科目三、光电传感与检测技术A

1 1 光的波动性 光的波动性 干涉干涉 衍射衍射 偏振偏振 1 时间相干性时间相干性 是指不同一点光源 在不同时间发射光束的相干状态 相干时间 是指相位的时间性能够维持的时间 在数量级上 相干时间是光波 频率宽度的倒数 相干面积 R L 若扩展广源的面积为 L 此面积内各点所发A 出的波长为 的光通过与光源相距为R并与光传播方向垂直的平面上的亮点 2 空间相干性空间相干性 是指不同空间位置的光源之间的相干状态 2 根据爱因斯坦量子理论 原子 分子或离子与光的相互作用包含 根据爱因斯坦量子理论 原子 分子或离子与光的相互作用包含 自发辐射自发辐射 受激辐射 受激吸收 受激辐射 受激吸收 自发辐射自发辐射 粒子自发地从高能级跃迁到低能级 同时发出一个光子 这一过程 叫做自发辐射 受激辐射受激辐射 若处在高能级的粒子 在一个能量等于两能级之差 E2 E1 的光子作用下 从高能级跃迁到低能级并发射一个光子 这一过程称为受 激辐射 受激吸收受激吸收 处于低能级的原子 El 受到外来光子的激励下 在满足能量恰 好等于低 高两能级之差 E 时 该原子就吸收这部分能量 跃迁到高能级 Eh 即 E Eh El 受激吸收与受激辐射是互逆的过程 3 3 激光器由 激光器由3 3部分组成 分别是 部分组成 分别是 工作物质 泵浦源 谐振腔工作物质 泵浦源 谐振腔 4 4 什么是本征半导体 掺杂半导体 什么是本征半导体 掺杂半导体 P型半导体 P型半导体中多子是 少子是 施主原子 受主原子 N型半导体 N型半导体中多子是 少子是 施主原子 受主原子 答 本征半导体本征半导体 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 掺杂半导体 掺杂半导体 P P型 型 N N型 型 在本征半导体内参入微量的杂质后的半导体 根据掺入杂质的性质不同 掺杂半导体可分为空穴 P 型半导体和电子 N 型半导体 P P型半导体型半导体 即在硅的晶体内参入少量三价元素杂质 如 硼 多子为空穴 少子为自由电子 硼原子在硅晶体中能接受电子 故硼是受主原子 N型半导体 即在硅的晶体内参入少量五价元素杂质 如 磷 多子为自由电子 少子为 空穴 磷原子在硅晶体中能产生多余的电子 故磷是施主原子 5 5 什么是费米能级 费米能级的物理意义 什么是费米能级 费米能级的物理意义 各种类型的半导体中电子填充几率为50 的这样的一个能级 一般可以认为在温 度不是很高时 能量大于费米能级的量子态 基本上没有被电子占据 能量小 于费米能级的量子态 基本上被电子占据 费米能级的位置较高说明 有较多 的 能量较高的量子态上有电子 本征半导体 N型半导体以及P型半导体的费米能 级的能带图如下图所示 Ec Ef Ev Ec Efn Ev Ec Ev Efp a 本征半导体 b N型半导体 c P型半导体 PN结的能带图如下图所示 Ef P N Efp Efn P N a 热平衡状态下PN结能带图 b 热平衡状态打破热平衡状态下PN结能带图 6 PNPN结内漂移运动和扩散运动是什么 什么是结内漂移运动和扩散运动是什么 什么是PNPN结的同质结和异质结 什么是结的同质结和异质结 什么是 空间电荷区 势垒区 什么是空间电荷区 势垒区 什么是PNPN结内的非平衡少数载流子 结内的非平衡少数载流子 答 漂移运动漂移运动就是由于电场作用而导致载流子的运动 扩散运动扩散运动是载流子由 高浓度区域向低浓度的区域运动 同质结同质结就是同一种半导体形成的结 异质结异质结就是不同半导体形成的结 PN结 的同质结 P型半导体材料与N型半导体材料相同 PN结的异质结 P型半导体材 料与N型半导体材料不同 空间电荷区空间电荷区 在P型半导体和N型半导体交界面处 由于存在载流子的浓度梯 度 P区一侧的空穴向N区移动 N区一侧的电子向P区移动 P区和N区分别留下 了带正电荷和带负电荷的离子 称这些离子所带电荷为空间电荷 他们所在区 域成为空间电荷区 势垒区势垒区 当漂移运动与扩散运动相等时 空间电荷区便处于动态平衡状态 空间电荷区也称为势垒区 非平衡少数载流子非平衡少数载流子 在PN结两端加正向电压 破坏了原来的平衡 引起多数 载流子流入对方 使得P区和N区内少数载流子比原平衡状态时增加 这些载流 子称为非平衡载流子 7 7 PN结在非平衡载流子存在区域内 必须用电子准费米能级和空穴的准费米能 级取代原来平衡时的统一费米能级 8 8 半导体的受激器的伏安特性是具有 半导体的受激器的伏安特性是具有单项导电性 单项导电性 9 9 什么是光热效应 什么是光热效应 答 某些物质受到光照后 由于温度变化而造成材料性质发生变化的现象 称 为光热效应 光热效应包括 热释电效应 辐射热计效应 温差电效应 热释电效应 热释电效应 介质的极化强度随温度变化而变化 引起表面电荷的变化的现象 辐射热计效应辐射热计效应 入射光照射材料 由于受热而造成电阻率变化的现象 温差电效应温差电效应 当两种不同的配偶材料两端并联熔接时 两接头温度不同 产生 电动势的现象 1010 什么是光电效应 什么是内光电效应 什么是外光电效应 什么是光电效应 什么是内光电效应 什么是外光电效应 答 光电效应 光电效应 物质受到辐射光的照射后 材料的电学性质发生改变 如 电 导率 发射电子发生改变 产生感应电动势的现象 称为光电效应 内光电效应内光电效应 在光的照射下 材料的电阻率发生变化的现象 外光电效应外光电效应 在光的照射下 物质吸收光子并激发出自由电子的现象 1111 什么是光电导效应 什么是光电导效应 答 当光照射到半导体材料时 晶格原子或杂质原子的束缚态电子吸收光子能 量并被激发为传导态的自由电子 引起材料的载流子浓度的增加 因而导致材 料的电导率增大的现象称为光电导效应 1212 什么是光生伏特效应 什么是光生伏特效应 答 在没有光照的情况下 结型半导体的P型区和N型区中的空穴和电子浓度都 分别比另一区域大 产生了浓度梯度并出现了载流子的扩散运动 使得P型区和 N型区都积累了一定数量的空穴和电子 从而在材料内部出现内电场 方向由N 型区指向P型区 形成势垒 并且能阻止电子和空穴进一步移动 最终达到一个 平衡状态 当光照射到材料上 只要光子的能量大于材料的禁带宽度 就可能 激发出电子空穴对 打破原平衡状态 出现新的电荷移动 在P区产生的电子会 以较大几率扩散到结区边界 并在电场作用下加速运动 穿过势垒到达N区 产 生积累 同样 N区产生的空穴也以同样的方式移动到P区 这样一来 在P区有 较多的正电荷 在N区有较多的负电荷 使得势垒高度降低 相当于在PN结上加 了一个正向电压 这种由于光照而在PN结两端出现电动势 称为光生电动势 这种现象称为光生伏特效应 1313 简述 简述LEDLED激光器 即发光二极管 与半导体激光器 激光器 即发光二极管 与半导体激光器 LDLD 的异同点 的异同点 答 相同点 即相同点 即LEDLED发光原理 发光原理 P型半导体和N型半导体接触时 在界面形成 PN结 由于电子空穴对的扩散作用 在PN结接触面两侧形成空间电荷区 称耗 尽层 当PN结加正向电压时 会使势垒高度降低 耗尽层减小 能量较大的电 子和空穴分别注入到P区和N区 分别同P区的空穴和N区电子复合 同时以光的 形式辐射出多余的能量 不同点不同点 半导体激光器 LD 有谐振腔 可以为电子空穴的复合自发辐射的 光提供正反馈 从而得到强度很大的激光 而LED激光器 即发光二极管 无谐 振腔 电子空穴复合发出的光只能是荧光 1414 直接检测系统的工作原理 应用 直接检测系统的工作原理 应用 答 光电直接探测是将待测光信号直接入射到光探测器光敏面上 光探测器 响应于光辐射强度 幅度 而输出相应的电压或电流 应用 莫尔条纹 脉冲激光测距 相位激光测距 莫尔条纹莫尔条纹 当指示光栅和主光栅的刻线相交一个微小的夹角 时 光源照射光 栅尺 由于挡光效应 两块光栅刻线的相交处形成暗带 而在刻线彼此错开处 形成亮带 在与光栅纹大致垂直的方向上 产生出亮暗相交的条纹 这些条纹为 莫尔 条纹 1515 光外差检测系统的工作原理 什么是光学多普勒效应 如何利用光学多普 光外差检测系统的工作原理 什么是光学多普勒效应 如何利用光学多普 勒效应测速 勒效应测速 答 两束平行的相干光 经分光镜和可变光阑入射到检测器表面进行混频 形成相干光场 经检测器变换后 输出信号包含差频信号 故光外差检测又称故光外差检测又称 相干检测相干检测 光学多普勒效应光学多普勒效应 物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动 而产生变化 在运动的波源前面 波被压缩 波长变得较短 频率变得较高 当运动在波源后面时 会产生相反的效应 波长变得较长 频率变得较低 波源的速度越高 所产生的效应越大 激光多普勒测速 光学多普勒效应激光多普勒测速 光学多普勒效应 测速 测速 测量通过激光束的示踪粒子的多普勒信号 再根据速度与多普勒频率 的关系得到粒子的速度 测得粒子的速度 也就是流动的速度 1212 简述光电耦合器件 又称光耦合器 或简称光耦 的工作原理 简述光电耦合器件 又称光耦合器 或简称光耦 的工作原理 答 光电耦合器件是把发光器件 如发光二极管 和受光器件 如光敏三极管 封装在一个组件内 通过光线实现耦合 构成电 光和光 电的转换器件 13 脉冲测距仪由三个基本部件组成 即脉冲测距仪由三个基本部件组成 即激光发射系统 接收系统 计数系统激光发射系统 接收系统 计数系统 1414 简述脉冲激光测距仪的测距原理 简述脉冲激光测距仪的测距原理 答 由激光器对被测目标发射一个光脉冲 然后接受目标反射回来的光脉冲 通过测量光脉冲往返所经过的时间来计算出目标的距离 光在空气中传播的速度C 3 10m s 设目标距离为L 光脉冲往返所走过的距离 为2L 若光脉冲往返所经过的时间为t 则t 2t c 测距仪即按照该式算出所测距 离 15 简述相位激光测距仪的相位测距原理 简述相位激光测距仪的相位测距原理 相位式激光测距仪是用无线电波段的频率 对激光束进行幅度调制并测定 调制光往返测线一次所产生的相位延迟 再根据调制光的波长 换算此相位延 迟所代表的距离 即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间 16 光电位置敏感件 光电位置敏感件 PSD 是一种对其感光面上入射光点位置敏感的光电器 件 17 激光器的工作原理 激光器的工作原理 激光器由3部分组成 分别是 工作物质 泵浦源 谐 振腔 利用泵浦源将工作