光電檢測考-點(diǎn)探測器部分復(fù)習(xí)題

1、1、光源選擇的基本要求有哪些? 答： 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(shí)要求連續(xù)光譜，有時(shí)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(shí)加以滿足。 光對光源發(fā)光強(qiáng)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(qiáng)度應(yīng)有一定的要求。光源強(qiáng)度過低，系統(tǒng)獲得信號過小，以至無法正常測試，光源強(qiáng)度過高，又會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作的非線性，有時(shí)還可能損壞系統(tǒng)、待測物或光電探測器，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致不必要的能源消耗而造成浪費(fèi)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)，并按估計(jì)來選擇光源。

2、 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(shí)，可采用穩(wěn)壓電源供電。當(dāng)要求較高時(shí)，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(shí)，可對發(fā)出光進(jìn)行采樣，然后再反饋控制光源的輸出。 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2、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(diǎn)，舉例說明它們分別適用于哪種

3、情況? 答：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。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(gè)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(diǎn)，這時(shí)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?？墒牵色@得比較低和穩(wěn)定的暗電流和噪聲3、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(diǎn)，？為什么要把光敏電阻制造成蛇形？ 答：在微弱輻射下，光電導(dǎo)材料的光電靈敏度是定

4、值，光電流與入射光通量成正比，即保持線性關(guān)系。因?yàn)楫a(chǎn)生高增益系數(shù)的光敏電阻電極間距需很?。磘dr小），同時(shí)光敏電阻集光面積如果太小而不實(shí)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。4、 為什么結(jié)型光電器件在正向偏置時(shí)，沒有明顯的光電效應(yīng)？它必須在那種偏置狀態(tài)？為什么？ 答：因?yàn)閜-n結(jié)在外加正向偏壓時(shí)，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(shí)，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?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。二論述光電檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成，并說明各部分的功能。1、下面

5、是一個(gè)光電檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成框圖： （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(shí)，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(shí)現(xiàn)的，實(shí)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

6、面，應(yīng)按實(shí)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(shí)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(gè)問題：實(shí)現(xiàn)對微弱信號的檢測；實(shí)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。2、在“反向

7、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(diǎn)及它們之間的聯(lián)系。（10分）(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=UC-ILRL； (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)這兩種方法只適合照射到PN結(jié)上的光強(qiáng)變化緩慢和恒定光的情況，這時(shí)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(shí)際上可以略去不計(jì)。 (4)當(dāng)二極管的光電流與暗電流接近時(shí)，光電信號難以取出，因此，運(yùn)用反偏法檢測微弱的恒定光時(shí)不利的。 3、

8、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。 當(dāng)i0時(shí)，RL（開路），此時(shí)曲線與電壓軸交點(diǎn)的電壓通常稱為光電池開路時(shí)兩端的開路電壓，以VOC表示，由式（1）解得： （2）（4分）當(dāng)IpIo時(shí)， 當(dāng)RL0（即特性曲線與電流軸的交點(diǎn)）時(shí)所得的電流稱為

9、光電流短路電流，以Isc表示，所以IscIpSeE （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。 1、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. p-n結(jié)在外加正向偏壓時(shí),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(yùn)動(dòng)加強(qiáng),構(gòu)成少數(shù)載流子的注入,從而在p-n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，產(chǎn)生電致發(fā)光現(xiàn)象，這就是LED的發(fā)光機(jī)

10、理。因?yàn)閜-n結(jié)在外加正向偏壓時(shí)，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(shí)，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?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。2、簡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)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)，是一種內(nèi)光電效應(yīng)。材料對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。光生電子空穴對就被內(nèi)建電場分

11、離開來，空穴留在P區(qū)，電子通過擴(kuò)散流向N區(qū),這種光照零偏PN結(jié)產(chǎn)生開路電壓的效應(yīng)，稱為光伏效應(yīng).當(dāng)光照射到某種物質(zhì)時(shí)，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)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)，又稱為外光電效應(yīng)。3、光電探測器與熱電探測器在工作原理、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(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)

12、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?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)和測熱輻射計(jì)效應(yīng)等4、

13、簡述光電探測器的選用原則 答：(1).光電檢測器件必須和輻射信號源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上匹配。(2)光電檢測器件的光電轉(zhuǎn)換特性必須和入射輻射能量相匹配。(3) 光電檢測器件的響應(yīng)特性必須和光信號的調(diào)制形式、信號頻率及波形相匹配，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。5、簡述光電池、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

14、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.1、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RL0）的電流與光照度成線性關(guān)系。如果需要放大信號，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

15、弱光信號的檢測。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且RL，要求光電池應(yīng)通過高輸入阻抗變換器與后續(xù)放大電路連接，相當(dāng)于輸出開路。2、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)探測器的輸出功率最大，即 PL=ILUL

16、 Ub2/4RL 則稱為匹配狀態(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簡化為 IL=Ub/RL 這表明負(fù)載電流與光敏電阻值無關(guān)，并且近似保持常數(shù)，這種電路稱為恒流偏置電路。隨輸入光通量的變化，負(fù)載電流的變化IL變?yōu)?DIL=SgUb(RP/RL)2D 上式表明輸出信號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），這給使用帶來不便。為了降低電源電壓，通常采用晶體管作為恒流器件來代替RL。(3) 當(dāng)

17、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為恒壓偏置，信號電壓變?yōu)?DUL=SgUbRLD 式中，SgG是光敏電阻的電導(dǎo)變化量，是引起信號輸出的原因。從上式中看出，恒壓偏置的輸出信號與光敏電阻無關(guān)，僅取決于電導(dǎo)的相對變化。所以，當(dāng)檢測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)。3、敘述實(shí)現(xiàn)光外差檢測必須滿足的條件。(12分) 答：信號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。光外差檢測只有在下列條件下才可能得到滿足：信號光波和

18、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)。信號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χ蓄l信號無貢獻(xiàn)，只貢獻(xiàn)噪聲。信號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。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。在上述條件都得到滿足時(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。總之,要滿足時(shí)間,空間條件外,還有滿足頻率條件和偏振條件.4、對直接檢測系統(tǒng)來說，如何提高輸入信噪比？ (12分) 答

19、：對于光電檢測系統(tǒng)來說，其噪聲主要有三類：（1）光子噪聲 包括：A.信號輻射產(chǎn)生的噪聲；B.背景輻射產(chǎn)生的噪聲。（2）探測器噪聲 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）信號放大及處理電路噪聲在實(shí)際的光電探測器中，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：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，對于直接探測系

20、統(tǒng)，提高輸入信噪比的措施有：（1）利用信號調(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 光電探測器噪聲功率譜分布示意圖5、敘述激光干涉測長的原理。(16分)穩(wěn)頻信號布儒斯特窗激光器偏振分光鏡測量角錐鏡固定角錐鏡分光器光擴(kuò)展器偏振片光電 接收器參考信號測量信號透鏡 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度為206mm的全內(nèi)腔He-Ne激光管發(fā)出一對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，n為空氣折射率，其值約728MHz），經(jīng)布儒特窗取出穩(wěn)頻信號，進(jìn)行熱穩(wěn)頻。其余光束再經(jīng)析光鏡反射及透射，反射的一對正