光电检测技术期末考试卷精彩试题大全

wordword101/101word光电器件的根本参数特性有哪些?〔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根底，以什么为主体，研究和开展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。〔光电子学光电子器件〕光电检测系统通常由哪三局部组成〔光学变换光电变换电路处理〕光电效应包括哪些外光电效应和光电效应〕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。光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质部而不会逸出物体外部——多发生在半导体。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，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。光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触面上时，会在PN结或金属—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〕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〕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，CCD的突出特点是以什么作为信号，CCD的根本功能是什么？〔电荷CCD的根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？〔一维PSD主要用来测量光点在一维方向的位置；二维PSD用来测定光点在平面上的坐标。〕12、真空光电器件是基于什么效应的光电探测器，它的结构特点是有一个真空管，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〔响应度〔或称灵敏度〕：是光电检测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。〕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〔光电效应：光照射到物体外表上使物体的电学特性发生变化。〕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〕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。〕5、光电信号的二值化处理〔将光电信号转换成“0〞或“1〞数字量的过程称为光电信号的二值化处理。〕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是指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态前历越长，光电流上升越慢。三、简答1、雪崩光电二极管的工作原理〔当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压〔100~200V)时，在结区产生一个很强的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，在与原子碰撞时可使原子电离，而产生新的电子—空穴对。只要电场足够强，此过程就将继续下去，使PN结电流急剧增加，达到载流子的雪崩倍增，这种现象称为雪崩倍增效应。〕2、光生伏特效应与光电导效应的区别和联系？〔共性：同属于光电效应。区别：光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应，而光电导效应是多数载流子导电的光电效应。〕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：对被测非电量进展转换。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〕发光二极管的工作原理。〔在PN结附近，N型材料中的多数载流子是电子，P型材料中的多数载流子是空穴，PN结上未加电压时构成一定的势垒，当加上正向偏压时，在外电场作用下，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在PN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、或局部热能和局部光能的形式辐射出来。说明电子器件与热电器件的特点。光子器件热电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响应慢，一般为几毫秒PIN型的光电二极管的结构、工作原理与特点〔它的结构分三层，即P型半导体和N型半导体之间夹着较厚的本征半导体I层，它是用高阻N型硅片做I层，然后把它的两面抛光，再在两面分别作N+和P+杂质扩散，在两面制成欧姆接触而得到PIN光电二极管。原理：层很厚，对光的吸收系数很小，入射光很容易进入材料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P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。特点：PIN管的最大特点是频带宽，可达10GHz。缺点:由于I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。〕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局部组成？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局部组成。1光照射到阴极转换成电子，出射到下一电极。2电子撞到下一电极，倍增，更多的电子出射，直奔下一电极。.3经过假如干次倍增，到达阳极，形成信号电流。〕10简述CCD器件的结构和工作原理〔MOS电容器件+输入输出端=CCDCcd的工作原理：由目标发射来的光学图像，经透镜聚焦后成像在CCD的像敏单元上；在耗尽层中或距耗尽层为一定围的光生电子迅速被势阱收集，聚集到界面附近形成电荷包，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，由转移存放器读出。即在ＣＣＤ栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，如此在半导体外表形成不同深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱信号电荷沿半导体外表传输，最后从输出二极管送出视频信号。〕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接成回路，如两连接端温度不同，如此在回路产生热电流的物理现象。〕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。B1B2+12V1K4N25Q11+12V1K4N25Q11U16.2KY1U16.2K30G6Y233K33K30G6Q12Q122、分析下面电路的工作过程Cd5220VCd5220V五、应用题1、举例说明脉冲方法测量长度的原理。〔被测物体L在传送带上以速度v前进，光电传感器将物体的长度L转换成脉冲来开启门电路，计数器将计下与脉宽对应的高频脉冲数N，如此L=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平衡关系〔或其值〕的同类标准物理量，去抵消〔或补偿〕被测物理量的作用，使系统处于补偿或平衡状态。处于补偿状态的测量系统，被测量与标准量具有确定的关系，由此可测得被测量值，这种方法称为补偿法。〕。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、二维方向上目标的方位定向、位置探测等领域。〕如下图为简单的激光准直原理图。用单模激光器作光源。因为它有很小的光束发散角，又有圆对称界面的光强分布，很有利于作准直用。图中激光射出的光束用倒置望远系统L进展扩束，倒置望远系统角放大率小，于是光束发散角进一步压缩，射出接近平行的光束投向四象限管，形成一圆形亮斑。光电池AC、BD两两接成电桥，当光束准直时，亮斑中心与四象限管十字沟道重合，此时电桥输出信号为零。假如亮斑沿上下左右有偏移时，两对电桥就相应于光斑偏离方向而输出电信号。哪个探测器被照亮斑的面积大，输出信号也大。这种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根本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。根本结构：整流滤波电路；光敏电阻与继电器控制；触电开关执行电路。根本原理：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。举例三：天明告知装置〕电子科技大学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分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、本征硅的禁带宽度Eg＝1.2eV，如此该半导体材料的本征吸收长波限为〔〕。3、某一干预仪的最高频率为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根底，它有〔〕和〔〕两种根本工作原理。6、光电探测器的物理效应通常分为〔〕、〔〕、〔〕。7、光电检测系统主要由〔〕、〔〕、〔〕和〔〕。8、光电三极管的增益比光电二极管〔〕，但其线性围比光电二极管〔〕。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与其截止频率。〔〕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、对光源进展调制即可消除光源波动与背景光干扰的影响。〔〕5、光电二极管阵列中各单元面积减小，如此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，测量才能进展。〔〕10、光电池的频率特性很好。〔〕三、简答题〔每一小题6分，共30分〕总结原子自发辐射、受激吸收、受激辐射三个过程的根本特征。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、光电三极管和普通三极管有什么不同？为什么说光电三极管比光电二极管的输出电流可以大很多倍？四、论述题〔45分〕试从工作原理和系统性能两个方面比拟直接探测和外差探测技术的应用特点。(10分)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)和图1-1(b)分别属哪一种类型偏置电路？为什么？分别写出输出电压U0的表达式。(12分)(a)(b)图1-1光敏电阻偏置电路阐述用差动法检测溶液浓度的工作原理与工作过程。〔13分〕理工大学考试试题纸〔A卷〕课程名称光电技术专业班级光信科0501~0503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)名词解释(每一小题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.本征光电导效应填空题(每一小题3分，总共15分)1.光电信息变换的根本形式、、、、、。2.光电倍增管是一种真空光电器件，它主要由、、、和组成。3.发光二极管(LED)是一种注入电致发光器件，他由P型和N型半导体组合而成。其发光机理可以分为和。4.产生激光的三个必要条件是。RpReRpReRbVDWUbb=12VUo图1三、如图1所示的电路中，Rb=820Ω,ReΩ,UW=4V，光敏电阻为Rp,当光照度为40lx时，输出电压为6V，80lx是为9V。设光敏电阻在30~100之间的γ值不变。试求：(1)输出电压为8V时的照度；〔2〕假如增加到6KΩ，输出电压仍然为8V，求此时的照度；(3)输出电压为8V时的电压灵敏度。如果硅光电池的负载为RL。(10分)(1)、画出其等效电路图；(2)、写出流过负载的电流方程与开路电压和短路电流；(3)、标出等效电路图中电流方向。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)1200V负高压供电，具有11级倍增的光电倍增管，假如倍增管的阴极灵敏度SK为20uA/lmLx，阴极有效面积为2cm2，各倍增极二次发射系数均相等()，光电子的收集率为，各倍增极的电子收集率为。(提示增益可以表示为)(15分)计算光电倍增管的放大倍数和阳极电流。设计前置放大电路，使输出的信号电压为200mV，求放大器的有关参数，并画出原理图。简述CCD的两种根本类型，画出用线阵CCD测量微小物体(小于100微米)原理简图，并分析测量原理。(15分)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)1.如果入射功率为20nW，APD管的光电流为多少？2.倍增因子为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1.坎德拉(Candela,cd)：发光频率为540×10Hz的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1/683Wsr-1时，在该方向上的发光强度为1cd。2.外光电效应：当光照射某种物质时，假如入射的光子能量hv足够大，它和物质中的电子相互作用，致使电子逸出物质外表，这种现象称为光电发射效应，又称外光电效应。3.量子效率：一定波长的光子入射到光电阴极时，该阴极所发射的光电子数与入射的光子数之比值。4.象增强管：把微弱的辐射图像增强到可使人直接观察的真空光电成像器件。5.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导带，产生本征吸收，导带中产生光生自由电子，价带中产生光生自由空穴，使得材料的电导率发生变化的现象。二、填空题1.信息载荷于光源的方式信息载荷于透明体的方式、信息载荷于反射光的方式、信息载荷于遮挡光的方式、信息载荷于光学量化器的方式和光通信方式的信息变换。2.光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极。3.PN结注入发光，异质结注入发光。4、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(1)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=1；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(2)流过负载电阻的电流方程短路电流的表达式开路电压的表达式(3)电流方向如下列图六、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。其根本结构就是一个p-n结，属于结型光生伏特效应。当光照射时，满足条件hv>Eg,如此在结区产生的光生载流子将被建电场拉开，于是在外电场的作用下形成了以少数载流子漂移为主的光电流，显然，光电流比无光照射时的反向饱和电流大的多，如果光照越强，表示在同样条件下产生的光生载流子越多，光电流就越大，反之，如此光电流越小。对于PIN管，由于I层的存在，使扩散区不会到达基区，从而减少了或根本不存在少数载流子通过扩散区的扩散时间，而I层工作在反向，实际是一个强电场区，对少子起加速的作用。即使I层较厚，对少子的度越时间影响也不大，即提高了频率响应。同时，反偏下，耗尽层较无I层时要大的多，从而使结电容下降，也提高了频率响应。七、CCD有两种根本类型：一种是电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为外表沟道电荷耦合器件〔SCCD〕；另一种是电荷包存贮在离半导体外表一定深度的体，并在半导体沿一定方向传输，这类称为体沟道或埋沟道电荷耦合器件〔BCCD〕。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足够大时〕Sinθ≈tgθ=Xk/L代入〔1〕式得d===…………..(2)S——暗纹周期，S=XK/K是相等的，如此测细丝直径d转化为用CCD测S测量简图八(1)SolutionTheresponsivityatM=1intermsofthequantumefficiencyis(2)IfIphoistheprimaryphotocurrentand0istheincidentopticalpowerthenbydefinitionsothat1、光源选择的根本要求有哪些?答：①源发光的光谱特性必须满足检测系统的要求。按检测的任务不同，要求的光谱围也有所不同，如可见光区、紫外光区、红外光区等等。有时要求连续光谱，有时又要求特定的光谱段。系统对光谱围的要求都应在选择光源时加以满足。②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、最小光适量进展正确估计，并按估计来选择光源。③对光源稳定性的要求。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展月化处理。当有更高要求时，可对发出光进展采样，然后再反应控制光源的输出。④对光源其他方面的要求。光电测试中光源除以上几条根本要求外；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，一般阳极分布参数也较小。可是在这种情况下，必须保证作为光屏蔽和电磁屏蔽的金属筒距离管壳至少要有10～20mm，否如此由于屏蔽筒的影响，可能相当增加阳极暗电流和噪声。如果靠近管壳处再加一个屏蔽罩，并将它连接到阴极电位上，如此要注意安全。采用正高压电源就失去了采用负高压电源的优点，这时在阳极上需接上耐高压、噪声小的隔直电容，因此只能得到交变信号输出。可是，它可获得比拟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tdr小〕，同时光敏电阻集光面积如果太小而不实用，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。为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在那种偏置状态？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。二~论述光电检测系统的根本构成，并说明各局部的功能。1、下面是一个光电检测系统的根本构成框图：光源和照明光学系统：是光电检测系统中必不可少的一局部。在许多系统中按需要选择一定辐射功率、一定光谱围和一定发光空间、分布的光源，以此发出的光束作为载体携带被测信息。〔2〕被测对象与光学变换：这里所指的是上述光源所发出的光束在通过这一环节时，利用各种光学效应，如反射、吸收、折射、干预、衍射、偏振等，使光束携带上被检测对象的特征信息，形成待检测的光信号。光学变换通常是用各种光学元件和光学系统来实现的，实现将被测量转换为光参量〔振幅、频率、相位、偏振态、传播方向变化等〕。3〕光信号的匹配处理：这一工作环节的位置可以设置在被检测对象前面，也可设在光学变换后面，应按实际要求来决定。光信号匹配处理的主要目的是为了更好地获得待测量的信息，以满足光电转换的需要。〔4〕光电转换：该环节是实现光电检测的核心局部。其主要作用是以光信号为媒质，以光电探测器为手段，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展信号的放大、处理、测量和控制等。〔5〕电信号的放大与处理：这一局部主要是由各种电子线路所组成。光电检测系统中处理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。〔6〕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，即将处理好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。表示两种方法的特点与它们之间的联系。〔10分〕(1)对于图a〕所示的电路，光电信号是直接取出的，即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。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的电流方程与Uoc、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如下图：光电池工作原理图〔b〕光电池等效电路图〔c〕进一步简化从图〔b〕中可以得到流过负载RL的电流方程为：〔1〕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。当i＝0时，RL＝∞〔开路〕，此时曲线与电压轴交点的电压通常称为光电池开路时两端的开路电压，以VOC表示，由式〔1〕解得：〔2〕〔4分〕当Ip》Io时，当RL＝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表示，所以Isc＝Ip＝Se·E〔3〕〔4分〕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。1、为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光？而光电二极管要零偏或反偏才能有光生伏特效应？答：1.p-n结在外加正向偏压时,外加电压削弱建电场,使空间电荷区变窄,载流子的扩散运动加强,构成少数载流子的注入,从而在p-n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的一次复合将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这些能量会以热能、光能或局部热能和局部光能的形式辐射出来，产生电致发光现象，这就是LED的发光机理。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。2、简述三种主要光电效应的根本工作原理答：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增大，因而导致材料电导率增大，这种现象称为光电导效应，是一种光电效应。材料对光的吸收有本征型和非本征型，所以光电导效应也有本征型和非本征型两种。当光照射PN结时，只要入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。光生电子——空穴对就被建电场别离开来，空穴留在P区，电子通过扩散流向N区,这种光照零偏PN结产生开路电压的效应，称为光伏效应.当光照射到某种物质时，假如入射的光子能量足够大，那么它和物质中的电子相互作用，可致使电子逸出物质外表，这种现象称为光电发射效应，又称为外光电效应。3、光电探测器与热电探测器在工作原理、性能上有什么区别？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。在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比拟快。按照是否发射电子，光电效应又分为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。原如此上，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拟慢，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4、简述光电探测器的选用原如此答：(1).光电检测器件必须和辐射信号源与光学系统在光谱特性上匹配。(2)光电检测器件的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。(3)光电检测器件的响应特性必须和光信号的调制形式、信号频率与波形相匹配，以保证得到没有频率失真和良好的时间响应。(4)光电检测器件必须和输入电路以与后续电路在电特性上相互匹配，以保证最大的转换系数、线性围、信噪比以与快速的动态响应等。5、简述光电池、光电二极管的工作原理与区别？答：光电池和光电二极管都是基于光伏特效应的原理进展工作,只不过光电池可以工作在零偏状态下,是光伏工作模式,器件阻远低于负载电阻,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,器件阻远大于负载电阻,此时器件相当于一个恒流源.1、表示光电池低输入阻抗和高输入阻抗放大电路的特点和区别，各应用于什么场合？(10分)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，这是一种电流变换状态，要求硅光电池送给负载电阻RL〔这时RL<Rm，且RL→0〕的电流与光照度成线性关系。如果需要放大信号，如此应选用电流放大器。为此要求负载电阻或后续放大电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，因为只有短路电流才与入射光照度有良好的线性关系。另外，在短路状态下器件的噪声电流较低，信噪比得到改善，因此适用于弱光信号的检测。当光电池后接高输入阻抗放大电路时，其工作在线性电压输出和空载电压输出〔开路电压输出〕状态。当负载电阻很小甚至接近于零的时候，电路工作在短路与线性电流放大状态；而当负载电阻稍微增大，但小于临界负载电阻Rm时，电路就处于线性电压输出状态，此时RL<Rm，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压，增大负载电阻有助于提高电压，但能引起输出信号的非线性畸变。工作在线性电压放大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RL→∞，要求光电池应通过高输入阻抗变换器与后续放大电路连接，相当于输出开路。2、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:输出电压并不随负载电阻线性变化，要使最大，须将式对RL微分，有当负载RL与光敏电阻RP相等时，即RL=RP，表示负载匹配，＝0，如此最大。此时探测器的输出功率最大，即PL=ILULUb2/4RL如此称为匹配状态。(2)恒流偏置:在根本偏置电路中，假如负载电阻RL比光敏电阻RP大得多，即RL>>RP，如此负载电流IL简化为IL=Ub/RL这明确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上式明确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。还可以证明恒流偏置的电压信噪比拟高，因此适用于高灵敏度测量。但由于RL很大，使光敏电阻正常工作的偏置电压如此需很高〔100V以上〕，这给使用带来不便。为了降低电源电压，通常采用晶体管作为恒流器件来代替RL。(3)当负载电阻RL比光敏电阻RP小得多，即RL<<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置称为恒压偏置，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。所以，当检测电路更换光敏电阻值时，恒压偏置电路初始状态受到的影响不大，这是这种电路的一大优点。3、表示实现光外差检测必须满足的条件。(12分)答：信号光波和本振光波的波前在整个光混频面上必须保持一样的相位关系。光外差检测只有在如下条件下才可能得到满足：①信号光波和本征光波必须具有一样的模式结构，这意味着所用激光器应该单频基模运转。②信号光和本振光束在光混频面上必须相互重合，为了提供最大信噪比，它们的光斑直径最好相等，因为不重合的局部对中频信号无贡献，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，这意味着两束光必须保持空间上的角准直。④在角准直，即传播方向一致的情况下，两束光的波前面还必须曲率匹配，即或者是平面，或者有一样曲率的曲面。⑤在上述条件都得到满足时，有效的光混频还要求两光波必须同偏振，因为在光混频面上它们是矢量相加。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：〔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〕信号放大与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一样。假如综合上述各种噪声源，其功率谱分布可用如下图表示。由图可见：在频率很低时，1/f噪声起主导作用；当频率达到中间围频率时，产生——复合噪声比拟显著；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〕利用信号调制与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〕采用最优条件下的偏置电路，使信噪比〔S/N〕最大图光电探测器噪声功率谱分布示意图5、表示激光干预测长的原理。(16分)稳频信号布儒斯特窗激光器稳频信号布儒斯特窗激光器偏振分光镜测量角锥镜固定角锥镜分光器光扩展器偏振片光电接收器参考信号测量信号透镜图双纵模双频激光干预仪原理示意图由长度为206mm的全腔He-Ne激光管发出一对互相垂直的双纵模线偏振光，模间隔为〔式中c为光速，L为谐振腔长，n为空气折射率，其值约728MHz〕，经布儒特窗取出稳频信号，进展热稳频。其余光束再经析光镜反射与透射，反射的一对正交线偏振光作为参考信号，经透镜、偏振片产生拍频信号，为光电接收器接收。透射光经光扩展器准直扩束后，为偏振分光镜分光，水平分量射向测量角锥镜，垂直分量射向固定角锥镜，两路光返回后经透镜、偏振片产生拍频。当测量镜在时间t以速度V移动一距离时，因多普勒效应而引起频差变化，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根据测量镜运动引起的多普勒效应与相位的关系有：因而：可见在忽略了测量过程中系统不稳定性影响与高斯光束干预附加项的变化影响的情况下，只要对测量镜运动过程中测量信号与参考信号的相位差变化的周期数，即可获得所需测量长度结果。阐述用补偿法检测溶液浓度的工作原理与工作过程。〔13分〕答：原理和工作过程：光源1发出的光经单色器2后成为单色光，该单色光的波长应选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S2和参比溶液S1，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，而待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：式中，C0为比例常数；为PD1上产生的光电流；为PD2上产生的光电流；K1、K2为PD1和PD2的灵敏度，、为到达PD1和PD2上的光通量。假如PD1和PD2性能一致，如此K1＝K2，故上式可变为：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〕1、光具有的一个根本性质是波粒二象性。2、光电检测技术研究的主要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。7、光电检测技术是光学与电子技术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展检测。8、假设调制盘的转速为N转/分，得到调制光的频率为f，如此调制盘的孔数为60f/N。2009~2010学年第一学期期末考试试卷光电检测技术与系统试卷2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〕参考答案一单项选择题〔每一小题2分,共40分〕1．光度量是辐射度量的〔C〕倍．A.683B.V〔λ〕C.683V〔λ〕D.1/683V〔λ〕2．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5．斯忒藩玻耳兹曼定律为〔A〕。A.σT4B.σT2C.Tλm＝BD.α(λ,T)=ε(λ,T)6.热敏电阻的种类不包括〔D〕.A.PTCB.NTCC.CTCD.ZTC7.属于相干光源的是〔C〕.A.气体放电灯B.黑体辐射器C.固体激光器D.发光二极管8．如下光源中，最优的彩色摄影用光源是〔A〕．A．卤钨灯B．氘灯C．汞灯D．汞氙灯9．属于成像的器件是〔C〕.A.LDB.LEDC.CCDD.PMT10．充气卤钨灯是一种(B).A.气体光源B.热光源C.冷光源D.激光光源11．TDICCD表示的是〔B〕CCD．A.增强型;B.时间延迟型;C.电子轰击模式;D.红外．12．热效应较小的光是〔D〕.A.紫光B.红光C.红外D.紫外13．在光电倍增管中，产生二次电子发射的是(C).A．阴极B.阳极C.倍增极D.玻璃窗14．光纤纤芯、包层、外套的折射率n1、n2、n0的关系是〔D〕.A.n1>n2>n0B.n2>n0>n1C.n0>n2>n1D.n1>n0>n215．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：A.频率;B.伏安;C.光谱;D.温度．16．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。A.

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17．充气白炽灯主要充入〔A〕.A.氩气B.氙气C.氖气D.氪气18．硅光电二极管与硅光电池比拟，后者〔B〕．A．掺杂浓度低B．电阻率低C．反偏工作D．光敏面积小19．线阵CCD主要是通过〔A〕工作.A.电荷B.电压C.电流D.电阻20．彩色CCD有〔C〕种.A.1B.2C.3D.4二、多项选择题〔每题2分，共10分〕1．固体发光器件有〔ABCDE〕。A.LCDB.PDPC.ECDD.EPDE.VFD2.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．易受电磁场干扰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4.热敏电阻的种类有〔ABC〕。A.PTCB.NTCC.CTCD.WTCE.ZTC5.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(每空1分,共10分)1．吸收比是物体吸收量与投射的辐射能量的比值.2．FTCCD指的是帧转移型CCD.3．紫外光的热辐射比红外光小．4.光电池的PN结工作在零偏状态，它的开路电压会随光照强度的增加而增加。5.S〔λ〕＝U〔λ〕/Ф〔λ〕，称为光电器件的光谱灵敏度6.在环境亮度大于10cd.m-²时,最强的视觉响应在光谱蓝绿区间的555nm处。7．光源单位时间向所有方向发射的能量，称为辐功率〔辐通量〕．8．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．9．光在光纤形成驻波的光线组称为模．(共40分)1.试述光电二极管与光电池的区别。〔8分〕区别有四：光电二极管电阻大、掺杂小、面积小、反偏工作；光电池电阻小、掺杂大、受光面积大、电阻小、无偏状态工作。2.什么是外光电效应？〔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。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？必须工作在哪种偏置状态？〔12分〕1〕正偏效果―――正向导电，电场电流IF较大；光照电流IP相对来说可以忽略，即有无光光照根本上不影响电流大小；正偏时起不到光电检测效果。2〕零偏置或反偏效果―――无光照时有暗电流，即反向饱和漏电流,其值很小，几乎为零；有光照时，电子空穴对增加，光照电流较大，有无光照反差较大，可以作为检测元件，进展光电检测。因此结型器件必须工作在零偏置或反偏工作状态。4.现有GDB－423型光电倍增管的光电阴极面积为2cm2，阴极灵敏度Sk为25μA/lm，倍增系统的放大倍数为105，阳极额定电流为20μA，求允许的最大光照。〔12分〕Sk=25μA/lmAk=2cm2=2×10-4m2M=105IP=20μA求Emax=?解：依公式Sk=Ik/ΦIk=IP/MΦ=Ik/Sk=IP/MSk=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卷试题与答案一、计算〔共28分，共3题〕1、如图1所示，是转速测量系统，圆盘的孔数为N，光电探测器输出的脉冲信号频率、所示，是转速测量系统，，测量系统为f，求转轴的转速n〔单位为r/min〕〔8分〕，图1转速测量系统um,求该材料的禁带宽度。〔8分〕3、设被测距离最大围为10km,要求测距精度为1，而各测尺的测量精度为1‰，试给出测尺的个数以与各测尺的长度和频率。〔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〕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〕6、试问图2(a)和图2(b)分别属哪一种类型偏置电路？为什么？分别写出输出电压U0的表达式。〔10分〕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RL的电流IL方程与Uoc、Isc的表达式，说明其含义〔图中标出电流方向〕。〔10分〕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〕论述题〔共26分〕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〕阐述用差动法检测溶液浓度的工作原理〔同时画出原理图〕与工作过程〔必须写出浓度表达式〕〔14分〕答案：计算题1、转轴的转速为：2、hν≥Egλ≤hc/Eg如此长波限为：1.03um，材料的禁带宽度为：0.887ev被测距离最大围为：10KM，所以最大尺子的量程至少为：10KM，此尺子能准确测到：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L0=10KM，其对应的工作频率为：f0=c/2L0另一个L0=10m，其对应的工作频率为：f0=c/2L0＝1.5×10HZ简答题在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度是定值，输出光电流与入射光通量成正比，即保持线性关系。光敏电阻做成蛇形，一方面既可以保证有较大的受光面积，一方面减小电极之间的距离，从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，如此频率响应提高；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：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，、硅光电池的工作原理和等效电路为如下图：(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)当i＝0时，RL＝∞〔开路〕，此时曲线与电压轴交点的电压通常称为光电池开路时两端的开路电压，以VOC表示，由式〔1〕解得：当RL＝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表示，所以Isc＝Ip＝Se·E〔3〕。。〔4分〕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。光伏探测器的工作模式分为光电导工作模式和光伏特工作模式，它的工作模式如此由外偏压回路决定。在零偏压的开路状态，PN结型光电器件产生光生伏特效应，这种工作原理成光伏工作模式。当外回路采用反偏电压，即外加P端为负，N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而变化。从外表看，PN结光伏探测器与光敏电阻一样，同样也具有光电导工作模式，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：，其中RL为光电探测器的负载电阻。所以，这里的横线是对中频周期求平均。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换过程不是检波，而是一种“转换〞过程，即把以ωS为载频的光频信息转换到以ωIF为载频的中频电流上，这一“转换〞是本机振荡光波的作用，它使光外差探测天然地具有一种转换增益。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：通常在实际应用中，PL>>PS因此M>>1,M的大小和PS的量值有关。例如假定PLmw，那么在不同的PS值下，M值将发生明显变化。列举数值如表1所示：从表1的数值举例中看出，在强光信号下，外差探测并没有多少好处，在微弱光信号下，外差探测器表现出十分高的转换增益。例如，在量级时，也就是说，外差探测的灵敏度比直接探测将高量级，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。2、原理和工作过程：光源1发出的光经单色器2后成为单色光，该单色光的波长应选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S2和参比溶液S1，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，而待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：式中，C0为比例常数；Iφ1为PD1上产生的光电流；Iφ2为PD2上产生的光电流；K1、K2为PD1和PD2的灵敏度，φ1、φ2为到达PD1和PD2上的光通量。假如PD1和PD2性能一致，如此K1＝K2，故上式可变为：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、光具有的一个根本性质是〔〕。2、光电检测技术研究的主要容是〔〕〔〕。3、光源调制通常分为〔〕和〔〕。4、激光的形成必须满足〔〕〔〕〔〕。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新兴检测技术，它是利用〔〕进展检测。8、假设调制盘的转速为N转/分，得到调制光的频率为f，如此调制盘的孔数为〔〕。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，测量才能进展。〔〕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、光电三极管的增益比光电二极管大，但其线性围比光电二极管小。〔〕8、对光源进展调制即可消除光源波动与背景光干扰的影响。〔〕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。〔〕三、简答：〔每一小题6分，共30分〕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、光源选择的根本要求有哪些?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、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在那种偏置状态？为什么？四、论述题〔45分〕论述光电检测系统的根本构成，并说明各局部的功能。〔10分〕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。表示两种方法的特点与它们之间的联系。〔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的电流方程与Uoc、Isc的表达式，说明其含义〔图中标出电流方向〕。〔12分〕阐述用补偿法检测溶液浓度的工作原理与工作过程。〔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容〔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〕进展检测8、假设调制盘的转速是N转/分，得到调制光的频率为f，如此调制盘的孔数是〔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，〔√〕2〔√〕3〔√〕4〔√〕5〔×〕6〔√〕7〔×〕8〔√〕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〔LD〕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结在建电场下达到平衡；当外加正偏压时，外加电压削弱建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强，构成少数载流子的注入，从而在p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合，复合产生能量释放，局部以光的形式释放出来，由于解理面谐振腔的共振放大作用实现受激反应，实现定向发射而输出激光。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。对工作电源的要稳定2、光源选择的根本要求有那些？①源发光的光谱特性必须满足检测系统的要求。按检测的任务不同，要求的光谱围也有所不同，如可见光区、紫外光区、红外光区等等。有时要求连续光谱，有时又要求特定的光谱段。系统对光谱围的要求都应在选择光源时加以满足。②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、最小光适量进展正确估计，并按估计来选择光源。③对光源稳定性的要求。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展月化处理。当有更高要求时，可对发出光进展采样，然后再反应控制光源的输出。④对光源其他方面的要求。光电测试中光源除以上几条根本要求外；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。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？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，一般阳极分布参数也较小。可是在这种情况下，必须保证作为光屏蔽和电磁屏蔽的金属筒距离管壳至少要有10～20mm，否如此由于屏蔽筒的影响，可能相当增加阳极暗电流和噪声。如果靠近管壳处再加一个屏蔽罩，并将它连接到阴极电位上，如此要注意安全。采用正高压电源就失去了采用负高压电源的优点，这时在阳极上需接上耐高压、噪声小的隔直电容，因此只能得到交变信号输出。可是，它可获得比拟低和稳定的暗电流和噪声。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？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tdr小〕，同时光敏电阻集光面积如果太小而不实用，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-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。四、论述题1.论述光电检测系统的根本组成，并说明各局部的功能？下面是一个光电检测系统的根本构成框图：(4分)〔1〕光源和照明光学系统：是光电检测系统中必不可少的一局部。在许多系统中按需要选择一定辐射功率、一定光谱围和一定发光空间、分布的光源，以此发出的光束作为载体携带被测信息。〔2〕被测对象与光学变换：这里所指的是上述光源所发出的光束在通过这一环节时，利用各种光学效应，如反射、吸收、折射、干预、衍射、偏振等，使光束携带上被检测对象的特征信息，形成待检测的光信号。光学变换通常是用各种光学元件和光学系统来实现的，实现将被测量转换为光参量〔振幅、频率、相位、偏振态、传播方向变化等〕。〔3〕光信号的匹配处理：这一工作环节的位置可以设置在被检测对象前面，也可设在光学变换后面，应按实际要求来决定。光信号匹配处理的主要目的是为了更好地获得待测量的信息，以满足光电转换的需要。〔4〕光电转换：该环节是实现光电检测的核心局部。其主要作用是以光信号为媒质，以光电探测器为手段，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展信号的放大、处理、测量和控制等。〔5〕电信号的放大与处理：这一局部主要是由各种电子线路所组成。光电检测系统中处理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。〔6〕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，即将处理好的待测量电信号直接经显示系统显示。(6分)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RL上取得电压U0，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。(1)对于图a〕所示的电路，光电信号是直接取出的，即U0=ILRL，而对于b〕图，光电信号是间接取出的，U0=UC-ILRL；(3分)(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分)(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的恒定光时不利的。(2分)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的电流方程与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如下图：〔a〕光电池工作原理图〔b〕光电池等效电路图〔c〕进一步简化(4分)从图〔b〕中可以得到流过负载RL的电流方程为：〔1〕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)当i＝0时，RL＝∞〔开路〕，此时曲线与电压轴交点的电压通常称为光电池开路时两端的开路电压，以VOC表示，由式〔1〕解得：〔2〕.。。〔4分〕当Ip》Io时，当RL＝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表示，所以Isc＝Ip＝Se·E〔3〕。。〔4分〕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。4、原理和工作过程：光源1发出的光经单色器2后成为单色光，该单色光的波长应选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S2和参比溶液S1，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，而待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：式中，C0为比例常数；为PD1上产生的光电流；为PD2上产生的光电流；K1、K2为PD1和PD2的灵敏度，、为到达PD1和PD2上的光通量。假如PD1和PD2性能一致，如此K1＝K2，故上式可变为：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〕〔8分〕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〕参考答案一单项选择题〔每一小题2分,共40分〕1.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2．光电池的工作条件是(D).A．加热B.加正向偏置C.加反向偏置D.加光照3．IRCCD表示的是〔D〕CCD．A.增强型;B.时间延迟型;C.电子轰击模D.红外．4.Sb－Cs材料，主要用于(B)变像管光阴极．A.红外B.紫外C.可见D.X射线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6.辐通量一样时，光通量最小的光的波长是〔D〕nm．A.555B.590C.620D.7807.光电倍增管的高压模块，其输出电压一般为直流(A).A．1000VB．100VC．10000VD．15V8．PN结光生伏特效应(B).A.电子集中的P区；B.电子集中的N区结外表；C.电子集中