光电技术期末复习

：光辐射与光源1辐射度的根本物理量1.辐射能Qe：一种以电磁波的形式发射，传播或接收的能量。单位为J〔焦耳〕。2辐射通量Φe：又称为辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率，单位为W〔瓦〕，是单位时间内发射，传播或接收的辐射能，Φe=dQe/dt(J/S焦耳每秒)3辐射强度Ie：点辐射源在给定方向上单位立体角内的辐射能量单位为W/sr〔瓦每球面度〕Ie=dΦe/dΩ.4辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射能量，Ee=dΦe/dA单位为〔W/㎡瓦每平方米〕。dA是投射辐射通量dΦe的面积元。5辐射出射度Me：扩展辐射源单位面积所辐射的通量，即Me=dΦ/dS。dΦ是扩展源外表dS在各方向上〔通常为半空间360度立体角〕所发出的总的辐射通量，单位为瓦每平方米〔W/㎡〕。6，辐射亮度Le：扩展源外表一点处的面元在给定方向上单位立体角，单位投影面积内发出的辐射通量，单位为W/sr*㎡(瓦每球面度平方米)。7光谱辐射量：也叫光谱的辐射量的光谱密度。是辐射量随波长的辐射率。光辐射量通量：Φe〔λ〕：辐射源发出的光在波长为λ处的单位波长间隔内的辐射通量。Φe〔λ〕=dΦe/dλ单位为W/um或W/nm。2明视觉光谱光视效率V〔λ〕：视觉主要由人眼视网膜上分布的锥体细胞的刺激所引起的。暗视觉光谱光视效率：视觉主要由人眼视网膜上分布的杆状细胞刺激所引起的。3，辐射度量和光度量的对照表辐射度量符号单位光度量符号单位辐射能QeJ光量QvLm/s辐射通量或辐射功率ΦeW光通量Φvlm辐射照度EeW/㎡光照度EvLx=lm/㎡辐射出度MeW/㎡光出射度MvLm/㎡辐射强度IeW/sr发光强度IvCd=lm/sr辐射亮度LeW/sr*㎡光亮度光谱光视效率LvV(λ)Cd/㎡按照人眼的视觉特性V(λ)来评价的辐射通量Φe即为光通量Φv：Φv=KmΦe(λ)V(λ)dλ式中Km为名视觉的最大光谱光谱光视效率函数，也成为光功当量。国际实用温标理论计算值Km为680lm/W。4，热辐射的根本物理量〔5页〕1辐射本领：辐射体外表在单位波长间隔单位面积内所辐射的通量式中dΦe2吸收率α〔λ，T〕:在波长λ到λ+dλ间隔内被物体吸收的通量与λ射通量之比，3绝对黑体：任何物体，只要温度在绝对零度以上，就向外界发出辐射，这称为温度辐射。黑体是一种完全的温度辐射体，定义为吸收率α〔λ，T〕=1的物体为绝对黑体，其辐射本领4物体的发射率ε〔λ，T〕5，热辐射根本上可分为两类：黑体辐射和线状，带状辐射源。六，普朗克定律七，维恩位移定律每一种温度的Meb(λ,T)~λ曲线都有一个峰值，随着温度的升高此峰值向短波方向移动八，斯忒藩玻耳兹曼定律九，光源的光谱功率分布通常可分为四种情况：1，线性光谱，有假设干条明显分隔的细线组成，如低压汞灯。2，带状光谱，由一些分开的谱带组成，每一条谱带中又包含许多细谱线，如高压汞灯，高压钠灯就属于这种分布。3，连续光谱，所有热辐射光源的光谱都是连续的。4混合光谱，由连续光谱与线，带谱混合而成，一般的荧光灯光谱就属于这种分布，。十，光源的色温〔18页〕十一：光源的颜色包含了两方面的含义即色表和显色性。色表：用眼睛直接观察光源时所看到的颜色。例如高压钠灯的色表成黄色，荧光灯的色表程白色。显色性：当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色〔也就是物体反射光的在人眼中产生的颜色感觉〕与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色一致性。十二：热辐射光源有三个特点：1，它们的发光特性都可以利用普朗克公式进行精确的估算，即可以精确掌握和控制他们发光或辐射性质；2它们发出的光通量构成连续的光谱，且光谱范围很宽，因此使用的适应性强。但在通常温度下，紫外辐射和可见光幅度含量很少，这有限制了这类光源的适用范围；3采用适当的稳压或稳流供电，可使这类光源的光输出获得很高的稳定度。十三：气体放电原理：密封在泡壳内的气体或金属气体在电场的作用下鼓励出电子和离子，电子和离子从电场中获得能量分别向阴极和阳极运动，它们与气体原子或分子碰撞时会鼓励出新的电子和离子。这一过程中会引起原子的激发，受激原子回到低能级时就会发射出辐射，这就是气体放电原理。十四：发光二级管〔LED〕的工作原理：P-N结上未加电压时有一定的势垒，当加上正向偏压时在外加电场的作用下，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每一次复合，都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。十五，发光二级管的优点;1,属于低电压，小电流器件在室温下即可得到足够的亮度2发光响应速度快3性能稳定寿命长4易于和集成电路匹配，且驱动简单5与普通光源相比单色性好，其发光的半宽度一般为几十纳米6小型，耐冲击。主要缺点：功率较小，光色有限，较难获得短波发光，且发光效率低。十六：激光器的工作原理：激光器一般有工作物质，谐振腔和泵浦源组成。常用的泵浦源是辐射源或电源，利用泵浦源能将工作物质中的离子从低能态激发到高能态，是处于高能态的粒子数大于处于低能态的粒子数，构成粒子数的反转分布，这是产生激光的必要条件。十七：激光器的类型：1气体激光器：2固体激光器3染料激光器4半导体激光器。十八：激光的特性：单色性，方向性，亮度，相干性。课后作业5,6,7,17,18光电探测器概述一：光电探测器的分类：光子探测器〔光电子发射探测器，光电导探测器，光伏探测器，光电磁探测器〕热探测器〔测辐射温差热电偶和热电堆，电阻测辐射热器，热释电探测器〕二：光电探测器的噪声：散粒噪声，热噪声，产生-复合噪声，温度噪声，电流噪声课后作业1,2,3,6光电子发射探测器一，很多半导体材料具有良好的光电子发射性能的原因：1半导体对入射光有较小的反射系数，有较大的吸收系数，通常在长波极限波长附近就有外表和体内光电子发射效应产生；2阴极层导电性适中，一来可以使光电子在趋向外表运动的过程中损失能量比金属小，二来可以使层内传导电子的补充不发生困难；3半导体内存在着大量的发射中心〔价带中有大的电子密度〕4半导体有较小的光电逸出功，在光谱响应内有较高的量子效率。二半导体中光电子发射一般经过三个步骤：对光电子的吸收；光电子向外表的运动；克服外表势能的逸出光电子发射材料大体可以分为三类：纯金属材料；外表吸附一层其他元素原子的金属半导体材料；用作光电管，光电倍增光，变像管，像增强器和一些摄像管等光电器件中的光电阴极，其作用是使不同波长的各种辐射信号转换为电信号。光电倍增管结构：由光电阴极，电子光学输入系统〔光电阴极到第一倍增极D1之间的系统〕，二次发射倍增系统及阳极等构成。课后作业1,4，9,12;光电导探测器一光电导探测器可根据不同类型的光电导效应和材料差异分为本征型，杂志型，薄膜型和扫积型光电导探测器。二，p96-97页看看光电导探测器内增益G三，课后习题第6题光伏探测器一，看看119页上面一段小字二，对于不均匀半导体，由于同质的半导体不同的掺杂形成的pn结，不同质的半导体组成的异质结或金属与半导体接触形成的肖特基势垒都存在内建电场，当光照在这种半导体时，由于半导体对光的吸收而产生了电子空穴，它们在内建电场的作用下就会向相反的方向移动和集聚而产生电位差，这种现象称为光生伏特效应。三，对于均匀半导体，由于体内没有内建电场，当光照这种半导体一局部时，由于光生载流子浓度梯度的不同而引起载流子的扩散运动。但电子和空穴的迁移率不等，由于两种载流子扩散速度的不同而导致两种电荷的分开，从而产生光生电势。这种现象称为丹倍效应。四，如果将均匀半导体放在与光辐射方向相垂直的磁场中，那么将有洛伦兹力作用于扩散的电子和空穴，使他们向垂直于扩散方向的不同方向偏转，从而在半导体的两侧端面间产生电位差这种效应称为光磁电效应五，光磁电效应和霍尔效应的区别：在霍尔效应中，载流子的定向移动是由外加电场引起的。两种载流子的运动方向相反，二者形成的电流方向相同。垂直的磁场使两种载流子向同一方向偏转，效果是互相减弱。而在光磁电效应中，定向运动是由扩散引起的。两种载流子扩散方向相同，二者形成的电流方向相反。在垂直磁场作用下，向相反方向偏转，效果是互相加强的。六，看123页最下面一段话七，p端为光电池正极，n端为负极，一般在地面上应用作为光电探测器的多为p+n型，如国产2CR型n+p型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用，作为航天的太阳能电池，如国产的2DR型。〔130〕八，光电二极管的分类：p-n结光电二级管；PIN光电二极管；雪崩光电二极管；九，〔140〕雪崩光电二极管和PIN光电二极管的联系和区别：联系：十，141页光电三极管的原理十一，光子牵引作用：当强激光脉冲〔波长大于带间吸收〕辐照时，具有辐射压力的光子和自由空穴相互作用，使空穴得到能量和动量，从而沿光传播方向运动，好似光子牵着空穴前进，即光子牵引作用。十二，课后作业1,2,5,7,8，热探测器一，看155页的热释电效应二，〔157〕面电极结构边电极结构三，课后作业1,6，其他光电探测器件一，CCD的信号传输过程：电荷转移〔或传输〕；电荷注入；电荷输出。三相二位四相三位二，CCD摄像器件的根本性能参数：分辨率；暗电流；灵敏度；动态范围；光谱响应。〔180页看看〕，光辐射的调制一，调制就是使载波的某一参量〔例如幅度，频率，相位等〕按欲传输信号规律变化的过程。调制的方式可以分为三类：模拟调制；脉冲调制；数字调制。〔196~197〕二，当一块各向同性的透明介质受外力作用时，介质的折射率会发生变化，这种现象称为弹光效应。通常把超声波引起的弹光效应称为声光效应。三，〔228页〕当满足Q<1时，并且入射光线平行于声波波面〔即垂直于声波传播方向入射时〕产生拉曼--奈斯衍射四，(231)当满足Q>>1时，并入射光以一定的角度斜入射声光介质，那么产生布拉格衍射。条件五，看233页声光调制器的结构和原理六，当电路加在晶体上时，其折射率的变化可能产生线性效应或平方效应，加电场的方向通常由两种方式：一种是沿着晶体主轴z轴方向，使电场方向与光线方向平行，产生纵向光电效应；二是电场沿晶体任一主轴x轴或y轴或z轴加在晶体上，而取通光方向与电场方向相垂直，即产生横向电场效应。七，线性电光效应：晶体受外加电场作用时，其寻常光和非常光折射率将发生变化。折射率的变化与电场大小成正比的电光效应称为线性电光效应。〔235〕，直接探测系统一，光电系统的类型：按携带信息的光源分可分为主动系统和被动系统；按光谱范围分可分为可见光探测系统和红外探测系统；按接收系统分可分为点探测系统和面探测系统；从调制方式和信号处理电路的类型分可分为模拟系统和数字系统；从光波对信息信号〔或被测未知量〕的携带方式可分为直接探测系统和相干探测系统。二，信噪比三，直接探测和相干探测系统的优缺点：直接探测：在多数场合中，常常用光波的强度变化来携带信息，，用直接探测的方法可光波的强度变化所包含的信息检测出来。光的频率和相位的变化必须采用相干探测方法。直接探测是一种简单而又实用的探测方法，在工业，航空，航天，军事，医疗等领域得到广泛的应用四，在炎热的夏季，湍流对激光传播的影响尤为突出。主要表现为下面几个方面：强度闪烁；光束抖动；光束偏转。五，直接探测系统中限制背景功率的方法一是在空间上限制系统视场角；另一方面是加光学滤光片对背景进行光谱滤波。〔263〕，相干探测一，相干探测的特点：转换增益高；可获得全部信息；良好的滤波性能；有利于微弱光信号的探测。二，将相干探测量子噪声限信噪比公式与直接探测量子噪声限信噪比公式比拟发现，在滤波器带宽相同的情况下，相干探测的极限信噪比是直接探测的信噪比的2倍。〔273上〕三，相干探测的空间条件：必须保持信号光和本振光在空间上的角准直。四，相干探测的频率条件：为了获得高灵敏度的相干探测，要求信号光和本振光具有高度的单色性和频率稳定度。五，课后习题4〔如题三〕,6，光电信号处理方法一，前置放大器的设计要求是低噪声，高增益，低输出阻抗，大的动态范围，良好的线性特征和较好的抗产噪声能力。〔280页〕二，〔283〕信号匹配和噪声匹配的区别：三，〔293〕当要求保持脉冲的形状时，带宽要求更宽些。四，采样定理五，看看303页微弱光电信号处理方法六，锁相放大器的工作原理：锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被检测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为