光電子技術(shù)章節(jié)練習(xí)題及答案

1、光電子技術(shù)章節(jié)練習(xí)題及答案第一章一、填空題1、色溫是指在規(guī)定兩波長(zhǎng)處具有與熱輻射光源的輻射比率相同的黑體的 溫度。其并非熱輻射光源本身的溫度。2、 自發(fā)躍遷是指處于高能級(jí)的一個(gè)原子自發(fā)地向低能級(jí)躍遷， 并發(fā)出一 個(gè)光子的過(guò)程。受激躍遷是指處于高能級(jí)態(tài)的一個(gè)原子在一定的輻射場(chǎng)作用 下躍遷至低能級(jí)態(tài)，并輻射出一個(gè)與入射光子全同的光子的過(guò)程。3、受激輻射下光譜線展寬的類型分為均勻展寬和非均勻展寬，其中均勻展寬主要自然展寬、碰撞展寬、熱振動(dòng)展寬，非均勻展寬主要有 多普勒展寬與殘余應(yīng)力展寬。4、 常見(jiàn)的固體激光器有 紅寶石激光器、釹激光器或鈦寶石激光器 （寫(xiě) 出兩種），常見(jiàn)的氣體激光器有 He-Ne激光

2、器、CO激光器或Ar+激光器（寫(xiě) 出兩種）。5、光是一種以光速運(yùn)動(dòng)的光子流， 光子和其它基本粒子一樣，具有 能量、動(dòng)量和質(zhì)量；其靜止質(zhì)量為 0。6激光與普通光源相比具有如下明顯的特點(diǎn)：方向性好、單色性好、相干性好，強(qiáng)度大 。7、設(shè)一個(gè)功率IOOW的燈泡向各個(gè)方向輻射的能量是均勻的， 則其輻射強(qiáng)度 為 100/4 W/sr。8、設(shè)一個(gè)功率100W勺燈泡向各個(gè)方向輻射的能量是均勻的，則其在 Im遠(yuǎn)處形成的輻射照度為100/4 Wr9、設(shè)一個(gè)功率100W勺燈泡向各個(gè)方向輻射的能量是均勻的，則其在 2m遠(yuǎn) 處形成的輻射照度為100/16 W/rn。二、解答題1、簡(jiǎn)述光子的基本特性（10分）答:光是一種

3、以光速運(yùn)動(dòng)的光子流，光子和其它基本粒子一樣，具有能量、 動(dòng)量和質(zhì)量。它的粒子屬性（能量、動(dòng)量、質(zhì)量等）和波動(dòng)屬性（頻率、波矢、 偏振等）之間的關(guān)系滿足：（1） Eh; （2） m ! h2 ,光子具有運(yùn)C C動(dòng)質(zhì)量，但靜止質(zhì)量為零；（3） P k ； （4）、光子具有兩種可能的獨(dú)立偏振態(tài), 對(duì)應(yīng)于光波場(chǎng)的兩個(gè)獨(dú)立偏振方向；（5）、光子具有自旋，并且自旋量子數(shù)為整 數(shù)，是玻色子。2、簡(jiǎn)述激光產(chǎn)生的條件、激光器的組成及各組成部分的作用。（10分）答:必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和減少振蕩模式數(shù)。充分條件：起振一一閾值條件：激光在諧振腔內(nèi)的增益要大于損耗。 穩(wěn)定振蕩條件一一增益飽和效應(yīng)（形成穩(wěn)定激光）。

4、組成：工作物質(zhì)、泵浦源、諧振腔。作用：工作物質(zhì)：在這種介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。泵浦源（激勵(lì)源）：將粒子從低能級(jí)抽運(yùn)到高能級(jí)態(tài)的裝置。諧振腔：（1）使激光具有極好的方向性（沿軸線）；（2）增強(qiáng)光 放大作用（延長(zhǎng)了工作物質(zhì)）；（3）使激光具有極好的單色性（選頻）。三、計(jì)算題1 、設(shè)一對(duì)激光能級(jí)為巳和El（ g2=gl），相應(yīng)的頻率為（波長(zhǎng)為），各 能級(jí)上的粒子數(shù)為n2和n。求(1)當(dāng)(2)當(dāng)V =3000MHz T=300K時(shí)，21 = =1 m T=300K時(shí)，nJ n 1 =(2)當(dāng) =1 mn2 m=時(shí),溫度T=1解: (1)2%xpg1E2巳kBTexp hkBTexp6.626 10

5、34 3000 1061.3810 233000.9992expexphekBTexp3 1081.38 10 23 300 1 10 66.62610 341.432110 21In() mhe kBTln0.16.626 10 34 3 1081.38 10 23 T 1 10 6T 6626K2、四能級(jí)激光器中，激光上能級(jí)壽命為T(mén) 3 =10-3 S ,總粒子數(shù)密度no=3×108m3,當(dāng)抽運(yùn)幾率達(dá)到 W =500s時(shí)，求小信號(hào)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為多少解：激光上能級(jí)向下能級(jí)自發(fā)躍遷幾率A3210103S由四能級(jí)系統(tǒng)小信號(hào)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)計(jì)算公式有JnOW4A32500500 10003

6、1088 ,310 / m第二章一、填空題1、 光譜位于大氣窗口內(nèi)的光輻射的大氣衰減因素主要有：大氣分子的吸 收，大氣分子散射，大氣氣溶膠的衰減 。2、 光在潔凈的大氣中傳播時(shí)主要發(fā)生瑞利 散射，散射光的強(qiáng)度與波長(zhǎng) 的關(guān)系是： 散射光強(qiáng)與波長(zhǎng)的四次方成反比。3、 光在大霧中傳播時(shí)主要發(fā)生米-德拜散射散射，散射光的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系是：散射光強(qiáng)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。4、 電光晶體的半波電壓是指：當(dāng)波 x' 和 y' 兩個(gè)方向振動(dòng)分量存在半個(gè) 波長(zhǎng)的光程差（ 的相位差）時(shí)所需加的電壓。5、KDF晶體沿Z軸加電場(chǎng)時(shí)，由單軸晶體變成了雙軸晶體，折射率橢球的主軸繞Z軸旋轉(zhuǎn)了 45，此轉(zhuǎn)角與外加電場(chǎng)的

7、大小無(wú)關(guān)，其折射率變化與電場(chǎng)的大小成 正比。&若在超聲功率PS 一定的情況下，要使Bragg衍射光強(qiáng)盡量大，則應(yīng)選擇聲光材料品質(zhì)因素M 盡可能大 的材料，并要把換能器做成長(zhǎng)而窄（即L大H小）的形式。7、表征光纖的集光本領(lǐng)的物理量是光纖的數(shù)值孔徑，在弱導(dǎo)條件下表示 為：NA n1（2 ）1/2。8、聲波在聲光晶體中傳播會(huì)引起晶體中的質(zhì)點(diǎn)按聲波規(guī)律在平衡位置振動(dòng)，按照聲波頻率的高低以及聲波和光波作用的長(zhǎng)度不同，聲光相互作用可以分為_(kāi)拉曼-納斯衍射和布喇格衍射 兩種類型。9、 磁光效應(yīng)是指 外加磁場(chǎng)作用引起材料光學(xué)各向異性的現(xiàn)象，法拉第 磁光效應(yīng)的規(guī)律（1） 對(duì)于給定的介質(zhì) ,光振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)

8、角與樣品的長(zhǎng)度和外力卩 的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比（2） 的傳播方向反轉(zhuǎn)時(shí)，法拉第旋轉(zhuǎn)的左右方向互換。10、 電致折射率變化是指晶體介質(zhì)的介電系數(shù)與晶體中的電荷分布有 關(guān)，當(dāng)晶體被施加電場(chǎng)后，將引起束縛電荷的重新分布，并導(dǎo)致離子晶格的微小 形變，從而引起介電系數(shù)的變化，并最終導(dǎo)致晶體折射率變化的現(xiàn)象。11、 光纖色散的主要危害是使脈沖信號(hào)展寬，限制了光纖的帶寬或傳輸容量；多模光纖的色散主要有模色散、材料色散、波導(dǎo)色散。'12、光波在大氣中傳播時(shí)，由于大氣氣體分子及氣溶膠的吸收和散射會(huì)引起光束的能量衰減；由于 空氣折射率不均勻， 會(huì)引起光波的振幅和相位起 伏。二、是非題1、 KDF晶體沿Z（主）

9、軸加電場(chǎng)時(shí)，由單軸晶變成了雙軸晶體。（ ）2、KDP晶體沿Z （主）軸加電場(chǎng)時(shí)，晶體各個(gè)方向上的折射率變化量是相同的。（X ）3、光纖數(shù)值孔徑就是指光纖的直徑。（×）4、光纖的集光能力僅由光纖的折射率分布決定。（）5、光纖數(shù)值孔徑代表光纖的集光本領(lǐng)。（）三、簡(jiǎn)答題1 、概括光纖弱導(dǎo)條件的意義。答:從理論上講，光纖弱導(dǎo)特性是光纖與微波圓波導(dǎo)間的重要差別之一。實(shí)際使用的光纖，特別是單模光纖，其摻雜濃度都很小，使纖芯和包層只有很小 的折射率差。弱導(dǎo)的基本含義是指很小的折射率差就能構(gòu)成良好的光纖波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)，其為制造提供了很大的方便。2 、聲光相互作用可以分為拉曼-納斯衍射和布喇格衍射兩種類型

10、。簡(jiǎn)述它們 產(chǎn)生的條件和特征。答:產(chǎn)生拉曼-納斯衍射的條件：當(dāng)超聲波頻率較低，光波平行于聲波面 入射，聲光互作用長(zhǎng)度L較短時(shí)，在光波通過(guò)介質(zhì)的時(shí)間內(nèi)，折射率的變化可以 忽略不計(jì)，則聲光介質(zhì)可近似看作為相對(duì)靜止的“平面相位柵”。由出射波陣面上各子波源發(fā)出的次波將發(fā)生相干作用，形成與入射方向?qū)ΨQ分布的多級(jí)衍射 光，這就是拉曼-納斯衍射的特點(diǎn)。產(chǎn)生布喇格衍射條件：聲波頻率較高，聲光 作用長(zhǎng)度L較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射， 介質(zhì)具有“體光柵” 的性質(zhì)。衍射光各高級(jí)次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn) O級(jí)和+1級(jí)（或1級(jí)）衍 射光，這是布喇格衍射的特點(diǎn)。3 、利用縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)均可實(shí)現(xiàn)

11、電光強(qiáng)度調(diào)制，縱向電光調(diào) 制和橫向電光調(diào)制各有什么優(yōu)缺點(diǎn)答:縱向電光調(diào)制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 工作穩(wěn)定、不存在自然雙折射的影響 等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是半波電壓太咼，在調(diào)制頻率較咼時(shí)，功率損耗比較大。橫向效應(yīng)運(yùn)用時(shí)，存在自然雙折射產(chǎn)生的固有相位延遲， 它們和外加電場(chǎng)無(wú) 關(guān)。在沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，入射光的兩個(gè)偏振分量通過(guò)晶后其偏振面已轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè) 角度，這對(duì)光調(diào)制器等應(yīng)用不利，應(yīng)設(shè)法消除。橫向效應(yīng)運(yùn)用時(shí)，總的相位延遲不僅與所加電壓成正比，而且與晶體的長(zhǎng) 寬 比（Ld）有關(guān)。而縱向應(yīng)用時(shí)相位差只和 V=EL有關(guān)。因此，增大L或減小d 就可大大降低半波電壓，但必須采用兩塊晶體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且其尺寸加工要求 高，對(duì)環(huán)境

12、溫度敏感。、何為電光晶體的半波電壓半波電壓由晶體的哪些參數(shù)決定答:當(dāng)光波的兩個(gè)垂直分量EX，Ey的光程差為半個(gè)波長(zhǎng)（相應(yīng)的相位差）時(shí)所需要加的電壓，稱為半波電壓?？v向應(yīng)用時(shí)，V3由光波長(zhǎng)、線性電光系數(shù)、晶體主折射率等參數(shù)決2門(mén)。心3橫向應(yīng)用，在略去自然雙折射影響的情形下，Vhd由光波波長(zhǎng)、n。心3 L線性電光系數(shù)、晶體主折射率等參數(shù)以及晶體長(zhǎng)度和寬度決定四、綜合題試寫(xiě)出外電場(chǎng)E與KDP晶體Z軸方向平行時(shí)的折射率橢球方程，并證明其變成 雙軸晶體，寫(xiě)出此時(shí)的三個(gè)主折射率nz XnyX和nzx0解答：根據(jù)已知Ex=E=O,折射率橢球方程變?yōu)椋? 2 2*2 2.2x/n。+ y In。+ Z Ine

13、 + 2r63EXy = 1由于出現(xiàn)了 Xy交叉項(xiàng)，說(shuō)明在外電場(chǎng)EZ作用下，晶體主軸發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)。作 坐標(biāo)變換，令坐標(biāo)軸繞Z軸轉(zhuǎn)450，新坐標(biāo)系為'，y'，z',它與舊坐標(biāo)系的關(guān) 系為：/ X = x'cos45 0 - y'sin450 = 2/2 (x'-y')< y =x'sin45 0 +y'cos45 0 =2/2 (x'+ y') Z = z'可得新坐標(biāo)系下的折射率橢球方程:x' 2(1/n°2+ r 63匕)+ y '2( 1/ n。2 - r63呂)+z

14、'2/曬2=1變換成晶體主軸坐標(biāo)系：x' 2/ n' x2 + y ' 2/ n' y2 + Z ' 2/ n' z2 = 1其中:1/ /n' x2= 1/ /n o2+ 53Ez1/ n' y2 = 1/ n o2- r 63EzI 1/ /n' z2 = 1/ /n可見(jiàn)外電場(chǎng)EZ的作用不僅使KDP的主軸繞Z軸旋轉(zhuǎn)了 450,而且使n' X n' yn'z，即變成了雙軸晶體。A/y* =第三早、填空題1、電光調(diào)制器的電學(xué)性能的基本要求是:調(diào)制效率要高足夠的調(diào)制帶寬。2、 光束調(diào)制按其調(diào)制

15、的性質(zhì)可分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相及強(qiáng)度調(diào)制3、要實(shí)現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制，必須進(jìn)行三個(gè)過(guò)程：抽樣、量化和編碼4、直接調(diào)制是指：把要傳遞的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入半導(dǎo)體光源 ，從而直接獲得調(diào)制光信號(hào)。5、一縱向運(yùn)用的KDP電光調(diào)制器，長(zhǎng)為2cm折射率為，心3 10.6 ,工作頻率為IOOOkHz,則此時(shí)光在晶體中的渡越時(shí)間為d I "S 167ns。&光束掃描根據(jù)其應(yīng)用的目的來(lái)可以分為模擬式掃描和數(shù)字式掃描兩種;它們分別主要應(yīng)用于各種顯示、光存儲(chǔ)。7、在電光調(diào)制器中，為了得到線性調(diào)制，在調(diào)制器中插入一個(gè)/4波片，波片的軸向取向?yàn)?快慢軸與晶體的主軸 X成45 角（與X 軸平行）時(shí)最好。8電光

16、掃描是利用電光效應(yīng)使晶體的沿某些方向的折射率的線性變化率 發(fā)生變化，從而改變光的傳播方向來(lái)實(shí)現(xiàn)光束掃描的。9、聲光掃描器是通過(guò)改變 聲波頻率使布拉格衍射角 發(fā)生變化，從而改 變光的傳播方向來(lái)實(shí)現(xiàn)光束掃描的。二、是非題1、 在電光調(diào)制器中，為了在不加偏壓時(shí)得到線性調(diào)制，應(yīng)將/4波片快慢軸與晶體的主軸X成45角。（）2、 在電光調(diào)制器中，為了在不加偏壓時(shí)得到線性調(diào)制，應(yīng)將/4波片快軸與晶體的主軸X軸平行。（×）3、LD直接調(diào)制器用于數(shù)字通信時(shí)，應(yīng)加上備低于閾值電流的偏置電流，以提高調(diào)制速度。（）4、LD直接調(diào)制器用于模擬通信時(shí)，偏置電流必須大于閾值電流，才能得到線性調(diào)制。（）5、縱向電光

17、調(diào)制不存在自然雙折射的影響，但半波電壓相對(duì)于橫向電光調(diào)制更咼。（）&橫向電光調(diào)制半波電壓較低，但存在自然雙折射影響，不穩(wěn)定。（）二、簡(jiǎn)答題1 、簡(jiǎn)述光束調(diào)制的基本原理。答:（1）、以激光為載體，將信息加載到激光的過(guò)程，稱為調(diào)制或光束調(diào) 制。（2）、光束具有振幅、頻率、相位、強(qiáng)度和偏振等參量，可以應(yīng)用某些物理 的方法，使其參量之一按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化， 實(shí)現(xiàn)光束的調(diào)制，所以光束的 調(diào)制可以分為調(diào)幅、調(diào)相、調(diào)頻和強(qiáng)度調(diào)制等。（3）、實(shí)現(xiàn)激光光束調(diào)制的方法根據(jù)調(diào)制器與激光器的關(guān)系，可以分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制兩種。（4）、具體的激光光束的調(diào)制方法，常見(jiàn)的有光電調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制、直接調(diào)制等

18、。2 、何為直接調(diào)制簡(jiǎn)述用LD和LED進(jìn)行直接調(diào)制的特點(diǎn)及應(yīng)用。（10分）答:（1）、直接調(diào)制是指：把要傳遞的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入半導(dǎo)體光 源,從而直接獲得調(diào)制光信號(hào)；（2）、LD的輸出特性中存在閾值It,而LED不存 在；（3）、LD缺點(diǎn)：半導(dǎo)體激光器處于連續(xù)調(diào)制工作狀態(tài)時(shí)，無(wú)論有無(wú)調(diào)制信號(hào)，由于有直流偏置，所以功耗較大，甚至引起溫升，會(huì)影響或破壞器件的正常工作。 優(yōu)點(diǎn)：調(diào)制速度快，常用于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中。（4）優(yōu)點(diǎn)：線性好、偏置電流 ?。ü男。?；缺點(diǎn)：調(diào)制速率低（小于100Mbs）。常用于模擬光纖通信。三、計(jì)算題1 、圖示A為縱向運(yùn)用的電光晶體KDP B為厚度d 10mm的方解石晶體

19、（對(duì)于 589.3nm，no 16584，ne 1.4864，光軸方AB向與通光面的法線方向成45夾角），A、B晶體平 一一行放置。試計(jì)算當(dāng)電壓U U /2時(shí)，一束垂直KDP HU ）晶體入射的線偏振光（電場(chǎng)振動(dòng)方向沿晶體主軸方-向）在A、B晶體中的傳播方向，以及光通過(guò)B晶體的相位延遲，并繪出B晶體中 的光路圖。（中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2013研究生入學(xué)考試題）2、用PbMOc晶體做成一個(gè)聲光掃描器，取n=, M= 10-15s3kg ,換能器寬度 H=0.5mm聲波沿光軸方向傳播，聲頻 fs=150MHz聲速VS= 105cms,光束寬度 d=0.85cm，光波長(zhǎng) =0.5 m 證明此掃描器只能產(chǎn)生

20、正常布喇格衍射； 為獲得100%勺衍射效率，聲功PS率應(yīng)為多大 若布喇格帶寬 f=125MHz衍射效率降低多少求可分辨點(diǎn)數(shù)M解： 只有當(dāng)聲光作用距離時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生多級(jí)衍射，代入數(shù)得LO 0.87mm， 而換能器寬度為0.5mm據(jù)證明不是拉曼-納斯衍射。， 若布喇格帶寬 f=125MHz衍射效率降低多少,用公式和計(jì)算第四章一、選擇題1、光敏電阻的（C ）越大，說(shuō)明該光敏電阻靈敏度越高、性能越好。A 亮電阻B 暗電阻C光電流D亮電流2 、以下基于光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電器件是：（A ）A 光敏電阻 B 光電管C雪崩光敏二極管 D 光電池3、光敏二極管工作時(shí)，其上（ B ）。A加正向電壓B加反向電壓C自偏

21、置電壓D加正向、反向電壓都可以二、填空題1、 PN結(jié)光伏探測(cè)器的兩種工作模式是：光伏工作模式和光導(dǎo)工作模 式 ,典型的器件分別有： 光電池 和 光電二極管。2、 光電池的短路電流與光入射光強(qiáng)成線性關(guān)系（正比），開(kāi)路電壓與 光 電流（入射光功率）的對(duì)數(shù)成正比。3、 光電二極管是一種以 光導(dǎo)模式工作的光伏探測(cè)器,工作時(shí)應(yīng)加反向偏 壓。4、光電探測(cè)器的積分靈敏度定義為：光電特性的斜率。5、 光電發(fā)射效應(yīng)是指：在光照下， 物體向表面以外空間發(fā)射電子 （即光 電子）的現(xiàn)象。6光電導(dǎo)效應(yīng)是指：光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象。7、光敏電阻的亮電流是指： 光敏電阻在受光照射時(shí)流過(guò)的電流。 光電流是 指:

22、 亮電流與暗電流之差。8 光熱效應(yīng)是指 探測(cè)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(cè)元件溫度上升，溫 度上升的結(jié)果又使探測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。9、本征型光敏電阻一般在室溫下工作， 話用于 可見(jiàn)光和近紅外輻射 探測(cè);非本征型光敏電阻通常在低溫條件下工作，常用于中、遠(yuǎn)紅外輻射 探測(cè)。10、單片硅光電池的開(kāi)路電壓約為 ，短路電流密度約為150300Amf 。11、光子效應(yīng)是指 指單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。其主要特點(diǎn)有:對(duì)光波頻率表現(xiàn)出選擇性，響應(yīng)速度一般比較快。12、光電二極管是指 以光導(dǎo)

23、模式工作的結(jié)型光伏探測(cè)器 ，常見(jiàn)的光電二極 管有Si光電二極管、PlN光電二極管、雪崩光電二極管、肖特基勢(shì)壘光電二極 管光伏二極管（選答出其中的兩種即可）。等類型（寫(xiě)出兩種）。13、 光熱探測(cè)器由 熱敏元件、熱鏈回路、大熱容量的散熱器 三部分構(gòu)成, 常見(jiàn)的光熱探測(cè)器有熱敏電阻、熱釋電探測(cè)器（寫(xiě)出兩種）。三、是非題1、光敏電阻的光電流是指亮電流與暗電流之差。（）2、光敏電阻的光電流就是指有光照時(shí)的電流，即亮電流。（×）3、光敏電阻的亮電流是指光敏電阻在受光照射時(shí)流過(guò)的電流。（）4、光敏電阻的亮電流等于光電流和暗電流之和。（）5、光電二極管用于探測(cè)光信號(hào)時(shí)，一般工作在反向偏置電壓下。（）

24、6光電二極管用于探測(cè)光信號(hào)時(shí)，可以工作在正向偏置電壓下。（×）7、光電三極管是基于光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電探測(cè)器件。（×）四、簡(jiǎn)答題1、比較光子探測(cè)器和光熱探測(cè)器在作用機(jī)理、性能及應(yīng)用特點(diǎn)等方面的差異。答:光子效應(yīng)是指單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電 效應(yīng)。探測(cè)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)改變的大小。因?yàn)楣庾幽芰渴莌 ，h是普朗克常數(shù)，是光波頻率。所以，光子效應(yīng)就對(duì)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(cè)元件吸收光輻射能量后，并

25、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(cè)元件 溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測(cè)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(méi)有直接關(guān)系。原則上，光熱效應(yīng)對(duì)光 波頻率沒(méi)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(qiáng)烈， 所以廣泛用于對(duì)紅外線輻射的探測(cè)。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。2 、簡(jiǎn)述光電探測(cè)器的主要特性參數(shù)。答:光電探測(cè)器的主要性能參數(shù)有：（1） 靈敏度R: Ri 魚(yú) 丄（線性區(qū)內(nèi)）（AW） RU»（線性區(qū)內(nèi)）（VW）dP PdP PR

26、電流靈敏度（積分電流靈敏度），R電壓靈敏度（積分電壓靈敏度）。i -光電流，U-光電壓，P-入射光功率。（2）光譜靈敏度R: R -LdP（3） 頻率靈敏度R: Rf_RO-_和（2 f ）2（4） 量子效率： Rie（5）通量閾Rh和噪聲等效功率NEP通量閾一一探測(cè)器所能探測(cè)的最小光信號(hào)功率噪聲等效功率NE單位信噪比時(shí)的信號(hào)光功率（6）歸一化探測(cè)度 D : D D Af Cm HZ1/2/W（7）噪聲：依據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因，光電探測(cè)器的噪聲可大致分為散粒噪聲、 熱噪聲和低頻噪聲三類。3 、簡(jiǎn)述光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)。答:光子效應(yīng)是指單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電 效應(yīng)；探測(cè)器

27、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。光熱效應(yīng)和光子效應(yīng)完全不同，探測(cè)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，而是把其轉(zhuǎn)化為晶格的熱動(dòng)能，引起探測(cè)元件溫度上升， 由此引起探測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)或其它物理性質(zhì)發(fā)生變化。光子效應(yīng)常見(jiàn)的有：光電發(fā)射效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)、光電磁效應(yīng)等。光熱效應(yīng)常見(jiàn)的有：溫差電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)等。五、計(jì)算題1 、已知某硅光電池在1000Wm的標(biāo)準(zhǔn)光照下，開(kāi)路電壓UOC 0.55V ,光電 流I12mA ,為保證在（200700）Wm2光照下的線性電壓輸出，負(fù)載電阻取多大最合適輸出電壓的變化值是多大 解：入射光為700Wm時(shí)的開(kāi)路電壓為Uo

28、C Uoc2.6 10 2 In 上P20.552.6 10 2 In 0.70.54V入射光為700Wm時(shí)的短路電流為則保證線性電壓輸出的最佳負(fù)載為700100012mA 8.4 mAU 'Rl 0.6盲 3857入射光為200Wm時(shí)的短路電流為200100012mA2.4mA則，u R(i ' i '')0.23V2 、在室溫300K時(shí)，已知2CR21型硅光電池(光敏面積為 5× 5mm在輻照度為100mWcm寸的開(kāi)路電壓為UOc=550mV短路電流I sc=6mA試求：(1) 室溫下，輻照度降到50mWcm寸的開(kāi)路電壓與短路電流。(2) 用如圖所

29、示的偏置電路，其中R=24K ,若測(cè)得此時(shí)的輸出電壓UL=1V,求-40 V此時(shí)光敏面上的照度。USC6i C1 k1003DG7A2CR2AP7弋丄一2CR%(I)輻照度降到50mWCm寸,Rf1 電流為ISC'： Lh501006mA3mA開(kāi)路電壓為Uoc' UoC 2.610InP'20.552.6 10 2 In 0.50.532V(2) i；UoRf240000.0417mA此時(shí)的光敏面上的照度 P" isc-P 0.0417 100mWcm20.695mWcm2iSC63、如果硅光電二極管靈敏度為 10 Al W結(jié)電容為IOpF,結(jié)電導(dǎo)g= S,

30、光照功率為5W時(shí)，拐點(diǎn)電壓為10V,偏壓40V,試求光照信號(hào)功率P（t） 5 2 cos t（ W情況下，（1）線性最大輸出功率條件下的負(fù)載電阻；（2）線性最大輸出功率；（3）響應(yīng)截止頻率。解：（1）光電池線性最大輸出功率條件下的負(fù)載電導(dǎo)為GPS(P'' Po)2gu''10(7 5)2 0.004 W2(Vu'')2(40 10)RL RP0.5M(2)UHMS(P'' P0)2(Gp g)PH丄GLUHM2.5 10 5W2(3)12 RLCj0.32 105Hz第五章一、填空題1、 CCD勺基本功能為電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移,CC

31、D按結(jié)構(gòu)可分為線陣CCDffi面陣 CCD2、 固體攝像器件主要有三大類，它們是電荷耦合器件、互補(bǔ)金屬氧化物 半導(dǎo)體圖像傳感器、電荷注入器件。3、 CCD勺基本工作過(guò)程包括 信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。二、問(wèn)答題1 、何謂幀時(shí)、幀速、掃描效率三者之間有什么關(guān)系答:完成一幀掃描所需的時(shí)間稱為幀時(shí) Tf,單位時(shí)間完成的幀數(shù)稱為幀速1F , Tf F。光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)對(duì)景物掃描時(shí)，實(shí)際掃描的空間角度范圍通常比觀 察視場(chǎng)角要大，觀察視場(chǎng)完成一次掃描的時(shí)間 Tfov與機(jī)構(gòu)實(shí)際掃描一周所需的時(shí)間Tf之比稱為掃描效率TfOV,Tf2、簡(jiǎn)述帶像增強(qiáng)器的CCD勺特點(diǎn)答:帶像增強(qiáng)器的CCD器件是將光圖像聚焦在像

32、增強(qiáng)器的光電陰極上，再 經(jīng)像增強(qiáng)器增強(qiáng)后耦合到電荷耦合器件（CCD上實(shí)現(xiàn)微光攝像（簡(jiǎn)稱ICCDO 最好的ICCD是將像增強(qiáng)器熒光屏上產(chǎn)生的可見(jiàn)光圖像通過(guò)光纖光錐直接耦 合到普通CCD芯片上。像增強(qiáng)器內(nèi)光子一電子的多次轉(zhuǎn)換過(guò)程使圖像質(zhì)量受到損 失，光錐中光纖光柵干涉波紋、折斷和耦合損失都將使ICCD輸出噪聲增加，對(duì)比度下降及動(dòng)態(tài)范圍減小，影響成像質(zhì)量。靈敏度最高的ICCD攝像系統(tǒng)可工作在10-6IX靶面照度下。3 、簡(jiǎn)述電荷耦合攝像器件的主要特性參數(shù)。答:轉(zhuǎn)移效率：電荷包在進(jìn)行每一次轉(zhuǎn)移中的效率；不均勻度：包括光敏元件的不均勻與CCD勺不均勻；暗電流：CCD在無(wú)光注入和無(wú)電注入情況下輸出 的電流

33、信號(hào)；靈敏度：是指在一定光譜范圍內(nèi)，單位暴光量的輸出信號(hào)電壓（電 流）；光譜響應(yīng)：是指能量相對(duì)光譜響應(yīng)，最大響應(yīng)值歸一化為100%所對(duì)應(yīng)的波；長(zhǎng)峰值波長(zhǎng)：低于10%!勺響應(yīng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為截止波長(zhǎng)；噪聲：可以歸納 為散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲；分辨率：是指攝像器件對(duì)物像中明暗細(xì)節(jié)的分 辨能力；動(dòng)態(tài)范圍和線性度：動(dòng)態(tài)范圍=光敏元件滿阱信號(hào)/等效噪聲信號(hào)，線性 度是指在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，輸出信號(hào)與暴光量的關(guān)系是否成直線關(guān)系。三、計(jì)算題1 、用凝視型紅外成像系統(tǒng)觀察 30k m遠(yuǎn)，10m× 10m的目標(biāo)，若紅外焦平面 器件的像元大小為50 m× 50 m假設(shè)目標(biāo)像占4個(gè)像元，則紅外光學(xué)系統(tǒng)的 焦距應(yīng)為多少若紅外焦平面器件是128元× 128元，則該紅外成像系統(tǒng)的視場(chǎng)角 是多大104 50 m128 50 m解：3得 f=06m W arctan0.01rad30 103f0.6m2、一目標(biāo)經(jīng)紅外成像系統(tǒng)成像后供人眼觀察， 在某一特征頻率時(shí)，目標(biāo)對(duì)比 度為