光電技術與光纖基礎(復習2014)

1、光電技術與光纖基礎總復習（一）計算題 3,4,5章各一題內容 第一章：光電檢測應用中的基礎知識第一章：光電檢測應用中的基礎知識 第二章：光電檢測中的常用光源第二章：光電檢測中的常用光源 第三章：結型光電器件第三章：結型光電器件 第四章：光電導器件第四章：光電導器件 第五章：真空光電器件第五章：真空光電器件 第六章：真空成像器件第六章：真空成像器件 第七章：固體成像器件第七章：固體成像器件 第八章：紅外輻射與紅外探測器第八章：紅外輻射與紅外探測器 第九章：光導纖維與光纖傳感器第九章：光導纖維與光纖傳感器 第十章：太赫茲的產生與檢測第十章：太赫茲的產生與檢測第一章 基礎知識輻射度學和光度學的基本概

2、念及其計算及其計算半導體基礎知識基本定律光電探測器的噪聲和特性參數被測對像被測對像光學光學系統(tǒng)系統(tǒng)光電光電轉換轉換被測對象的被測對象的信息加載信息加載光源光源信息信息載體載體光電探光電探測器測器信息處理信息處理光電檢測系光電檢測系統(tǒng)組成：統(tǒng)組成：輻射度學和光度學的基本概念及其計算計算1、輻射功率輻射功率（輻射通量輻射通量）e單位：單位：W（瓦特）（瓦特）2、輻射強度輻射強度eI單位單位srW /3、輻射亮度輻射亮度單位：單位：2/msrW4、輻射出射度輻射出射度eM單位：單位：W/m25、輻照度輻照度eE單位：單位：W/m2eL一、輻射度學基本物理量輻射度學和光度學的基本概念二、光度學基本物理

3、量1、視見函數視見函數(聯(lián)系了)555nm時最大！2、基本物理量表12，注意單位、相互之間關系輻射度學和光度學的基本概念三、其他基本概念（1、2、3、4）半導體基礎知識一、基本概念1、能帶結構2、雜質半導體3、非平衡載流子(計算長波極限計算長波極限)4、擴散和漂移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，等于同一溫度時絕對黑體的單色輻出度）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BTm基本定律二、光電效應1、內光電效應2、

4、外光電效應光電導效應：光照導致載流子濃度增加，電導率增大光伏效應（光生伏特效應）：產生勢壘半導體半導體會計算閾值波長會計算閾值波長光電發(fā)射效應：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 Eg禁帶寬度光電探測器的噪聲和特性參數一、特性1、響應率：探測器的輸出信號電壓Us或者電流Is與入射的輻通量之比，稱為電壓響應率Sv或Si2、光譜響應率：單色光照射下，上面的比值3、等效噪聲功率：最小可探測功率，越小越好第二章 常用光源光源的特性參數熱輻射源（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型半導體結合的二極管）激光器激光器自

5、發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射三個條件：粒子數反轉、諧振腔、光汞三個條件：粒子數反轉、諧振腔、光汞光源的特性參數 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: 色溫色溫 相關色溫 分布溫度ve,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器 激光原理激光原理 三種躍遷過程、必要條件三種躍遷過程、必要條件 激光器的結構激光器的結構(能畫圖并指出各部分的作用能畫圖并指出各部分的作用) 激光器的類型（氣體、固體、染料、半導

6、體） 激光的特性激光的特性 單色性好、方向性好、亮度高、相干性好單色性好、方向性好、亮度高、相干性好第三章 結型光電器件結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型光電器件的放大電路特殊結型的光電二極管結型光電器件的應用實例光電耦合器件結型光電器件的工作原理 熱平衡狀態(tài)下的PN結 外加偏壓、反向飽和電流 光照下的PN結 光伏效應 電流方程分析負載電路（如圖3-2）SEE E）（eIIkTqUp10DpLIII流過負載電流硅光電池 不加外電壓！IDIPRLURsCjRshILE E=0E E1 1E E2 2UIL)1(0kTqUpLeIII光伏工作區(qū)光伏工作區(qū)RL1RL2光電子

7、、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（負載小線性范圍大） 光照特性開路時(電壓電壓)、短路時(電流電流)、有限負載時ILU1E2E3E4EUoc4Isc4Isc1Isc2Isc3Uoc2Uoc1Uoc3線性區(qū)線性區(qū)RL1RL2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建電場！使結拉開，增大勢壘。光導工作區(qū)光導工作區(qū)E E=0E E1 1E E2 2UIESIIIEP0P)1e(IIIkTqU0pL與光電池的比較光電池工作區(qū)光電池工作區(qū)UbRLE E=0E E1 1E E2 2UIL光電二極管工作區(qū)光電二極管工作區(qū)RLUb=0

8、RLRLUb IP硅光二極管和光電池都是基于PN結的光伏效應工作的。這就是硅光二極管工作在反偏置電壓下的原因。內光電效應。光電池工作在零偏置狀態(tài)下。特殊結型光電二極管 PIN型光電二極管 結構、原理 光電位置傳感器 原理 位置表達式 雪崩光電二極管(有放大作用有放大作用) 紫外光電二極管（結淺）（結淺） 2112IIIILxL2xLIIA1L2xLIIA2PIN型光電二極管優(yōu)點 使PN結的結間距離拉大 內建電場基本集中在I層中 增加了對長波的吸收，提高了長波靈敏度 可承受較高的反向偏壓第四章 光電導器件工作原理（無光照，電阻很大；受光照，電導率改變，電阻減小，光生載流子迅速增加）主要特性參數光

9、電導靈敏度Sg=gp/E gp光電導量子效率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與應用應用（照相機的自動曝光電路，路燈自動控制電路）（照相機的自動曝光電路，路燈自動控制電路）雜質光敏要工作在低溫下，防止熱激發(fā)工作原理 基于內光電效應（光電導效應） 暗電流、亮電流、光電流及三者的關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A)pn(qLUALUIpnP)(LqUNpn2主要特性參數 光電靈敏度光電靈敏度(計算計算) 量子效率量子效率ESggpgpSg 偏置電路(結合應用)UUbRLRPI IIU=PmaxUbUb/RLE E2 2E E3 3禁禁區(qū)區(qū)UIQ

10、3Q2Q1E E1 1E=0E=0光敏電阻的伏安特性曲線負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） 光電陰極：能夠產生光電發(fā)射效應的物體稱為光電發(fā)射體，光電發(fā)射體在光電器件中常作為陰極。（使輻射信號轉為電信號）（使輻射信號轉為電信號） 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光電倍增管的主要特性參數 光電倍增管的供電和信號輸出電路 微通道板光電倍增管 光電倍增管的應用光電陰極 工作原理外光電效應 主要參數 靈敏度靈敏度 量子效率量子效率 光譜響應曲線 分類：反射與透射 常用光電陰極材料 負電子親合勢負電子親合勢及其特點光電管與光電倍

11、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 基于外光電效應和二次電子發(fā)射效應 結構上與光電管的區(qū)別：電子光學系統(tǒng)和倍增級光電倍增管 工作原理 典型參數陰極陰極K KA A陽極陽極AU U1 1U U2 2U U5 5U U6 6U U3 3D D2 2U U4 4D D3 3D D1 1D D4 4D D5 5光電倍增管 入射窗口 端窗、側窗 電子光學系統(tǒng) 作用：匯聚、同步 電子倍增極 陽極光電倍增管的主要參數靈敏度靈敏度陰極陰極靈敏度靈敏度Sk=k/k陰極輸出光電流陰極輸出光電流陽極靈敏度陽極靈敏度Sp=p/ 放大倍數放大倍數N321KP.II光電倍增管的供電和信號輸

12、出電路信號輸出電路Rf=2MUoIP光電倍增管Uo=IpRf微通道板光電倍增管 結構 原理 應用 結構：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：微通道是一根很細的玻璃管，它的內壁鍍有高阻值的二次發(fā)射材料，施加高壓后內壁出現(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。 應用：MCP光電倍增管光電倍增管的應用 微弱光探測（圖5-26）光子計數第六章：真空成像器件光電成光電成像器件像器件真空成真空成像器件像器件固體成像器件固體成像器件像管像管變像管變像管像增強管像增強

13、管攝像管攝像管光電發(fā)射型像管（攝像管）光電發(fā)射型像管（攝像管）光電導型像管（視像管）光電導型像管（視像管）無存儲無存儲直視直視不可見光不可見光可見光可見光弱光弱光強光強光有存儲有存儲非直視非直視電荷耦合器件電荷耦合器件CCD自掃描光電二極管列陣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 光導靶和存儲靶 攝像管的特性參數 攝像管的發(fā)展方向像管 包括變像管和像增強管 結構和工作原理光電陰極光電陰極電子透鏡電子透鏡熒光面熒光面照像機照像機或人眼或人眼 像管結構原理示意圖像管結構原理示意圖常見像管 常見變像管 紅外、紫外 常見像增強器 級聯(lián)式、微通道板、X射線能舉例！能舉

14、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、光電導型攝像管兩者的兩者的不同不同之處之處: 前者有移像區(qū)前者有移像區(qū),后者無后者無光電陰極光電陰極電子光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)移移像像區(qū)區(qū)兩者相同之處兩者相同之處:掃描區(qū)掃描區(qū)電子槍電子槍燈絲燈絲,熱陰極熱陰極,控制柵極控制柵極,各加速電極各加速電極,聚焦線圈聚焦線圈,偏轉線圈偏轉線圈,校正線圈校正線圈光導靶和存儲靶 視像管靶 硅靶硅靶(結構結構)，工作原理，工作原理 存儲靶 二次電子傳導靶 三個過程：三個過程：（1）無光照掃描）無光照掃描 充電充電(歸零歸零)（2）有光照無掃描）有光照無掃描 光光 電電（3）電子束再次掃描）電子束再次

15、掃描, 輸出輸出(歸零歸零)三個過程：三個過程：（1）無光照掃描）無光照掃描 零電位零電位（2）有光照無掃描）有光照無掃描 電位升高電位升高（3）電子束再次掃描）電子束再次掃描 輸出輸出攝像管的特性參數（了解）1、靈敏度、靈敏度2、光電轉換特性、光電轉換特性第七章：固體成像器件 電荷耦合器件 電荷耦合器件的分類 CCD攝像機分類 CCD的性能參數 自掃描光電二極管列陣 發(fā)展現(xiàn)狀和應用CCD： （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 結構 耦合原理與電極結構 CC

16、D的組成與工作原理 輸入、轉移、輸出深勢阱從1電極2電極下，勢阱內的電荷也向右轉移了一位，如果不斷地改變電極上的電壓，就能使信號電荷可控地一位一位按順序傳輸，這就是所謂的電荷耦合。10V10V10V10V2V2Vt22）電荷的耦合）電荷的耦合10V10V2V2V2V2Vt14V4V10V10V2V2Vt32V2V10V10V2V2Vt42V2V4V4V10V10Vt52V2V2V2V10V10Vt6t1t2t3t41 12 23 3tttt5UUU三三相相時時鐘鐘t6電荷耦合器件的分類 線陣CCD 單邊、雙邊 面陣CCD 幀轉移、行間轉移CCD攝像機分類 能舉例可見光，紫外，射線CCD的性能參

17、數 轉移效率和轉移損失率（能計算）轉移效率和轉移損失率（能計算）原有的信號電荷量為，轉移到下一個電原有的信號電荷量為，轉移到下一個電極下的電荷量為極下的電荷量為轉移效率轉移效率轉移損失率轉移損失率當信號轉移了個電極后，總轉移率為當信號轉移了個電極后，總轉移率為n nn自掃描光電二極管列陣 結構形式和工作原理（圖工作原理（圖7-1416） 連續(xù)（N+1根引線）連續(xù)工作方式 電荷存儲（三個過程：準備、曝光、再充電） 線陣、面陣 工作原理7-4LR，RQU/maxcdUCQ sPsDPTITIIQ)(dccdCQUU準備過程：場效應管導通，電容器被充電 曝光過程：場效應管截止，同時有光入射到光敏二極

18、管上，產生電子空穴對，光電流流過電容器，對電容器放電，放電電量正比于入射的光強度再充電過程，場效應管再次導通，電容器再次被充電，流過負載電阻的電流在負載上產生電壓降，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：光導纖維與光纖傳感器 光導纖維基礎知識 光導纖維的應用（光纖照明器） 光纖傳感器的分類及構成 功能型光纖傳感器 非功能型光纖傳感器光導纖維基礎知識 光纖的結構結構 光纖的種類種類 光纖的傳光模式 光纖的傳光原理22211110cossinsinnnnnncC能在光纖中發(fā)生全反射的入射光的入射角不能大于能在光纖中發(fā)生全反射的入射光的入射角不能大于C C：數值孔徑越大，光纖集光能力越強數值