第二版《光电子技术》课后习题答案

1.2辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度为了定量分析光与物质相互作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0.38~0.78um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，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量.光源在给定波长λ处，将λ~λ+dλ范围内发射的辐射通量dΦe，除以该波长λ的光子能量h1.3一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m的高处，用照度计测得正下方地1.4一支氦-氖激光器(波长为632.8nm)发出激光的功率为2mW。该激光束的平面发散角若激光束投射在10m远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为0.85，求该屏()KV()()6830.26521030.362lmvmeIvvd()Ivvvd2222(12Iv2(1Iv2(1vdILv)IvIv1011cd/IvIvr2cosSr2cosd(4.6105d(4.6105lm/m2MvS20.00052l10mr0.0005M'0.85E'0.85vvd2'L'vvddS'cosm(P6)d'vvdScos2r0.85L2rvl2dM'vdLvr2l2155cd/m21.6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随温度T的升高而减小。试用普朗克热辐射公式导出mK。？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。光辐射的调制方法有内调制和外调制。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(频率)的抖成、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2.2说明利用泡克尔斯效应的横向电光调制的原理。画出横向电光调制的装置图，说明其中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，这就是声光效应。布拉格衍射是在超声波频率较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，就可控制光的振动面的旋转角，使通过的光振幅随角的变化而变化，从而实现光强调制。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。物质在光的作用下释放出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面，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I=F(Ф)称为光电特性，光电流与光电器件上光照度的关系I=F(L)称为光照特性。光电器件对功率相同而波长不同的入射光的响应不同，即产生的光电流不同。光电流或输出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)——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。表面区域能带弯曲，真空能级降低到导带之下。发射小，光电子能量集中13.8何谓“白噪声”？何谓“噪声”？要降低电阻的热噪声应采取什么措施？f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？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射。G光=G亮-G暗=1/50-1/5000=0.0198(s)该样品的光电导即为所求。3.16试问图3.25和图3.26分别属于哪一种类型的偏置电路？为什么？当光照变化dL3.17叙述光电池的工作原理以及开路电压、短路电流与光照度的关系。为什么光电池的输(1)工作原理过半导体材料的禁带宽度，则由半导体能带理论可知，在PN结附近会产生电子和空穴。在(2)光电池的电动势即开路电压与照度成非线性关系，在照度光电池的短路电流与照度成线性关系(4分)(3)当负载电阻较大时，光电流流过负载电阻时，必然使外加电场增大，由于外电场的方向是与内电场方向相反，故要削弱内电场的强度，从而使光生的电子和空穴不能移过PN结，使对外输出的光电流减少。(5分)用时环极不接是否可用？为什么？环极的目的是为了减少暗电流和噪声。3.21说明PIN管、雪崩光电二极管的工作原理和各自特点。PIN管的频率特性为什么比普工作原理：PIN管加反向电压时，势垒变宽，在整个本征区展开，耗尽层宽度基本上是I区的宽度，光照到I层，激发光生电子空穴时，在内建电场和反向电场作用下，空P区移动，电子向N区移动，形成光生电流，通过负载，在外电路形成电流。特点：工作原理：当光电二极管的PN结上加相当大的反向偏压时，在耗尽层内将产生一个很高的电场，它足以使在该强电场区产生和漂移的光生载流子获得充分的动能，电子空穴与晶格原子碰撞，将产生新的电子空穴对。新的电子空穴对在强电场作用下，分别向相反的方向运动，在运动过程中，又可能与原子碰撞，再一次产生新的电子空穴对。如此反n结的结间距离拉大，结电容变小，由于工作在反偏，随着反偏电压的增大，结电容变的由于PIN管耗尽层变宽，这就相当于增大了结电容之间的距离，使结电容变小，而且耗尽层的厚度随反向电压的增加而加宽，因而结电容随着外加反向偏压的增大而变得更小。同时，由于I层的电阻率很高，故能承受很高的电压，I层电场很强，对少数载流子漂移运动起加速作用，虽然渡越距离增大一些，但少数载流子的渡越时间相对还是短了。总，由于结电容变小，载流子渡越耗尽层的时间短，因此PIN管的特性好。=(5+3sint)μW，偏置电压Ub=40V，信号由放大器接收，求取得最大功率时的负载电3.24图3.97中，用2CU型光电二极管接收辐射通量变化为=(20+50sinwt)μW的光信号，其工作偏压Ub=30V，拐点电压Um=10V，且Rb=RL。2CU的参数是：光电灵敏度FkUfPSD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，其输出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；光敏面上无象限分隔线，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。光电发射是光轰击材料使电子逸出，二次电子发射是电子轰击材料，使新的电子逸2)光电阴极电子受光子激发，离开表面发射到真空中。3)光电子通过电子加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极D1上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子，入射电子经N级倍增极倍增后光电子就放大N次4)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上产生信压鼠笼式：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百叶窗式：工作面积大，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a，负高压1200V供电，均匀分压的光电倍增管的工作原理，为2cm2,各倍增极发射系数均相等(σ=4)，光电子的收集率为0.98，各倍增极电子收集(c)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(a)如图 kkIpIk0阳极电流：I=M•I=936μApk((c)VRo=fV'RoLRRV'=fV=(I)R.f=IRoRopLRpfLLR=fR=f3.31某光电倍增管的阳极光电灵敏度为10A/lm，为什么还要限制其阳极输出电流小于因为阳极电流过大会加速光电倍增管的疲劳与老化。m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出，形成视频信号，分辨率表示能够分辨图像中明暗细节的能力。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：指输出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。答：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，MOSMOS电容器能够存储电荷。如果MOS结构中的半导体是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-SiO2界面处的电势(称为表面势或界面势势)发生相应变化，附近的P型硅中多数载流子——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-SiO2界面处形成深度耗尽状态，由于电子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。当表面存在势阱时，如果有信号电子(电荷)来到势阱及其邻近，它们便可以储电子。当表面存在势阱时，如果有信号电子(电荷)来到势阱及其邻近，它们便可以聚集集在表面。随着电子来到势阱中，表面势将降低，耗尽层将减薄，我们把这个过程描述为电电子逐渐填充势阱。势阱中能够容纳多少个电子，取决于势阱的“深浅”，即表面势的大小小，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CCDCCDCCD是由每三个栅为一组组的间隔紧密的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t1时刻，φ1高电位，φ2、φ3低电位。此时φ1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，则电荷就势阱的空阱深度相同，但因φ1下面存储有电荷，则φ1势阱的实际深度比φ2电极下面的势电荷继续向φ2下的势阱中转移。t4时刻，φ2为高电位，φ1、φ3为低电位，φ2下面的势阱最深，信号电荷都被转移到φ2下面的势阱中，这与t1时刻的情况相似，但电荷包向右移动了一个电极的位置一个电极的位置。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被转移到输出端，其工作过程从效果上看类似于数字电路中的移位寄存器出端，其工作过程从效果上看类似于数字电路中的移位寄存器。φ3t1t2t3t41234电电荷输出结构有多种形式，如“电流输出”结构、“浮置扩散输出”结构及“浮置栅输出”结构。构。其中“浮置扩散输出”结构应用最广泛，。输出结构包括输出栅OG、浮置扩散区FD、复复位栅R、复位漏RD以及输出场效应管T等。所谓“浮置扩散”是指在P型硅衬底表面用VV族杂质扩散形成小块的n+区域，当扩散区不被偏置，即处于浮置状态工作时，称作“浮置扩散区扩散区”。电荷包的输出过程如下：VOG为一定值的正电压，在OG电极下形成耗尽层，使φ3与FDFD之间建立导电沟道。在φ3为高电位期间，电荷包存储在φ3电极下面。随后复位栅R加正复位脉冲φR，使FD区与RD区沟通，因VRD为正十几伏的直流偏置电压，则FD区的电荷被电荷被RD区抽走。复位正脉冲过去后FD区与RD区呈夹断状态，FD区具有一定的浮置区区(即A点)的电位变化量为：VV=FDAC式中，QFD是信号电荷包的大小，C是与FD区有关的总电容(包括输出管T的输入电容、分分布电容等)。55ttttt1234Rt1t2t3tCCDCCD输出信号的特点是：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占有一定的时间长度T。；在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。据此特点，对CCDCCD的输出信号进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑4.5双列两相02：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出输出。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4.7TCD1200D的中心距为14μm，它能分辨的最小间距是多少？它的极限分辨率怎样计4.8简述变像管和图像增强器的基本工作原理，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X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。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⑴存储密度高⑵数据传输速率高⑶存储寿命长⑷信息位价低⑸更换容易？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：光盘(readonlymemory，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。这种光盘具有写、读两种功能，写入数据后不可擦除。⑶可擦重写光盘(rewrite,RW)用户除了可在这种光盘上写入、读出信息外，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。⑷直接重写光盘(overwrite，OW)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。ROM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，制成主盘(又称母盘，master)，再经喷镀、电镀等工序制成副盘(又称印模,stamper)，然后再经过“2P”注塑形成ROM光盘。近红外波段的激光作用在介质上，能加剧介质网络中原子、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、读出及擦除信息的激光脉冲，下半部表示出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。GT至几百纳秒的激光脉冲，使光斑微区因介质温度刹那间超过熔点m而进入液相，再经过液相快瘁完成到达玻璃态的相转变。⑵信息的读出用低功率密度、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。在读出过程中，介质的相结构保持不变。T冲的激光，使光斑微区因介质温度升至接近m处，再通过成核－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。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－钴合金为主，后者则多为稀土－铁合金。以补偿点写入的磁介质为例来讨论磁光记录介质⑴信息的写入GdCo有一垂直于薄膜表面的易磁化轴。在写入信息前，用一定强H度的磁场o对介质进行初始磁化，使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面，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。⑵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9右旋一个角度k，如图所示。反之，若光扫描到磁化方向向下的微斑，反射光的偏振方向999则左旋一个k，以－k表示。实际测试时，使检偏器的主截面调到与－k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k的分量，这样探测器就有效地读出了写入的信号。化微斑反射的光束则可以通