光电检测技术 A.doc

一、 填空（每空1分，共20分）1. 光电二极管一般反向偏置；光电流主要是少数载流子运动产生的。2. 根据光纤在传感器中所起的作用，光纤传感器分为功能型（传感型）和非功能型（传光型）两类。3. 光纤传感器中的偏振调制器常利用电光、磁光、光弹等物理效应4. 光电测量的核心是光学变换和光电转换。5. 检测光电器件的时间特性时，输入信号的波形应为方波。检测光电器件的频率特性时，输入信号的波形应为正弦波。6. 已知一光纤纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，则其数值孔径NA=（n12-n22）1/2，光由折射率为n0的外界介质入射到纤芯时，实现全反射的临界角c=arcsin(n12-n22) 1/2/ n0。7. 一光电二极管的光敏面积为Ad，在室温下当光功率为P时，测得信噪比为SNR，若系统带宽为f，则噪声等效功率NEP=P/SNR，归一化探测率D*=SNR（Adf）1/2/P 。8. 某一维光电位置敏感器受到一光斑照射时，两电极的输出电流分别为I1和I2，若两电极的距离为2L，则光斑与光电位置敏感器的中心距离xA=L（I2-I1）/（I2+I1）。9. 光热效应分为热释电效应，辐射热计效应和温差电 (塞贝克)效应。10设某CdS光敏电阻的最大功耗为30mW，光电导灵敏度Sg=0.510-6S/lx，暗电导G0=0S，则该光敏电阻上的偏置电压为20V时的极限照度为 150 lx。二、 简答（每题5分，共10分）1简述光热效应的主要特点。答：光热效应的主要特点如下：（1） 检测过程比较慢，一般的响应时间多为毫秒级, 灵敏度低 。（2） 利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生温升来工作的，而不是利用某一部分光子的能量，所以各种波长的辐射对于响应都有贡献。（3） 噪声复杂, 探测率低。（4） 热电探测器件工作稳定性好, 光谱响应范围特别宽，从紫外到红外几乎都有相同的响应，光谱特性曲线近似为一条平线 。 2简述光外差检测对探测器的要求答：光外差检测对探测器的要求比直接检测高（1） 响应频带宽信号变化范围大，通频带宽；（2） 均匀性好相干面要求性能差别小；（3） 工作温度高器件工作条件和检测条件匹配。三、 计算（共70分）1要从电子逸出功为3eV的金属中产生光电子发射，求：（1）所需入射光的长波限m是多少？（2）若入射光的波长为200nm，则发射的光电子的最大动能为多少？（注：1eV=1.610-19J，h=6.62610-34Js）（10分）解：（1）1eV=1.610-19J当光子能量h恰好等于逸出功W时，电子将不再逸出，所以极限频率为 =W/h=31.610-19J/6.62610-34Js7.241014(Hz) 长波限m=c/=414.125nm（2）波长=200nm入射光的频率 =c/=3108/20010-9=1.51015Hz，光子能量h=6.62610-341.51015=9.93910-19 J，故，发射的光电子的最大动能Emax=h-31.610-19=5.13910-19 J。2已知一光敏电阻在500lx的光照下的阻值为550，在700lx的光照下的阻值为450。试求该光敏电阻的暗电阻R0，光电导灵敏度Sg，以及在600lx的光照下的阻值RL。解：光敏电阻的亮电导：GL=G0+GP，又光电导：GP= SgE，得1/550= G0+Sg5001/450= G0+Sg700解得：光电导灵敏度Sg=2.02S/lx，暗电导G0=0.000808S，暗电阻R0= 1/G0=1/0.000808=1237.5当光照E=600lx时，亮电导GL= G0+Sg600=0.00202S,RL=1/ GL=495.3图1中放大器为一理想运算放大器，利用其对光电二极管2CU2的光电流进行线性放大，若光电二极管未受光照时，运放输出电压Uo=0.5V。在E=200lx的光照下，输出电压Uo=2V。求：（1）光电二极管的暗电流；（2）光电二极管的电流灵敏度。（10分）_+Ub2CU2A2MUoR1图1解：（1）光电二极管未受光照时，运放输出电压Uo=0.5V，则暗电流Id=0.5V/2 M= 0.25A；（2）当光照E=200lx时，亮电流IL=2V/2 M=1A，则，光电流Ip= IL-Id=1 -0.25=0.75A光电二极管的电流灵敏度SI= Ip /E=0.75A/200lx=3.75nA/lx。4有一光电检测输入电路的负载电阻RL=10K，电路通频带f=200KHz，试计算：（1）室温（300K）工作时，负载电阻RL上的热噪声电压UT（玻尔兹曼常数k=1.3810-23J/K）？（2）若要使热噪声电压不超过UT不超过0.2V，此时的热噪声等效带宽fe应为多少？（3）求需并联多大的电容？（4）求出该输入电路的时间常数和上限截至频率f上？（13分）解：（1） UT=(4kTRLf)1/2=57.55V（2）fe= UT2/(4kTRL)=60.4Hz(3)C=1/(4RLfe)=0.41F(4) =RLC=0.04sf上=1/(2)=38.5Hz5用一线阵CCD和物镜组成的光电系统检测物体尺寸，已知CCD有1024位边长5m的正方形像素，待测物体尺寸Y最大为2m，物镜焦距f=50mm，试计算：（1）待测物体与物镜中心的距离L？（2）该系统可检测的最小尺寸ymin? （10分）解：（1）物镜放大倍数=f/(L-f)，故L= f( 1+1/) 又 =y max/YmaxL= f( 1+1/)= f( 1+ Y max/ y max)=50mm1+2m/（10245m）=19.58m（2）=f/(L-f)=5010-3/（19.58-5010-3）=0.00256；（或= y max/Ymax=1024510-6/2=0.00256）Ymin = y min/=5/0.002256=3.9mm。 6已知一硅光电池的面积Ad=0.25cm2，室温时，在E1=150mW/cm2的照度下，其开路电压Uoc1=500mV，短路电路Isc1=20mA，试求：（1）同温度下照度E2=400mW/cm2下的开路电压Uoc2和短路电路Isc2。（室温时，UT取26mV）（2）获得最大功率输出时的最佳负载电阻RM。（3）最大功率Pmax。（15分）解：（1）由Uoc=UTln(S/I0)，知同温度下Uoc =Uoc2-Uoc1=UTln(S2/I0)-UTln(S1/I0)= UTln(E2/E1)又，室温时UT=26mV，Uoc =26ln(400/150)=25.5mVUoc2 = Uoc1+Uoc =500+25.5=525.5mV又，由公式Isc=S=SEAd，得Isc2=