光電技術(shù)期末復(fù)習(xí)綜合習(xí)題與解答

光電技術(shù)綜合習(xí)題解答

一、選擇最適當(dāng)?shù)奶钊肜ㄌ?hào)中（只填寫其中之一的符號(hào)）

①在光電倍增管中，產(chǎn)生光電效應(yīng)的是（A）。

A．陰極 B．陽(yáng)極

C．二次發(fā)射極 D．光窗②光電二極管的工作條件是（C）。

A．加熱 B．加正向偏壓

C．加反向偏壓 D．零偏壓 ③在光電倍增管變換電路中，要想獲得理想的信噪比（壓低噪聲），較小的暗電流，適應(yīng)的靈敏度和較高的穩(wěn)定度，可以適當(dāng)?shù)兀˙）。

A．增加末三級(jí)并聯(lián)電容的容量

B．降壓電源電壓

C．減小末級(jí)倍增極與陽(yáng)極間的電壓

D．增加陰極與第一倍增極間的電阻阻值④硅光電池在（D）偏置時(shí)，其光電流與入射輻射通量有良好的線性關(guān)系，且動(dòng)態(tài)范圍較大。

A．開路B．自偏置C．零伏偏置D．反向偏置⑤硅光電池在（B）情況下有最大的功率輸出。

A．開路B．自偏置C．零伏偏置D．反向偏置二填空題1描述光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)化能力的是量子效率。2任何物質(zhì)，只要溫度高于絕對(duì)零度，都具有發(fā)射輻射的能力。3利用溫差熱效應(yīng)制成的紅外探測(cè)器為熱電偶。4熱釋電探測(cè)器只能適用于交變光信號(hào)的探測(cè)和局里溫度以下。5CCD的基本功能為電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移。6光電技術(shù)最基本的理論是光的波粒二象性。7光伏期間有和兩種工作模式。三簡(jiǎn)答題1輻射度學(xué)和光度學(xué)有何區(qū)別與聯(lián)系？如何轉(zhuǎn)換？可見光的波長(zhǎng)范圍為多少？2黑體的定義，簡(jiǎn)述一種黑體模型的制作方法。3光子探測(cè)器與熱探測(cè)器的優(yōu)缺點(diǎn)比較4簡(jiǎn)述光電倍增管的原理。5光電倍增管由哪幾部分組成。6簡(jiǎn)述熱釋電探測(cè)器的原理。7光調(diào)制的目的是什么？有哪些方法8光電倍增管的主要噪聲是什么？在什么情況下熱噪聲可以被忽略?9寫出硅光電二極管的全電流方程，并說明其物理意義。10影響光生伏特器件頻率響應(yīng)的主要因素有哪些？11為什么光照度增加到一定強(qiáng)度以后，光電池的開路電壓不再隨光強(qiáng)增大12光電系統(tǒng)由哪些部分構(gòu)成，簡(jiǎn)述每部分的作用。第一章第1題、在距離標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈2m遠(yuǎn)處放置一個(gè)照度計(jì)探頭，已知探頭的光敏面積為0.5cm2，若照度計(jì)測(cè)得的最大照度為100(lx)，試求

1、標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈在該方向的發(fā)光強(qiáng)度為多少？2、鎢絲燈所發(fā)出總的光通量為多少？解：首先計(jì)算光電探頭對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈所張的立體角

再計(jì)算光電探頭所接收的光通量

φv=EvS=100×0.5cm2=5.0×10-3(lm)

因而可以計(jì)算出燈在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度Iv

Iv=φv/Ω=5.0×10-3/1.25×10-5=400(cd)標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈在整個(gè)球面空間各向同性發(fā)光，因此，燈所發(fā)出的光通量為

第一章第2題、某輸出功率為6mW的氦氖激光器，發(fā)出波長(zhǎng)為0.6328μm的光束，均勻地投射到0.8cm2的白色屏幕上。已知屏幕的反射系數(shù)為0.96，設(shè)光速C=3108m/s，普朗克常數(shù)

h=6.62610-34j·s，氦氖激光的視見函數(shù)V(6328)=0.268，

試求：（1）幕的光照度為多少lx？（2）幕的反射出射度為多少lx？（3）幕每秒鐘接收多少個(gè)光子？解：先將氦氖激光器輸出單色輻射的輻射功率轉(zhuǎn)換為光通量φvφv=KmV(λ)φe=683×0.268×6×10-3=1.098(lm)白色屏幕上的光照度應(yīng)為

Ev=φv/S=1.098/0.8×10-4=1.37×104(lx)幕的反射光照度為

Evr=rEv=0.96×1.37×104=1.32×104(lx)幕每秒鐘接收的光子為

（個(gè)/秒）第一章第3題、今測(cè)得某液態(tài)金屬輻射體的光譜輻射峰值波長(zhǎng)λm=0.7245μm，試求該液態(tài)金屬的溫度T、峰值光譜輻射出射度Me，S，λm和總輻射出射度Me各為多少？

解：根據(jù)維恩位移定律，有

λm=2898/T

因此得到液態(tài)金屬的溫度T為

T=2898/0.7245=4000(K)再根據(jù)斯忑潘-波爾茲曼定律得到液態(tài)金屬的峰值光譜輻射出射度Me，S，λm和總輻射出射度Me分別為

Me,s,λm=1.309×10-18T5=1.34(Wcm-2nm-1)

Me=σT4=5.67×10-12×40004=1.45×103(W/cm2)

第三章光電子發(fā)射探測(cè)器例3-1設(shè)入射到PMT上的最大光通量為φv=12×10-6lm左右，陽(yáng)極電阻Ra=82kΩ，當(dāng)采用GDB-235型倍增管為光電探測(cè)器，已知它的倍增級(jí)數(shù)為8級(jí)，陰極為SbCs材料，倍增極也為SbCs材料，SK=40μA/lm，若要求入射光通量在6×10-6lm時(shí)的輸出電壓幅度不低于0.2V，試設(shè)計(jì)該P(yáng)MT的變換電路。若供電電壓的穩(wěn)定度只能做到0.01%，試問該P(yáng)MT變換電路輸出信號(hào)的穩(wěn)定度最高能達(dá)到多少？解

(1)首先計(jì)算供電電源的電壓根據(jù)題目對(duì)輸出電壓幅度的要求和PMT的噪聲特性，陽(yáng)極電流應(yīng)不小于Iamin，因此

Iamin=UO/Ra=0.2V/82kΩ=2.439μA入射光通量為0.6×10-6lm時(shí)的陰極電流為

IK=SKφv=40×10-6×0.6×10-6=24×10-6μA此時(shí)，PMT的增益G應(yīng)為

由于，N=8，因此，每一級(jí)的增益δ=4.227，另外，SbCs倍增極材料的增益δ與極間電壓UDD有，，可以計(jì)算出δ=4.227時(shí)的極間電壓UDD

總電源電壓Ubb為

Ubb=（N+1.5）UDD=741V

(2)計(jì)算偏置電路電阻鏈的阻值設(shè)流過電阻鏈的電流為IRi，流過陽(yáng)極電阻Ra的最大電流為Iam=GSKφvm=1.02×105×40×10-6×12×10-6=48.96μA取IRi≥10Iam，則

IRi=500μA因此，電阻鏈的阻值Ri=UDD/IRi=156kΩ取Ri=120kΩ，R1=1.5Ri=180kΩ。(3)計(jì)算偏置根據(jù)式（4-35）輸出信號(hào)電壓的穩(wěn)定度最高為

例3-2某種光電發(fā)射材料的光電發(fā)射長(zhǎng)波限為680nm,試求該光電發(fā)射材料的光電發(fā)射閾值解由光電發(fā)射長(zhǎng)波限為則即該光電發(fā)射材料的光電發(fā)射域值為1.82電子伏特。

例4-1、在如圖所示的電路中，已知Re=3.3kΩ，UW=4V，Ubb=12V；光敏電阻為RP，當(dāng)光照度為30lx時(shí)輸出電壓為6V，80lx時(shí)為9V。（設(shè)該光敏電阻在30到100lx之間的值不變）

第四章光敏電阻

試求：

輸出電壓為8V時(shí)的照度為多少lx？

解：首先看穩(wěn)壓二極管是否工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，DWRRRUUbbbe0穩(wěn)壓二極管工作在穩(wěn)壓區(qū)；

再求流過恒流偏置的光敏電阻的電流Ip,Ip=Ie=(Uw－Ube)/Re=1(mA)計(jì)算在不同照度下光敏電阻的阻值光照度為30lx時(shí),R1=(Ubb－Uo1)/Ip=6(kΩ);光照度為80lx時(shí),R2=(Ubb－Uo2)/Ip=3(kΩ);光照度為E3時(shí),R3=(Ubb－Uo3)/Ip=4(kΩ);由于且，光敏電阻在30到100lx之間的值不變lgE3=(

lg3-lg4)/0.7+lg80=1.7246E3=53（lx）第五章光生伏特器件例5-1

已知某光電三極管的伏安特性曲線如圖3-42所示。當(dāng)入射光通量為正弦調(diào)制量φv,λ=55+40sinωtlm時(shí)，今要得到5V的輸出電壓，試設(shè)計(jì)該光電三極管的變換電路，并畫出輸入輸出的波形圖，分析輸入與輸出信號(hào)間的相位關(guān)系。

解

:首先根據(jù)題目的要求，找到入射光通量的最大值與最小值φmax=55+40=95lmφmin=55－40=15lm在特性曲線中畫出光通量的變化波形，補(bǔ)充必要的特性曲線。

再根據(jù)題目對(duì)輸出信號(hào)電壓的要求，確定光電三極管集電極電壓的變化范圍，本題要求輸出5V，指的是有效值，集電極電壓變化范圍應(yīng)為雙峰值。即

Uce=2U≈14V

根據(jù)偏置電路可知，入射為最大時(shí)輸出電壓應(yīng)最小，但不能進(jìn)入飽和區(qū)。為此，在特性曲線的“拐點(diǎn)”右側(cè)找一點(diǎn)“A”并做垂線交橫軸于“C”點(diǎn)，從“C”向右量14V，找“D”點(diǎn)。由“D”做垂線交入射為最小的特性曲線與“B”。通過“A”、“B”做直線，此線即為負(fù)載線。由負(fù)載線可以得到負(fù)載電阻RL和電源電壓Ubb。顯然，“C”點(diǎn)電壓為3.7V，“D”點(diǎn)電壓為17.7V。電源電壓Ubb

近似為19V，取標(biāo)稱電壓20V。電源電壓Ubb取標(biāo)稱電壓20V后可以適當(dāng)?shù)匦拚?fù)載線。例5-2

在7-62圖所示的光電變換電路中，若已知3DU2的電流靈敏度SI=0.15mA/lx，電阻RL=51kΩ，三極管9014的電流放大倍率β=120，若要求該光電變換電路在照度變化為200lx的范圍情況下，輸出電壓ΔUo的變化不小于2V，問：（1）電阻RB與RC應(yīng)為多少？（2）當(dāng)背景光的照度為10lx時(shí)，電流I1為多少？輸出端的電位為多少？

(3)入射光的照度為100lx時(shí)的輸出電壓又為多少？

解：根據(jù)題目所給的已知條件和電路圖，可以標(biāo)定出各電流的方向。再由電路，可找到輸出電壓與入射光照度的關(guān)系，即輸出電壓變化量為ΔU=－ΔICRC，即式中（I2+IB）=I1=SφEV，Δ(I2+IB)=SφΔ

EV，顯然，此題為多解題，可根據(jù)電路的應(yīng)用特點(diǎn)，選擇RC與RB。例如，若對(duì)速度有要求，RC盡量小，當(dāng)RC選為1kΩ時(shí)，由上式計(jì)算得RB≤5900kΩ既滿足題目要求。為此，可取RB為5.1MΩ。（2）當(dāng)背景光的照度為10lx時(shí)，電流I1為I1=SφEV=0.15×