【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 性曲線與電流軸的交點(diǎn)）時(shí)所得的電流稱(chēng)為光電流短路電流，以Isc表示，所以Isc＝Ip＝SeE （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。 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. pn結(jié)在外加正向偏壓時(shí),外加電壓削弱內(nèi)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、光能或部分熱能和部分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。pn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。簡(jiǎn)述三種主要光電效應(yīng)的基本工作原理 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(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)，是一種內(nèi)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)就被內(nèi)建電場(chǎng)分離開(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)，若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)表面，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光電發(fā)射效應(yīng)，又稱(chēng)為外光電效應(yīng)。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)速度一般比較快。按照是否發(fā)射電子，光電效應(yīng)又分為內(nèi)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，并不直接引起內(nèi)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。原則上，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)速度一般比較慢，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)等簡(jiǎn)述光電探測(cè)器的選用原則 答：(1).光電檢測(cè)器件必須和輻射信號(hào)源及光學(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)頻率及波形相匹配，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及后續(xù)電路在電特性上相互匹配，以保證最大的轉(zhuǎn)換系數(shù)、線性范圍、信噪比以及快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。簡(jiǎn)述光電池、光電二極管的工作原理及區(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)行工作,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,器件內(nèi)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,器件內(nèi)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.敘述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)RLRm，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)，則應(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，電路工作在短路及線性電流放大狀態(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)RLRm，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?？蛰d電壓輸出是一種非線性電壓變換狀態(tài)，此時(shí)RLRm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。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，則最大。此時(shí)探測(cè)器的輸出功率最大，即 PL=ILUL 187。Ub2/4RL 則稱(chēng)為匹配狀態(tài)。(2) 恒流偏置: 在基本偏置電路中，若負(fù)載電阻RL比光敏電阻RP大得多，即RLRP，則負(fù)載電流IL簡(jiǎn)化為 IL=Ub/RL 這表明負(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(chēng)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)? DIL=SgUb(RP/RL)2DΦ 上式表明輸出信號(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較高，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則需很高（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RLRP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(chēng)為恒壓偏置，信號(hào)電壓變?yōu)? DUL=SgUbRLDΦ 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)。敘述實(shí)現(xiàn)光外差檢測(cè)必須滿(mǎn)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相同的相位關(guān)系。光外差檢測(cè)只有在下列條件下才可能得到滿(mǎn)足：①信號(hào)光波和本征光波必須具有相同的模式結(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)椴恢睾系牟糠謱?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，或者有相同曲率的曲面。⑤在上述條件都得到滿(mǎn)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(mǎn)足時(shí)間,空間條件外,還有滿(mǎn)足頻率條件和偏振條件.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(lèi)：（1）光子噪聲 包括：；。（2）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。（3）信號(hào)放大及處理電路噪聲在實(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相同。若綜合上述各種噪聲源，其功率譜分布可用下圖表示。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)到中間范圍頻率時(shí)，產(chǎn)生——復(fù)合噪聲比較顯著；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)制及選頻技術(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。（2）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。（3）采用最佳條件下的偏置電路，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敘述激光干涉測(cè)長(zhǎng)的原理。(16分)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 答：如圖所示是雙縱模雙頻激光干涉儀的原理示意圖。圖 雙縱模雙頻激光干涉儀原理示意圖由長(zhǎng)度為206mm的全內(nèi)腔HeNe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)行熱穩(wěn)頻。其余光束再經(jīng)析光鏡反射及透射，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內(nèi)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)定性影響及高斯光束干涉附加項(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及工作過(guò)程。（13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；KK2為PD1和PD2的靈敏度，、為到達(dá)PD1和PD2上的光通量。若PD1和PD2性能一致，則K1＝K2，故上式可變?yōu)椋? 由于在忽略反射和散射的情況下，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。 （5分）光具有的一個(gè)基本性質(zhì)是 波粒二象性 。光電檢測(cè)技術(shù)研究的主要內(nèi)容是 信息變換技術(shù) 電信號(hào)處理技術(shù) 。光源調(diào)制通常分為 機(jī)械調(diào)制和電調(diào)制或內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制 。 激光的形成必須滿(mǎn)足 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、諧振腔共振、閾值條件。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 。光敏電阻受 溫度 影響大，通常工作在 低溫 環(huán)境下。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)行檢測(cè)。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，則調(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)及系統(tǒng)試卷2河南大學(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（每小題2分,共40分）1．光度量是輻射度量的（ C ）倍． B. V（λ） V（λ） D . 1/683 V（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(chēng)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(mǎn)帶5．斯忒藩玻耳茲曼定律為（ A ）。 A. σT 4 B. σT 2 C. Tλm＝B D. α(λ,T)= ε(λ,T)6. 熱敏電阻的種類(lèi)不包括（ D ）.A. PTC B. NTC C. CTC D. ZTC7. 屬于相干光源的是（ C ）. B. 黑體輻射器 C. 固體激光器 D. 發(fā)光二極管8．下列光源中，最佳的彩色攝影用光源是（ A ）．A．鹵鎢燈 B．氘燈C．汞燈 D．汞氙