華科光電技術復習-WOW整理版

1、光電技術知識點復習WOW1 光輻射源1. 維恩位移定律黑體峰值付出度：2. 斯蒂芬玻爾茲曼定律3. 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。4. 普朗克輻射定律：描述黑體光譜輻出度與波長、絕對溫度之間關系2 光電探測器概述1. 噪聲熱噪聲（白噪聲，所有阻性元件）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）產(chǎn)生-復合噪聲（g-r噪聲，光電導探測器）溫度噪聲（熱探測器中）電流噪聲（1/f噪聲，1kHz以下的低頻區(qū)）2. 光電效應與熱電效應的異同光電效應：光輻射到光電材料上，光電材料發(fā)射電子或電導率發(fā)生變化或產(chǎn)

2、生光生電動勢的現(xiàn)象，對光波頻率表現(xiàn)出選擇性，響應速度較快，分為內(nèi)光電與外光電效應，具體有光電子發(fā)射效應、光電導效應光伏效應、光子牽引效應等熱電效應：探測元件吸收光輻射能量后，將光能變成晶格能的熱運動能量，引起探測元件溫度上升，使相關物理量隨之改變的過程。對光波頻率沒有選擇性，僅決定于光功率，響應速率較慢，易受環(huán)境溫度影響，包括熱釋電效應、溫差電效應、測輻射熱計效應等。3. 分類4.3 光電導探測器4 光伏探測器1. 光伏探測器的頻率響應特性明顯優(yōu)于光電導，解釋之。答：光電導：半導體材料受光照時，光子吸收引起載流子濃度變化，電導率變化隨載流子濃度增加，復合機會增多，經(jīng)過一段時間達到平衡，光電導探

3、測器響應時間等于光生載流子的平均壽命，一般為毫秒級。光伏探測器：光照產(chǎn)生的光生電子-空穴向結(jié)區(qū)擴散，由于結(jié)區(qū)內(nèi)建電場的作用被分離，PN結(jié)兩邊出現(xiàn)光生電動勢，入射光變?yōu)殡娔?。忽略外電路時間常數(shù)時，光伏探測器響應時間包括擴散與漂流的時間，由于光敏面很薄，故其遠小于載流子壽命。故光伏探測器響應時間比同材料的光電導探測器的響應時間要小。2. 說明PIN管與APD管的工作原理與各自的特點。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型半導體與N型半導體之間夾一層較厚的本證半導體I層，具有以下特點。結(jié)電容小，頻率響應高?？沙惺茌^高的反向電壓，線性輸出范圍寬量子效率較高輸出電

4、流小APD管：利用PN結(jié)在高反壓下的雪崩效應來工作。工作電壓很高約為100-200V，接近反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強，光生載流子極大加速，同時與晶格原子碰撞電離，產(chǎn)生更多的電子空穴對，形成結(jié)電流雪崩效應。具有以下特點，靈敏度高電流增益大，可達102-103響應很快原因：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。3.5 光電子發(fā)射探測器1. 光電倍增管主要考慮散粒噪聲。2. 光電倍增管采用負高壓或正高壓供電，各有什么優(yōu)缺點？答：負高壓（陽極接地）：便于與后面的放大器相連，操作安全；但這時陰極處于負高壓。評比困難，暗電流和噪聲較大，適用于對暗電

5、流和噪聲要求不高的工作場合。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，但陽極處于正高壓，導致寄生電容大，匹配電纜連接復雜，特別是后面接直流放大器時整個放大器處于高壓，不利于安全操作。如果接一個交流放大器，則必須接一個耐高壓的隔直電容器。脈沖應用中常采用陰極接地，以減小暗電流和噪聲。3. 光電倍增管工作原理由光窗、光電陰極、電子光學系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽極組成。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極電流。4.6 熱探測器1. 共性-交變溫

6、升其中，Ch是熱探測器的熱容，G是熱導。2. 溫度靈敏度3. 輻射熱導與溫度噪聲功率（）4. 熱釋電探測器只能測交變信號的原因答：熱釋電效應：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：熱電晶體在某個方向上正負電荷中心不重合，在晶體表面形成一定極化電荷。溫度變化時，由于較大的熱脹系數(shù)引起較大形變，晶體中正負電荷中心發(fā)生相對位移。故熱電晶體的自發(fā)極化強度隨溫度變化（負相關）。平時，晶體面束縛電荷被中和而不顯示外電場。溫度上升時，自發(fā)極化強度減小，表面的極化電荷急劇減小，晶體表面有了“凈”電荷。若構成回路則產(chǎn)生電流信號輸出。熱電晶體弛豫時間很短，因此熱釋電可響應快速溫變。溫變很

7、慢時，晶體表面束縛電荷會被自由電荷中和。故熱釋電探測器只能響應交變光輻射、入射光輻射的調(diào)制頻率要滿足5.各探測器需要考慮的噪聲探測器噪聲公式備注測輻射熱計熱噪聲電阻阻值變化值溫度噪聲電流噪聲熱電偶歐姆電阻的熱噪聲附加熱導輸出電壓（記憶）溫度噪聲熱電堆熱噪聲熱釋電探測器熱噪聲響應速度比其它熱探測器快得多，不需偏壓，室溫放大器的噪聲電流溫度噪聲6. 綜述除測輻射熱計（熱敏電阻）外不需偏壓探測率較低熱釋電探測器具有較高的靈敏度和較快的響應速度7 光電成像器件1. 重點：CCD波形圖，要求會繪制2. CCD工作原理注入：用光束直接照射P型Si-CCD襯底時，半導體內(nèi)將產(chǎn)生電子空穴對，多數(shù)載流子會被柵極

8、上所加電壓產(chǎn)生的電場排斥到底部，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷包，為光注入；通過輸入端的輸入二極管和輸入柵極，把與信號成正比的電荷注入到相應勢阱中，為電注入。存儲：柵極上加正電壓，柵極襯底之間產(chǎn)生電場，半導體表面附近區(qū)域的空穴被排斥到半導體下部，形成耗盡區(qū)。電子會被電場力引入并限制在耗盡區(qū)內(nèi)。勢阱具有存儲電子的能力，當電壓超過閾值時，電子濃度高于空穴形成反型層。此時，若向勢阱中注入電荷，則被注入的電荷將被存儲在勢阱中，形成（信號）電荷包。隨著電荷包的積累，表面勢將繼續(xù)收縮，勢阱變淺。電荷包的轉(zhuǎn)移：通過控制各柵極的電壓來調(diào)節(jié)勢阱的深度，并利用勢阱的耦合原理來將電荷包從一個變淺勢阱中轉(zhuǎn)移到

9、相鄰的深勢阱中。電荷包的輸出：當電荷包在最后一個轉(zhuǎn)移柵極下的勢阱，若CR2電極上的電壓由高變低，則勢阱收縮，電荷包將通過柵極下面的溝道進入N+區(qū)，又迅速被拉走形成電流Id。3. CMOS工作原理CMOS主要由像敏單元陣列和MOS場效應管集成電路。像元陣列按X和Y方向排列成方陣，可由兩個方向的地址譯碼器進行訪問。像元列產(chǎn)生的光電信號先經(jīng)放大器放大，然后送入多路模擬開關。當某一路模擬開關導通時，其對應的列放大器內(nèi)的光電信號就傳至A/D轉(zhuǎn)換器，變成數(shù)字信號，經(jīng)預處理器處理，經(jīng)接口電路輸出。4. CCD與CMOS比較“隨機訪問（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

10、采用按序讀出信號的結(jié)構，開窗能力有限。靈敏度、光譜響應、噪聲特性、動態(tài)范圍、功耗、信號讀取速率：CCD靈敏度高，具有在可見光及近紅外波段的完全響應，CMOS則對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讀出速率遠低于CMOS；CCD的動態(tài)范圍高于CMOS；CMOS的功耗低于CCD；5.8 光學信號的調(diào)制和解調(diào)1. 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2. 調(diào)制的意義：加載信息，改善系統(tǒng)工作品質(zhì)。3.9 直接探測和相干探測1. 光外差效應信號光和參考光同時入射到光電探測器的光敏面上，形成干涉圖樣。光電探測器響應兩束

11、光的干涉光場，其輸出信號不僅與入射光波的強度有關，還和頻率相位等參數(shù)有關。2. 相干探測特點：探測能力強轉(zhuǎn)換增益高信噪比高濾波性好穩(wěn)定性和可靠性高3. 相干探測波前條件空間條件：信號光和本振光在空間上角準直（共軸）頻率條件：兩者具有高度單色性和頻率穩(wěn)定度偏振條件：在光混頻器上要求信號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。4.10 光電檢測電路與信號處理1. 最佳源電阻匹配當信號源的內(nèi)阻等于放大器的最佳源電阻值時，放大器對檢測電路附加的噪聲最小，稱為信號源與放大器之間達到了噪聲匹配。2. 鎖定放大器的工作原理鎖放由信號通道、參考通道和相敏檢波三個部分組成。信號通道對混有噪聲的初始信號進行放大，對噪聲做初步窄帶濾波后輸出；4參考通道通過觸發(fā)