光電檢測復(fù)習(xí)資料

1、簡答題1、光電探測器常見的噪聲有哪幾類分別簡要說明。 （1）熱噪聲：由載流子熱運動引起的電流起伏或電壓起伏成為熱噪聲，熱噪聲 功率與溫度有關(guān)（ 2）散粒噪聲：隨機起伏所形成的噪聲（3）產(chǎn)生 - 復(fù)合噪聲：載流子濃度起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏，在外加電壓下，電導(dǎo)率的起伏是輸出電流中帶有產(chǎn)生 - 復(fù)合噪聲（4）1/f 噪聲：這種噪聲功率譜近似與頻率成反比（5）溫度噪聲：是由于器件本身溫度變化引起的噪聲2、光電二極管與一般二極管相比有什么相同點和不同點 相同點：都是基于 PN結(jié)的光伏效應(yīng)而工作的不同點：（ 1）就制作襯底材料的摻雜濃度而言，一般二極管要比光電二極管濃 度較高（2）光電二極管的電阻率比

2、一般二極管要高（ 3）普通二極管在反向電壓作用時處于截止?fàn)顟B(tài)，只能流過微弱的反向電流 ，光電二極管是在反向電壓作用下工作的，（4）光電二極管 在設(shè)計和制作時盡量使 PN結(jié) 的面積相對較大，以便接收入射光。3、簡述光電三極管的工作原理。光電三極管的工作原理分為兩個過程： 一是光電轉(zhuǎn)換； 二是光電流放大。 就是將 兩個 pn 結(jié)組合起來使用。以 NPN型光電三極管為例，基極和集電極之間處于反 偏狀態(tài)，內(nèi)建電場由集電極指向基極。光照射 p 區(qū)，產(chǎn)生光生載流子對，電子漂 移到集電極，空穴留在基極， 使基極與發(fā)射極之間電位升高， 發(fā)射極便有大量電 子經(jīng)基極流向集電極，最后形成光電流。光照越強，由此形成的

3、光電流越4、簡述聲光相互作用中產(chǎn)生布喇格衍射的條件以及布喇格衍射的特點。 產(chǎn)生布喇格衍射條件： 聲波頻率較高， 聲光作用長度 L 較大， 光束與聲波波面間 以一定的角度斜入射。特點：衍射光各高級次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn) 0 級和+1級（或?1 級）衍 射光，合理選擇參數(shù)，并使超聲場足夠強，可使入射光能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到 1級（或 1 級）5、什么是熱釋電效應(yīng)熱釋電器件為什么不能工作在直流狀態(tài)熱釋電效應(yīng)： 熱釋電晶體吸收光輻射溫度改變， 溫度的變化引起了熱電晶體 的自發(fā)極化強度的變化， 從而在晶體的特定方向上引起表面電荷的變化， 這就是 熱釋電效應(yīng)。根據(jù)熱釋電效應(yīng)，熱釋電探測器的電流和溫度的變化

4、滿足 ，如果照射 光是恒定的， 那么溫度 T是恒定值，電流為零，所以熱電探測器是一種交流器件6、噪聲等效功率投射到探測器敏感元件上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓 （或電流） 正好 等于探 測器本身的噪聲電壓（或電流），則這個輻射功率就叫“噪聲等效功率”。7、光伏效應(yīng)當(dāng)光輻射到半導(dǎo)體上時， 產(chǎn)生光生載流子， 電勢壘的內(nèi)建電場將把電子與空穴分 開，從而在勢壘兩側(cè)形成電荷堆積，產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，簡稱光伏效應(yīng)8、像管的主要功能是什么有哪幾部分組成像管和攝像管的最大區(qū)別是什么 像管主要功能是把不可見輻射圖像或微弱光圖像通過光電陰極和電子光學(xué)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)換成可見光圖像像管由光電陰極、電子透鏡、熒光屏三個基本部分組

5、成 像管和攝像管的最大區(qū)別： 像管內(nèi)部沒有掃描機構(gòu)， 不能輸出電視信號， 對它的 使用就像使用望遠鏡去觀察遠處景物一樣，觀察者必須通過它直接面對事物9、簡述光頻外差探測的特點。答：（ 1）高的轉(zhuǎn)換增益。（ 2）良好的濾波性能。（ 3）良好的空間和偏振鑒別 能力。（4）小的信噪比損失； 有利于微弱光信號的探測。 （ 5）探測靈敏度高 （或 具有極限靈敏度）。10、比較光子探測器和光熱探測器在作用機理、性能及應(yīng)用特點等方面的差異。 答：光子探測器和光熱探測器分別應(yīng)用了光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)。 光子效應(yīng)是指單 個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。探測器吸收光子后， 直接引起原子或分子的內(nèi)

6、部電子狀態(tài)的改變。 光子能量的大小， 直接影響內(nèi)部電 子狀態(tài)改變的大小。 光子效應(yīng)就對光波頻率表現(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。（ 3 分） 光熱效應(yīng)和光子效應(yīng)完全 不同。探測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\動能量，引起探測元件溫度上升 , 溫度上升的結(jié)果又 使探測元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。 所以，光熱效應(yīng)與單光子能量 h?的大小沒有直接關(guān)系。 原則上， 光熱效應(yīng)對光波頻率沒有選擇性。 只是在紅外 波段上，材料吸收率高， 光熱效應(yīng)也就更強烈， 所以廣泛用于對紅外線輻射的探 測。因為溫度

7、升高是熱積累的作用， 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。11、光電探測器性能參數(shù)包括哪些方面。 答：為了評價探測器性能優(yōu)劣， 比較不同探測器之間的差異， 從而達到根據(jù)具體 需要合理正確選擇光電探測器件的目的， 制定了一套性能參數(shù)。 通常包括積分 靈敏度，也成為響應(yīng)度，光譜靈敏度，頻率靈敏度，量子效率，通量閾和噪聲等 效功率，歸一化探測度及工作電壓、電流、溫度及入射光功率允許范圍。12、光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)。 答：光子效應(yīng)是指單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。 探測器吸收光子后， 直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。 光子能量的大 小，直接

8、影響內(nèi)部電子狀態(tài)改變的大小。 因為，光子能量是 h?，h 是普朗克常數(shù) , ? 是光波頻率， 所以， 光子效應(yīng)就對光波頻率表現(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。 光熱效應(yīng)和光子效應(yīng)完全不同。 探 測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\動能量，引起探測元件溫度上升 , 溫度上升的結(jié)果又使探測元 件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。所以，光熱效應(yīng)與單光子能量h? 的大小沒有直接關(guān)系。 原則上，光熱效應(yīng)對光波頻率沒有選擇性。 只是在紅外波段上， 材料吸收率高， 光熱效應(yīng)也就更強烈， 所以廣泛用于對紅外線輻射的

9、探測。 因為 溫度升高是熱積累的作用， 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。 值得注意的是， 以后將要介紹一種所謂熱釋電效應(yīng)是響應(yīng)于 材料的溫度變化率， 比其他光熱效應(yīng)的響應(yīng)速度要快得多， 并已獲得日益廣泛的 應(yīng)用。13、請簡要說出 InSb 和 PbS光敏電阻的特性。答：（1）PbS 近紅外輻射探測器 波長響應(yīng)范圍在 1 m，峰值響應(yīng)波長為 2 m 內(nèi)阻（暗阻）大約為 1M 響應(yīng)時間約 200s （2）InSb 在 77k 下, 噪聲性能大大改善 峰值響應(yīng)波長為 5m 響應(yīng)時間短（大約 50×10-9s ）14、為什么說光電池的頻率特性不是很好 答:

10、光電池總的來說頻率特性不是很好 , 這是由于兩個方面的原因 : 第一, 光電 池的光敏面一般做的較大 , 因而極間電容較大 ; 第二 , 光電池工作在第四象限 , 有 較小的正偏壓存在 , 所以光電池的內(nèi)阻較低 , 而且隨入射光功率變差 , 因此光電池 的頻率特性不好 .15、直接光電探測器的平方律特性表現(xiàn)在哪兩個方面 答：一是光電流正比于光電場振幅的平方， 二是電輸出功率正比于入射光功率的 平方16、什么是半波電壓 當(dāng)光波的兩個垂直分量 Ex?，Ey?的光程差為半個波長（相應(yīng)的相位差為）時所需要加的電壓，稱為半波電壓。17、說明光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)各自特點。光子效應(yīng)： 指單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的

11、光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。 探測 器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小， 直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。（ 2 分） 特點：光子效應(yīng)對光波頻率表現(xiàn)出選 擇性，響應(yīng)速度一般比較快。（ 1 分）光熱效應(yīng)：探測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\動能量，引起探測元件溫度上升 , 溫度上升的 結(jié)果又使探測元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。（ 2 分） 特點：原則 上對光波頻率沒有選擇性，響應(yīng)速度一般比較慢。18、紅外光學(xué)系統(tǒng)的特點（1）紅外輻射源的輻射波段位于 1 m以上的不可見光區(qū)，普通光學(xué)玻璃對 m 以上的光

12、波不透明， 而在所有有可能透過紅外波段的材料中， 只有幾種材料有必 需的機械性能，并能得到一定的尺寸，如鍺、硅等，這就大大限制了透鏡系統(tǒng)在 紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用，使反射式和折反射式光學(xué)系統(tǒng)占有比較重要的地 位。 （2）為了探測遠距離的微弱目標(biāo)， 紅外光學(xué)系統(tǒng)的孔徑一般比較大。 （3） 在紅外光學(xué)系統(tǒng)中廣泛使用各類掃描器， 如平面反射鏡、 多面反射鏡、 折射棱鏡 及光楔等。 （4）8 至 14m波段的紅外光學(xué)系統(tǒng)必須考慮衍射效應(yīng)的影響。 （5） 在各種氣象條件下或在抖動和振動條件下，具有穩(wěn)定的光學(xué)性能19、光電倍增管的供電電路分為負高壓供電和正高壓供電，試說明這兩種供電 電路的特點，舉例說明

13、它們分別適用于哪種情況。答：采用陽極接地，負高壓供電。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。 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 1020mm，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。20、微弱輻射作用下，光電導(dǎo)材料的光電靈敏度有什么特點。 答：在微弱輻射下， 光電導(dǎo)材料的光

14、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。21、為什么結(jié)型光電器件正向偏置時，沒有明顯的光電效應(yīng)必須在哪種偏置狀 態(tài)為什么答：因為 p-n 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。 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， 這是因為 p-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，得到的光生電流就會明顯增加。22、光電探測器與熱探測器在工作原理、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，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)生感生電動勢的現(xiàn)象。 光電效

15、應(yīng)實質(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 光波頻率（或波長）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)的實質(zhì)是探測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\動能量， 引起探測元件溫度 上升，溫度上升的結(jié)果又使探測元件與溫度有關(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)對光波頻率（或波長）沒有選擇性，因而物質(zhì)溫度

16、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關(guān)。因為溫度 升高是熱積累的作用， 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)和測熱輻射計效應(yīng)等23、什么是光纖的色散答：光纖的色散就是輸入脈沖在光纖內(nèi)的傳輸過程中， 由于光波的群速度不 同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象。 光纖色散是傳輸?shù)男盘柮}沖發(fā)生畸變， 從而限制了光 束的傳輸帶寬24、光纖傳感器的基本構(gòu)成光纖傳感器由光源、敏感元件（光纖的或非光纖的）、光探測器、信號處理系統(tǒng)以及 光纖等組成。25、相位調(diào)制型光纖傳感器的工作原理答: 當(dāng)一束波長為的相干光在光纖中傳播時， 光波的

17、相位角與光纖的 長度L、纖芯折射率 n1 和纖芯直徑 d 有關(guān)。 光纖受物理量作用時，這三個參數(shù)就會 發(fā)生不同程度的變化， 引起光相移。 一般來說， 纖芯直徑引起的光相位變化可以 忽略。而在一段長為 L 的單模光纖（纖芯折射率為 n1）中，波長為的輸出光 相對輸入端來說，其相位角為計算題1、假設(shè)將人體作為黑體，正常人體體溫為° C。計算（ 1）正常人體所發(fā)出的輻射出射度；（2）正常人體的峰值輻射波長。（斯忒藩- 玻爾茲曼常數(shù)5.670 10 8 (J/m 2 s K 4) ，維恩常數(shù)為 ?m )2、用 Si 光電二極管測緩變光輻射， 伏安特性曲線如圖 1 所示，在入射光最大功 率為

18、8W時，電壓 10V，反向偏置電壓為 40V，Si 光電二極管的靈敏度 S=A/ W， 結(jié)電導(dǎo)為 S，求（ 1）畫出光電二極管的應(yīng)用電路圖（ 2）計算二極管的臨界電 導(dǎo)（ 3）計算最大線性輸出時的負載 RL。圖23、與象限探測器相比 PSD有什么特點如何測試圖中（如圖 2 所示）光點 A 偏離中心的位置答：PSD是利用離子注入技術(shù)制成的一種可確定光的能量中心位置的結(jié)型光電器 件，其特點是， (1) 它對光斑的形狀無嚴格要求， 只與光的能量中心有關(guān) (2)光敏 面上無須分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測量光斑位置，分辨率高。 (3) 可同時檢測 位置和光強， PSD器件輸出總電流和入射光強有關(guān)，所以從總

19、的電流可求得相應(yīng) 的入射光強。( 4 分) 工作原理： 當(dāng)光束入射到 PSD器件光敏層上距中心點 的距離為 xA 時，在入射位置上產(chǎn)生與入射輻射成正比的信號電荷，此電荷形成 的光電流通過電阻 p型層分別由電極 1與2輸出。設(shè)p型層的電阻是均勻的， 兩 電極間的距離為 2L，流過兩電極的電流分別為 I1 和 I2 ，則流過 n 型層上電極的 電流 I0 為 I1 和 I2 之和( I0= I1+I2 )。圖3答： (1)在t1 時刻， 1高電位， 2、 3低電位。此時 1電極下的表面勢最大，勢阱最深。假設(shè)此時已有信號電荷 (電子) 注入， 則電荷就被存儲在 1 電極下的勢阱中。 (2)t2 時刻

20、， 1、 2 為高電位， 3 為低電位，則 1、 2 下的兩個勢阱的空阱深度相同，但 因 1下面存儲有電荷， 則1 勢阱的實際深度比 2電極下面的勢阱淺， 1 下面的電荷將 向 2 下轉(zhuǎn)移，直到兩個勢阱中具有同樣多的電荷。 (3)t3 時刻， 2 仍為高電位， 3 仍為低電位，而 1 由高到低轉(zhuǎn)變。此時 1 下的勢阱逐漸變淺，使 1 下的剩余電荷繼續(xù) 向 2 下的勢阱中轉(zhuǎn)移。 (4)t4 時刻， 2 為高電位， 1、 3 為低電位， 2 下面的勢 阱最深，信號電荷都被轉(zhuǎn)移到 2 下面的勢阱中，這與 t1 時刻的情況相似，但電荷包向右 移動了一個電極的位置。 當(dāng)經(jīng)過一個時鐘周期 T 后，電荷包將

21、向右轉(zhuǎn)移三個電極位置， 即一 個柵周期(也稱一位)。因此，時鐘的周期變化，就可使CCD中的電荷包在電極下被轉(zhuǎn)移到輸出端。5、在晶體橫向調(diào)制器中， 應(yīng)盡量消除自然雙折射對調(diào)制光的影響， 通常采用“組 合調(diào)制器”的結(jié)構(gòu)進行補償。現(xiàn)有兩塊尺寸、性能完全相同的KDP晶體，其中一塊晶體如圖 4 放置，請問另一塊晶體如何放置才能消除雙折射影響并說明其原 理。(需標(biāo)明加電壓后晶體主軸 x',y ',z 的方向和電壓正負)KDP晶體Ie6、設(shè)在半徑為 Rc的圓盤中心法線上，距盤圓中心為 l 0處有一個輻射強度為7、已知從鋁金屬逸出一個電子至少需要 A = eV 的能量，若用可見光投射到鋁 的表面，能否產(chǎn)生光電效應(yīng)為什么（普朗克常量 h =×10-34 J·s，基本電荷 e = ×10-19 C） 解： 不能產(chǎn)生光電效應(yīng)因為：鋁金屬的光電效應(yīng)紅限波長 0 hc/ A，而 A = eV = × 10-19 J0 296nm而可見光的波長范圍為 390 nm770 nm > 08、在兩個激光放大器之間，通常加入隔離器，使光束只沿一個方向傳播?，F(xiàn)有一 45°法拉第旋轉(zhuǎn)器，偏振片若干，運用所學(xué)的知識，在如圖3 所示的光路中設(shè)計一個簡單的磁光隔離器，畫出結(jié)構(gòu)示意圖，并說明其工作原理。光束傳播方向激光激光放大器圖8放大