光電檢測(cè)技術(shù)期末考試卷精彩試題大全

wordword101/101word光電器件的根本參數(shù)特性有哪些?〔響應(yīng)特性噪聲特性量子效率線性度工作溫度〕響應(yīng)特性分為電壓響應(yīng)度電流響應(yīng)度光譜響應(yīng)度積分響應(yīng)度響應(yīng)時(shí)間頻率響應(yīng)噪聲分類：熱噪聲散粒噪聲產(chǎn)生-復(fù)合噪聲1/f噪聲信噪比S/N噪聲等效功率NEP光電信息技術(shù)是以什么為根底，以什么為主體，研究和開(kāi)展光電信息的形成、傳輸、接收、變換、處理和應(yīng)用?！补怆娮訉W(xué)光電子器件〕光電檢測(cè)系統(tǒng)通常由哪三局部組成〔光學(xué)變換光電變換電路處理〕光電效應(yīng)包括哪些外光電效應(yīng)和光電效應(yīng)〕外光電效應(yīng)：物體受光照后向外發(fā)射電子——多發(fā)生于金屬和金屬氧化物。光電效應(yīng)：物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)部而不會(huì)逸出物體外部——多發(fā)生在半導(dǎo)體。光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照后，部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少的現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸面上時(shí)，會(huì)在PN結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。光電池是根據(jù)什么效應(yīng)制成的將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，按用途可分為哪幾種？〔光生伏特效應(yīng)太陽(yáng)能光電池和測(cè)量光電池〕激光的定義，產(chǎn)生激光的必要條件有什么？〔定義：激光是受激輻射的光放大粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光泵諧振腔〕熱釋電器件必須在什么樣的信號(hào)的作用下才會(huì)有電信號(hào)輸出？〔交變輻射〕CCD是一種電荷耦合器件，CCD的突出特點(diǎn)是以什么作為信號(hào)，CCD的根本功能是什么？〔電荷CCD的根本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移?！?根據(jù)檢查原理，光電檢測(cè)的方法有哪四種?！仓苯幼饔梅ú顒?dòng)測(cè)量法補(bǔ)償測(cè)量法脈沖測(cè)量法〕10、光熱效應(yīng)應(yīng)包括哪三種?！矡後岆娦?yīng)輻射熱計(jì)效應(yīng)溫差電效應(yīng)〕11、一般PSD分為兩類，一維PSD和二維PSD，他們各自用途是什么？〔一維PSD主要用來(lái)測(cè)量光點(diǎn)在一維方向的位置；二維PSD用來(lái)測(cè)定光點(diǎn)在平面上的坐標(biāo)?！?2、真空光電器件是基于什么效應(yīng)的光電探測(cè)器，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是有一個(gè)真空管，其他元件都在真空管中，真空光電器件包括哪兩類。〔外光電效應(yīng)光電管光電倍增管〕二、名詞解釋1、響應(yīng)度〔響應(yīng)度〔或稱靈敏度〕：是光電檢測(cè)器輸出信號(hào)與輸入光功率之間關(guān)系的度量?！?、信噪比〔是負(fù)載電阻上信號(hào)功率與噪聲功率之比〕3、光電效應(yīng)〔光電效應(yīng)：光照射到物體外表上使物體的電學(xué)特性發(fā)生變化?！?、亮電流〔光敏電阻兩端加電壓〔直流或交流〕。無(wú)光照時(shí)，阻值很大，電流〔暗電流〕很??；光照時(shí)，光生載流子迅速增加，阻值急劇減少，在外場(chǎng)作用下，光生載流子沿一定方向運(yùn)動(dòng)，形成亮電流?！?、光電信號(hào)的二值化處理〔將光電信號(hào)轉(zhuǎn)換成“0〞或“1〞數(shù)字量的過(guò)程稱為光電信號(hào)的二值化處理?！?、亮態(tài)前歷效應(yīng)(亮態(tài)前歷效應(yīng)是指光敏電阻測(cè)試或工作前處于亮態(tài)，當(dāng)照度與工作時(shí)所要達(dá)到的照度不同時(shí)，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象)7、熱釋電效應(yīng)〔在某些絕緣物質(zhì)中，由于溫度的變化引起極化狀態(tài)改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)〕8、暗電流9、暗態(tài)前歷效應(yīng)暗態(tài)前歷效應(yīng)是指光敏電阻測(cè)試或工作前處于暗態(tài)，當(dāng)它突然受到光照后表現(xiàn)為暗態(tài)前歷越長(zhǎng)，光電流上升越慢。三、簡(jiǎn)答1、雪崩光電二極管的工作原理〔當(dāng)光敏二極管的PN結(jié)上加相當(dāng)大的反向偏壓〔100~200V)時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng)，使進(jìn)入場(chǎng)區(qū)的光生載流子獲得足夠的能量，在與原子碰撞時(shí)可使原子電離，而產(chǎn)生新的電子—空穴對(duì)。只要電場(chǎng)足夠強(qiáng)，此過(guò)程就將繼續(xù)下去，使PN結(jié)電流急劇增加，達(dá)到載流子的雪崩倍增，這種現(xiàn)象稱為雪崩倍增效應(yīng)?！?、光生伏特效應(yīng)與光電導(dǎo)效應(yīng)的區(qū)別和聯(lián)系？〔共性：同屬于光電效應(yīng)。區(qū)別：光生伏特效應(yīng)是少數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)，而光電導(dǎo)效應(yīng)是多數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)?！呈裁词敲舾衅鳎棵舾衅髋c傳感器的區(qū)別和聯(lián)系？〔將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為可用非電量的器件。共性：對(duì)被測(cè)非電量進(jìn)展轉(zhuǎn)換。區(qū)別：敏感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為可用非電量，傳感器是把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電量〕發(fā)光二極管的工作原理?！苍赑N結(jié)附近，N型材料中的多數(shù)載流子是電子，P型材料中的多數(shù)載流子是空穴，PN結(jié)上未加電壓時(shí)構(gòu)成一定的勢(shì)壘，當(dāng)加上正向偏壓時(shí)，在外電場(chǎng)作用下，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子就向?qū)Ψ綌U(kuò)散運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成少數(shù)載流子的注入，從而在PN結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的復(fù)合。一個(gè)電子和一個(gè)空穴對(duì)每一次復(fù)合，將釋放出與材料性質(zhì)有關(guān)的一定復(fù)合能量，這個(gè)能量會(huì)以熱能、光能、或局部熱能和局部光能的形式輻射出來(lái)。說(shuō)明電子器件與熱電器件的特點(diǎn)。光子器件熱電器件響應(yīng)波長(zhǎng)有選擇性，一般有截止波長(zhǎng)，超過(guò)該波長(zhǎng)，器件無(wú)響應(yīng)。響應(yīng)波長(zhǎng)無(wú)選擇性，對(duì)可見(jiàn)光到遠(yuǎn)紅外的各種波長(zhǎng)的輻射同樣敏感響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號(hào)需要的時(shí)間短，一般為納秒到幾百微秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒PIN型的光電二極管的結(jié)構(gòu)、工作原理與特點(diǎn)〔它的結(jié)構(gòu)分三層，即P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著較厚的本征半導(dǎo)體I層，它是用高阻N型硅片做I層，然后把它的兩面拋光，再在兩面分別作N+和P+雜質(zhì)擴(kuò)散，在兩面制成歐姆接觸而得到PIN光電二極管。原理：層很厚，對(duì)光的吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料部被充分吸收而產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，因而大幅度提供了光電轉(zhuǎn)換效率，從而使靈敏度得以很高。兩側(cè)P層和N層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個(gè)耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度。特點(diǎn)：PIN管的最大特點(diǎn)是頻帶寬，可達(dá)10GHz。缺點(diǎn):由于I層的存在，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安?！碂彷椛錂z測(cè)器通常分為哪兩個(gè)階段？哪個(gè)階段能夠產(chǎn)生熱電效應(yīng)。〔第一步：是熱探測(cè)器吸收紅外輻射引起溫升，這一步對(duì)各種熱探測(cè)器都一樣；第二步：利用熱探測(cè)器某些溫度效應(yīng)把溫升轉(zhuǎn)換為電量的變化。第二階段〕8、光電檢測(cè)系統(tǒng)由哪幾局部組成？作用分別是什么？〔#光學(xué)變換時(shí)域變換：調(diào)制振幅、頻率、相位、脈寬空域變換：光學(xué)掃描光學(xué)參量調(diào)制：光強(qiáng)、波長(zhǎng)、相位、偏振形成能被光電探測(cè)器接收，便于后續(xù)電學(xué)處理的光學(xué)信息。#光電變換光電/熱電器件〔傳感器〕、變換電路、前置放大將信息變?yōu)槟軌蝌?qū)動(dòng)電路處理系統(tǒng)的電信息〔電信號(hào)的放大和處理〕。#電路處理放大、濾波、調(diào)制、解調(diào)、A/D、D/A、微機(jī)與接口、控制?！?、簡(jiǎn)述光電檢倍增管的結(jié)構(gòu)組成和工作原理〔光電倍增管主要由入射窗口、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)、和陽(yáng)極5局部組成。1光照射到陰極轉(zhuǎn)換成電子，出射到下一電極。2電子撞到下一電極，倍增，更多的電子出射，直奔下一電極。.3經(jīng)過(guò)假如干次倍增，到達(dá)陽(yáng)極，形成信號(hào)電流。〕10簡(jiǎn)述CCD器件的結(jié)構(gòu)和工作原理〔MOS電容器件+輸入輸出端=CCDCcd的工作原理：由目標(biāo)發(fā)射來(lái)的光學(xué)圖像，經(jīng)透鏡聚焦后成像在CCD的像敏單元上；在耗盡層中或距耗盡層為一定圍的光生電子迅速被勢(shì)阱收集，聚集到界面附近形成電荷包，存儲(chǔ)在像敏單元中。電荷包的大小與光強(qiáng)和積分時(shí)間成正比。電荷包在時(shí)鐘脈沖作用下，由轉(zhuǎn)移存放器讀出。即在ＣＣＤ柵極上施加按一定規(guī)律變化、大小超過(guò)閾值的電壓，如此在半導(dǎo)體外表形成不同深淺的勢(shì)阱。勢(shì)阱用于存儲(chǔ)信號(hào)電荷，其深度同步于信號(hào)電壓變化，使阱信號(hào)電荷沿半導(dǎo)體外表傳輸，最后從輸出二極管送出視頻信號(hào)?！?1、簡(jiǎn)述熱電偶的工作原理〔熱電偶工作原理是基于賽貝克(seeback)效應(yīng),即兩種不同成分的導(dǎo)體兩端連接成回路，如兩連接端溫度不同，如此在回路產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象。〕12、光電二極管的工作模式有哪幾種？都分別用于什么場(chǎng)合？四、分析1、根據(jù)電路說(shuō)明光電耦合器的作用。B1B2+12V1K4N25Q11+12V1K4N25Q11U16.2KY1U16.2K30G6Y233K33K30G6Q12Q122、分析下面電路的工作過(guò)程Cd5220VCd5220V五、應(yīng)用題1、舉例說(shuō)明脈沖方法測(cè)量長(zhǎng)度的原理。〔被測(cè)物體L在傳送帶上以速度v前進(jìn)，光電傳感器將物體的長(zhǎng)度L轉(zhuǎn)換成脈沖來(lái)開(kāi)啟門(mén)電路，計(jì)數(shù)器將計(jì)下與脈寬對(duì)應(yīng)的高頻脈沖數(shù)N，如此L=vt=vkN=KN)2、舉例說(shuō)明補(bǔ)償測(cè)量方法的原理〔補(bǔ)償測(cè)量法是通過(guò)調(diào)整一個(gè)或幾個(gè)與被測(cè)物理量有平衡關(guān)系〔或其值〕的同類標(biāo)準(zhǔn)物理量，去抵消〔或補(bǔ)償〕被測(cè)物理量的作用，使系統(tǒng)處于補(bǔ)償或平衡狀態(tài)。處于補(bǔ)償狀態(tài)的測(cè)量系統(tǒng)，被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量具有確定的關(guān)系，由此可測(cè)得被測(cè)量值，這種方法稱為補(bǔ)償法。〕。3、舉例說(shuō)明象限探測(cè)器的應(yīng)用?！菜南笙尢綔y(cè)器主要被用于激光準(zhǔn)直、二維方向上目標(biāo)的方位定向、位置探測(cè)等領(lǐng)域。〕如下圖為簡(jiǎn)單的激光準(zhǔn)直原理圖。用單模激光器作光源。因?yàn)樗泻苄〉墓馐l(fā)散角，又有圓對(duì)稱界面的光強(qiáng)分布，很有利于作準(zhǔn)直用。圖中激光射出的光束用倒置望遠(yuǎn)系統(tǒng)L進(jìn)展擴(kuò)束，倒置望遠(yuǎn)系統(tǒng)角放大率小，于是光束發(fā)散角進(jìn)一步壓縮，射出接近平行的光束投向四象限管，形成一圓形亮斑。光電池AC、BD兩兩接成電橋，當(dāng)光束準(zhǔn)直時(shí)，亮斑中心與四象限管十字溝道重合，此時(shí)電橋輸出信號(hào)為零。假如亮斑沿上下左右有偏移時(shí)，兩對(duì)電橋就相應(yīng)于光斑偏離方向而輸出電信號(hào)。哪個(gè)探測(cè)器被照亮斑的面積大，輸出信號(hào)也大。這種準(zhǔn)直儀可用于各種建筑施工場(chǎng)合作為測(cè)量基準(zhǔn)線。4、舉例說(shuō)明光敏電阻的應(yīng)用〔舉例一：照明燈的光電控制電路根本功能：根據(jù)自然光的情況決定是否開(kāi)燈。根本結(jié)構(gòu)：整流濾波電路；光敏電阻與繼電器控制；觸電開(kāi)關(guān)執(zhí)行電路。根本原理：光暗時(shí)，光敏電阻的阻值很高，繼電器關(guān)，燈亮；光亮?xí)r，光敏電阻阻值降低，繼電器工作，燈關(guān)。舉例二：把光敏電阻裝在大門(mén)上汽車燈光能照到的地方，把帶動(dòng)大門(mén)的電動(dòng)機(jī)接在干簧管的電路中，那么夜間汽車開(kāi)到大門(mén)前，燈光照射光敏電阻時(shí)，干簧繼電器接通電動(dòng)機(jī)電路，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)大門(mén)打開(kāi)。舉例三：天明告知裝置〕電子科技大學(xué)二零零七至二零零八學(xué)年第一學(xué)期期末考試光電檢測(cè)技術(shù)課程考試題B卷〔120分鐘〕考試形式：開(kāi)卷考試日期2009年6月12日課程成績(jī)構(gòu)成：平時(shí)20分，期中分，實(shí)驗(yàn)分，期末80分一二三四五六七八九十合計(jì)一、填空題〔每空一分，共15分〕1、入射光在兩介質(zhì)分界面的反射率與〔〕有關(guān)。2、本征硅的禁帶寬度Eg＝1.2eV，如此該半導(dǎo)體材料的本征吸收長(zhǎng)波限為〔〕。3、某一干預(yù)儀的最高頻率為20MHz，選用探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)應(yīng)小于〔〕。4、溫度越高，熱輻射的波長(zhǎng)就〔〕。5、光電檢測(cè)是以光信息的變換為根底，它有〔〕和〔〕兩種根本工作原理。6、光電探測(cè)器的物理效應(yīng)通常分為〔〕、〔〕、〔〕。7、光電檢測(cè)系統(tǒng)主要由〔〕、〔〕、〔〕和〔〕。8、光電三極管的增益比光電二極管〔〕，但其線性圍比光電二極管〔〕。二、判斷題〔每題一分，共１０分〕1、PIN管的頻率特性比普通光電二極管好?！病?、提高載流子平均壽命能同時(shí)提高光電導(dǎo)器件的增益與其截止頻率?！病?、有基極引線光電三極管可作為光電二極管和無(wú)基極引線光電三極管使用?！病?、對(duì)光源進(jìn)展調(diào)制即可消除光源波動(dòng)與背景光干擾的影響。〔〕5、光電二極管陣列中各單元面積減小，如此其信號(hào)電流和暗電流同比例減小。〔〕6、陣列器件輸出的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)?！病?、光敏電阻受溫度影響大，通常工作在低溫環(huán)境下工作。〔〕8、在微弱輻射作用下，光電導(dǎo)材料的光電靈敏度越高?！病?、光電探測(cè)器件輸出的信號(hào)只有比噪聲大時(shí)，測(cè)量才能進(jìn)展?！病?0、光電池的頻率特性很好?！病橙?、簡(jiǎn)答題〔每一小題6分，共30分〕總結(jié)原子自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射三個(gè)過(guò)程的根本特征。2、半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管在結(jié)構(gòu)上、發(fā)光機(jī)理和工作特性上有什么不同？3、說(shuō)明為什么本征光電導(dǎo)器件在微弱的輻射作用下，時(shí)間顯影越長(zhǎng)，靈敏度越高。4、硅光電池的阻與哪些因素有關(guān)?在什么條件下硅光電池的輸出功率最大?5、光電三極管和普通三極管有什么不同？為什么說(shuō)光電三極管比光電二極管的輸出電流可以大很多倍？四、論述題〔45分〕試從工作原理和系統(tǒng)性能兩個(gè)方面比擬直接探測(cè)和外差探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)。(10分)寫(xiě)出硅光電二極管的全電流方程，說(shuō)明各項(xiàng)物理意義。〔10分〕3、試問(wèn)圖1-1(a)和圖1-1(b)分別屬哪一種類型偏置電路？為什么？分別寫(xiě)出輸出電壓U0的表達(dá)式。(12分)(a)(b)圖1-1光敏電阻偏置電路闡述用差動(dòng)法檢測(cè)溶液濃度的工作原理與工作過(guò)程?！?3分〕理工大學(xué)考試試題紙〔A卷〕課程名稱光電技術(shù)專業(yè)班級(jí)光信科0501~0503題號(hào)一二三四五六七八九十總分題分1515101010151510100備注：學(xué)生不得在試題紙上答題(含填空題、選擇題等客觀題)名詞解釋(每一小題3分，總共15分)1.坎德拉(Candela,cd)2.外光電效應(yīng)3.量子效率4.象增強(qiáng)管5.本征光電導(dǎo)效應(yīng)填空題(每一小題3分，總共15分)1.光電信息變換的根本形式、、、、、。2.光電倍增管是一種真空光電器件，它主要由、、、和組成。3.發(fā)光二極管(LED)是一種注入電致發(fā)光器件，他由P型和N型半導(dǎo)體組合而成。其發(fā)光機(jī)理可以分為和。4.產(chǎn)生激光的三個(gè)必要條件是。RpReRpReRbVDWUbb=12VUo圖1三、如圖1所示的電路中，Rb=820Ω,ReΩ,UW=4V，光敏電阻為Rp,當(dāng)光照度為40lx時(shí)，輸出電壓為6V，80lx是為9V。設(shè)光敏電阻在30~100之間的γ值不變。試求：(1)輸出電壓為8V時(shí)的照度；〔2〕假如增加到6KΩ，輸出電壓仍然為8V，求此時(shí)的照度；(3)輸出電壓為8V時(shí)的電壓靈敏度。如果硅光電池的負(fù)載為RL。(10分)(1)、畫(huà)出其等效電路圖；(2)、寫(xiě)出流過(guò)負(fù)載的電流方程與開(kāi)路電壓和短路電流；(3)、標(biāo)出等效電路圖中電流方向。簡(jiǎn)述PIN光電二極管的工作原理。為什么PIN管比普通光電二極管好？(10分)1200V負(fù)高壓供電，具有11級(jí)倍增的光電倍增管，假如倍增管的陰極靈敏度SK為20uA/lmLx，陰極有效面積為2cm2，各倍增極二次發(fā)射系數(shù)均相等()，光電子的收集率為，各倍增極的電子收集率為。(提示增益可以表示為)(15分)計(jì)算光電倍增管的放大倍數(shù)和陽(yáng)極電流。設(shè)計(jì)前置放大電路，使輸出的信號(hào)電壓為200mV，求放大器的有關(guān)參數(shù)，并畫(huà)出原理圖。簡(jiǎn)述CCD的兩種根本類型，畫(huà)出用線陣CCD測(cè)量微小物體(小于100微米)原理簡(jiǎn)圖，并分析測(cè)量原理。(15分)一InGaAsAPD管在倍增因子M=1，入射波長(zhǎng)為1550nm時(shí)的量子效率＝60％，加偏置電壓工作時(shí)的倍增因子M=12。(10分)1.如果入射功率為20nW，APD管的光電流為多少？2.倍增因子為12時(shí)，APD管的光譜響應(yīng)度為多少？光電技術(shù)A卷參考答案一、名詞解釋1.坎德拉(Candela,cd)：發(fā)光頻率為540×10Hz的單色輻射，在給定方向上的輻射強(qiáng)度為1/683Wsr-1時(shí)，在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1cd。2.外光電效應(yīng)：當(dāng)光照射某種物質(zhì)時(shí)，假如入射的光子能量hv足夠大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，致使電子逸出物質(zhì)外表，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)，又稱外光電效應(yīng)。3.量子效率：一定波長(zhǎng)的光子入射到光電陰極時(shí)，該陰極所發(fā)射的光電子數(shù)與入射的光子數(shù)之比值。4.象增強(qiáng)管：把微弱的輻射圖像增強(qiáng)到可使人直接觀察的真空光電成像器件。5.本征光電導(dǎo)效應(yīng)：本征半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子吸收光子能量躍入導(dǎo)帶，產(chǎn)生本征吸收，導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生自由電子，價(jià)帶中產(chǎn)生光生自由空穴，使得材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象。二、填空題1.信息載荷于光源的方式信息載荷于透明體的方式、信息載荷于反射光的方式、信息載荷于遮擋光的方式、信息載荷于光學(xué)量化器的方式和光通信方式的信息變換。2.光入射窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、倍增極和陽(yáng)極。3.PN結(jié)注入發(fā)光，異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光。4、5、四、根據(jù)圖示為恒流偏置電路，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流滿足穩(wěn)壓管的工作條件(1)當(dāng)4V時(shí)，由得輸出電壓為6伏時(shí)電阻6K，輸出電壓為9伏時(shí)電阻3K，故=1；輸出電壓為8V時(shí)，光敏電阻的阻值為=4K，帶入，解得E=60lx〔2〕與上面〔1〕中類似，求出照度E=34lx(3)電路的電壓靈敏度五、(1)光電池的等效電路圖(2)流過(guò)負(fù)載電阻的電流方程短路電流的表達(dá)式開(kāi)路電壓的表達(dá)式(3)電流方向如下列圖六、當(dāng)光照射p－n結(jié)，只要人射光子能量大于材料禁帶寬度，就會(huì)在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子－空穴對(duì)。這些非平衡載流子在建電場(chǎng)的作用下，空穴順電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，電子逆電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，在開(kāi)路狀態(tài)，最后在n區(qū)邊界積累光電子，p區(qū)積累光生空穴，產(chǎn)生一個(gè)與建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。光電二極管在正偏置時(shí)，呈單向?qū)щ娦?，沒(méi)有光電效應(yīng)產(chǎn)生，只有在反偏置或零偏置時(shí)，才產(chǎn)生明顯的光電效應(yīng)。其根本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)p-n結(jié)，屬于結(jié)型光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射時(shí)，滿足條件hv>Eg,如此在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流子將被建電場(chǎng)拉開(kāi)，于是在外電場(chǎng)的作用下形成了以少數(shù)載流子漂移為主的光電流，顯然，光電流比無(wú)光照射時(shí)的反向飽和電流大的多，如果光照越強(qiáng)，表示在同樣條件下產(chǎn)生的光生載流子越多，光電流就越大，反之，如此光電流越小。對(duì)于PIN管，由于I層的存在，使擴(kuò)散區(qū)不會(huì)到達(dá)基區(qū)，從而減少了或根本不存在少數(shù)載流子通過(guò)擴(kuò)散區(qū)的擴(kuò)散時(shí)間，而I層工作在反向，實(shí)際是一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)，對(duì)少子起加速的作用。即使I層較厚，對(duì)少子的度越時(shí)間影響也不大，即提高了頻率響應(yīng)。同時(shí)，反偏下，耗盡層較無(wú)I層時(shí)要大的多，從而使結(jié)電容下降，也提高了頻率響應(yīng)。七、CCD有兩種根本類型：一種是電荷包存貯在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?，這類器件稱為外表溝道電荷耦合器件〔SCCD〕；另一種是電荷包存貯在離半導(dǎo)體外表一定深度的體，并在半導(dǎo)體沿一定方向傳輸，這類稱為體溝道或埋溝道電荷耦合器件〔BCCD〕。原理：當(dāng)滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件L﹥﹥d2/λ時(shí)，根據(jù)夫瑯和費(fèi)衍射公式可得到d=Kλ/Sinθ(1)當(dāng)θ很小時(shí)〔即L足夠大時(shí)〕Sinθ≈tgθ=Xk/L代入〔1〕式得d===…………..(2)S——暗紋周期，S=XK/K是相等的，如此測(cè)細(xì)絲直徑d轉(zhuǎn)化為用CCD測(cè)S測(cè)量簡(jiǎn)圖八(1)SolutionTheresponsivityatM=1intermsofthequantumefficiencyis(2)IfIphoistheprimaryphotocurrentand0istheincidentopticalpowerthenbydefinitionsothat1、光源選擇的根本要求有哪些?答：①源發(fā)光的光譜特性必須滿足檢測(cè)系統(tǒng)的要求。按檢測(cè)的任務(wù)不同，要求的光譜圍也有所不同，如可見(jiàn)光區(qū)、紫外光區(qū)、紅外光區(qū)等等。有時(shí)要求連續(xù)光譜，有時(shí)又要求特定的光譜段。系統(tǒng)對(duì)光譜圍的要求都應(yīng)在選擇光源時(shí)加以滿足。②光對(duì)光源發(fā)光強(qiáng)度的要求。為確保光電測(cè)試系統(tǒng)的正常工作，對(duì)系統(tǒng)采用的光源的發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)有一定的要求。光源強(qiáng)度過(guò)低，系統(tǒng)獲得信號(hào)過(guò)小，以至無(wú)常測(cè)試，光源強(qiáng)度過(guò)高，又會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作的非線性，有時(shí)還可能損壞系統(tǒng)、待測(cè)物或光電探測(cè)器，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致不必要的能源消耗而造成浪費(fèi)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)探測(cè)器所需獲得的最大、最小光適量進(jìn)展正確估計(jì)，并按估計(jì)來(lái)選擇光源。③對(duì)光源穩(wěn)定性的要求。不同的光電測(cè)試系統(tǒng)對(duì)光源的穩(wěn)定性有著不同的要求。通常依不同的測(cè)試量來(lái)確定。穩(wěn)定光源發(fā)光的方法很多，一般要求時(shí)，可采用穩(wěn)壓電源供電。當(dāng)要求較高時(shí)，可采用穩(wěn)流電源供電。所用的光源應(yīng)該預(yù)先進(jìn)展月化處理。當(dāng)有更高要求時(shí)，可對(duì)發(fā)出光進(jìn)展采樣，然后再反應(yīng)控制光源的輸出。④對(duì)光源其他方面的要求。光電測(cè)試中光源除以上幾條根本要求外；還有一些具體的要求。如燈絲的結(jié)構(gòu)和形狀；發(fā)光面積的大小和構(gòu)成；燈泡玻殼的形狀和均勻性；光源發(fā)光效率和空間分布等等，這些方面都應(yīng)該根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的要求給以滿足2、光電倍增管的供電電路分為負(fù)高壓供電與正高壓供電，試說(shuō)明這兩種供電電路的特點(diǎn)，舉例說(shuō)明它們分別適用于哪種情況?答：采用陽(yáng)極接地，負(fù)高壓供電。這樣陽(yáng)極輸出不需要隔直電容，可以直流輸出，一般陽(yáng)極分布參數(shù)也較小。可是在這種情況下，必須保證作為光屏蔽和電磁屏蔽的金屬筒距離管殼至少要有10～20mm，否如此由于屏蔽筒的影響，可能相當(dāng)增加陽(yáng)極暗電流和噪聲。如果靠近管殼處再加一個(gè)屏蔽罩，并將它連接到陰極電位上，如此要注意安全。采用正高壓電源就失去了采用負(fù)高壓電源的優(yōu)點(diǎn)，這時(shí)在陽(yáng)極上需接上耐高壓、噪聲小的隔直電容，因此只能得到交變信號(hào)輸出。可是，它可獲得比擬低和穩(wěn)定的暗電流和噪聲3、在微弱輻射作用下，光電導(dǎo)材料的光電靈敏度有什么特點(diǎn)，？為什么要把光敏電阻制造成蛇形？答：在微弱輻射下，光電導(dǎo)材料的光電靈敏度是定值，光電流與入射光通量成正比，即保持線性關(guān)系。因?yàn)楫a(chǎn)生高增益系數(shù)的光敏電阻電極間距需很小〔即tdr小〕，同時(shí)光敏電阻集光面積如果太小而不實(shí)用，因此把光敏電阻制造成蛇形，既增大了受光面積，又減小了極間距。為什么結(jié)型光電器件在正向偏置時(shí)，沒(méi)有明顯的光電效應(yīng)？它必須在那種偏置狀態(tài)？為什么？答：因?yàn)閜-n結(jié)在外加正向偏壓時(shí)，即使沒(méi)有光照，電流也隨著電壓指數(shù)級(jí)在增加，所以有光照時(shí)，光電效應(yīng)不明顯。p-n結(jié)必須在反向偏壓的狀態(tài)下，有明顯的光電效應(yīng)產(chǎn)生，這是因?yàn)閜-n結(jié)在反偏電壓下產(chǎn)生的電流要飽和，所以光照增加時(shí)，得到的光生電流就會(huì)明顯增加。二~論述光電檢測(cè)系統(tǒng)的根本構(gòu)成，并說(shuō)明各局部的功能。1、下面是一個(gè)光電檢測(cè)系統(tǒng)的根本構(gòu)成框圖：光源和照明光學(xué)系統(tǒng)：是光電檢測(cè)系統(tǒng)中必不可少的一局部。在許多系統(tǒng)中按需要選擇一定輻射功率、一定光譜圍和一定發(fā)光空間、分布的光源，以此發(fā)出的光束作為載體攜帶被測(cè)信息?！?〕被測(cè)對(duì)象與光學(xué)變換：這里所指的是上述光源所發(fā)出的光束在通過(guò)這一環(huán)節(jié)時(shí)，利用各種光學(xué)效應(yīng)，如反射、吸收、折射、干預(yù)、衍射、偏振等，使光束攜帶上被檢測(cè)對(duì)象的特征信息，形成待檢測(cè)的光信號(hào)。光學(xué)變換通常是用各種光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光參量〔振幅、頻率、相位、偏振態(tài)、傳播方向變化等〕。3〕光信號(hào)的匹配處理：這一工作環(huán)節(jié)的位置可以設(shè)置在被檢測(cè)對(duì)象前面，也可設(shè)在光學(xué)變換后面，應(yīng)按實(shí)際要求來(lái)決定。光信號(hào)匹配處理的主要目的是為了更好地獲得待測(cè)量的信息，以滿足光電轉(zhuǎn)換的需要?！?〕光電轉(zhuǎn)換：該環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)的核心局部。其主要作用是以光信號(hào)為媒質(zhì)，以光電探測(cè)器為手段，將各種經(jīng)待測(cè)量調(diào)制的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)〔電流、電壓或頻率〕，以利于采用目前最為成熟的電子技術(shù)進(jìn)展信號(hào)的放大、處理、測(cè)量和控制等。〔5〕電信號(hào)的放大與處理：這一局部主要是由各種電子線路所組成。光電檢測(cè)系統(tǒng)中處理電路的任務(wù)主要是解決兩個(gè)問(wèn)題：①實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)；②實(shí)現(xiàn)光源的穩(wěn)定化?！?〕存儲(chǔ)、顯示與控制系統(tǒng)：許多光電檢測(cè)系統(tǒng)只要求給出待測(cè)量的具體值，即將處理好的待測(cè)量電信號(hào)直接經(jīng)顯示系統(tǒng)顯示。2、在“反向偏置〞電路中，有兩種取得輸出電壓U0的方法：一種是從負(fù)載電阻RL上取得電壓U0，另一種是從二極管兩端取得電壓U0。表示兩種方法的特點(diǎn)與它們之間的聯(lián)系?！?0分〕(1)對(duì)于圖a〕所示的電路，光電信號(hào)是直接取出的，即U0=ILRL，而對(duì)于b〕圖，光電信號(hào)是間接取出的，U0=UC-ILRL；(2)兩種電路輸出的光電信號(hào)電壓的幅值相等，但相位是相反的；(3)這兩種方法只適合照射到P—N結(jié)上的光強(qiáng)變化緩慢和恒定光的情況，這時(shí)光電二極管的結(jié)電容不起作用，二極管本身的串聯(lián)電阻很小，實(shí)際上可以略去不計(jì)。(4)當(dāng)二極管的光電流與暗電流接近時(shí)，光電信號(hào)難以取出，因此，運(yùn)用反偏法檢測(cè)微弱的恒定光時(shí)不利的。3、如果硅光電池的負(fù)載為RL，畫(huà)出它的等效電路圖，寫(xiě)出流過(guò)負(fù)載IL的電流方程與Uoc、Isc的表達(dá)式，說(shuō)明其含義〔圖中標(biāo)出電流方向〕?！?2分硅光電池的工作原理和等效電路為如下圖：光電池工作原理圖〔b〕光電池等效電路圖〔c〕進(jìn)一步簡(jiǎn)化從圖〔b〕中可以得到流過(guò)負(fù)載RL的電流方程為：〔1〕其中，SE為光電池的光電靈敏度，E為入射光照度，Is0是反向飽和電流，是光電池加反向偏壓后出現(xiàn)的暗電流。當(dāng)i＝0時(shí)，RL＝∞〔開(kāi)路〕，此時(shí)曲線與電壓軸交點(diǎn)的電壓通常稱為光電池開(kāi)路時(shí)兩端的開(kāi)路電壓，以VOC表示，由式〔1〕解得：〔2〕〔4分〕當(dāng)Ip》Io時(shí)，當(dāng)RL＝0〔即特性曲線與電流軸的交點(diǎn)〕時(shí)所得的電流稱為光電流短路電流，以Isc表示，所以Isc＝Ip＝Se·E〔3〕〔4分〕從式〔2〕和〔3〕可知，光電池的短路光電流Isc與入射光照度成正比，而開(kāi)路電壓Voc與光照度的對(duì)數(shù)成正比。1、為什么發(fā)光二極管的PN結(jié)要加正向電壓才能發(fā)光？而光電二極管要零偏或反偏才能有光生伏特效應(yīng)？答：1.p-n結(jié)在外加正向偏壓時(shí),外加電壓削弱建電場(chǎng),使空間電荷區(qū)變窄,載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng),構(gòu)成少數(shù)載流子的注入,從而在p-n結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的復(fù)合。一個(gè)電子和一個(gè)空穴的一次復(fù)合將釋放出與材料性質(zhì)有關(guān)的一定復(fù)合能量，這些能量會(huì)以熱能、光能或局部熱能和局部光能的形式輻射出來(lái)，產(chǎn)生電致發(fā)光現(xiàn)象，這就是LED的發(fā)光機(jī)理。因?yàn)閜-n結(jié)在外加正向偏壓時(shí)，即使沒(méi)有光照，電流也隨著電壓指數(shù)級(jí)在增加，所以有光照時(shí)，光電效應(yīng)不明顯。p-n結(jié)必須在反向偏壓的狀態(tài)下，有明顯的光電效應(yīng)產(chǎn)生，這是因?yàn)閜-n結(jié)在反偏電壓下產(chǎn)生的電流要飽和，所以光照增加時(shí)，得到的光生電流就會(huì)明顯增加。2、簡(jiǎn)述三種主要光電效應(yīng)的根本工作原理答：當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，由于對(duì)光子的吸收引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)，是一種光電效應(yīng)。材料對(duì)光的吸收有本征型和非本征型，所以光電導(dǎo)效應(yīng)也有本征型和非本征型兩種。當(dāng)光照射PN結(jié)時(shí)，只要入射光子能量大于材料禁帶寬度，就會(huì)在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子－空穴對(duì)。光生電子——空穴對(duì)就被建電場(chǎng)別離開(kāi)來(lái)，空穴留在P區(qū)，電子通過(guò)擴(kuò)散流向N區(qū),這種光照零偏PN結(jié)產(chǎn)生開(kāi)路電壓的效應(yīng)，稱為光伏效應(yīng).當(dāng)光照射到某種物質(zhì)時(shí)，假如入射的光子能量足夠大，那么它和物質(zhì)中的電子相互作用，可致使電子逸出物質(zhì)外表，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)，又稱為外光電效應(yīng)。3、光電探測(cè)器與熱電探測(cè)器在工作原理、性能上有什么區(qū)別？答：所謂光電效應(yīng)是指，光輻射入射到光電材料上時(shí)，光電材料發(fā)射電子，或者其電導(dǎo)率發(fā)生變化，或者產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。光電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是入射光輻射與物質(zhì)中束縛于晶格的電子或自由電子的相互作用所引起的。光電效應(yīng)就對(duì)光波頻率〔或波長(zhǎng)〕表現(xiàn)出選擇性。在光子直接與電子相互作用的情況下，其響應(yīng)速度一般比擬快。按照是否發(fā)射電子，光電效應(yīng)又分為光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。具體有光電子發(fā)射效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、光子牽引效應(yīng)和光電磁效應(yīng)等。光熱效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是探測(cè)元件吸收光輻射能量后，并不直接引起部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量，引起探測(cè)元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測(cè)元件與溫度有關(guān)的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。原如此上，光熱效應(yīng)對(duì)光波頻率〔或波長(zhǎng)〕沒(méi)有選擇性，因而物質(zhì)溫度的變化僅決定于光功率〔或其變化率〕，而與入射光輻射的光譜成分無(wú)關(guān)。因?yàn)闇囟壬呤菬岱e累的作用，所以光熱效應(yīng)的響應(yīng)速度一般比擬慢，而且容易受環(huán)境溫度變化的影響。光熱效應(yīng)包括熱釋電效應(yīng)、溫差電效應(yīng)和測(cè)熱輻射計(jì)效應(yīng)等4、簡(jiǎn)述光電探測(cè)器的選用原如此答：(1).光電檢測(cè)器件必須和輻射信號(hào)源與光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上匹配。(2)光電檢測(cè)器件的光電轉(zhuǎn)換特性必須和入射輻射能量相匹配。(3)光電檢測(cè)器件的響應(yīng)特性必須和光信號(hào)的調(diào)制形式、信號(hào)頻率與波形相匹配，以保證得到?jīng)]有頻率失真和良好的時(shí)間響應(yīng)。(4)光電檢測(cè)器件必須和輸入電路以與后續(xù)電路在電特性上相互匹配，以保證最大的轉(zhuǎn)換系數(shù)、線性圍、信噪比以與快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。5、簡(jiǎn)述光電池、光電二極管的工作原理與區(qū)別？答：光電池和光電二極管都是基于光伏特效應(yīng)的原理進(jìn)展工作,只不過(guò)光電池可以工作在零偏狀態(tài)下,是光伏工作模式,器件阻遠(yuǎn)低于負(fù)載電阻,相當(dāng)于一個(gè)恒壓源;而光電二極管必須在反偏電壓下才能工作,是光電導(dǎo)工作模式,器件阻遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻,此時(shí)器件相當(dāng)于一個(gè)恒流源.1、表示光電池低輸入阻抗和高輸入阻抗放大電路的特點(diǎn)和區(qū)別，各應(yīng)用于什么場(chǎng)合？(10分)答：當(dāng)光電池后接低輸入阻抗放大電路時(shí)，其工作在短路或線性電流放大狀態(tài)，這是一種電流變換狀態(tài)，要求硅光電池送給負(fù)載電阻RL〔這時(shí)RL<Rm，且RL→0〕的電流與光照度成線性關(guān)系。如果需要放大信號(hào)，如此應(yīng)選用電流放大器。為此要求負(fù)載電阻或后續(xù)放大電路輸入阻抗盡可能小，才能使輸出電流盡可能大，即接近短路電流Isc，因?yàn)橹挥卸搪冯娏鞑排c入射光照度有良好的線性關(guān)系。另外，在短路狀態(tài)下器件的噪聲電流較低，信噪比得到改善，因此適用于弱光信號(hào)的檢測(cè)。當(dāng)光電池后接高輸入阻抗放大電路時(shí)，其工作在線性電壓輸出和空載電壓輸出〔開(kāi)路電壓輸出〕狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載電阻很小甚至接近于零的時(shí)候，電路工作在短路與線性電流放大狀態(tài)；而當(dāng)負(fù)載電阻稍微增大，但小于臨界負(fù)載電阻Rm時(shí)，電路就處于線性電壓輸出狀態(tài)，此時(shí)RL<Rm，這種工作狀態(tài)下，在串聯(lián)的負(fù)載電阻上能夠得到與輸入光通量近似成正比的信號(hào)電壓，增大負(fù)載電阻有助于提高電壓，但能引起輸出信號(hào)的非線性畸變。工作在線性電壓放大區(qū)的光電池在與放大器連接時(shí)，宜采用輸入阻抗高的電壓放大器。空載電壓輸出是一種非線性電壓變換狀態(tài)，此時(shí)RL>Rm且RL→∞，要求光電池應(yīng)通過(guò)高輸入阻抗變換器與后續(xù)放大電路連接，相當(dāng)于輸出開(kāi)路。2、光敏電阻工作電路的三種偏置方法有什么特點(diǎn)？(10分)答：(1)恒功率偏置:輸出電壓并不隨負(fù)載電阻線性變化，要使最大，須將式對(duì)RL微分，有當(dāng)負(fù)載RL與光敏電阻RP相等時(shí)，即RL=RP，表示負(fù)載匹配，＝0，如此最大。此時(shí)探測(cè)器的輸出功率最大，即PL=ILULUb2/4RL如此稱為匹配狀態(tài)。(2)恒流偏置:在根本偏置電路中，假如負(fù)載電阻RL比光敏電阻RP大得多，即RL>>RP，如此負(fù)載電流IL簡(jiǎn)化為IL=Ub/RL這明確負(fù)載電流與光敏電阻值無(wú)關(guān)，并且近似保持常數(shù)，這種電路稱為恒流偏置電路。隨輸入光通量ΔΦ的變化，負(fù)載電流的變化ΔIL變?yōu)镮L=SgUb(RP/RL)2Φ上式明確輸出信號(hào)電流取決于光敏電阻和負(fù)載電阻的比值，與偏置電壓成正比。還可以證明恒流偏置的電壓信噪比擬高，因此適用于高靈敏度測(cè)量。但由于RL很大，使光敏電阻正常工作的偏置電壓如此需很高〔100V以上〕，這給使用帶來(lái)不便。為了降低電源電壓，通常采用晶體管作為恒流器件來(lái)代替RL。(3)當(dāng)負(fù)載電阻RL比光敏電阻RP小得多，即RL<<RP時(shí)，負(fù)載電阻兩端的電壓為UL≈0此時(shí)，光敏電阻上的電壓近似與電源電壓相等。這種光敏電阻上的電壓保持不變的偏置稱為恒壓偏置，信號(hào)電壓變?yōu)閁L=SgUbRLΦ式中，SgΔΦ＝ΔG是光敏電阻的電導(dǎo)變化量，是引起信號(hào)輸出的原因。從上式中看出，恒壓偏置的輸出信號(hào)與光敏電阻無(wú)關(guān)，僅取決于電導(dǎo)的相對(duì)變化。所以，當(dāng)檢測(cè)電路更換光敏電阻值時(shí)，恒壓偏置電路初始狀態(tài)受到的影響不大，這是這種電路的一大優(yōu)點(diǎn)。3、表示實(shí)現(xiàn)光外差檢測(cè)必須滿足的條件。(12分)答：信號(hào)光波和本振光波的波前在整個(gè)光混頻面上必須保持一樣的相位關(guān)系。光外差檢測(cè)只有在如下條件下才可能得到滿足：①信號(hào)光波和本征光波必須具有一樣的模式結(jié)構(gòu)，這意味著所用激光器應(yīng)該單頻基模運(yùn)轉(zhuǎn)。②信號(hào)光和本振光束在光混頻面上必須相互重合，為了提供最大信噪比，它們的光斑直徑最好相等，因?yàn)椴恢睾系木植繉?duì)中頻信號(hào)無(wú)貢獻(xiàn)，只貢獻(xiàn)噪聲。③信號(hào)光波和本振光波的能流矢量必須盡可能保持同一方向，這意味著兩束光必須保持空間上的角準(zhǔn)直。④在角準(zhǔn)直，即傳播方向一致的情況下，兩束光的波前面還必須曲率匹配，即或者是平面，或者有一樣曲率的曲面。⑤在上述條件都得到滿足時(shí)，有效的光混頻還要求兩光波必須同偏振，因?yàn)樵诠饣祛l面上它們是矢量相加?？傊?要滿足時(shí)間,空間條件外,還有滿足頻率條件和偏振條件.4、對(duì)直接檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如何提高輸入信噪比？(12分)答：對(duì)于光電檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其噪聲主要有三類：〔1〕光子噪聲包括：A.信號(hào)輻射產(chǎn)生的噪聲；B.背景輻射產(chǎn)生的噪聲?！?〕探測(cè)器噪聲包括：熱噪聲；散粒噪聲；產(chǎn)生—復(fù)合噪聲；1/f噪聲；溫度噪聲?！?〕信號(hào)放大與處理電路噪聲在實(shí)際的光電探測(cè)器中，由于光電轉(zhuǎn)換機(jī)理不同，各種噪聲的作用大小亦各不一樣。假如綜合上述各種噪聲源，其功率譜分布可用如下圖表示。由圖可見(jiàn)：在頻率很低時(shí)，1/f噪聲起主導(dǎo)作用；當(dāng)頻率達(dá)到中間圍頻率時(shí)，產(chǎn)生——復(fù)合噪聲比擬顯著；當(dāng)頻率較高，甚至于截至頻率時(shí)，只有白噪聲占主導(dǎo)地位，其它噪聲影響很小。很明顯，探測(cè)器應(yīng)當(dāng)工作在1/f噪聲小、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲為主要噪聲的頻段上。因此，對(duì)于直接探測(cè)系統(tǒng)，提高輸入信噪比的措施有：〔1〕利用信號(hào)調(diào)制與選頻技術(shù)可抑制噪聲的引入白噪聲的大小與電路的頻帶寬度成正比，因此放大器應(yīng)采用帶寬盡可能窄的選頻放大器或鎖相放大器?！?〕將器件制冷，減小熱發(fā)射，降低產(chǎn)生-復(fù)合噪聲。采用半導(dǎo)體制冷、杜瓦瓶液態(tài)氣體制冷或?qū)Ｓ弥评錂C(jī)制冷?！?〕采用最優(yōu)條件下的偏置電路，使信噪比〔S/N〕最大圖光電探測(cè)器噪聲功率譜分布示意圖5、表示激光干預(yù)測(cè)長(zhǎng)的原理。(16分)穩(wěn)頻信號(hào)布儒斯特窗激光器穩(wěn)頻信號(hào)布儒斯特窗激光器偏振分光鏡測(cè)量角錐鏡固定角錐鏡分光器光擴(kuò)展器偏振片光電接收器參考信號(hào)測(cè)量信號(hào)透鏡圖雙縱模雙頻激光干預(yù)儀原理示意圖由長(zhǎng)度為206mm的全腔He-Ne激光管發(fā)出一對(duì)互相垂直的雙縱模線偏振光，模間隔為〔式中c為光速，L為諧振腔長(zhǎng)，n為空氣折射率，其值約728MHz〕，經(jīng)布儒特窗取出穩(wěn)頻信號(hào)，進(jìn)展熱穩(wěn)頻。其余光束再經(jīng)析光鏡反射與透射，反射的一對(duì)正交線偏振光作為參考信號(hào)，經(jīng)透鏡、偏振片產(chǎn)生拍頻信號(hào)，為光電接收器接收。透射光經(jīng)光擴(kuò)展器準(zhǔn)直擴(kuò)束后，為偏振分光鏡分光，水平分量射向測(cè)量角錐鏡，垂直分量射向固定角錐鏡，兩路光返回后經(jīng)透鏡、偏振片產(chǎn)生拍頻。當(dāng)測(cè)量鏡在時(shí)間t以速度V移動(dòng)一距離時(shí)，因多普勒效應(yīng)而引起頻差變化，這樣被測(cè)長(zhǎng)度信息載于返回光束中，并為光電接收器接收?？傻脺y(cè)量鏡運(yùn)動(dòng)距離與相位差變化的關(guān)系式根據(jù)測(cè)量鏡運(yùn)動(dòng)引起的多普勒效應(yīng)與相位的關(guān)系有：因而：可見(jiàn)在忽略了測(cè)量過(guò)程中系統(tǒng)不穩(wěn)定性影響與高斯光束干預(yù)附加項(xiàng)的變化影響的情況下，只要對(duì)測(cè)量鏡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)的相位差變化的周期數(shù)，即可獲得所需測(cè)量長(zhǎng)度結(jié)果。闡述用補(bǔ)償法檢測(cè)溶液濃度的工作原理與工作過(guò)程?！?3分〕答：原理和工作過(guò)程：光源1發(fā)出的光經(jīng)單色器2后成為單色光，該單色光的波長(zhǎng)應(yīng)選為待測(cè)溶液的峰值吸收波長(zhǎng)。將該光線用分束器BS分成兩束，分別通過(guò)待測(cè)溶液S2和參比溶液S1，并用兩個(gè)性能一致的光電探測(cè)器接收。由于參比溶液對(duì)工作波長(zhǎng)的光不產(chǎn)生吸收，而待測(cè)溶液對(duì)該波長(zhǎng)的光有較強(qiáng)的吸收，因此，探測(cè)器PD1接收到的光強(qiáng)度I1即為入射光強(qiáng)度I0，而探測(cè)器PD2接收到的光強(qiáng)度I2取決于待測(cè)溶液的濃度。系統(tǒng)輸出電壓為：式中，C0為比例常數(shù)；為PD1上產(chǎn)生的光電流；為PD2上產(chǎn)生的光電流；K1、K2為PD1和PD2的靈敏度，、為到達(dá)PD1和PD2上的光通量。假如PD1和PD2性能一致，如此K1＝K2，故上式可變?yōu)椋河捎谠诤雎苑瓷浜蜕⑸涞那闆r下，I1=I2,故可見(jiàn)，最后輸出電壓即為溶液的吸光度值，亦即反映了溶液的濃度?！?分〕1、光具有的一個(gè)根本性質(zhì)是波粒二象性。2、光電檢測(cè)技術(shù)研究的主要容是信息變換技術(shù)電信號(hào)處理技術(shù)。3、光源調(diào)制通常分為機(jī)械調(diào)制和電調(diào)制或調(diào)制和外調(diào)制。4、激光的形成必須滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、諧振腔共振、閾值條件。5、為了提高光電二極管的響應(yīng)頻率，應(yīng)適當(dāng)加大反向偏壓。6、光敏電阻受溫度影響大，通常工作在低溫環(huán)境下。7、光電檢測(cè)技術(shù)是光學(xué)與電子技術(shù)結(jié)合而產(chǎn)生的一門(mén)新興檢測(cè)技術(shù)，它是利用光電子技術(shù)對(duì)光信息進(jìn)展檢測(cè)。8、假設(shè)調(diào)制盤(pán)的轉(zhuǎn)速為N轉(zhuǎn)/分，得到調(diào)制光的頻率為f，如此調(diào)制盤(pán)的孔數(shù)為60f/N。2009~2010學(xué)年第一學(xué)期期末考試試卷光電檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)試卷2大學(xué)物理與電子學(xué)院200-200學(xué)年第學(xué)期期末考試光電檢測(cè)技術(shù)題庫(kù)試卷〔二〕參考答案一單項(xiàng)選擇題〔每一小題2分,共40分〕1．光度量是輻射度量的〔C〕倍．A.683B.V〔λ〕C.683V〔λ〕D.1/683V〔λ〕2．波長(zhǎng)為500nm的波屬于〔C〕．A.遠(yuǎn)紅外線B.太赫茲波C.可見(jiàn)光D.X射線3．任何溫度下對(duì)任何波長(zhǎng)的入射輻射能的吸收比都小于1，稱為〔B〕.A．黑體B．灰體C．黑洞D．絕對(duì)黑體4．半導(dǎo)體中受主能級(jí)的位置位于〔A〕中.A.禁帶B.價(jià)帶C.導(dǎo)帶D.滿帶5．斯忒藩玻耳茲曼定律為〔A〕。A.σT4B.σT2C.Tλm＝BD.α(λ,T)=ε(λ,T)6.熱敏電阻的種類不包括〔D〕.A.PTCB.NTCC.CTCD.ZTC7.屬于相干光源的是〔C〕.A.氣體放電燈B.黑體輻射器C.固體激光器D.發(fā)光二極管8．如下光源中，最優(yōu)的彩色攝影用光源是〔A〕．A．鹵鎢燈B．氘燈C．汞燈D．汞氙燈9．屬于成像的器件是〔C〕.A.LDB.LEDC.CCDD.PMT10．充氣鹵鎢燈是一種(B).A.氣體光源B.熱光源C.冷光源D.激光光源11．TDICCD表示的是〔B〕CCD．A.增強(qiáng)型;B.時(shí)間延遲型;C.電子轟擊模式;D.紅外．12．熱效應(yīng)較小的光是〔D〕.A.紫光B.紅光C.紅外D.紫外13．在光電倍增管中，產(chǎn)生二次電子發(fā)射的是(C).A．陰極B.陽(yáng)極C.倍增極D.玻璃窗14．光纖纖芯、包層、外套的折射率n1、n2、n0的關(guān)系是〔D〕.A.n1>n2>n0B.n2>n0>n1C.n0>n2>n1D.n1>n0>n215．光照一定，短路電流與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系，屬光電池的(C)特性：A.頻率;B.伏安;C.光譜;D.溫度．16．像管中〔C〕的出現(xiàn)和使用，成為了第二代像管出現(xiàn)的標(biāo)志性部件。A.

負(fù)電子親和勢(shì)陰極；B.

電子光學(xué)系統(tǒng)；C．

微通道板MCP；D.

光纖面板17．充氣白熾燈主要充入〔A〕.A.氬氣B.氙氣C.氖氣D.氪氣18．硅光電二極管與硅光電池比擬，后者〔B〕．A．摻雜濃度低B．電阻率低C．反偏工作D．光敏面積小19．線陣CCD主要是通過(guò)〔A〕工作.A.電荷B.電壓C.電流D.電阻20．彩色CCD有〔C〕種.A.1B.2C.3D.4二、多項(xiàng)選擇題〔每題2分，共10分〕1．固體發(fā)光器件有〔ABCDE〕。A.LCDB.PDPC.ECDD.EPDE.VFD2.結(jié)型光電器件的特點(diǎn)(ABCDE)：A.有極性B.靈敏度與光源光譜有關(guān)C.響應(yīng)速度決定于RCD.參量與溫度有關(guān)E．易受電磁場(chǎng)干擾3．光電池有〔ABCD〕種類。A.硅光電池B.硒光電池C.鍺光電池D.砷化鎵光電池E.鋰光電池4.熱敏電阻的種類有〔ABC〕。A.PTCB.NTCC.CTCD.WTCE.ZTC5.光電效應(yīng)有〔ABCDE〕。A.光電導(dǎo)效應(yīng)B.光生伏特效應(yīng)C.光電效應(yīng)D.光磁電效應(yīng)E.光子牽引效應(yīng)(每空1分,共10分)1．吸收比是物體吸收量與投射的輻射能量的比值.2．FTCCD指的是幀轉(zhuǎn)移型CCD.3．紫外光的熱輻射比紅外光小．4.光電池的PN結(jié)工作在零偏狀態(tài)，它的開(kāi)路電壓會(huì)隨光照強(qiáng)度的增加而增加。5.S〔λ〕＝U〔λ〕/Ф〔λ〕，稱為光電器件的光譜靈敏度6.在環(huán)境亮度大于10cd.m-2時(shí),最強(qiáng)的視覺(jué)響應(yīng)在光譜藍(lán)綠區(qū)間的555nm處。7．光源單位時(shí)間向所有方向發(fā)射的能量，稱為輻功率〔輻通量〕．8．半導(dǎo)體受光照，在結(jié)區(qū)兩邊產(chǎn)生勢(shì)壘的現(xiàn)象稱光生伏特效應(yīng)．9．光在光纖形成駐波的光線組稱為模．(共40分)1.試述光電二極管與光電池的區(qū)別?！?分〕區(qū)別有四：光電二極管電阻大、摻雜小、面積小、反偏工作；光電池電阻小、摻雜大、受光面積大、電阻小、無(wú)偏狀態(tài)工作。2.什么是外光電效應(yīng)？〔8分〕外光電效應(yīng)是指，光照射在金屬上，金屬向外發(fā)射電子的效應(yīng)。3.為什么結(jié)型光電器件在正向偏置時(shí)沒(méi)有明顯的光電效應(yīng)？必須工作在哪種偏置狀態(tài)？〔12分〕1〕正偏效果―――正向?qū)щ姡妶?chǎng)電流IF較大；光照電流IP相對(duì)來(lái)說(shuō)可以忽略，即有無(wú)光光照根本上不影響電流大??；正偏時(shí)起不到光電檢測(cè)效果。2〕零偏置或反偏效果―――無(wú)光照時(shí)有暗電流，即反向飽和漏電流,其值很小，幾乎為零；有光照時(shí)，電子空穴對(duì)增加，光照電流較大，有無(wú)光照反差較大，可以作為檢測(cè)元件，進(jìn)展光電檢測(cè)。因此結(jié)型器件必須工作在零偏置或反偏工作狀態(tài)。4.現(xiàn)有GDB－423型光電倍增管的光電陰極面積為2cm2，陰極靈敏度Sk為25μA/lm，倍增系統(tǒng)的放大倍數(shù)為105，陽(yáng)極額定電流為20μA，求允許的最大光照?！?2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)最大光照度為0.04lx。2009-2010-2光電檢測(cè)技術(shù)A卷試題與答案一、計(jì)算〔共28分，共3題〕1、如圖1所示，是轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，圓盤(pán)的孔數(shù)為N，光電探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)頻率、所示，是轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，，測(cè)量系統(tǒng)為f，求轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n〔單位為r/min〕〔8分〕，圖1轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)um,求該材料的禁帶寬度?！?分〕3、設(shè)被測(cè)距離最大圍為10km,要求測(cè)距精度為1，而各測(cè)尺的測(cè)量精度為1‰，試給出測(cè)尺的個(gè)數(shù)以與各測(cè)尺的長(zhǎng)度和頻率。〔12分〕三、簡(jiǎn)答題〔共46分〕4、在微弱輻射作用下，光電導(dǎo)材料的光電靈敏度有什么特點(diǎn)？為什么要把光敏電阻造成蛇形？〔8分〕光電導(dǎo)器件的響應(yīng)時(shí)間〔頻率特性〕受哪些因素限制？光伏器件與光電導(dǎo)器件工作頻率哪個(gè)高？實(shí)際使用時(shí)如何改善其工作頻率響應(yīng)？〔8分〕6、試問(wèn)圖2(a)和圖2(b)分別屬哪一種類型偏置電路？為什么？分別寫(xiě)出輸出電壓U0的表達(dá)式。〔10分〕如果硅光電池的負(fù)載為RL，畫(huà)出它的等效電路圖，寫(xiě)出流過(guò)負(fù)載RL的電流IL方程與Uoc、Isc的表達(dá)式，說(shuō)明其含義〔圖中標(biāo)出電流方向〕。〔10分〕光伏探測(cè)器的工作模式分為哪幾種？為什么〔分類依據(jù)〕？他們的主要區(qū)別？〔10分〕論述題〔共26分〕為什么說(shuō)光外差檢測(cè)方式是具有天然檢測(cè)微弱信號(hào)的能力？〔12分〕闡述用差動(dòng)法檢測(cè)溶液濃度的工作原理〔同時(shí)畫(huà)出原理圖〕與工作過(guò)程〔必須寫(xiě)出濃度表達(dá)式〕〔14分〕答案：計(jì)算題1、轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速為：2、hν≥Egλ≤hc/Eg如此長(zhǎng)波限為：1.03um，材料的禁帶寬度為：0.887ev被測(cè)距離最大圍為：10KM，所以最大尺子的量程至少為：10KM，此尺子能準(zhǔn)確測(cè)到：10KM×1‰＝10m。因?yàn)橐鬁y(cè)距精度為1cm，尺子的測(cè)量精度為1‰，所以最小量程的尺子為：1cm/1‰＝10m縱上述，測(cè)量至少需要兩把尺子：一個(gè)L0=10KM，其對(duì)應(yīng)的工作頻率為：f0=c/2L0另一個(gè)L0=10m，其對(duì)應(yīng)的工作頻率為：f0=c/2L0＝1.5×10HZ簡(jiǎn)答題在微弱輻射作用下，光電導(dǎo)材料的光電靈敏度是定值，輸出光電流與入射光通量成正比，即保持線性關(guān)系。光敏電阻做成蛇形，一方面既可以保證有較大的受光面積，一方面減小電極之間的距離，從而既可以減小載流子的有效極間渡越時(shí)間，也有利于提高靈敏度。2、響應(yīng)時(shí)間主要受光電導(dǎo)器件中載流子的平均壽命τ有關(guān)，減小τ，如此頻率響應(yīng)提高；其次，光電導(dǎo)器件的響應(yīng)時(shí)間與運(yùn)用狀態(tài)也有光，例如，光照強(qiáng)度和溫度的變化，因?yàn)樗鼈兌加绊戄d流子的壽命。光伏特器件的工作頻率高于光電導(dǎo)器件。要改善光伏器件的頻率響應(yīng)，主要是減小響應(yīng)時(shí)間，所以采取的措施主要有：①減小負(fù)載電阻；②減小光伏特器件中的結(jié)電容，即減小光伏器件的受光面積；③適當(dāng)增加工作電壓。3、都屬于共射極電路，、硅光電池的工作原理和等效電路為如下圖：(4分)從圖〔b〕中可以得到流過(guò)負(fù)載RL的電流方程為：其中，SE為光電池的光電靈敏度，E為入射光照度，Is0是反向飽和電流，是光電池加反向偏壓后出現(xiàn)的暗電流。(2分)當(dāng)i＝0時(shí)，RL＝∞〔開(kāi)路〕，此時(shí)曲線與電壓軸交點(diǎn)的電壓通常稱為光電池開(kāi)路時(shí)兩端的開(kāi)路電壓，以VOC表示，由式〔1〕解得：當(dāng)RL＝0〔即特性曲線與電流軸的交點(diǎn)〕時(shí)所得的電流稱為光電流短路電流，以Isc表示，所以Isc＝Ip＝Se·E〔3〕。?！?分〕從式〔2〕和〔3〕可知，光電池的短路光電流Isc與入射光照度成正比，而開(kāi)路電壓VOC與光照度的對(duì)數(shù)成正比。光伏探測(cè)器的工作模式分為光電導(dǎo)工作模式和光伏特工作模式，它的工作模式如此由外偏壓回路決定。在零偏壓的開(kāi)路狀態(tài)，PN結(jié)型光電器件產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，這種工作原理成光伏工作模式。當(dāng)外回路采用反偏電壓，即外加P端為負(fù)，N端為正的電壓時(shí)。無(wú)光照時(shí)的電阻很大，電流很小；有光照時(shí)，電阻變小，電流就變大，而且流過(guò)它的光電流隨照度變化而變化。從外表看，PN結(jié)光伏探測(cè)器與光敏電阻一樣，同樣也具有光電導(dǎo)工作模式，所以稱為光導(dǎo)工作模式。主要區(qū)別：器件處于光伏工作模式時(shí)，器件阻遠(yuǎn)低于負(fù)載電阻，相當(dāng)于一個(gè)恒壓源；在光電導(dǎo)模式下，器件阻遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻，此時(shí)器件相當(dāng)于恒流源。三、論述題而中頻電流輸出對(duì)應(yīng)的電功率為：，其中RL為光電探測(cè)器的負(fù)載電阻。所以，這里的橫線是對(duì)中頻周期求平均。從物理過(guò)程的觀點(diǎn)看，直接探測(cè)是光功率包絡(luò)變換的檢波過(guò)程；而光頻外差探測(cè)的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程不是檢波，而是一種“轉(zhuǎn)換〞過(guò)程，即把以ωS為載頻的光頻信息轉(zhuǎn)換到以ωIF為載頻的中頻電流上，這一“轉(zhuǎn)換〞是本機(jī)振蕩光波的作用，它使光外差探測(cè)天然地具有一種轉(zhuǎn)換增益。為了衡量這種轉(zhuǎn)換增益的量值，我們以直接探測(cè)為基準(zhǔn)加以描述。為此令把〔1〕和〔2〕式代入〔3〕中得到：通常在實(shí)際應(yīng)用中，PL>>PS因此M>>1,M的大小和PS的量值有關(guān)。例如假定PLmw，那么在不同的PS值下，M值將發(fā)生明顯變化。列舉數(shù)值如表1所示：從表1的數(shù)值舉例中看出，在強(qiáng)光信號(hào)下，外差探測(cè)并沒(méi)有多少好處，在微弱光信號(hào)下，外差探測(cè)器表現(xiàn)出十分高的轉(zhuǎn)換增益。例如，在量級(jí)時(shí)，也就是說(shuō)，外差探測(cè)的靈敏度比直接探測(cè)將高量級(jí)，所以我們可以說(shuō)，光外差探測(cè)方式具有天然的探測(cè)微弱信號(hào)的能力。2、原理和工作過(guò)程：光源1發(fā)出的光經(jīng)單色器2后成為單色光，該單色光的波長(zhǎng)應(yīng)選為待測(cè)溶液的峰值吸收波長(zhǎng)。將該光線用分束器BS分成兩束，分別通過(guò)待測(cè)溶液S2和參比溶液S1，并用兩個(gè)性能一致的光電探測(cè)器接收。由于參比溶液對(duì)工作波長(zhǎng)的光不產(chǎn)生吸收，而待測(cè)溶液對(duì)該波長(zhǎng)的光有較強(qiáng)的吸收，因此，探測(cè)器PD1接收到的光強(qiáng)度I1即為入射光強(qiáng)度I0，而探測(cè)器PD2接收到的光強(qiáng)度I2取決于待測(cè)溶液的濃度。系統(tǒng)輸出電壓為：式中，C0為比例常數(shù)；Iφ1為PD1上產(chǎn)生的光電流；Iφ2為PD2上產(chǎn)生的光電流；K1、K2為PD1和PD2的靈敏度，φ1、φ2為到達(dá)PD1和PD2上的光通量。假如PD1和PD2性能一致，如此K1＝K2，故上式可變?yōu)椋河捎谠诤雎苑瓷浜蜕⑸涞那闆r下，I1=I2,故可見(jiàn)，最后輸出電壓即為溶液的吸光度值，亦即反映了溶液的濃度?！?分〕二零零七至二零零八學(xué)年第一學(xué)期期末考試光電檢測(cè)技術(shù)課程考試題A卷〔120分鐘〕考試形式：開(kāi)卷考試日期2009年6月12日課程成績(jī)構(gòu)成：平時(shí)20分，期中分，實(shí)驗(yàn)分，期末80分一二三四五六七八九十合計(jì)一、填空題〔每空一分，共15分〕1、光具有的一個(gè)根本性質(zhì)是〔〕。2、光電檢測(cè)技術(shù)研究的主要容是〔〕〔〕。3、光源調(diào)制通常分為〔〕和〔〕。4、激光的形成必須滿足〔〕〔〕〔〕。5、為了提高光電二極管的響應(yīng)頻率，應(yīng)適當(dāng)加大〔〕。6、光敏電阻受〔〕影響大，通常工作在〔〕環(huán)境下。7、光電檢測(cè)技術(shù)是〔〕與〔〕相結(jié)合而產(chǎn)生的一門(mén)新興檢測(cè)技術(shù)，它是利用〔〕進(jìn)展檢測(cè)。8、假設(shè)調(diào)制盤(pán)的轉(zhuǎn)速為N轉(zhuǎn)/分，得到調(diào)制光的頻率為f，如此調(diào)制盤(pán)的孔數(shù)為〔〕。二、判斷題〔每題一分，共1０分〕1、相干長(zhǎng)度只與光波單色性有關(guān)，而與其波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。〔〕2、溫度越高，熱輻射的波長(zhǎng)就越短。〔〕3、雪崩管的工作偏壓一般不超過(guò)10V。〔〕4、光電探測(cè)器件輸出的信號(hào)只有比噪聲大時(shí)，測(cè)量才能進(jìn)展。〔〕5、光電探測(cè)器件的1/f噪聲是一種低頻噪聲?！病?、光電池的頻率特性很差?！病?、光電三極管的增益比光電二極管大，但其線性圍比光電二極管小。〔〕8、對(duì)光源進(jìn)展調(diào)制即可消除光源波動(dòng)與背景光干擾的影響?！病?、補(bǔ)償法測(cè)量比差動(dòng)法響應(yīng)慢，但通常精度更高?！病?0、倒置望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)對(duì)激光束發(fā)散角有縮小的作用?！病橙?、簡(jiǎn)答：〔每一小題6分，共30分〕簡(jiǎn)述半導(dǎo)體激光器的工作原理，它有哪些特點(diǎn)？對(duì)工作電源有什么要求？2、光源選擇的根本要求有哪些?3、光電倍增管的供電電路分為負(fù)高壓供電與正高壓供電，試說(shuō)明這兩種供電電路的特點(diǎn)，舉例說(shuō)明它們分別適用于哪種情況?4、在微弱輻射作用下，光電導(dǎo)材料的光電靈敏度有什么特點(diǎn)，？為什么要把光敏電阻制造成蛇形？5、為什么結(jié)型光電器件在正向偏置時(shí)，沒(méi)有明顯的光電效應(yīng)？它必須在那種偏置狀態(tài)？為什么？四、論述題〔45分〕論述光電檢測(cè)系統(tǒng)的根本構(gòu)成，并說(shuō)明各局部的功能?！?0分〕在“反向偏置〞電路中，有兩種取得輸出電壓U0的方法：一種是從負(fù)載電阻RL上取得電壓U0，另一種是從二極管兩端取得電壓U0。表示兩種方法的特點(diǎn)與它們之間的聯(lián)系。〔10分〕3、如果硅光電池的負(fù)載為RL，畫(huà)出它的等效電路圖，寫(xiě)出流過(guò)負(fù)載IL的電流方程與Uoc、Isc的表達(dá)式，說(shuō)明其含義〔圖中標(biāo)出電流方向〕?！?2分〕闡述用補(bǔ)償法檢測(cè)溶液濃度的工作原理與工作過(guò)程?！?3分〕答案：一、填空題1、光具有的性質(zhì)〔波粒二象性〕2、光電檢測(cè)技術(shù)研究的容〔信息變換技術(shù)〕、〔電信號(hào)處理技術(shù)〕3、光源調(diào)制通常分為〔機(jī)械調(diào)制〕和〔電調(diào)制或調(diào)制〕和〔外調(diào)制〕4、激光的形成必須滿足〔粒子數(shù)反轉(zhuǎn)〕、〔諧振腔共振〕、〔閾值條件〕5、為了提高光電二極管的響應(yīng)頻率，應(yīng)適當(dāng)加大〔反向偏壓〕6、光敏電阻受〔溫度〕影響大、通常工作在〔低溫〕環(huán)境下7、光電技術(shù)是〔光學(xué)〕和〔電子技術(shù)〕相結(jié)合而產(chǎn)生的一門(mén)新興檢測(cè)技術(shù)、它是利用〔光電子技術(shù)對(duì)光信息〕進(jìn)展檢測(cè)8、假設(shè)調(diào)制盤(pán)的轉(zhuǎn)速是N轉(zhuǎn)/分，得到調(diào)制光的頻率為f，如此調(diào)制盤(pán)的孔數(shù)是〔60f/N〕二、判斷題相干長(zhǎng)度只與光波但色性有關(guān)，與其波長(zhǎng)無(wú)關(guān)〔×〕1，〔√〕2〔√〕3〔√〕4〔√〕5〔×〕6〔√〕7〔×〕8〔√〕倒置望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)對(duì)激光束發(fā)射角有縮小的作用〔√〕三、簡(jiǎn)答1、簡(jiǎn)述半導(dǎo)體的工作原理，它有哪些特點(diǎn)？對(duì)工作電源有什么要求？半導(dǎo)體激光器〔LD〕工作原理：半導(dǎo)體材料是LD的激活物質(zhì)，在半導(dǎo)體的兩個(gè)端面精細(xì)加工磨成解理面而構(gòu)成諧振腔。半導(dǎo)體p-n結(jié)在建電場(chǎng)下達(dá)到平衡；當(dāng)外加正偏壓時(shí)，外加電壓削弱建電場(chǎng)，使空間電荷區(qū)變窄，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，構(gòu)成少數(shù)載流子的注入，從而在p-n結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的復(fù)合，復(fù)合產(chǎn)生能量釋放，局部以光的形式釋放出來(lái)，由于解理面諧振腔的共振放大作用實(shí)現(xiàn)受激反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射而輸出激光。特點(diǎn)：體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、具有高的轉(zhuǎn)換效率，從紫外到紅外均可發(fā)光，輸出功率從幾mw到幾百mw，在脈沖輸出時(shí)，可達(dá)數(shù)W，單色性比He-Ne激光器差。對(duì)工作電源的要穩(wěn)定2、光源選擇的根本要求有那些？①源發(fā)光的光譜特性必須滿足檢測(cè)系統(tǒng)的要求。按檢測(cè)的任務(wù)不同，要求的光譜圍也有所不同，如可見(jiàn)光區(qū)、紫外光區(qū)、紅外光區(qū)等等。有時(shí)要求連續(xù)光譜，有時(shí)又要求特定的光譜段。系統(tǒng)對(duì)光譜圍的要求都應(yīng)在選擇光源時(shí)加以滿足。②光對(duì)光源發(fā)光強(qiáng)度的要求。為確保光電測(cè)試系統(tǒng)的正常工作，對(duì)系統(tǒng)采用的光源的發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)有一定的要求。光源強(qiáng)度過(guò)低，系統(tǒng)獲得信號(hào)過(guò)小，以至無(wú)常測(cè)試，光源強(qiáng)度過(guò)高，又會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作的非線性，有時(shí)還可能損壞系統(tǒng)、待測(cè)物或光電探測(cè)器，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致不必要的能源消耗而造成浪費(fèi)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)探測(cè)器所需獲得的最大、最小光適量進(jìn)展正確估計(jì)，并按估計(jì)來(lái)選擇光源。③對(duì)光源穩(wěn)定性的要求。不同的光電測(cè)試系統(tǒng)對(duì)光源的穩(wěn)定性有著不同的要求。通常依不同的測(cè)試量來(lái)確定。穩(wěn)定光源發(fā)光的方法很多，一般要求時(shí)，可采用穩(wěn)壓電源供電。當(dāng)要求較高時(shí)，可采用穩(wěn)流電源供電。所用的光源應(yīng)該預(yù)先進(jìn)展月化處理。當(dāng)有更高要求時(shí)，可對(duì)發(fā)出光進(jìn)展采樣，然后再反應(yīng)控制光源的輸出。④對(duì)光源其他方面的要求。光電測(cè)試中光源除以上幾條根本要求外；還有一些具體的要求。如燈絲的結(jié)構(gòu)和形狀；發(fā)光面積的大小和構(gòu)成；燈泡玻殼的形狀和均勻性；光源發(fā)光效率和空間分布等等，這些方面都應(yīng)該根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的要求給以滿足。3、光電倍增管的供電電路分為負(fù)高壓供電和正高壓供電，說(shuō)明兩種電路各有什么特點(diǎn)？采用陽(yáng)極接地，負(fù)高壓供電。這樣陽(yáng)極輸出不需要隔直電容，可以直流輸出，一般陽(yáng)極分布參數(shù)也較小?？墒窃谶@種情況下，必須保證作為光屏蔽和電磁屏蔽的金屬筒距離管殼至少要有10～20mm，否如此由于屏蔽筒的影響，可能相當(dāng)增加陽(yáng)極暗電流和噪聲。如果靠近管殼處再加一個(gè)屏蔽罩，并將它連接到陰極電位上，如此要注意安全。采用正高壓電源就失去了采用負(fù)高壓電源的優(yōu)點(diǎn)，這時(shí)在陽(yáng)極上需接上耐高壓、噪聲小的隔直電容，因此只能得到交變信號(hào)輸出?？墒?，它可獲得比擬低和穩(wěn)定的暗電流和噪聲。4、在微弱輻射作用下，光電導(dǎo)材料的靈敏度有什么特點(diǎn)？為什么把光敏電阻制成蛇形？在微弱輻射下，光電導(dǎo)材料的光電靈敏度是定值，光電流與入射光通量成正比，即保持線性關(guān)系。因?yàn)楫a(chǎn)生高增益系數(shù)的光敏電阻電極間距需很小〔即tdr小〕，同時(shí)光敏電阻集光面積如果太小而不實(shí)用，因此把光敏電阻制造成蛇形，既增大了受光面積，又減小了極間距。5、為什么結(jié)型光電器件在正向偏置時(shí)，沒(méi)有明顯的光電效應(yīng)？它必須在哪種偏置狀態(tài)？為什么？因?yàn)閜-n結(jié)在外加正向偏壓時(shí)，即使沒(méi)有光照，電流也隨著電壓指數(shù)級(jí)在增加，所以有光照時(shí)，光電效應(yīng)不明顯。p-n結(jié)必須在反向偏壓的狀態(tài)下，有明顯的光電效應(yīng)產(chǎn)生，這是因?yàn)閜-n結(jié)在反偏電壓下產(chǎn)生的電流要飽和，所以光照增加時(shí)，得到的光生電流就會(huì)明顯增加。四、論述題1.論述光電檢測(cè)系統(tǒng)的根本組成，并說(shuō)明各局部的功能？下面是一個(gè)光電檢測(cè)系統(tǒng)的根本構(gòu)成框圖：(4分)〔1〕光源和照明光學(xué)系統(tǒng)：是光電檢測(cè)系統(tǒng)中必不可少的一局部。在許多系統(tǒng)中按需要選擇一定輻射功率、一定光譜圍和一定發(fā)光空間、分布的光源，以此發(fā)出的光束作為載體攜帶被測(cè)信息?！?〕被測(cè)對(duì)象與光學(xué)變換：這里所指的是上述光源所發(fā)出的光束在通過(guò)這一環(huán)節(jié)時(shí)，利用各種光學(xué)效應(yīng)，如反射、吸收、折射、干預(yù)、衍射、偏振等，使光束攜帶上被檢測(cè)對(duì)象的特征信息，形成待檢測(cè)的光信號(hào)。光學(xué)變換通常是用各種光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光參量〔振幅、頻率、相位、偏振態(tài)、傳播方向變化等〕?！?〕光信號(hào)的匹配處理：這一工作環(huán)節(jié)的位置可以設(shè)置在被檢測(cè)對(duì)象前面，也可設(shè)在光學(xué)變換后面，應(yīng)按實(shí)際要求來(lái)決定。光信號(hào)匹配處理的主要目的是為了更好地獲得待測(cè)量的信息，以滿足光電轉(zhuǎn)換的需要?！?〕光電轉(zhuǎn)換：該環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)的核心局部。其主要作用是以光信號(hào)為媒質(zhì)，以光電探測(cè)器為手段，將各種經(jīng)待測(cè)量調(diào)制的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)〔電流、電壓或頻率〕，以利于采用目前最為成熟的電子技術(shù)進(jìn)展信號(hào)的放大、處理、測(cè)量和控制等?！?〕電信號(hào)的放大與處理：這一局部主要是由各種電子線路所組成。光電檢測(cè)系統(tǒng)中處理電路的任務(wù)主要是解決兩個(gè)問(wèn)題：①實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)；②實(shí)現(xiàn)光源的穩(wěn)定化?！?〕存儲(chǔ)、顯示與控制系統(tǒng)：許多光電檢測(cè)系統(tǒng)只要求給出待測(cè)量的具體值，即將處理好的待測(cè)量電信號(hào)直接經(jīng)顯示系統(tǒng)顯示。(6分)2、在“反向偏置〞電路中，兩種取得輸出電壓U0的方法：一種是從負(fù)載電阻RL上取得電壓U0，如圖a所示，另一種是從二極管兩端取得電壓U0，如圖b所示。(1)對(duì)于圖a〕所示的電路，光電信號(hào)是直接取出的，即U0=ILRL，而對(duì)于b〕圖，光電信號(hào)是間接取出的，U0=UC-ILRL；(3分)(2)兩種電路輸出的光電信號(hào)電壓的幅值相等，但相位是相反的；(3分)(3)這兩種方法只適合照射到P—N結(jié)上的光強(qiáng)變化緩慢和恒定光的情況，這時(shí)光電二極管的結(jié)電容不起作用，二極管本身的串聯(lián)電阻很小，實(shí)際上可以略去不計(jì)。(2分)(4)當(dāng)二極管的光電流與暗電流接近時(shí)，光電信號(hào)難以取出，因此，運(yùn)用反偏法檢測(cè)微弱的恒定光時(shí)不利的。(2分)3、如果硅光電池的負(fù)載是R,畫(huà)出等效電路。寫(xiě)出流過(guò)負(fù)載I的電流方程與Uoc,Isc的表達(dá)式，說(shuō)明含義硅光電池的工作原理和等效電路為如下圖：〔a〕光電池工作原理圖〔b〕光電池等效電路圖〔c〕進(jìn)一步簡(jiǎn)化(4分)從圖〔b〕中可以得到流過(guò)負(fù)載RL的電流方程為：〔1〕其中，SE為光電池的光電靈敏度，E為入射光照度，Is0是反向飽和電流，是光電池加反向偏壓后出現(xiàn)的暗電流。(2分)當(dāng)i＝0時(shí)，RL＝∞〔開(kāi)路〕，此時(shí)曲線與電壓軸交點(diǎn)的電壓通常稱為光電池開(kāi)路時(shí)兩端的開(kāi)路電壓，以VOC表示，由式〔1〕解得：〔2〕.。。〔4分〕當(dāng)Ip》Io時(shí)，當(dāng)RL＝0〔即特性曲線與電流軸的交點(diǎn)〕時(shí)所得的電流稱為光電流短路電流，以Isc表示，所以Isc＝Ip＝Se·E〔3〕。?！?分〕從式〔2〕和〔3〕可知，光電池的短路光電流Isc與入射光照度成正比，而開(kāi)路電壓Voc與光照度的對(duì)數(shù)成正比。4、原理和工作過(guò)程：光源1發(fā)出的光經(jīng)單色器2后成為單色光，該單色光的波長(zhǎng)應(yīng)選為待測(cè)溶液的峰值吸收波長(zhǎng)。將該光線用分束器BS分成兩束，分別通過(guò)待測(cè)溶液S2和參比溶液S1，并用兩個(gè)性能一致的光電探測(cè)器接收。由于參比溶液對(duì)工作波長(zhǎng)的光不產(chǎn)生吸收，而待測(cè)溶液對(duì)該波長(zhǎng)的光有較強(qiáng)的吸收，因此，探測(cè)器PD1接收到的光強(qiáng)度I1即為入射光強(qiáng)度I0，而探測(cè)器PD2接收到的光強(qiáng)度I2取決于待測(cè)溶液的濃度。系統(tǒng)輸出電壓為：式中，C0為比例常數(shù)；為PD1上產(chǎn)生的光電流；為PD2上產(chǎn)生的光電流；K1、K2為PD1和PD2的靈敏度，、為到達(dá)PD1和PD2上的光通量。假如PD1和PD2性能一致，如此K1＝K2，故上式可變?yōu)椋河捎谠诤雎苑瓷浜蜕⑸涞那闆r下，I1=I2,故可見(jiàn)，最后輸出電壓即為溶液的吸光度值，亦即反映了溶液的濃度?！?分〕〔8分〕大學(xué)物理與電子學(xué)院200-200學(xué)年第學(xué)期期末考試光電檢測(cè)技術(shù)題庫(kù)試卷〔五〕參考答案一單項(xiàng)選擇題〔每一小題2分,共40分〕1.結(jié)型光電器件與三極管連接，保證放大，要接在(A).A.基射極間短路B.基集極間短路C.基射極間反偏D.基集極間正偏2．光電池的工作條件是(D).A．加熱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.增強(qiáng)型;B.時(shí)間延遲型;C.電子轟擊模D.紅外．4.Sb－Cs材料，主要用于(B)變像管光陰極．A.紅外B.紫外C.可見(jiàn)D.X射線5．汞燈是一種(A).A.氣體光源B.熱光源C.冷光源D.激光光源6.輻通量一樣時(shí)，光通量最小的光的波長(zhǎng)是〔D〕nm．A.555B.590C.620D.7807.光電倍增管的高壓模塊，其輸出電壓一般為直流(A).A．1000VB．100VC．10000VD．15V8．PN結(jié)光生伏特效應(yīng)(B).A.電子集中的P區(qū)；B.電子集中的N區(qū)結(jié)外表；C.電子集中