光电检测技术(第二版)_答案_(与教材匹配)_曾光宇_张志林_张存林_主编.pdf

all right reserved:charles 光电检测技术（第二版）光电检测技术（第二版） 答案答案 曾光宇 张志林 张存林 主编 清华大学出版社 北京交通大学出版社 附注：本答案通过网络收集汇总而成，只提供第 1 章到第 5 章的绝大部分答案。其他章节以 简答题为主，大多在书本上能找到解释，因此不花时间整理。谢谢网友们的资源分享。祝大 家学习顺利。 第第 1 1 章章 1-1： 答案一： 波长为 632.8nm 的激光的视见函数值= 0.265 光通量，辐射通量,最大能光视效能 km=683lm/w 发光强度 ,亮度 ,光出射度 all right reserved:charles 答案二： 该激光束的光通量 328. 0102240. 0683)( 3 emv vklm（流明） 发光强度 )1028. 3(102 . 4 4/)101 ( 328. 0 55 23 v v icd(坎德拉) 光亮度： )102 . 4(1035. 5 4/)101 ( 102 . 4 1111 23 5 或 s i l v v cd/m 2 光出射度： 5 23 102 . 4 4/)101 ( 328. 0 s m v v lm/m 2 10 米远处光斑面积大小： 5232 1085. 7)10110( 4 14. 3 )( 4 lsm 2 反射光功率为： 33 107 . 110285. 0 ppw 反射光通量： 279. 0240. 0683107 . 1)( 3 vkp mv lm 漫反射屏可以看作是个朗伯体，其法向发光强度i0与光通量的关系是/ 0 i，由于朗伯 体的光亮度与方向无关，所以： 3 5 0 1013. 1 1085. 714. 3 279. 0 ss i l v v cd/m 2 1-2: 30*4 2=30*4*3.14*1.5*1.5 = 848lm 1-3： 根据维恩位移定律： t=b,b=2.897*103mk 解得 t=6535k 1-5： all right reserved:charles 白噪声： 指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。 所有频率具有相同能量的随机噪 声称为白噪声。 1/f 噪声:这种噪声的功率谱与频率成反比变化，故称 1/f 噪声。 措施：降低温度，选择带通小的电阻。 1-6： 最小辐射功率： 1-7： 时间常数：= 1 2= 1 220m8ns 1-8: 第第 2 2 章章 2-1： （1）辐射效率和发光效率 在给定波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比， 称为光源在规定光谱范围内的辐射效率。 （2）光谱功率分布 不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。 （3）空间光强分布 all right reserved:charles 对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同的。若在空间某一截面上，自 原点向各径向取矢量，矢量的长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的端点连起来，就 得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。 （4）光源的色温 辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同， 则黑体的这一温度称为该 辐射源的色温。 （5）光源的颜色 光源的颜色包含了两个方面的含义，即色表和显色性。用眼睛直接观察光源时所看到的 颜色称为光源的色表。 当用这种光源照射物体时， 物体呈现的颜色与物体在完全辐射体照射 下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。 （6）光源的色温 2-2： 自发辐射：原子开始处于高能态2,，它自发地从高能态跃迁至低能态1，并发出频率为 =(2 1)/h 的光子。 受激吸收：原子开始处于低能态，在 1 个频率为 =(21)/h 的入射光子激发下，原子吸 收了这个光子，跃迁至高能态。 受激辐射：原子开始处于高能态，在 1 个频率为 =(21)/h 的入射光子激发下，原子从 高能态跃迁至低能态，并发射 2 个完全相同的光子。 2-3： 场致发光的三种形态，即粉末，薄膜和结型。 交流粉末场致发光光源： （1）固体化，平板化，因而可靠，安全，占地小，易安装； （2）面积，形状几乎不受限制，因此可以通过光刻，透明导电膜和金属电极掩蔽镀膜的方 法，制成任意发光图形； （3）无红外辐射的冷光源，因而隐蔽性好，对周围环境没有影响； （4）视角大光线柔和，易于观察； （5）寿命长。可连续使用几千小时，而发光不会突然全部熄灭； （6）功耗低，约几毫瓦/厘米2； （7）发光易于电控。 直流粉末场致发光光源： 光源亮度高，且亮度随电压上升而迅速上升；制造工艺简单，成本低，外部驱动方便。 薄膜场致发光光源： 厚度薄，没有介质，均匀细密，分辨率高，成像质量高，对比显示度好，驱动电压低，平板 化，可以制成各种形状，视角大。光线柔和，制备工工艺简单，造价便宜。 发光二极管： （1）属于低电压，小电流器件，在室温下即可得到足够的亮度； （2）发光响应速度快（ 10(-7)10(-9) s） ； （3）由于器件在正向偏置下使用，因此性能稳定，寿命长（一般在105 小时以上） ； all right reserved:charles （4）易于和集成电路匹配，且驱动简单； （5）与普通光源相比，单色性好，其发光的半宽度一般为几十纳米； （6）小型，耐冲击。 2-4： n 型半导体中多数载流子是电子，p 型半导体中多数载流子是空穴。p-n 结未加电压时构 成一定势垒。加正向偏压时，内电场减弱，p 区空穴和 n 区电子向对方区域的扩散运动相对 加强，构成少数载流子的注入，从而 p-n 结附近产生导带电子和价带空穴的复合，复合中产 生的与材料性质有关的能量将以热能和光能的形式释放。 以光能形式释放的能量就构成了发 光二极管的光辐射。 发光二极管的外量子效率与所用的半导体材料的折射率有关。 2-5： 半导体激光器工作原理是激励方式， 利用半导体物质 （即利用电子） 在能带间跃迁发光， 用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈， 产生光的辐射放大，输出激光。 特点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。 对电源要求： 半导体激光器本质上是一种大电流开关电路， 电源除了能提供大的电流脉 冲外，还应给出足够大的脉冲电压幅度。 2-6： 结构：一般由工作物质、谐振腔和泵浦源 3 部分组成 激光的特点：单色性好、方向性强、亮度高、相干性好 第第 3 3 章章 3-1： 因为正向偏置时，正向电流远远大于光电流，因此光电效应不明显。 必须工作于反向偏置状态。 3-2 当负载电阻 断开时，p 端对 n 端的电压称为开路电压，用 表示 l r oc v ) 1ln( 0 i i q kt v p oc all right reserved:charles 当负载电阻短路时，发生电压接近与零，流过器件的电流叫短路电流，用 sc i表示： 3-3 3-4： 开路电压具有负温度系数，随着温度升高，开路电压值反而减少。 3-5： 3-6： 3-7： pin 管原理： 在高掺杂 p 型和 n 型半导体之间生长一层具有一定厚度 （近似于反偏压下 的耗尽层厚度）的本征半导体或低掺杂半导体材料（称为 i 层） ，使 pin 管具有优于耗尽层 光敏二极管的高速响应特性。 特点：响应时间很短，在 s 左右；频带很宽，可达 10ghz；输出电流小，只有零点几 ua 至数 ua 雪崩二极管原理：雪崩光电二极管是利用 pn 结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作 )1( / 0 ktqu pdpl eiiiii esii epsc all right reserved:charles 的一种二极管。 特点：它通常工作在很高的反偏电压状态，自身有电流增益，具有响应度高，响应速度 快的特点。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。 原因：由于 i 层（高阻）的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可以选择 低电阻的基体材料，减少了串联电阻；使扩散区不会到达基体，从而减少了或者根本不存在 少数载流子通过扩散区的扩散时间， 提高了响应速度； 反偏下， 耗尽层较无 i 层时要大的多， 从而使结电容下降到零点几 pf。 3-8： 第第 4 4 章章 4-1： 光谱响应范围宽 偏置电压低，工作电流大 动态范围宽 光电导灵敏度大，灵敏度高 光敏电阻无极性，使用方便 4-2： 热噪声、产生复合噪声、低频噪声 all right reserved:charles 4-3： 4-4： all right reserved:charles 4-5： all right reserved:charles 第第 5 5 章章 5-1： 5-2： 光电倍增管的工作原理。 1）光子透过入射窗口入射在光电阴极 k 上。 2）光电阴极电子受光子激发，离开表面发射到真空中。 3） 光电子通过电子加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极 d1 上， 倍增极将发射出比入 射电子数目更多的二次电子，入射电子经 n 级倍增极倍增后光电子就放大 n 次方倍。 4） 经过倍增后的二次电子由阳极 p 收集起来， 形成阳极光电流， 在负载 rl 上产生信号电压。 5-4： 热电子发射 欧姆漏电 高的工作电压 5-5： 因为探测器本身的热噪声会对测量造成极大的影响。 5-6： 正高压供电 优点：便于屏蔽，光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极靠得近些，屏蔽效果好；暗电流小， 噪声低。 缺点：阳极要处于正高压，会导致寄生电容大，匹配电缆连接复杂，特别是后面若接直 流放大器，整个放大器都处于高电压，不利于安全操作；如果后面接交流放大器，则必须接 一个耐压很高的隔直电容器，而一般耐压很高的电容器体积大而且价格高。 负高压供电 优点：便于跟后面的放大器相接，操作安全，后面不仅可以通过一个低压耦合电容与交 流放大器相接，也可以直接与直流放大器相接。 缺点：这时阴极要处于负高压，屏蔽罩不能跟阴极靠得很近，至少要间隔 12cm，因 此屏蔽效果差一些， 暗电流和噪声都比阳极接地时大， 而且整个倍增管装置的体积也要大些。 信号输出电路 all right reserved:charles （