张永林第二版《光电子技术》课后习题答案

波长：380~780nm400“760nm

频率：385r790THz400T~750THz

能量：eV

人处，将入〜入+d入范围内发射的辐射通量d①e,除以该波长人的光子能量hv,就得到光

源在人处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。

一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面的高处，用照度计测得正下方地面的照度为

301x,求出该灯的光通量。

中二L*4b

1mm。

求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。

若激光束投射在10m

式这一关系式称为维恩位移定律中，常数为。

普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0,即可求的。教材P8

什么是光辐射的调制？有哪些调制的方法？它们有什么特点和应用？

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）的抖动。

LD、LED

外调制：调制系统比较复杂、消光比高、插损较大、驱动电压较高、难以与光源集成、

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、声光调制、磁光

调制

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，说明其中各个

器件的作用。若在KDP晶体上加调制电压U=Um,U在线性区内，请写出输出光通量的表达

式。

Pockels效应：折射率的改变与外加电场成正比的电光效应。也称线性电光效应。

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。

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用？

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高，声光

作用区较长，光线与超声波波面有一定角度斜入射时发生的。

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，因而导致材料电导

率的增大，这种现象称光电导效应。光敏电阻、光导探测器

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。在自建场的作用

下，电子流向N区，空穴流向P区，从而在势垒两边形成电荷堆积，使P区、N区两端产生

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、双光电二极管,

光电三极管、光电场效应管、光电开关管、光电雪崩二极管

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。

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（①）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。

什么是光电器件的光谱特性？了解它有何重要性？

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）一一光谱灵敏度和积分灵敏度。

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。

特点：1.量子效率高2.光谱响应延伸到红外，光谱响应率均匀3热电子发射小4.光电

发射小，光电子能量集中

何谓“白噪声”？何谓“嘉噪声”？要降低电阻的热噪声应采取什么措施？

功率谱大小与频率无关的噪声，称白噪声。功率谱与f成反比，称1/f噪声。

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.降低电阻周围环境的温度

探测器的D*=1011cm•Hz1/2•W-1,探测器光敏器的直径为,用于f=5x103Hz的光电仪器中，

它能探测的最小辐射功率为多少？

应怎样理解热释电效应？热释电探测器为什么只能探测调制辐射？

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成为

热释电效应。

由于热释电信号正比于器件的温升随时间的变化率，因此它只能探测调制辐射。

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。为什么光电池的输出与所

接的负载有关系？

（1）工作原理

光电池是一个简单得PN结。当光线照射PN结时，PN结将吸收入射光子。如果光子能量超过

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。在内电

场的作用下，空穴移向P区，电子移向N区，使N区聚集大量的电子而带上负电，在P区聚

集大量的空穴而带上正电。于是在P区和N区之间产生了电势，成为光生电动势。如果用导

线或电阻把N区和P区连接起来，回路中就会有光电流I流过，电流方向是由P区流向N区。

（6分）

（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）2CR和2DR,2CU和2DU在结构上有何主要区别？2DU光电

二极管增设环极的目的是什么？画出正确接法的线路图，使用时环极不接是否可用？为什

么？

硅光电池按基底材料不同分为2CR和2DRo2CR为N型单晶硅，2DR为P型单晶硅。按衬

底材料的不同，硅光电二极管分为2CU和2DU两种系列。2DU光电二极管增设环极的目的是

为了减少暗电流和噪声。

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，空穴向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：频带宽，线

性输出范围宽。优点：1,工作电压比较低，一般为5V。2,探测灵敏度比较高；3,内量子

效率较高；4,响应速度快；5,可靠性高；6,PIN管能低噪声工作。

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。如此反复，形成雪崩

式的载流子倍增。特性：灵敏度高，响应速度快；

PIN光电二极管因由较厚的i层，因此p-n结的内电场就基本上全集中于i层中，使p-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，结电容变的更小,

从而提高了p-n光电二极管的频率响应。

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。总之，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。

uA/u肌拐点电压U=10V,输入辐射功率=（5+3sint）nW,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阻Rb和放大器的输入电阻R的值，以及输入给放

大器的电流、电压和功率值。

□W的光信号，其工作偏压Ub=30V,拐点电压Um=10V,且Rb=RL。uA/uW,结电容Cj=3pF,

分布电容C0=3pF。试计算：1.

结电容Cj=8pF,放大器的输入电容Ci=5pF,输入电阻r=10k计算变换电路中频时的输出电压

U0上限频率f

要求光照大于2001x时继电器J吸合。

PSD的工作原理，与象限探测器相比，PSD有什么优点？

PSD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。

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，使新的电子逸出。

1）光子透过入射窗口入射在光电阴极K上。

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次方倍。

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上产生信号

电压

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大。

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，抗磁场干扰能力强，

线性好。

(a)画出具有11级倍增极，负高压1200V供电，均匀分压的光电倍增管的工作原理，分别写

出各部分名称及标出Ik,Ip和lb的方向。

(b)若该倍增管的阴极灵敏器Sk为20口2cm2，各倍增极发射系数均相等(。

(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

61

(b)阴极电流：Ik=Sk*0=2OxlOxx2xlO

=4X1OHOA

倍增系统的放大倍数:M=^=£。・(。xe)11

1k

x(4x"

«xl06

阳极电流：IP=M・h=936uA

Cf

vc

°Vo>

(c)

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50~100uA范围内？问其阴

极面上最大允许的光通量为多少流明？

因为阳极电流过大会加速光电倍增管的疲劳与老化。

某GDB的阳极积分灵敏度为10A/lm,Sk=20uA/lm,倍增极有11级。若各级的电子收集效率

为1,问各倍增极的平均倍增系数为多少？

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25uA/lm,倍增系统

的放大倍数为10~5,阳极额定电流为20uA,求允许的最大光照。

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，

摄像器件的参量一一极限分辨率、调制传递函数和惰性是如何定义的？

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黑白

线条数表示。也用线对/mm表示。

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。

以表面沟道CCD为例，简述CCD电荷存储、转移、输出的基本原理。CCD的输出信号有什

么特点？

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，MOS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（衬底接她），Si-SiOz界面处的电势（称为表面势或界面势）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％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，它们便可以聚集在表面。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，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，这种热产生的少数截流子电流叫作暗电流，以有别于光照下产生的截流子。

因此，电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。

以典型的三相CCD为例说明CCD电荷转移的基本原理。三相CCD是由每三个栅为一组的

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，61高电位，62、63低电位。此时61

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，则电荷就被存储在

5电极下的势阱中。t2时刻，储、为高电位，为低电位，则储、下的两个势阱的

空阱深度相同，但因如下面存储有电荷，则储势阱的实际深度比风电极下面的势阱浅，

5下面的电荷将向下转移，直到两个势阱中具有同样多的电荷。t3时刻，心仍为高电位，

5仍为低电位，而5由高到低转变。此时储下的势阱逐渐变浅，使如下的剩余电荷继续

向M下的势阱中转移。匕时刻，为高电位，垢、63为低电位，下面的势阱最深，信

号电荷都被转移到帆下面的势阱中，这与3时刻的情况相似，但电荷包向右移动了一个电

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（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。

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。其中“浮置扩散输出”结构应用最广泛，。输出结构包括输出栅0G、浮置扩散区

FD、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V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”。

电荷包的输出过程如下：V（x；为一定值的正电压，在0G电极下形成耗尽层，使以与FD

之间建立导电沟道。在心为高电位期间，电荷包存储在风电极下面。随后复位栅R加正复

位脉冲如“使FD区与RD区沟通，因丫电为正十几伏的直流偏置电压，则FD区的电荷被RD

区抽走。复位正脉冲过去后FD区与RD区呈夹断状态，FD区具有一定的浮置电位。之后，科

转变为低电位，心下面的电荷包通过0G下的沟道转移到FD区。此时FD区（即A点）的电

位变化量为：

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、分布

电容等）。

CCD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

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CCD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、复位高脉冲及抑制噪声。

CCD驱动脉冲工作频率的上、下限受哪些条件限制，应该如何估算？

“1、62、SH、RS起什么作用？它们之间的位相关系如何？为什么？

01、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端形成

序列脉冲输出。

SH：转移栅控制光生电荷向CCDA或CCDB转移。

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接

收。

Um,它能分辨的最小间距是多少？它的极限分辨率怎样计算？

它能分辨的最小间距是14Um。

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。信息位价格

低。

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：

⑴只读存储光盘（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。

⑵一次写入多次读出光盘(writeoncereadmany,WORM)

这种光盘具有写、读两种功能，写入数据后不可擦除。

(3)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。

(4)直接重写光盘(overwrite,0W)

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。

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。

说明激光热致相变RW光盘的读、写、擦原理。

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。

⑴信息的记录对应介质从晶态C向玻璃态G的转变。选用功率密度高、脉宽为几十

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图而进入液相，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。

⑶信息的擦除对应介质从玻璃态G向晶态C的转变。选用中等功率密度、较宽脉

冲的激光，使光斑微区因介质温度升至接近处，再通过成核一生长完成晶化。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。

简述可擦重写磁光光盘读、写、擦原理。

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，前者以稀土一钻

合金为主，后者则多为稀土一铁合金。以补偿点写入的磁介质为例来讨论磁光记录介质的读、

写、擦原理。

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，用一定强度

的磁场”"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右旋一

个角度4,如图所示。反之，若光扫描到磁化方向向下的微斑，反射光的偏振方向则左旋一

个仇，以一珞表示。实际测试时，使检偏器的主截面调到与一为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sm（24）的分量，这样探测器就有效地读出了写入的信号。

⑶擦除信息时，如图所示，用原来的写入光束扫描信息道，并施加与初始乩方向相同的

偏置磁场，则记录单元的磁化方向又会回复原状。

对于稀土一铁合金磁光介质，其写、读、擦原理与补偿点记录方式一样，所不同的是，

这类介质有一个居里点当介质微斑温度高于