華科光電技術(shù)復(fù)習(xí)-WOW整理版

光電技術(shù)知識(shí)點(diǎn)復(fù)習(xí)WOW光輻射源維恩位移定律黑體峰值付出度：斯蒂芬玻爾茲曼定律基爾霍夫定律：熱平衡狀態(tài)下任何物體的光譜輻出度與光譜吸收率的比值都相等，并等于密閉容器內(nèi)的光譜輻照度，與物體材料無關(guān)。普朗克輻射定律：描述黑體光譜輻出度與波長(zhǎng)、絕對(duì)溫度之間關(guān)系光電探測(cè)器概述噪聲①熱噪聲（白噪聲，所有阻性元件）②散粒噪聲（光電子發(fā)射器件、光伏器件中，白噪聲與頻率無關(guān)）③產(chǎn)生-復(fù)合噪聲（g-r噪聲，光電導(dǎo)探測(cè)器）④溫度噪聲（熱探測(cè)器中）⑤電流噪聲（1/f噪聲，1kHz以下的低頻區(qū)）光電效應(yīng)與熱電效應(yīng)的異同光電效應(yīng)：光輻射到光電材料上，光電材料發(fā)射電子或電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，對(duì)光波頻率表現(xiàn)出選擇性，響應(yīng)速度較快，分為內(nèi)光電與外光電效應(yīng)，具體有光電子發(fā)射效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)光伏效應(yīng)、光子牽引效應(yīng)等熱電效應(yīng)：探測(cè)元件吸收光輻射能量后，將光能變成晶格能的熱運(yùn)動(dòng)能量，引起探測(cè)元件溫度上升，使相關(guān)物理量隨之改變的過程。對(duì)光波頻率沒有選擇性，僅決定于光功率，響應(yīng)速率較慢，易受環(huán)境溫度影響，包括熱釋電效應(yīng)、溫差電效應(yīng)、測(cè)輻射熱計(jì)效應(yīng)等。分類光電導(dǎo)探測(cè)器光伏探測(cè)器光伏探測(cè)器的頻率響應(yīng)特性明顯優(yōu)于光電導(dǎo)，解釋之。答：光電導(dǎo)：半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，光子吸收引起載流子濃度變化，，電導(dǎo)率變化隨載流子濃度增加，復(fù)合機(jī)會(huì)增多，經(jīng)過一段時(shí)間達(dá)到平衡，光電導(dǎo)探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間等于光生載流子的平均壽命，一般為毫秒級(jí)。光伏探測(cè)器：光照產(chǎn)生的光生電子-空穴向結(jié)區(qū)擴(kuò)散，由于結(jié)區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)的作用被分離，PN結(jié)兩邊出現(xiàn)光生電動(dòng)勢(shì)，入射光變?yōu)殡娔堋：雎酝怆娐窌r(shí)間常數(shù)時(shí)，光伏探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間包括擴(kuò)散與漂流的時(shí)間，由于光敏面很薄，故其遠(yuǎn)小于載流子壽命。故光伏探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間比同材料的光電導(dǎo)探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間要小。說明PIN管與APD管的工作原理與各自的特點(diǎn)。PIN管的頻率特性為什么比普通光電二極管好？答：PIN管：在參雜濃度很高的P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體之間夾一層較厚的本證半導(dǎo)體I層，具有以下特點(diǎn)。①結(jié)電容小，頻率響應(yīng)高。②可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬③量子效率較高④輸出電流小APD管：利用PN結(jié)在高反壓下的雪崩效應(yīng)來工作。工作電壓很高約為100-200V，接近反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)極強(qiáng)，光生載流子極大加速，同時(shí)與晶格原子碰撞電離，產(chǎn)生更多的電子空穴對(duì)，形成結(jié)電流雪崩效應(yīng)。具有以下特點(diǎn)，①靈敏度高②電流增益大，可達(dá)10^2-10^3③響應(yīng)很快原因：PIN結(jié)間距離大，結(jié)電容很小，由于工作在反偏狀態(tài)，隨反偏電壓增大，結(jié)電容減小，提高了頻率響應(yīng)。光電子發(fā)射探測(cè)器光電倍增管主要考慮散粒噪聲。光電倍增管采用負(fù)高壓或正高壓供電，各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？答：負(fù)高壓（陽(yáng)極接地）：便于與后面的放大器相連，操作安全；但這時(shí)陰極處于負(fù)高壓。評(píng)比困難，暗電流和噪聲較大，適用于對(duì)暗電流和噪聲要求不高的工作場(chǎng)合。正高壓（陰極接地）：便于屏蔽，屏蔽罩可以和陰極靠得很近，屏蔽效果好；暗電流小噪聲低，但陽(yáng)極處于正高壓，導(dǎo)致寄生電容大，匹配電纜連接復(fù)雜，特別是后面接直流放大器時(shí)整個(gè)放大器處于高壓，不利于安全操作。如果接一個(gè)交流放大器，則必須接一個(gè)耐高壓的隔直電容器。脈沖應(yīng)用中常采用陰極接地，以減小暗電流和噪聲。光電倍增管工作原理由光窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽(yáng)極組成。入射光透過光窗照射到光電陰極上，發(fā)射出光電子，光電子經(jīng)過電子光學(xué)系統(tǒng)加速，聚焦到倍增極上，倍增極將發(fā)射比入射更多的二次電子；電子經(jīng)n次放大后形成放大后的陽(yáng)極電流。熱探測(cè)器共性-交變溫升其中，，Ch是熱探測(cè)器的熱容，G是熱導(dǎo)。溫度靈敏度輻射熱導(dǎo)與溫度噪聲功率（）熱釋電探測(cè)器只能測(cè)交變信號(hào)的原因答：熱釋電效應(yīng)：熱電晶體材料因吸收光輻射而產(chǎn)生溫升，晶體表面靜電荷變化自發(fā)極化：熱電晶體在某個(gè)方向上正負(fù)電荷中心不重合，在晶體表面形成一定極化電荷。溫度變化時(shí)，由于較大的熱脹系數(shù)引起較大形變，晶體中正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移。故熱電晶體的自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度變化（負(fù)相關(guān)）。平時(shí)，晶體面束縛電荷被中和而不顯示外電場(chǎng)。溫度上升時(shí)，自發(fā)極化強(qiáng)度減小，表面的極化電荷急劇減小，晶體表面有了“凈”電荷。若構(gòu)成回路則產(chǎn)生電流信號(hào)輸出。熱電晶體弛豫時(shí)間很短，因此熱釋電可響應(yīng)快速溫變。溫變很慢時(shí)，晶體表面束縛電荷會(huì)被自由電荷中和。故熱釋電探測(cè)器只能響應(yīng)交變光輻射、入射光輻射的調(diào)制頻率要滿足5.各探測(cè)器需要考慮的噪聲探測(cè)器噪聲公式備注測(cè)輻射熱計(jì)熱噪聲電阻阻值變化值溫度噪聲電流噪聲熱電偶?xì)W姆電阻的熱噪聲附加熱導(dǎo)輸出電壓（記憶）溫度噪聲熱電堆熱噪聲熱釋電探測(cè)器熱噪聲響應(yīng)速度比其它熱探測(cè)器快得多，不需偏壓，室溫放大器的噪聲電流溫度噪聲綜述①除測(cè)輻射熱計(jì)（熱敏電阻）外不需偏壓②探測(cè)率較低③熱釋電探測(cè)器具有較高的靈敏度和較快的響應(yīng)速度光電成像器件重點(diǎn)：CCD波形圖，要求會(huì)繪制CCD工作原理①注入：用光束直接照射P型Si-CCD襯底時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生電子空穴對(duì)，多數(shù)載流子會(huì)被柵極上所加電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)排斥到底部，少數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷包，為光注入；通過輸入端的輸入二極管和輸入柵極，把與信號(hào)成正比的電荷注入到相應(yīng)勢(shì)阱中，為電注入。②存儲(chǔ)：柵極上加正電壓，柵極襯底之間產(chǎn)生電場(chǎng)，半導(dǎo)體表面附近區(qū)域的空穴被排斥到半導(dǎo)體下部，形成耗盡區(qū)。電子會(huì)被電場(chǎng)力引入并限制在耗盡區(qū)內(nèi)。勢(shì)阱具有存儲(chǔ)電子的能力，當(dāng)電壓超過閾值時(shí)，電子濃度高于空穴形成反型層。此時(shí)，若向勢(shì)阱中注入電荷，則被注入的電荷將被存儲(chǔ)在勢(shì)阱中，形成（信號(hào)）電荷包。隨著電荷包的積累，表面勢(shì)將繼續(xù)收縮，勢(shì)阱變淺。③電荷包的轉(zhuǎn)移：通過控制各柵極的電壓來調(diào)節(jié)勢(shì)阱的深度，并利用勢(shì)阱的耦合原理來將電荷包從一個(gè)變淺勢(shì)阱中轉(zhuǎn)移到相鄰的深勢(shì)阱中。④電荷包的輸出：當(dāng)電荷包在最后一個(gè)轉(zhuǎn)移柵極下的勢(shì)阱，若CR2電極上的電壓由高變低，則勢(shì)阱收縮，電荷包將通過柵極下面的溝道進(jìn)入N+區(qū)，又迅速被拉走形成電流Id。CMOS工作原理CMOS主要由像敏單元陣列和MOS場(chǎng)效應(yīng)管集成電路。像元陣列按X和Y方向排列成方陣，可由兩個(gè)方向的地址譯碼器進(jìn)行訪問。像元列產(chǎn)生的光電信號(hào)先經(jīng)放大器放大，然后送入多路模擬開關(guān)。當(dāng)某一路模擬開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，其對(duì)應(yīng)的列放大器內(nèi)的光電信號(hào)就傳至A/D轉(zhuǎn)換器，變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)預(yù)處理器處理，經(jīng)接口電路輸出。CCD與CMOS比較①“隨機(jī)訪問（開窗）”能力：CMOS圖像采用X-Y尋址方式，可讀出任意局部畫面，而CCD采用按序讀出信號(hào)的結(jié)構(gòu)，開窗能力有限。②靈敏度、光譜響應(yīng)、噪聲特性、動(dòng)態(tài)范圍、功耗、信號(hào)讀取速率：CCD靈敏度高，具有在可見光及近紅外波段的完全響應(yīng)，CMOS則對(duì)紅光和近紅外吸收困難；CCD的噪聲可以控制在極低的水平；CCD讀出速率遠(yuǎn)低于CMOS；CCD的動(dòng)態(tài)范圍高于CMOS；CMOS的功耗低于CCD；光學(xué)信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)一次調(diào)制和二次調(diào)制的概念一次調(diào)制：將信息直接加載到光載波上二次調(diào)制：人為地按確定的規(guī)律變換載波信號(hào)調(diào)制的意義：加載信息，改善系統(tǒng)工作品質(zhì)。直接探測(cè)和相干探測(cè)光外差效應(yīng)信號(hào)光和參考光同時(shí)入射到光電探測(cè)器的光敏面上，形成干涉圖樣。光電探測(cè)器響應(yīng)兩束光的干涉光場(chǎng)，其輸出信號(hào)不僅與入射光波的強(qiáng)度有關(guān)，還和頻率相位等參數(shù)有關(guān)。相干探測(cè)特點(diǎn)：①探測(cè)能力強(qiáng)②轉(zhuǎn)換增益高③信噪比高④濾波性好⑤穩(wěn)定性和可靠性高相干探測(cè)波前條件①空間條件：信號(hào)光和本振光在空間上角準(zhǔn)直（共軸）②頻率條件：兩者具有高度單色性和頻率穩(wěn)定度③偏振條件：在光混頻器上要求信號(hào)光與參考光的偏振方向一致，或者有偏振方向相同的分量，使之可以按光束疊加規(guī)律合成。光電檢測(cè)電路與信號(hào)處理最佳源電阻匹配當(dāng)信號(hào)源的內(nèi)阻等于放大器的最佳源電阻值時(shí)，放大器對(duì)檢測(cè)電路附加的噪聲最小，稱為信號(hào)源與放大器之間達(dá)到了噪聲匹配。鎖定放大器的工作原理鎖放由信號(hào)通道、參考通道和相敏檢波三個(gè)部分組成。信號(hào)通道對(duì)混有噪聲的初始信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)噪聲做初步窄帶濾波后輸出；4參