光電技術與光纖基礎(復習2014)

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二章：光電檢測中的常用光源第三章：結型光電器件第四章：光電導器件第五章：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器第九章：光導纖維與光纖傳感器第十章：太赫茲的產(chǎn)生與檢測第一章基礎知識輻射度學和光度學的基本概念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(shù)被測對像光學系統(tǒng)光電轉換被測對象的信息加載光源信息載體光電探測器信息處理光電檢測系統(tǒng)組成：輻射度學和光度學的基本概念及其計算1、輻射功率（輻射通量）單位：W（瓦特）2、輻射強度單位3、輻射亮度單位：4、輻射出射度單位：W/m25、輻照度單位：W/m2一、輻射度學基本物理量輻射度學和光度學的基本概念二、光度學基本物理量1、視見函數(shù)(聯(lián)系了…)555nm時最大！2、基本物理量表1－2，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)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MeB(T)=σT^44、維恩位移定律基本定律二、光電效應1、內光電效應2、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(chǎn)生勢壘半導體會計算閾值波長光電發(fā)射效應：光照作用下，電子逸出λ=1.24/Eth能量閾值Eth=EA+EgEa電子親和勢Eg禁帶寬度光電探測器的噪聲和特性參數(shù)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(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型半導體結合的二極管）激光器自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射三個條件：粒子數(shù)反轉、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構(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流過負載電流硅光電池不加外電壓！IDIPRLURsCjRshILE=0E1E2UIL光伏工作區(qū)RL1RL2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)（負載小線性范圍大）光照特性——開路時(電壓)、短路時(電流)、有限負載時ILUUoc4Isc4Isc1Isc2Isc3Uoc2Uoc1Uoc3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ＰＮ結拉開，增大勢壘。光導工作區(qū)E=0E1E2UI與光電池的比較光電池工作區(qū)UbRLE=0E1E2UIL光電二極管工作區(qū)RLUb=0RLRLUbIP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)紫外光電二極管（結淺）PIN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(shù)光電導靈敏度Sg=gp/Egp光電導量子效率n=Nhv/Φ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（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Ｉ＝Ｉp+ＩDI為亮電流Ｉp光電流，ＩD暗電流主要特性參數(shù)光電靈敏度(計算)量子效率偏置電路(結合應用)UUbRLRPIIU=PmaxUbUb/RLE2E3禁區(qū)UIQ3Q2Q1E1E=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△Φ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(chǎn)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）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(shù)靈敏度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及其特點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(shù)陰極KA陽極μAU1U2U5U6U3D2U4D3D1D4D5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(shù)靈敏度陰極靈敏度Sk=Ｉk/ΦＩk陰極輸出光電流陽極靈敏度Sp=Ｉp/Φ放大倍數(shù)光電倍增管的供電和信號輸出電路Rf=2MΩUoIP光電倍增管Uo=Ip×Rf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(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管攝像管光電發(fā)射型像管（攝像管）光電導型像管（視像管）無存儲直視不可見光可見光弱光強光有存儲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靶和存儲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管結構和工作原理光電陰極電子透鏡熒光面照像機或人眼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！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不同之處:前者有移像區(qū),后者無光電陰極電子光學系統(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,偏轉線圈,校正線圈光導靶和存儲靶視像管靶硅靶(結構)，工作原理存儲靶二次電子傳導靶三個過程：（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(shù)自掃描光電二極管列陣發(fā)展現(xiàn)狀和應用CCD：（ChargeCoupledDevice）電荷耦合器件固體成像器件SSPD：（SelfScannedPhotodiodArray)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CCD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。10V10V2Vt22）電荷的耦合10V2V2Vt14V10V2Vt32V10V2Vt42V4V10Vt52V2V10Vt6t1t2t3t4Ф1Ф2Ф3tttt5UUU三相時鐘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ＣＣＤ，紫外ＣＣＤ，Ｘ射線ＣＣＤCCD的性能參數(shù)轉移效率和轉移損失率（能計算）原有的信號電荷量為Ｑｏ，轉移到下一個電極下的電荷量為Ｑ１轉移效率η＝Ｑ１／Ｑｏ轉移損失率１－η當信號轉移了ｎ個電極后，總轉移率為Ｑｎ／Ｑｏ＝η＾ｎ自掃描光電二極管列陣結構形式和工作原理（圖7-14～16）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7-4①準備過程：場效應管導通，電容器被充電②曝光過程：場效應管截止，同時有光入射到光敏二極管上，產(chǎn)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③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(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θC：數(shù)值孔徑越大，光纖集光能力越強數(shù)值孔徑NA最大張角例：石