光電技術(shù)與光纖基礎(chǔ)復(fù)習(xí)2014

1、光電技術(shù)與光纖基礎(chǔ)總復(fù)習(xí)（一）,計(jì)算題 3,4,5章各一題,內(nèi)容,第一章：光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí) 第二章：光電檢測(cè)中的常用光源 第三章：結(jié)型光電器件 第四章：光電導(dǎo)器件 第五章：真空光電器件 第六章：真空成像器件 第七章：固體成像器件 第八章：紅外輻射與紅外探測(cè)器 第九章：光導(dǎo)纖維與光纖傳感器 第十章：太赫茲的產(chǎn)生與檢測(cè),第一章 基礎(chǔ)知識(shí),輻射度學(xué)和光度學(xué)的基本概念及其計(jì)算 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 基本定律 光電探測(cè)器的噪聲和特性參數(shù),被測(cè)對(duì)像,光學(xué)系統(tǒng),光電轉(zhuǎn)換,被測(cè)對(duì)象的信息加載,光電檢測(cè)系統(tǒng)組成：,輻射度學(xué)和光度學(xué)的基本概念及其計(jì)算,1、輻射功率（輻射通量）,單位：W（瓦特）,2、輻射強(qiáng)度,單

2、位,3、輻射亮度,單位：,4、輻射出射度,單位：W/m2,5、輻照度,單位：W/m2,一、輻射度學(xué)基本物理量,輻射度學(xué)和光度學(xué)的基本概念,二、光度學(xué)基本物理量,1、視見函數(shù)(聯(lián)系了),555nm時(shí)最大！,2、基本物理量,表12，注意單位、相互之間關(guān)系,輻射度學(xué)和光度學(xué)的基本概念,三、其他基本概念（1、2、3、4）,半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí),一、基本概念,1、能帶結(jié)構(gòu),2、雜質(zhì)半導(dǎo)體,3、非平衡載流子(計(jì)算長波極限),4、擴(kuò)散和漂移,N型中，自由電子空穴濃度,非本征要低溫：減少熱激發(fā)帶來的影響,基本定律,一、黑體輻射定律（概念）,1、基爾霍夫定律（任何物體的單色輻出度和單色吸收比之比，等于同一溫度時(shí)絕對(duì)黑

3、體的單色輻出度）,2、普朗克輻射公式(了解),3、斯忒藩玻耳茲曼定律 輻射出射度 M e B (T ) = T4,4、維恩位移定律,基本定律,二、光電效應(yīng),1、內(nèi)光電效應(yīng),2、外光電效應(yīng),光電導(dǎo)效應(yīng)：光照導(dǎo)致載流子濃度增加，電導(dǎo)率增大 光伏效應(yīng)（光生伏特效應(yīng)）：產(chǎn)生勢(shì)壘,半導(dǎo)體會(huì)計(jì)算閾值波長,光電發(fā)射效應(yīng)：光照作用下，電子逸出,=1.24/Eth 能量閾值Eth=EA+Eg Ea電子親和勢(shì) Eg禁帶寬度,光電探測(cè)器的噪聲和特性參數(shù),一、特性,1、響應(yīng)率：探測(cè)器的輸出信號(hào)電壓Us或者電流 Is與入射的輻通量之比，稱為電壓響應(yīng)率Sv或Si,2、光譜響應(yīng)率：單色光照射下，上面的比值,3、等效噪聲功率

4、：最小可探測(cè)功率，越小越好,第二章 常用光源,光源的特性參數(shù) 熱輻射源（太陽，白熾燈） 氣體放電光源（脈沖燈，汞燈） 固體發(fā)光光源 發(fā)光二極管（P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合的二極管） 激光器 自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射 三個(gè)條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、諧振腔、光汞,光源的特性參數(shù),輻射效率和發(fā)光效率 光譜功率分布 光源的顏色 光源的溫度: 色溫 相關(guān)色溫 分布溫度,熱輻射源（能舉例&判別）,太陽 黑體模擬器 白熾燈,氣體放電光源（能舉例&判別）,脈沖燈 原子光譜燈 汞燈,固體發(fā)光光源,結(jié)型發(fā)光光源 發(fā)光二極管工作原理及量子效率,激光器,激光原理 三種躍遷過程、必要條件 激光器的結(jié)構(gòu)(能畫圖并指出各部分的作用)

5、 激光器的類型（氣體、固體、染料、半導(dǎo)體） 激光的特性 單色性好、方向性好、亮度高、相干性好,第三章 結(jié)型光電器件,結(jié)型光電器件的工作原理 硅光電池 硅光電二極管和硅光電三極管 結(jié)型光電器件的放大電路 特殊結(jié)型的光電二極管 結(jié)型光電器件的應(yīng)用實(shí)例光電耦合器件,結(jié)型光電器件的工作原理,熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié) 外加偏壓、反向飽和電流 光照下的PN結(jié) 光伏效應(yīng) 電流方程分析負(fù)載電路（如圖3-2）,流過負(fù)載電流,硅光電池,不加外電壓！,光電子、光伏工作區(qū)、光電池都工作在第四象限； 光電二極管、光電三極管工作在第三象限,硅光電池,特性參數(shù)（負(fù)載小線性范圍大） 光照特性開路時(shí)(電壓)、短路時(shí)(電流)、有限負(fù)

6、載時(shí),硅光電二極管和三極管,一般在反向偏壓下工作 反向偏壓加大內(nèi)建電場(chǎng)！ 使結(jié)拉開，增大 勢(shì)壘。,與光電池的比較,光電池工作區(qū),光電二極管工作區(qū),硅光二極管和光電池都是基于PN結(jié)的光伏效應(yīng)工作的。這就是硅光二極管工作在反偏置電壓下的原因。內(nèi)光電效應(yīng)。光電池工作在零偏置狀態(tài)下。,特殊結(jié)型光電二極管,PIN型光電二極管 結(jié)構(gòu)、原理 光電位置傳感器 原理 位置表達(dá)式 雪崩光電二極管(有放大作用) 紫外光電二極管（結(jié)淺）,PIN型光電二極管優(yōu)點(diǎn),使PN結(jié)的結(jié)間距離拉大 內(nèi)建電場(chǎng)基本集中在I層中 增加了對(duì)長波的吸收，提高了長波靈敏度 可承受較高的反向偏壓,第四章 光電導(dǎo)器件,工作原理（無光照，電阻很大；

7、受光照，電導(dǎo)率改變，電阻減小，光生載流子迅速增加） 主要特性參數(shù) 光電導(dǎo)靈敏度Sg=gp/E gp光電導(dǎo) 量子效率n=Nhv/ 輸出的光電流與輸入光電流之比 偏置電路和噪聲 特點(diǎn)與應(yīng)用（照相機(jī)的自動(dòng)曝光電路，路燈自動(dòng)控制電路）,雜質(zhì)光敏要工作在低溫下，防止熱激發(fā),工作原理,基于內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)） 暗電流、亮電流、光電流及三者的關(guān)系 流過光敏電阻的電流p+D I為亮電流 p光電流，D 暗電流,主要特性參數(shù),光電靈敏度(計(jì)算) 量子效率,偏置電路(結(jié)合應(yīng)用),E3,禁區(qū),光敏電阻的伏安特性曲線,負(fù)載電流和電壓的變化近似地與光通量的變化成正比。,第五章：真空光電器件（基于外光電效應(yīng)）,光電陰極

8、：能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體稱為光電發(fā)射體，光電發(fā)射體在光電器件中常作為陰極。（使輻射信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)） 光電管與光電倍增管（都是真空的） 光電倍增管的主要特性參數(shù) 光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路 微通道板光電倍增管 光電倍增管的應(yīng)用,光電陰極,工作原理外光電效應(yīng) 主要參數(shù) 靈敏度 量子效率 光譜響應(yīng)曲線 分類：反射與透射 常用光電陰極材料 負(fù)電子親合勢(shì)及其特點(diǎn),光電管與光電倍增管,光電管 玻殼、光電陰極和陽極組成，真空型和充氣型 光電倍增管 基于外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng) 結(jié)構(gòu)上與光電管的區(qū)別：電子光學(xué)系統(tǒng)和倍增級(jí),光電倍增管,工作原理 典型參數(shù),光電倍增管,入射窗口 端窗、側(cè)窗 電子光學(xué)系

9、統(tǒng) 作用：匯聚、同步 電子倍增極 陽極,光電倍增管的主要參數(shù),靈敏度 陰極靈敏度Sk=k/k陰極輸出光電流 陽極靈敏度Sp=p/ 放大倍數(shù),光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路,Uo=IpRf,微通道板光電倍增管,結(jié)構(gòu) 原理 應(yīng)用 結(jié)構(gòu)：微通道板是由成千上萬根微通道排成的二維列陣（工作在真空） 原理：微通道是一根很細(xì)的玻璃管，它的內(nèi)壁鍍有高阻值的二次發(fā)射材料，施加高壓后內(nèi)壁出現(xiàn)電位梯度，光電陰極發(fā)出的一次電子轟擊微通道的一端，發(fā)射出二次電子因電場(chǎng)加速而轟擊另一處，再發(fā)射二次電子，這樣連續(xù)多次發(fā)射二次電子，可獲得10的四次方增益。 應(yīng)用：MCP光電倍增管,光電倍增管的應(yīng)用,微弱光探測(cè)（圖5-26）光子

10、計(jì)數(shù),第六章：真空成像器件,光電成像器件,真空成像器件,固體成像器件,像管,變像管,像增強(qiáng)管,攝像管,光電發(fā)射型像管（攝像管）,光電導(dǎo)型像管（視像管）,無存儲(chǔ) 直視,不可見光可見光,弱光強(qiáng)光,有存儲(chǔ) 非直視,電荷耦合器件CCD,自掃描光電二極管列陣SSPD,第六章：真空成像器件,像管 常見像管 攝像管 光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶 攝像管的特性參數(shù) 攝像管的發(fā)展方向,像管,包括變像管和像增強(qiáng)管 結(jié)構(gòu)和工作原理,常見像管,常見變像管 紅外、紫外 常見像增強(qiáng)器 級(jí)聯(lián)式、微通道板、X射線,能舉例！,攝像管,與變像管的區(qū)別（作用） 分類 光電發(fā)射型攝像管、光電導(dǎo)型攝像管,兩者的不同之處:,前者有移像區(qū),后者無,光電

11、陰極,電子光學(xué)系統(tǒng),移像區(qū),兩者相同之處:,掃描區(qū) 電子槍,燈絲,熱陰極,控制柵極,各加速電極,聚焦線圈,偏轉(zhuǎn)線圈,校正線圈,光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶,視像管靶 硅靶(結(jié)構(gòu))，工作原理 存儲(chǔ)靶 二次電子傳導(dǎo)靶,三個(gè)過程： （1）無光照掃描 充電(歸零) （2）有光照無掃描 光 電 （3）電子束再次掃描, 輸出(歸零),三個(gè)過程： （1）無光照掃描 零電位 （2）有光照無掃描 電位升高 （3）電子束再次掃描 輸出,攝像管的特性參數(shù)（了解）,1、靈敏度 2、光電轉(zhuǎn)換特性,第七章：固體成像器件,電荷耦合器件 電荷耦合器件的分類 CCD攝像機(jī)分類 CCD的性能參數(shù) 自掃描光電二極管列陣 發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用,CCD：

12、 （Charge Coupled Device）電荷耦合器件,固體成像器件,SSPD：（Self Scanned Photodiod Array)自掃描光電二極管列陣,電荷耦合器件,結(jié)構(gòu) 耦合原理與電極結(jié)構(gòu) CCD的組成與工作原理 輸入、轉(zhuǎn)移、輸出,深勢(shì)阱從1電極2電極下，勢(shì)阱內(nèi)的電荷也向右轉(zhuǎn)移了一位，如果不斷地改變電極上的電壓，就能使信號(hào)電荷可控地一位一位按順序傳輸，這就是所謂的電荷耦合。,2）電荷的耦合,電荷耦合器件的分類,線陣CCD 單邊、雙邊 面陣CCD 幀轉(zhuǎn)移、行間轉(zhuǎn)移,CCD攝像機(jī)分類,能舉例 可見光，紫外，射線,CCD的性能參數(shù),轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率（能計(jì)算） 原有的信號(hào)電荷量為

13、，轉(zhuǎn)移到下一個(gè)電極下的電荷量為 轉(zhuǎn)移效率 轉(zhuǎn)移損失率 當(dāng)信號(hào)轉(zhuǎn)移了個(gè)電極后，總轉(zhuǎn)移率為,自掃描光電二極管列陣,結(jié)構(gòu)形式和工作原理（圖7-1416） 連續(xù)（N+1根引線）連續(xù)工作方式 電荷存儲(chǔ)（三個(gè)過程：準(zhǔn)備、曝光、再充電） 線陣、面陣 工作原理,7-4,準(zhǔn)備過程：場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，電容器被充電,曝光過程：場(chǎng)效應(yīng)管截止，同時(shí)有光入射到光敏二極管上，產(chǎn)生電子空穴對(duì)， 光電流流過電容器，對(duì)電容器放電，放電電量正比于入射的光強(qiáng)度,再充電過程，場(chǎng)效應(yīng)管再次導(dǎo)通，電容器再次被充電， 流過負(fù)載電阻的電流在負(fù)載上產(chǎn)生電壓降，,即輸出電壓，輸出電壓的大小正比于電容放電的多少， 即正比于入射的光通量的大小。,第九章：光導(dǎo)纖維與光纖傳感器,光導(dǎo)纖維基礎(chǔ)知識(shí) 光導(dǎo)纖維的應(yīng)用（光纖照明器） 光纖傳感器的分類及構(gòu)成 功能型光纖傳感器 非功能型光纖傳感器,光導(dǎo)纖維基礎(chǔ)知識(shí),光纖的結(jié)構(gòu) 光纖的種類 光纖的傳光模式 光纖的傳光原理,能在光纖中發(fā)生全反射的入射光的入射角不能大于C：,數(shù)值孔徑越大，光纖集光能力越強(qiáng),數(shù)值孔徑NA,最大張角,例：石英光纖的NA=0.20.4 張角為：