【正文】 、為了提高光電二極管的響應(yīng)頻率，應(yīng)適當(dāng)加大（ ）。光敏電阻受（ ）影響大，通常工作在（ ）環(huán)境下。光電檢測技術(shù)是（ ）與（ ）相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興檢測技術(shù)，它是利用（ ）進(jìn)行檢測。假設(shè)調(diào)制盤的轉(zhuǎn)速為N轉(zhuǎn)/分，得到調(diào)制光的頻率為f，則調(diào)制盤的孔數(shù)為（ ）。二、判斷題（每題一分，共1０分）相干長度只與光波單色性有關(guān)，而與其波長無關(guān)。 （ ）溫度越高，熱輻射的波長就越短。 （ ）雪崩管的工作偏壓一般不超過10V。 （ ）光電探測器件輸出的信號只有比噪聲大時，測量才能進(jìn)行。 （ ）光電探測器件的1/f噪聲是一種低頻噪聲。 （ ）光電池的頻率特性很差。 （ ）光電三極管的增益比光電二極管大，但其線性范圍比光電二極管小。 （ ）對光源進(jìn)行調(diào)制即可消除光源波動及背景光干擾的影響。 （ ）補償法測量比差動法響應(yīng)慢，但通常精度更高。 （ ）倒置望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)對激光束發(fā)散角有縮小的作用。 （ ）三、簡答：（每小題6分，共30分） 簡述半導(dǎo)體激光器的工作原理，它有哪些特點？對工作電源有什么要求？光源選擇的基本要求有哪些?光電倍增管的供電電路分為負(fù)高壓供電與正高壓供電，試說明這兩種供電電路的特點，舉例說明它們分別適用于哪種情況?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，？為什么要把光敏電阻制造成蛇形？為什么結(jié)型光電器件在正向偏置時，沒有明顯的光電效應(yīng)？它必須在那種偏置狀態(tài)？為什么？四、論述題（45分） 論述光電檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成，并說明各部分的功能。（10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。敘述兩種方法的特點及它們之間的聯(lián)系。（10分）如果硅光電池的負(fù)載為RL，畫出它的等效電路圖，寫出流過負(fù)載IL的電流方程及Uoc、Isc的表達(dá)式，說明其含義（圖中標(biāo)出電流方向）。（12分） 闡述用補償法檢測溶液濃度的工作原理及工作過程。（13分）答案：一、填空題光具有的性質(zhì)（波粒二象性） 光電檢測技術(shù)研究的內(nèi)容（信息變換技術(shù)）、（電信號處理技術(shù)） 光源調(diào)制通常分為（機械調(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)境下光電技術(shù)是（光學(xué)）和（電子技術(shù)）相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興檢測技術(shù)、它是利用（光電子技術(shù)對光信息）進(jìn)行檢測 假設(shè)調(diào)制盤的轉(zhuǎn)速是N轉(zhuǎn)/分，得到調(diào)制光的頻率為f，則調(diào)制盤的孔數(shù)是（60f/N）二、判斷題相干長度只與光波但色性有關(guān)，與其波長無關(guān)（）1，（√）2（√）3（√）4（√）5（）6（√）7（）8（√）倒置望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)對激光束發(fā)射角有縮小的作用（√）三、簡答簡述半導(dǎo)體的工作原理，它有哪些特點？對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)體的兩個端面精細(xì)加工磨成解理面而構(gòu)成諧振腔。半導(dǎo)體pn結(jié)在內(nèi)建電場下達(dá)到平衡；當(dāng)外加正偏壓時，外加電壓削弱內(nèi)建電場，使空間電荷區(qū)變窄，載流子的擴(kuò)散運動加強，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)帶電子和價帶空穴的復(fù)合，復(fù)合產(chǎn)生能量釋放，部分以光的形式釋放出來，由于解理面諧振腔的共振放大作用實現(xiàn)受激反饋，實現(xiàn)定向發(fā)射而輸出激光。特點：體積小、重量輕、壽命長、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，可達(dá)數(shù)W，單色性比HeNe激光器差。對工作電源的要求是穩(wěn)定光源選擇的基本要求有那些？①源發(fā)光的光譜特性必須滿足檢測系統(tǒng)的要求。按檢測的任務(wù)不同，要求的光譜范圍也有所不同，如可見光區(qū)、紫外光區(qū)、紅外光區(qū)等等。有時要求連續(xù)光譜，有時又要求特定的光譜段。系統(tǒng)對光譜范圍的要求都應(yīng)在選擇光源時加以滿足。②光對光源發(fā)光強度的要求。為確保光電測試系統(tǒng)的正常工作，對系統(tǒng)采用的光源的發(fā)光強度應(yīng)有一定的要求。光源強度過低，系統(tǒng)獲得信號過小，以至無法正常測試，光源強度過高，又會導(dǎo)致系統(tǒng)工作的非線性，有時還可能損壞系統(tǒng)、待測物或光電探測器，同時還會導(dǎo)致不必要的能源消耗而造成浪費。因此在設(shè)計時，必須對探測器所需獲得的最大、最小光適量進(jìn)行正確估計，并按估計來選擇光源。③對光源穩(wěn)定性的要求。不同的光電測試系統(tǒng)對光源的穩(wěn)定性有著不同的要求。通常依不同的測試量來確定。穩(wěn)定光源發(fā)光的方法很多，一般要求時，可采用穩(wěn)壓電源供電。當(dāng)要求較高時，可采用穩(wěn)流電源供電。所用的光源應(yīng)該預(yù)先進(jìn)行月化處理。當(dāng)有更高要求時，可對發(fā)出光進(jìn)行采樣，然后再反饋控制光源的輸出。④對光源其他方面的要求。光電測試中光源除以上幾條基本要求外；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)測試系統(tǒng)的要求給以滿足。光電倍增管的供電電路分為負(fù)高壓供電和正高壓供電，說明兩種電路各有什么特點？采用陽極接地，負(fù)高壓供電。這樣陽極輸出不需要隔直電容，可以直流輸出，一般陽極分布參數(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，否則由于屏蔽筒的影響，可能相當(dāng)大地增加陽極暗電流和噪聲。如果靠近管殼處再加一個屏蔽罩，并將它連接到陰極電位上，則要注意安全。采用正高壓電源就失去了采用負(fù)高壓電源的優(yōu)點，這時在陽極上需接上耐高壓、噪聲小的隔直電容，因此只能得到交變信號輸出。可是，它可獲得比較低和穩(wěn)定的暗電流和噪聲。在微弱輻射作用下，光電導(dǎo)材料的靈敏度有什么特點？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。因為產(chǎn)生高增益系數(shù)的光敏電阻電極間距需很?。磘dr小），同時光敏電阻集光面積如果太小而不實用，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，沒有明顯的光電效應(yīng)？它必須在哪種偏置狀態(tài)？為什么？因為pn結(jié)在外加正向偏壓時，即使沒有光照，電流也隨著電壓指數(shù)級在增加，所以有光照時，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，這是因為pn結(jié)在反偏電壓下產(chǎn)生的電流要飽和，所以光照增加時，得到的光生電流就會明顯增加。四、論述題，并說明各部分的功能？下面是一個光電檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成框圖： (4分)（1）光源和照明光學(xué)系統(tǒng)：是光電檢測系統(tǒng)中必不可少的一部分。在許多系統(tǒng)中按需要選擇一定輻射功率、一定光譜范圍和一定發(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信息。（2）被測對象及光學(xué)變換：這里所指的是上述光源所發(fā)出的光束在通過這一環(huán)節(jié)時，利用各種光學(xué)效應(yīng)，如反射、吸收、折射、干涉、衍射、偏振等，使光束攜帶上被檢測對象的特征信息，形成待檢測的光信號。光學(xué)變換通常是用各種光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)來實現(xiàn)的，實現(xiàn)將被測量轉(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)置在被檢測對象前面，也可設(shè)在光學(xué)變換后面，應(yīng)按實際要求來決定。光信號匹配處理的主要目的是為了更好地獲得待測量的信息，以滿足光電轉(zhuǎn)換的需要。（4）光電轉(zhuǎn)換：該環(huán)節(jié)是實現(xiàn)光電檢測的核心部分。其主要作用是以光信號為媒質(zhì)，以光電探測器為手段，將各種經(jīng)待測量調(diào)制的光信號轉(zhuǎn)換成電信號（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)行信號的放大、處理、測量和控制等。（5）電信號的放大與處理：這一部分主要是由各種電子線路所組成。光電檢測系統(tǒng)中處理電路的任務(wù)主要是解決兩個問題：①實現(xiàn)對微弱信號的檢測；②實現(xiàn)光源的穩(wěn)定化。（6）存儲、顯示與控制系統(tǒng)：許多光電檢測系統(tǒng)只要求給出待測量的具體值，即將處理好的待測量電信號直接經(jīng)顯示系統(tǒng)顯示。 (6分)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)對于圖a）所示的電路，光電信號是直接取出的，即U0=ILRL，而對于b）圖，光電信號是間接取出的，U0=UCILRL； (3分)(2)兩種電路輸出的光電信號電壓的幅值相等，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)上的光強變化緩慢和恒定光的情況，這時光電二極管的結(jié)電容不起作用，二極管本身的串聯(lián)電阻很小，實際上可以略去不計。 (2分)(4)當(dāng)二極管的光電流與暗電流接近時，光電信號難以取出，因此，運用反偏法檢測微弱的恒定光時不利的。 (2分)如果硅光電池的負(fù)載是R,畫出等效電路。寫出流過負(fù)載I的電流方程及Uoc,Isc的表達(dá)式，說明含義硅光電池的工作原理和等效電路為下圖：（a）光電池工作原理圖 （b）光電池等效電路圖 （c）進(jìn)一步簡化 (4分)從圖（b）中可以得到流過負(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，RL＝∞（開路），此時曲線與電壓軸交點的電壓通常稱為光電池開路時兩端的開路電壓，以VOC表示，由式（1）解得： （2）.。（4分）當(dāng)Ip》Io時， 當(dāng)RL＝0（即特性曲線與電流軸的交點）時所得的電流稱為光電流短路電流，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，而開路電壓Voc與光照度的對數(shù)成正比。 原理和工作過程：光源1發(fā)出的光經(jīng)單色器2后成為單色光，該單色光的波長應(yīng)選為待測溶液的峰值吸收波長。將該光線用分束器BS分成兩束，分別通過待測溶液S2和參比溶液S1，并用兩個性能一致的光電探測器接收。由于參比溶液對工作波長的光不產(chǎn)生吸收，而待測溶液對該波長的光有較強的吸收，因此，探測器PD1接收到的光強度I1即為入射光強度I0，而探測器PD2接收到的光強度I2取決于待測溶液的濃度。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，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） （8分）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技術(shù)題庫試卷（五）參考答案一 單項選擇題（每小題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. 增強型。 B. 時間延遲型。 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 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. 輻通量相同時，光通量最小的光的波長是（ D ）nm． 7. 光電倍增管的高壓模塊，其輸出電壓一般為直流( A ).A．1000V B．100V C．10