OPT04006-2011级《光电技术基础与实验》期末试题A卷-参考答案.pdf

课程编号 OPT04006 北京理工大学 2013 2014 学年第二学期 2011 级级 光电技术 光电技术基础基础与实验 期末试题 与实验 期末试题 A 卷 卷 班级 学号 姓名 成绩 一 一 填空题填空题 每空每空 1 分分 共共 28 分分 直接填在空格处直接填在空格处 1 热光源为 连续连续 线状 带状 连续 光谱 光源的色温越高 其光谱功率密 度峰值对应的波长越 越短越短 2 黑体的吸收率与波长 无无关关 无关 有关 等于 1 3 禁带宽度 Eg 越小的光子器件 越 容易容易 容易 不容易 产生热激发 温度 越高时 光子器件越 容易容易 容易 不容易 产生热激发 因此 为克服热电 子影响 长波限越 长长 长 短 的器件 需要在越低的温度下工作 4 光电子发射探测器 光电导探测器 光伏探测器 热释电探测器中 存在散粒 噪声的器件有 光电子发射探测器光电子发射探测器 光伏探测器光伏探测器 5 光电倍增管由真空玻壳内的 阴极阴极 倍增级倍增级 和阳极组成 6 光伏探测器的长波限 0等于 hc Eg 大于 0的辐射 不能 不能 产生光电效 应 7 入射在光电子发射器件上的单色光 波长为 功率为P 产生的光生电流为 I 则量子效率 为 Ihc q P 8 硅光电二极管的响应时间随反偏电压的增大而 减小减小 随负载电阻的增大而 增大增大 9 与 PN 结光电二极管相比 PIN 光电二极管的耗尽层 宽宽 结电容 小小 响应时间 短短 10 由于自发极化产生的束缚电荷会被来自外部及内部的电荷中和 热释电探测 器只能测量 交流信号交流信号 与一般热探测器相比 热释电探测器在灵敏度和 响应时间上的特点是 灵敏度高灵敏度高 响应时间短响应时间短 11 受响应时间 的影响 光电探测器具有低通特性 其幅频特性可写为 R f R 0 1 2 f 2 1 2 或 R f R 0 1 j2 f 12 放大器的噪声系数等于 输入端信噪比输入端信噪比 与 输出端信噪比输出端信噪比 之比 一般情 况下 F 大于等于大于等于 1 大于等于 1 小于等于 1 13 标准全电视信号的同步脉冲与图像信号的 幅度幅度 不同 场同步脉冲与 行同步脉冲的 宽度宽度 不同 同步分离电路正是基于该特点进行设计的 二 二 解释概念解释概念 每小题 每小题 3 分 共分 共 12 分 分 1 视见函数 V 人眼对各种波长光的平均相对灵敏度人眼对各种波长光的平均相对灵敏度 峰值峰值 555nm 区间区间 380nm 760nm 2 光谱辐射通量 波长波长 处单位波长间隔内的辐射通量 处单位波长间隔内的辐射通量 3 光电导效应 半导体材料吸收光子后 产生电子和 或 空穴 载流子浓度提高 材半导体材料吸收光子后 产生电子和 或 空穴 载流子浓度提高 材 料电阻减小 电导增大 料电阻减小 电导增大 4 热噪声 电阻中载流子无规则热运动引起的噪声 电阻中载流子无规则热运动引起的噪声 2 4 n KT if R 并并描述描述式中式中各量各量 只要描述清楚 可以不写公式 三三 简答题 简答题 每小题每小题 5 分分 共 共 30 分分 1 说明金属 半导体 负电子亲和势等光电子发射材料的逸出功与哪些能级有 关 写出它们各自的逸出功表达式 金属逸出功 金属逸出功 0F wEE 真空自由能级 真空自由能级 E0与金属的费米能级与金属的费米能级 EF之差 之差 半导体逸出功 半导体逸出功 0VgA wEEEE 禁带宽度 禁带宽度 Eg与电子亲和势与电子亲和势 EA之和 之和 负电子亲和势 负电子亲和势 0Vg wEEE 等于禁带宽度 等于禁带宽度 Eg 2 分析影响光电倍增管线性度的因素 说明提高线性度的方法 1 分压电阻链的电压再分配效应分压电阻链的电压再分配效应 光电流较大时 后几级电压降低 前几级 光电流较大时 后几级电压降低 前几级 电压升高 放大倍数发生变化 电压升高 放大倍数发生变化 解决方法 减小分压电阻或后几级分压电解决方法 减小分压电阻或后几级分压电 阻改为稳压二极管 脉冲工作模式时 也可在后几级并联电容 阻改为稳压二极管 脉冲工作模式时 也可在后几级并联电容 2 负载电阻的反馈效应 光电流较大时 负载电阻压降较大 阳极电压下降 负载电阻的反馈效应 光电流较大时 负载电阻压降较大 阳极电压下降 影响电子收集率 解决方法 减少负载电阻或用运放代替负载电阻 影响电子收集率 解决方法 减少负载电阻或用运放代替负载电阻 3 简述 APD 光电二极管的工作原理及特点 光生载流子在较强内电场作用下 获得较高能量 与晶格碰撞时产生电离 光生载流子在较强内电场作用下 获得较高能量 与晶格碰撞时产生电离 激发新的电子 空穴 新的电子 空穴在电场作用下获得能量 又产生新的激激发新的电子 空穴 新的电子 空穴在电场作用下获得能量 又产生新的激 发 光电流得到倍增 发 光电流得到倍增 APD 增益高 响应时间短 有非线性 增益受偏压及温度影响大增益高 响应时间短 有非线性 增益受偏压及温度影响大 4 简述 CCD 电荷存贮的原理 CCD 的基本单元为的基本单元为 MOS 电容 以电容 以 N 沟道沟道 MOS 电容为例 其结构以电容为例 其结构以 P 型型 Si 为基底 表面氧化为为基底 表面氧化为 SiO2 再沉积金属电极 再沉积金属电极 基底为基底为 0 电位 电极加正电压 电压升高到一定值后 电位 电极加正电压 电压升高到一定值后 P 型型 Si 中空穴全部中空穴全部 被排斥 形成被排斥 形成电子电子势阱 能捕获光生电子或热电子 势阱 能捕获光生电子或热电子 亦可亦可配合配合图示图示说明 说明 5 光波的哪些参量可被调制 对光波进行调制有哪些意义 光波的强度 振幅 相位 频率 偏振态等参量均可被调制 光波的强度 振幅 相位 频率 偏振态等参量均可被调制 对光波进行调制 一方面可携带信息 另一方法可抗干扰 对光波进行调制 一方面可携带信息 另一方法可抗干扰 6 采用不同色温的光源照明时 光电探测器的积分灵敏度相同吗 写出积分灵 敏度与单色灵敏度的关系式 答 答 1 不同 2 积分灵敏度 Rint与单色灵敏度 R 的关系可以表示为 式中 为光源的光谱辐射通量 int Rd R d 四 综合四 综合论证论证题 题 8 分 分 如图 1 所示为相干探测的原理示意图 信号光 Vs Ascos st s 与参考光 Vr Arcos rt r 参考光强远大于信号光强 叠加后入射到光电探测器 光电 探测器的响应与入射光强度成正比 由于光电探测器对高频 光频 不响应 直 流信号被带通滤波器滤除 输出信号为中频 s r 信号 1 写出中频光电流表达式 2 分 2 试证明 与直接探测相比 相干探测具有较高的转换增益 3 分 3 试证明 只考虑散粒噪声时 提高参考光强度 相干探测不提高信噪比 3 分 1 cos IFSLSLSL q IA At h 2 分 2 直接探测时光电流的功率 直接探测时光电流的功率 22 pS q IP h 3 分 相干探测中频光电流功率 相干探测中频光电流功率 222 1 2 2 2 IFSLSL qq IP PP P hh 转换增益 转换增益 2 L S P G P 3 相干探测的功率信噪比 相干探测的功率信噪比 22 22 2 S N2 2 2 SLSL IFS SLIFL L qq P PP P IP hh q q IIIfqIfhf qPf h 信噪比与参考光强度无关信噪比与参考光强度无关 3 分 带通滤波器带通滤波器 外差信号外差信号 s r 图 1 五五 计算题 计算题 每题每题 6 分 共分 共 22 分 分 1 9 分 太阳可看作黑体光源 太阳辐射的峰值波长 辐射出射度最大值对 应的波长 为 0 50 m 太阳半径 r 6 96 108 m 距地球约 1 5 1011m 1 根据维恩位移定律求太阳的表面温度 b 2898 m K 2 分 2 根据斯特蕃 玻尔兹曼定律求太阳的辐射出射度 2 分 5 67 10 8 W m 2 K 4 3 求太阳的辐射亮度 2 分 提示 太阳可看作朗伯辐射体 4 不考虑大气吸收 求太阳垂直照射地面时 地面的辐照度 2 分 提醒 太阳可看作朗伯辐射圆盘 1 T b 2898 0 5 K 5796 K 2 M T4 5 67 10 8 57964 6 4 107 W m 2 3 L M 6 4 107 3 14 W m 2 sr 1 4 E L r2 R2 6 4 107 6 96 108 2 1 5 1011 2 1 38 103W 2 6 分 若探测器的探测度 D 1010cm Hz1 2 W 1 光敏面积 0 5 cm2 测试系统 带宽为 1000Hz 时 请计算 1 探测器所能探测的最小辐射功率为多少 2 分 2 若探测器响应度 RI 2 5 A W 1 求此时探测器输出的光电流 2 分 3 散粒噪声的均方值 电子电量 e 1 6 10 19库伦 2 分 解 1 1 9 10 1000 0 5 2 24 10 10 d f A NEPWW D 2 2 V0 RI NEP 2 5 2 24 10 9A 5 6 10 9A 3 3 2 19 912 22 1 6 105 6 1010001 34 10 n IniqI fA 3 7 分 图 2 为一光电二极管和一理想运算放大器构成的光电探测电路 在 E 100 lx 的光照下 输出电压 Vo 2 4 V 画出光伏探测器的伏安特性曲线 2 分 说明图 2 工作电路中的光伏