射热计 B.测辐射热电偶 C.测辐射热电堆D.热释电探测器 E.高莱管产生激光的条件( ABCE )．泵浦源 B.粒子数反转 C.谐振腔D.负载 E.工作物质光电倍增管的主要参数有（ABCDE。阴极灵敏度 B.阳极灵敏度 C. 暗电流D.时间特性 E.伏安特性三.填空题(每空1分,共10分)1.半导体热敏电阻具有负 温度系数.2．

I 称为光电倍增管的放大倍数或电流增益。aIk10-²cd.m-²时,在绝对温度零度(0k)时,原子内电子所能占据的最高能级叫费米能级．使物质电导率发生变化，称为内光电效应．光电耦合器件既具有光电耦合特性，又具有隔离特性．像管电子光学系统的主要作用是电子加速．四．简答计算题（共40分）什么是产生、复合噪声？半导体受光照时，载流子不断地产生－复合，电导率起伏引起电流起伏产生的噪声.简述液晶的工作原理。化的现象称为液晶的电光效应。试述光纤的结构并分析各部分折射率的关系。

（

最大

（玻璃

n）

1 1 2.n<n<n2 1 3 2 3 1.简述等离子体电视的工作原理。等离子体显示板（PlasmaDisPlayPanel，PDP）是利用惰性气体在一定电压作用下产生气体放电，形成等离子体，而直接发射可见光，或者发射紫外线（VUV）进而激发（红、绿、兰三种）荧光粉发光的一种主动发光型平板显示器件。一填空题20分，每空1分为了表示一个热辐射光源所发出光的光色性质常用（ 这个量，单位为K。这个量是指在规定两波长具有与热辐射光源的（ ）相同的黑体的温度。光波在声光晶体里传播，按照声波频率的（ ）以及声波和光波（ ）的不同，声光相互作用可分为（ ）和（ ）两种衍射类型。纵向电光调制器具有结构简单、工作稳定、不存在（）的影响。缺点是太高。光频外差探测是一种全息探测技术，这种探测技术可以探测光频电场的（ （ ）和（ ）所携带的信息。CCD与其它器件相比，最突出的特点是它以（ ）作为信号而其大多数器件是以（ ）或者（ ）作为信号。电荷耦合器件的基本功能就是电荷存储和（ CCD的工作过程是信号电荷的（ （ （ ）和检测的过程。红外成像系统性能的综合量度是（ ）和（ 。二简答题，共30分，每题6分在光度单位体系中，基本单位是如何定义的。大气湍流效应对光束传播的影响有哪些方面。KDP晶体的横向、纵向应用的特点。说明光子效应和光热效应各自特点。红外光学系统的特点1051推导光电转换定律1流和开路电压的表达式。四计算题，共40分，每题10分 图11若取v=616m/s，n=2.35，f=10MHz，=0.6328m，试估算发生拉曼-纳s s 0斯衍射所允许的最大晶体长度Lmax。s2PbMoO4n=2.48，M2=37.7510-15s3/kg，换能器宽度H=0.5mm。声波沿光轴方向传播，声频fs=150MHz=3.99105cm/sd=0.85cm。s⑴证明此扫描器只能产生正常布喇格衍射；100%Ps率应为多大？f=125MHz，衍射效率降低多少？0.5,MTF0.9，探测器的MTF0.5，电路的MTFMTF0.5，MTF已知某硅光电二极管的灵敏度SW，结电导g0.005s，屈膝电压u''，入射光信号功率P53sin tW反偏V。求：电信

及放大器的输出电压R。P i补充题：输入信号U

经过二极管整流后，输出信号为U=KU，in ou inU（1+msinΩtsinωt,in其中的m为调制度，Ω为调制频率，ω为载波频率，经过二极管整形后并按傅里叶级数展开，得到:

U K21msint 1 cos2n tmsin2n tmsin2n tou 4n

12 2

1 1问：1分析上式，并说出上式中那部分是我们需要提取的信号？为什么。什么，并画出电路图。1t2CU205sin的辐射通量，t15V，2CUS=0.5µA/µW，结电容为C=3pF,引线分布电容i JC=7pF，试求负载电阻R=2MΩRi L B的最高截至频率。解答：首先求出入射辐射通量的峰值：Φ=20+5=25µWm2CU=SΦ=12.5µAM I m设输出信号电压最大时的偏置电阻为R,则与负载电阻并联后的等效电阻为BR //R

1.2MB L Im进而可得出R=3MΩB则输出电压最大值时的最高截至频率为：f 1

RR

83KHB RR C C zL B j i光电检测原理与技术考试题B答一 填空题20分，每空1分1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）K（辐射比率相同的黑体的温度。光波在声光晶体里传播，按照声波频率的（大小）以及声波和光波（长度）的不同，声光相互作用可分为（-纳斯）和（布拉格）两种衍射类型。纵向电光调制器具有结构简单、工作稳定、不存在（ 自然双折射 的影响。缺点是（ 半波电压 ）太高。光频外差探测是一种全息探测技术，这种探测技术可以探测光频电场的（振幅（频率）和（相位）所携带的信息。CCD与其它器件相比，最突出的特点是它以（电荷）多数器件是以（电流）或者（电压）作为信号。CCD（电荷转移CCD电荷的（产生（存储（转移）和检测的过程。红外成像系统性能的综合量度是（空间分辨率）和（温度分辨率。二 简答题，共30分，每题6分（要求对涉及到的名词概念简单解释1在光度单位体系中，基本单位是如何定义的。什么是光视效能？位是坎德拉（1分。定义为一个光源发出频率为5401012Hz的单色辐射，如果在一给定方向上的辐射强度为

1 W683sr683

1坎德拉（2分。Kv同一波长下测得的光通量与辐射通量的比之，即 vlm/W。

单位：流明/瓦特e（1116）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。光束强度在时间和空间上随机起伏，光强忽大忽小，即所谓光束强度闪烁。到一定程度或传输距离增大到一定限度时，闪烁方差就不再按上述规律继续增大，却略有减小而呈现饱和，故称之为闪烁的饱和效应。接收平面上，光束中心投射点（即光斑位置）生快速的随机性跳动（其频率可由数赫到数十赫，此现象称为光束漂移。若将如果不是用靶面接收，而是在透镜的焦平面上接收，就会发现像点抖动。KDP晶体的横向、纵向应用的特点。当光波的两个垂直分量Ex，Ey的光程差为半个波长（相应的相位差为）时所需要加的电压，称为半波电压。（2分）（2分）且晶体的长宽比(L/d)有关。而纵向应用时相位差只和V=EzL有关。因此，增大Ld（2分）说明光子效应和光热效应各自特点。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（2）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。（1分）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（2）特点：原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。（1分）（）红外光学系统的特点（得分点：第一个特点得21分，本题总分6分）1μm为了探测远距离的微弱目标，红外光学系统的孔径一般比较大。（4）814μm（5）在各种气象条件下或在抖动和振动条件下，具有稳定的光学性能。三推导证明，共10分，每题5分推导光电转换定律（2215（P112-11）（对开路电压和短226分）测量方法：在一定光功率（例如1kW/m2）照射下，使光电池两端开路，用一高内阻直流毫伏表或电位差计接在光电池两端，测量出开路电压；在同样条件下，将光电池两端用一低内阻（小于1Ω）电流表短接，电流表的示值即为短路电流。推导过程：略（P130-131）4010s s 1v=616m/s，n=2.35f=10MHz，=0.6328m，试估算发生拉曼-Lmax（3L23s s v由公式LL s s，又因为 s，代入上式计算，得到最大晶0 4 4 s f0 0 s体长度为L0

2.356162101240.63281014

3523Ms2PbMoO4n=2.48，M2=37.7510-15s3/kg，换能器宽度H=0.5mm。声波沿光轴方向传播，声频fs=150MHz=3.99105cm/sd=0.85cm=0.5m（各个小问题每一个占s110）⑴证明此扫描器只能产生正常布喇格衍射；100%Ps率应为多大？f=125MHz，衍射效率降低多少？n24s⑴ 由公式L4s0

证明不是拉曼-纳斯衍射。02cos2

2cos2

HB⑵Bs

，PHLI s s2

2M BL ⑶若布喇格带宽f=125MHz，衍射效率降低多少？

n7P2

P f ，

f f

sB 2nv s

s 0

3coss

HB0.5,MTF0.9，探测器的MTF0.5，电路的MTFMTF0.5，MTF？（81，110）要求：按平时作业的计算题要求，写出解答的理论基础，对0.026说明是什么。答：0.50.90.50.950.5MTF 0.02 得到：

0.24o o已知某硅光电二极管的灵敏度

0.5

，结电导g0.005s，屈膝电压u''，入射光信号功率

53sin t W V

。求：电信RPRi（3142分）解答略（教材P141）光电检测原理与技术试题—填空题201波长在 - 的是红外辐射。通常分为 、 和远红外三部分 ,式中Ie0

是面元dS合上式规律的辐射体称也称为朗伯体。EP 2 2EP

J光辐射普遍形式的波动方程E J02 2 t中，方程右边两项分别与 引起。KDP晶体沿z轴加电场时，变成了双轴晶体，折率椭球的主轴轴旋转了45度角，此转角与外加电场的小 ，其折射率变化与电场。KDP晶体横向运用条件下光波通过晶体后的相位差包括两项其中一项与外加电场无关是由晶体本引起的另一项为电光效。考虑到声束的宽度，当光波传播方向上声束的宽度L满足条件 去的问题这种将信息加载于激光的过程称为调制光束调制按其制的性质可分、 、 及强度调制等。8依据噪声产生的物理原因,光电探测器的噪声可大致分为 、 和 三类二简答题，共30分，每题6分光电探测器性能参数包括哪些方面。光子效应和光热效应。请简要说出InSbPbS105已知热电晶体极板面积为A，热电系数为β，负载电阻为

，热敏L元件的吸收系数为α，热导为G，且温度变化规律为T

TL0L。证明热释电探测器的电压灵敏度为

。R u G 1

2 12c HVP，器件的暗电导为g,临界电导为g g SPV1R

g' g'

（画出线性化处理后的伏安特性曲线）L SP4010100mm2,频率响应范围Δf

，器件初Z始温度为300K，发射率为ε为100%，试推导并估算此热敏探测器的（σ=5.67×10-12J/cm2K4,k

=1.38×10-23J/K）B输入信号

经过二极管整流后，输出信号为U=KU，现有一按正in ou in弦规律变化的经过隔直处理后的调幅输入信号为：U

=（1+msinΩt）insinωt,其中的m为调制度，Ω为调制频率，ω为载波频率，经过二极管整形后并按傅里叶级数展开，得到: U K21msint 1 cos2n tmsin2n tmsin2n tou

4n21

12 2

（）分析上式，并说出上式中哪部分是我们需要提取的信号？t号表达式是什么，并画出电路图。t根据右图的调制波形绘出整流后的波形，并绘出经过滤波后的信号波形简图。0.5,大气的MTF为0.MTF为0.0.95，CRTMTF0.5，则在这一特征频率下，光学系统的至少要多大？已知某硅光电二极管的灵敏度S0.5

，结电导g0.005s，屈膝电压u''，入射光信号功率

53sintW，反偏压V4V。求：电信号输出送到放大器时，取得最大功率的电阻R 及放大器的P输入电阻R。i一 填空题20分，每空1分10.77~1000m部分7空间方向上的分布满足dI

dI cosIdS沿其法线方向的辐射e e0 强度。符合上式规律的辐射体称为余弦辐射体或朗伯体。PE 2 2PE

J光辐射普遍形式的波动方程E J

中，方程右0t2 t2 t电流引起。KDPz轴加电场时，由单轴晶体变成了双轴晶体，折射率椭球的主z45正比。KDPL满足条件n24sL4s0

，会产生多级衍射，否则从多级衍射过渡到单级衍射。0声和低频噪声三类。二 简答题，共30分，每题6分（要求简单扼要）1（2146）需要合理正确选择光电探测器件的目的，制定了一套性能参数。通常包括积分灵敏度，也成为响应度，光谱灵敏度，频率灵敏度，量子效率，通量阈和噪声等效功率，归一化探测度及工作电压、电流、温度及入射光功率允许范围。2222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。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。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h的大小没有直接关系。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。InSbPbS（146）PbS近红外辐射探测器1～3.4μm，内阻（暗阻）1MΩ响应时间约200μs（2）InSb77k5μm响应时间短（大约50×10-9s）6）答:光电池总的来说频率特性不是很好,这是由于两个方面的原因:第一,光电池的光敏面一般做的较大,因而极间电容较大;第二,光电池工作在第四象限,有较小的正偏压存在,所以光电池的内阻较低,而且随入射光功率变差,因此光电池的频率特性不好.答:直接探测器的平方律特性表现在:三推导证明，共10分，每题5分1已知热电晶体极板面积为A，热电系数为β，负载电阻为R，热敏元件的吸收L系数为α，热导为G，且温度变化规律为TAR

T0。证明热释电探测器的LRLu

G 1

c

12H

（P148-150）2Vg,gS，证明合理的负载电阻为： g SPV1R

g' g'

（画出线性化处理后的伏安特性曲线）L SP证明过程略（教材P138-139（得分点：分析，包括绘出线性处理后的伏安215）四计算题，共40分，每题10分1已知热敏器件的受光面为100mm2,频率响应范围为1H，器件初始温度为Zε（σ=5.6×10-12J/cm2K4,k=1.38×10-23J/K（得分点：分析35，结论2B本题总分10分）(P148)2

U

，现有一按正弦规律变化in ou in的经过隔直处理后的调幅输入信号为：U=（1+msinΩt）sinωt,其中的m为调in制度，Ω为调制频率，ω为载波频率，经过二极管整形后并按傅里叶级数展开， U Kou

1msint 1

14n2

cos2n t1

m2

mt2 1）分析上式，并说出上式中那部分是我们需要提取的信号？为什么。提取？最后提取出的信号表达式是什么，并画出电路图。出经过滤波后的信号波形简图。（3110）解答：1需要提取的信号为U=（1+msinΩt） 3in分为了提取上述信号，首先采用二极管半波整流电路（1，提取出信号的正半周期（1RC号（2。（3）0.5,MTF0.9，探测器的MTF0.5，电路的MTFMTF0.5，MTF？（得分点：分81，110）要求：按平时作业的计算题要求，写出解答的理论基础，对0.026说明是什么。答：0.50.90.50.950.5MTF 0.02 得到：

0.24o o已知某硅光电二极管的灵敏度

0.5

，结电导g0.005s，屈膝电压u''，入射光信号功率

53sintWV

。求：电信ttRPRi（35，210）解答略（教材P141）一.单项选择题（每题只有一个正确选项，每小题2分,共40分）1.任何温度下对任何波长的入射辐射能的吸收比都等于1，称为（AA．黑体．灰体C．黑洞D．绝对黑体2．半导体中施主能级的位置位于（A）.A.禁带B.价带C.导带D.满带3．在给定功率之比，称为（B）.A.辐射效率B.发光效率C.光谱功率D.空间光强4.热效应较大的光是（C）.A.紫光B.红光C.红外D.紫外5．结型光电器件与三极管连接，保证放大，要接( C A.集射极间短路 B.基集极间短路C.基射极间正偏 D.基集极间反偏(A).A.浓度均匀 B.浓度大C.浓度小 D.浓度适中7.波长为10μm光线属（C 。A.近红外线 中红外线C.远红外线 极远红外8．光纤折射率纤芯n1、包层n、外套n3的关系是（B）.A.n1>n2>n3 B.n1>n3>n2C.n3>n2>n1 D.n2>n3>n9．波长为1mm的波属于（B．A.远红外线 B.太赫兹波C.可见光 D.X射线1．硅光电二极管与硅光电池比较，前者（A．A．掺杂浓度低B．电阻率低C．零偏工作D．光敏面积大11．卤钨灯是一种(B ).A.气体光源B.热光源C.冷光源D.激光光源下列光源中，最佳的彩色摄影用光源是（A ．A．氙灯 氢灯C．汞灯 汞氙光的发射，属于受激发射的器件是（A）.A.LD B.LED C.CCD D.PMT在光电倍增管中，产生光电效应的( A A．阴极 B.阳极 C.倍增极D.玻璃窗像管中（D ）的出现和使用，成为了第一代像管出现的标志性部件。A. 负电子亲和势阴极； B. 电子光学系统