南京理工大学光电检测-习题解答教材

1、南京理工大学光电检测课后习题答案第1章1、举例说明你说知道的检测系统的工作原理 。（1）光电检测技术在工业生产领域中的应用：在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位，（2 ）光电检测技术在日常生活中的应用：家用电器一一数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器自动感应灯：亮度检测-光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测 -热敏电阻、热电偶 遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管 可视对讲、可视电话：图像获取 -面阵CCD 医疗卫生一一数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式-红外传感器办公商务一一扫描仪：文档扫描-线阵CCD 红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管（3）光电检测技术在

2、军事上的应用： 夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术 激光测距仪：可精确的定位目标 光电检测技术应用实例简介点钞机（1） 激光检测一激光光源的应用用一定波长的红外激光照射第五版人民币上的荧光字， 会使荧光字产生一定波长的激光，通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。由于仿制困难， 故用于辨伪很准确。（2） 红外穿透检测一红外信号的检测红外穿透的工作原理是利用人民币的纸张比较坚固、密度较高以及用凹印技术印刷的油墨厚度较高，因而对红外信号的吸收能力较强来辨别钞票的真假。人民币的纸质特征与假钞的纸质特征有一定的差异，用红外信号对钞票进行穿透检测时，它们对红外信号的吸收能力将会不同，禾U用这一原理，可以实

3、现辨伪。（3） 荧光反应的检测一荧光信号的检测荧光检测的工作原理是针对人民币的纸质进行检测。人民币采用专用纸张制造（含85%以上的优质棉花），假钞通常采用经漂白处理后的普通纸进行制造，经漂白处理后的纸张在紫外线（波长为365nm的蓝光）的照射下会出现荧光反应（在紫外线的激发下衍射出波长为420 460nm的蓝光），人民币则没有荧光反应。所以，用紫外光源对运动钞票进行照射并同时用硅光电池检测钞票的荧光反映，可判别钞票真假。（4 ）纸宽的检测一红外发光二极管及接收二极管的应用主要是用于根据钞票经过此红外发光及接收二极管所用的时间及电机的转速来间接的计算出钞票的宽度，并对机器的运行状态进行判断，比如

4、有无卡纸等；同时也能根据钞票的宽度判断出其面值。（5）喂钞台、接钞台传感器一红外对管的应用在点钞机的喂钞台和取钞台部分分别有一个作为有无钞票的发射接收红外对管，用来检测是否有钞票放入或取出。2、如何实现非电量的测量？为实现非电量的电测量，首先要实现从非电量到电量的变换，这一变换是靠传感器来实现的。传感器接口电路是为了与传感器配合将传感器输出信号转换成低输出电阻的电压信号以方便后续电路的处理。一般说来，信号都需要进一步放大并滤除噪声。放大后的信号经模拟/数字变换后得到数字信号，以便于微处理器或微控制器。微处理器或微控制器是测控系统的核心，它主要有两个作用：一是对数字信号进行进一步处理并将信号输出

5、显示、存储和控制。二是管理测控系统的各个部分以实现测控系统的智能化，即根据信号和测量条件的变化，自动地改变放大器的增益、 滤波器的参数及其它的电路参数。在选用合适的传感器之后， 就要设计传感器的接口电路。 从电子学的角度来看， 不同的传感器具有不同的电特性和需要不同 的驱动信号（也有的传感器不需要驱动信号），为取得更高的精度和最佳的性能，需要设计传感器接口电路。3、影响检测测量精度的主要因素有哪些，而其中哪几个因素有时最基本而且需要特别注意的？测量器具本身存在的误差。环境因素，如气温，气压，干燥程度，震动，磁场等。人为因素，如视觉误差等等。还有使用测量器具时的方法不得当造成的误差。4、什么是噪

6、声和干扰？什么是有用信号？噪声是来自元器件内部粒子； 而干扰是指其他的有害信号， 有系统外部的，也可以有内部的。 有用信号指传递用户所需信息的信号，或是用来让接收设备收到信号后产生一个预先设定的 动作的信号。从物理角度看，噪声是由声源作无规则和非周期性振动产生的声音。噪声为电子系统中任何不需要的信号。噪声会导致信号质量下降以及精确测量方面的错误。噪声包括固有噪声及外部噪声，这两种基本类型的噪声均会影响电子电路的性能。外部噪声来自外部噪声源，固有噪声由电路元件本身生成，最常见的例子包括宽带噪声、热噪声以及闪烁噪声等。干扰分3部分，干扰源、耦合通道和敏感对象。在不同空间和时间尺度上偶然发生，不可预

7、知。5、如何判断干扰？如何避免干扰？常见的信号的干扰有：（1）器件工作的噪声干扰， 比如说数字电路正负逻辑的转换导致的电 磁场干扰，电搜索压电流变化产生的电磁场干扰。（2）高频信号噪声干扰（串扰和回损），因为高频电路能产生强电磁场，产生感应信号。（3）电源噪声干扰，现在大部分电源系统采用的都是开关电源，开关电路的高频开关动作会导致严重的高频噪声。（4 ）地线噪声干扰，都知道只要是线就会存在电阻，当一条地线上挂有多个设备时，而且工作电流较大时， 小电阻也会产生电位差，从而影响设备。总之干扰无处不在，在设计电路或画PCB时可以考虑从3点处理，即屏蔽干扰源、切断耦合通道、保护敏感对象。6、电子计数器

8、如何实现既能测量频率又能测量周期？为什么要通过测量周期的方法来测量 低频信号的频率？采用多周期同步测量技术，这种测量方法实际上是对信号周期进行测量，信号的频率是经过倒数运算求出来的。因而，从测频的角度，上述测量方法也称为倒数计数器法。数字频率计测量频率的原理：石英振荡器1MHz标准脉冲信号，经过分频器分频为1Hz周期1s的尖波信号接到控制门的控制端，被测信号通过放大整形变为正半波尖脉冲信号，接到 控制器的信号端；第一个秒信号触发控制门打开，尖脉冲通过控制门，第二个秒信号到来后控制门关闭，脉冲计数器记录两个秒信号间隔时间内通过控制门的尖脉冲个数就等于被测信 号的频率值。数字频率计测量周期的原理：

9、采用上述方法测量低频信号时可能产生较大的误 差，因为第一个秒信号到来的时间是随机的，计数器从开启到关闭可能多记一个或少记一个数；因此，为了保证低频信号测量的精度，可以用周期测量法：即用被测信号脉冲去控制门 电路的开启，让标准时间通过控制门，进入计数器进行计数，这样计数器的值就等于一个被 测电压的周期内有几个标准时间脉冲通过，相当于一个周期等于几个时间单位。这就是为什 么要通过测量周期来测定低频型号的频率搜索的原因。8、试叙述光电检测系统的组成及特点。P6组成：（1 ）光学变换时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽空域变换：光学扫描光学参量调制：光强、波长、相位、偏振形成能被光电探测器接收，便于后

10、续电学处理的光学信息。（2 ）光电变换光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）。（3 ）电路处理放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。第2章1、 简述光电效应的工作原理。什么是暗电流？什么是亮电流？P11 221暗电流指的是在无光照时，由外电压作用下P-N结内流过的单向电流。光敏电阻两端加电压（直流或交流）。无光照时，阻值很大，电流（暗电流）很小；光照时， 光生载流子迅速增加，阻值急剧减少，在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成亮 电流。2、简述光生伏特效应的工作原理。为什么光伏效应器件比光电导效应器件有

11、更快的响应速 度？答：（1）光生伏特效应的工作基础是内光电效应当用适当波长的光照射 PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正 电压。（2）光伏效应中，与光照相联系的是少数载流子的行为，因为少数载流子的寿命通常很短，所以以光伏效应为基础的检测器件比以光电导效应为基础的检测器件有更快的响应速 度。3、 简述光热效应工作原理。热电检测器件有哪些特点？P154、比较光电效应和热电效应在作用机理、性能及应用特点等方面的差异。答：所谓光电效应是指， 光辐射入射到光电材料上时，光电材料发射电子，或者其电导率发生变化，或者产生感生电动势的现象。光电效

12、应实质上是入射光辐射与物质中束缚于晶格的 电子或自由电子的相互作用所引起的。光电效应就对光波频率（或波长）表现出选择性。在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。按照是否发射电子，光电效应又分为内光电效应和外光电效应。具体有光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应、光 子牵引效应和光电磁效应等。光热效应的实质是探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升， 温度上升的结果又使探测元件与温度有关的电学性质或其他物理性质发生变化。原则上，光热效应对光波频率（或波长）没有选择性，因而物质温度的变化仅决定于光功率(或

13、其变化率)，而与入射光辐射的光谱成分无关。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。光热效应包括热释电效应、温差电效应和测热辐射计效应等第3章1试说明为什么本征光电导器件在越微弱的辐射作用下，时间响应越长，灵敏度越高。解：在微弱信号的辐射下，将式(1-80)可心疗/(1_訂)代入(1-83),并对苴求导即可得半导体材料在弱辛下的光电导灵敏度为=$-=丿攀(1-* ),由此可知时间t响应越长，灵敏度越高。2、对于同一种型号的光敏电阻来讲，在不同光照度和不同环境温度下，其光电导灵敏度与 时间常数是否相同？为什么？如果照度相同而温度不同时情况又会如何

14、？解：同一型号的光敏电阻，在不同光照度下和不同的环境温度下，其光电导灵敏度和时 间常数不相同。在照度相同而温度不同时，其光电导灵敏度不相同和时间常数也不相同。其材料性质已经一样，只是决定了的值一定，光照度和环境温度不同，则产生的光生电子 浓度和热生电子浓度各异，决定了值不同，照度相同决定光生电子浓度相同，温度不同决 定热生电子浓度不同，同样也决定了 值不同。由(1-85)和(1-88)推岀光电灵敏度不相 同，由(2d)和(2-11)推岀其时间常数不相同。3、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在哪种偏置状态？为什么？答：因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随

15、着电压指数级在增加，所以有光照时，光电效应不明显。p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生，这是因为p-n结在反偏电压下产生的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光生电流就会明显增加。4、 在如图3-70所示的照明灯控制电路中，将题3所给的CdS光敏电阻用作光电传感器&在如右图所示的照明灯控制电路种*用CdS光敏电阻用作光电传感器，光敏电阻 最大功耗为300罰，光电导灵敏度Sg=0. 5X10-6S lx,暗电导g0=0T若已知继电 器绕组的电阻为5kQ7继电器的吸合电流为沁 电R=lkQ .试求：为使继 电器吸台所需要的照度；姜使继电器在照度为3 lx时吸合，应如何调整电阻肌（10

16、 分帕 光电阻的）t电流* =易用7T1堆驸光照的卜（=1慝嫦畏a = l.0为（4雉电的彌厦欄足耳二側上= 2mAIt诜歆电洌用大功It为300 mW,电测为时爾 JOO/2 = 150VeS53b（时嗫ft, 5?= 133333V220化tttS判这幺鬲的电另一而电用12勢.站丫亡性严H超出光敏电嵐的楼限电斥150M即使醴达艸这么福的电床，先敏可童躺殊即尤ifcli么谢整电电耳吸律5、光电导器件响应时间（频率特性）受哪些因素限制？光伏器件与光电导器件工作频率哪 个高？实际使用时如何改善其工作频率响应？响应时间主要受光电导器件中载流子的平均寿命.有关，减小.，则频率响应提高；其次，光电导器

17、件的响应时间与运用状态也有光，例如，光照强度和温度的变化，因为它们都影响载流子的寿命。光伏特器件的工作频率高于光电导器件。要改善光伏器件的频率响应，主要是减小响应时间，所以采取的措施主要有： 减小负载电阻；减小光伏特器件中的结电容， 即减小光伏器件的受光面积；适当增加工作电压。6、硅光电池的开路电压为什么随着温度的升高而下降？影响光电倍增管工作的环境因素有 哪些？如何减少这些因素的影响？温度升高时，半导体的导电性将发生一定的变化，即少数载流子浓度随着温度的升高而指数式增大，相对来说多数载流子所占据的比例即越来越小，这就使得多数载流子往对方扩散的作用减弱，从而起阻挡作用的p-n结势垒高度也就降低

18、。 从Fermi能级的变化上来理解： 温 度越高，半导体 Fermi能级就越靠近禁带中央（即趋于本征化），则两边半导体的 Fermi能级之差也就越小，所以 p-n结势垒高度也就越低，也就是开压降低。光电倍增管的响应度受多方面的因素影响，比如：偏置电压的高低、 环境光和温度变化等多方面因素的影响。无光时光电倍增管对光的响应度更趋于平稳，使实验数据也更具有可靠性。因此，无光环境是决定光电倍增管对微弱光信号的检测能力的重要因素之一。光电倍增管工作时由于阴极材料发热， 这样对光电倍增管的响应度产生较大的影响，因此不稳定的工作温度对光电倍增管的响应度也会带来不同程度的影响。降低光电倍增管的使用环境温度可

19、以减少热电子发射，从而降低暗电流。另外，光电倍增管的灵敏度也会受到温度的影响。7、分析光电信号输出电路工作原理。试以光电导器件为例，说明为什么光电检测器件的工 作波长越长，工作温度就越低？8、 简述发光二极管的发光原理及半导体激光器的工作原理。P44 它们的结构简单说就是三明治的夹心结构，中间的夹心是有源区。二者的结构上是相似的，但是 LED没有谐振腔，LD有谐振腔。LD工作原理是基于受激辐射、LED 是基于 :自发辐射。LD发射功率较高、光谱较窄、直接调制带宽较宽，而LED发射功率较小、光谱较宽、直接调制带宽较窄。9、 试判别下列结论，正确的在括号里填写T,错误的则填写F:（1） 光电导器件

20、在方波辐射的作用下，其上升时间大于下降时间。（F ）（2） 光敏电阻的阻值与环境温度有关，温度升高时光敏电阻的阻值也随之升高。（T）（3）光敏电阻的是由于被光照后所产生的光生电子与空穴的复合需要很长时间，而且，随着复合的进行，光生电子与空穴的浓度与复合几率不断减小，使得光敏电阻恢复被照前的阻值需要很长时间。（T）10、简述光电耦合器件的工作原理？P51光电偶合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极体）和光敏器件（如光敏三极管）组 装在一起，通过光线实现耦合构成电一光和光一电的转换器件。11、利用光敏电阻等器件设计楼梯内的节能灯控制电路及测量应用中的自动增益控制电路。2楼道照明灯自动控制电路设

21、计原理图楼逍照明灯仃动控制电路设计总电路图如閤7和閤10所示，它由电源电路、光控电路和延时 控制珀路、热样电红外感尿电路以加电话控制电路四部钳组成= 220V电用经过电源电賂部分进廿降 压.整流、滤波及稳床后，为其它电略提供呛V的直流H作电压冋时迺过光敏电阻、新塑热释电 紅外传感棒及时基集诙电路砧我同控制，使白天灯不亮，阪间有人来的时候灯门动点亮，人走 后延时一段时间|1动熄灭.就而达到节能的UI的n电路还加上i电话控制系统以保证电路在异常 情况卜钊以远程控制.图7楼石戸田门方助控制电话控制电路灯n功拎制电WLJlTffS理WWitH境魅线较晴时a 光叢电阻的組值很畜. 维电M耳的罐戡脛施芟鬥

22、很小军瓏址恃工作丽关闭*i有适勺大 小的声评时.直拎IC甘开关MK连通HIE. ttit-t时舞序 控建时开关uk n动序卄.rx.3 (PCTTOftftnffl 2所乐的粗刖m；羟啊却丹12、试分析图3-72 (a), (b)所示的放大电路中，光敏电阻 Rp的作用。答：(a)无光照时，Rp阻值很大，即同相反馈支路的反馈电阻很大，输出电压高。光强增 加f,使得Rp J,使得同相反馈支路阻值减小，输出电压下降。(b)无光照时，Rp阻值很大，输入近似开路，输出电压低。光强增加f,使得Rp J,使得输入信号进入，输出信号增大。13、为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再随入射照度的

23、增大而增 大？硅光电池的最大开路电压为多少？为什么硅光电池的有载输出电压总小于相同照度下 的开路电压？答：答：当光照强度增大到某个特定值时，硅光电池的pF結严生的光生载流子数达到了最大值，即山现饱和，再増大光照强度，其开路电压不再随之增大口硅光电池的开路电压表达式为“吨+ 1).将0=(1-严)心代入的衣达式并求关于 的阶导数,=f求得最大开路电压.由于输出电压uo=jlrl 二山-f血百】)叭,即包含了扩散电流仃切和暗电流如的影响*便得硅光电池的有载输出电爪总小于川路电压g =14、硅光电池的内阻与哪些因素有关？在什么条件下硅光电池的输出功率最大？(1) 极电容，串接电阻，串接电阻越小越好。

24、(2) 显然，存在着最佳负载电阻Ropt，在最佳负载电阻情况下负载可以获得最大的输出功率 Pmax。15、光生伏特器件有几种偏置电路 ？各有什么特点？光生伏特器件有反向偏置电路，零偏置电路，自偏置电路。(2)特点：自偏置电路的特点是光生伏特器件在自偏置电路中具有输出功率，且当负载为最 佳负载电阻时具有最大的输出功率，但是自偏置电路的输出电流或输出电压与入射辐射间的线性关系很差，因此在测量电路中好少采用自偏置电路。反向偏置电路：光生伏特器件在反向偏置状态，PN结势垒区加宽，有利于光生载流子的漂移运动，使光生伏特器件的线性范围加宽，因此反向偏置电路被广泛应用到大范围的线性光电检测与光电变换中。零偏

25、置电路:光生伏特器件在零伏偏置下， 输出的短路电流Isc与入射辐射量（如照度）或线性关系变化, 因此零伏偏置电路是理想的电流放大电路。16、试比较硅整流二极管与硅光电二极管的伏安特性曲线，说明它们的差异。答：比较硅整流二极管与硅光电二极管的伏安特性曲线可知：当没有光辐射时，二者的伏安特性曲线是一样的；当有光辐射时，则硅光电二极管的全电流为负值，特性曲线向下平移， 且向下平移的程度随辐照度的不同而变化。但是硅整流二极管的伏安特性曲线不受光照的影响。此外，正常工作状态下，硅光电二极管两端所加正向电压必须小于0.7V，否则不能产生光电效应。该值通常为负，即处于反偏状态；硅整流二极管两端所加偏压须为正

26、，且要大 于开启电压Uth值。17、写出硅光电二极管的全电流方程，说明各项的物理意义。答；硅光电二极管的仝电流方程为式q仃为光电材料的光电转换效常，为材料对光的吸收系数光电流対K =-P1*hv无辐射时的电流対严-1)g为昭电流，U为加在光电一极管阴端的也乐， 为辖件的温度f虑为玻尔兹竝常熟，q18比较2CU型硅光电一极管和2DLI型硅光电一极管的給构特点*说明引入环 极的直义.靳2CU型硅光电扱管是釆用n型確材料柞轴备 在n区的一面扩tt三价元素硼而生艰 蚩摟朵P*型层.型层和Ti型莊相接触形p-ti结，引出电械，在光敏新上涂上刃保 护膜* 2DU型硅光电二扱管是以轻掺杂、烏阻值的p型硅材料

27、做基底，在p型基底上扩散 五价元素臨 形成重搏朵犷型层，p型硅和甩亠型硅接鮭形成pw结.在旳亠区引出正极，并 涂以诱明的现杵为保护膜.呈底钱提蒸蹩后引出负电极在硅光也极管的制适过程屮， 在光敏商上涂保护层的过程屮，不可避免的会沾污一些杂质正离子，通过靜电榕应引 起表新漏电谎”并进而产生暗电流和散料噪声亠闵此*为了减少由于SiO2离子的押电感应所产生的表面漏电流，在氧化號中也扩散一个环形结而将受光面包用I起来.即引入环极，以增加高阻区宽度，避免边缘过早击穿口19、影响光生伏特器件频率响应特性的主要因素有哪些？为什么PN结型硅光电二极管的最高工作频率小于等于 107Hz ?怎样提高硅光电二极管的频

28、率响应？（1）影响光生伏特器件频率响应的主要因素有三点：1）在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间t dr,即漂移时间；2）在PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内所需的时间t p,即扩散时间；3）由PN结电容Cj、管芯电阻Ri及负载电阻RL构成的RC延迟时 间 t RC。（2）对于PN结型硅光电二极管，光生载流子的扩散时间t p是限制硅光电二极管频率响应的主要因素。由于光生载流子的扩散运动很慢，因此扩散时间T p很长，约为100ns,则其最高工作频率小于等于 107Hz。（3）1）减小PN结面积；2）增加势垒区宽度，提高材料体电阻率和增加结深；3）适当增加工作电压；4）尽量减少结构造

29、成的分布电容； 5）增加PN结深，减小串联电阻；6）设计 选用最佳负载阻值。20、 为什么说发光二极管的发光区在PN结的P区？这与电子、空穴的迁移率有关吗？答：对于PN结注入发光的发光二极管，当PN结处于平衡位置时，存在一定的势垒区。当加正向偏压时，PN结区势垒降低，从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，并 主要发生在 P区。这是因为发光二极管在正向电压的作用下，电子与空穴做相对运动，即 电子由N区向P区运动，而空穴向 N区运动。但由于电子的迁移率 ？N比空穴的迁移率?P 高20倍左右，电子很快从 N区迁移到P区，因而复合发光主要发生在P区。21、为什么发光二极管必须在正向电压下才能发

30、光？反向偏置的发光二极管能发光吗？答：由于LED的发光机理是非平衡载流子即电子与空穴的扩散运动导致复合发光，因此要求有非平衡载流子的相对运动，使电子由N区向P区运动，而空穴由 P区向N区运动。在不加偏加或加反向偏压的情况下，PN结内部的漂移运动占主要优势，而这种少子运动的结果是电子与空穴的复合几率小，而且表现在数量上也是很微弱的，不足以使LED发光。因此，要使LED发光，必须加正向偏压。22、发光二极管的发光光谱由哪些因素决定？光谱的半宽度有何意义？发光二极管的发光光谱由材料的种类、性质及发光中心的结构决定，而与器件的几何形状和封装方式无关。无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（

31、光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长即为峰值波长 p。在LED谱线的峰值两侧处，存在两个光强等于峰值一半的点，分别对应P -， P ，它们之间的宽度即为半谱线宽度，也称半功率宽度，它是一个反映LED单色性的参数。半宽度越小，则发光光谱单色性越好，发光功率集中于半谱线宽度内。23、产生激光的三个必要条件是什么？答：产生激光的三个必要条件是：（1）必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去， 为此需要泵浦源；（2）要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以口服损耗；（3）有一个谐振腔为出射光子提供正反馈及高的增益，用以维持受激辐射的持续振荡。24、 半导体激光器有什么特点？LD与LED发光机理

32、的根本区别是什么？为什么 LD光的 相干性要好于 LED光？答：半导体激光器体积小，重量轻，效率高，寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦。其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可以与之单片集成，并且还可用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，它广泛应用于光通信、 光学测量、自动控制等方面。LD的发光机理是激光工作物质的受激辐射，而LED发光的机理是非平衡载流子的复合发光。由于LD的发光过程是受激辐射，单色性好，发射角小，因此有很好的时间和空间相干性。25、为什么需要将发光二极管与光电二极管封装在一起构成光电耦合器件？光电耦合器件 的主要特性有哪些？答：将发

33、光器件与光电接收器件组合成一体，制成的具有信号传输功能的器件，即为光电耦合器件。由于光电耦合器件的发送端与接收端是电、磁绝缘的，只有光信息相连。同时，它 在信号传输速度、体积、 抗干扰性等方面都具有传统器件所无法比拟的优势。因此，在实际应用中它具有许多优点，被广泛应用于工业自动检测、自动控制、电信号的传输和处理及计算机系统等方面。光电耦合器件的主要特性有：（1）具有电隔离的功能；（2）信号传输具有单向性；（3）具有抗电磁干扰和噪声的能力；（4）响应速度快；（5）实用性强；（6）既具有耦合特性又具有隔离特性。26、举例说明光电耦合器件可以用在哪些方面？为什么计算机系统常采用光电耦合器件？ 答：光

34、电耦合器件目前在自动控制、遥控遥测、航空技术、电子计算机和其它光电、电子技术中得到了广泛的应用。其具体应用实例可参见教材6.5小节所述。在计算机主体运算部分与输入、输出之间，用光电耦合器件作为接口部件，将会大大提高传输中的信噪比。27、 为什么由发光二极管与光电二极管构成的光电耦合器件的电流传输比小于1,而由发光二极管与光电三极管构成的光电耦合器件的电流传输比大于等于1？n：比电耦合能竹屮发尤一檢i亍的发尤电渝为你.接收器什尤电 權济丫的比鹿汛叫用 /. = 农示.其中空足号发尤段沂的发克效半、无樂极悴灼堀益及一害之何罚离呷 的系救*称为丸激毘效率.a 般比牧低.所以。 般J /c =由】0为

35、。打的比值.闵此比吐偈合器件在不加SI合赦人三抜管时*其地逬件牺比0总小于L和 斗挨收25件釆用Jt电时由于Jt电 极管电就放人作用IM此输阳光电沁L 等F发比电逬tklflUt电ift传输比人于啓干K（A电”极许输出光电流在貝4歡量縑.X Jt电三极皆的输阳Jt电流在/4救佛嫌J28氐10用光电耦作爲H构城威门.我前门逆執电略（要求（ft出址踣陶） 沖：用光电成的我门:出光电隅合#仲构咗的或非门丸:29、6JI比电耦合壽件在电路中的号曲作用与电容的直磁作用育什么不岡？答；首先，光电耦合器件的信号传输是以光信总的形冗进行的，这与电容利用电流或电乐传 输信号不同；其次，光电耦合器件可以将输入端的

36、FiiS信号转换为光信兮进行传输而电容 具有SS貞作用无法传输N流信号；再次，对于交流信号，光电耦合器件将其调制为同频率 光信号传输*对不同频舉的信源均无过滤作用”而电容传输交流信巧时会表现出随频率不同 而变化的|；11抗（也鮒过滩），尤也传输限毀倍号；址厉.在抗T扰和抑噪方面，光龟耦合器 fl比电容要好.30、简述半导体激光器的工作原理。它有哪些特点？原理：半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件：（1）要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；（2）有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；（3）要满足一

37、定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。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 岀激光。特点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。31、2.给岀了用光电耦合器件隔离的一种高压稳定电路，说明其工作原理及对该光电耦 合器的要点？和解：本电是低压控制高压输出装置，由VJ V2复合管，组成变压电流放大电跖 由光电耦合器组成低压控制高压的光控器中，由取样电阻（R4、A R5）比较放大 电路V3和基准由庄 3讎稳压控制融备当负载兔上升，Il上升，5上

38、升，复合管V3的皿上升，lb扳少，由于炉卩 k故光耦合作用碱小，光耦合三极管DC3/0的h减小，复合管V2的加减小，其ZC随之减卜复合管VI的让升其说随之上升。负载电流丘上升 其电压IV也随之上升。反之则更 从而实现了压控高压的目的。（其中R1电阻握 供编置电压.R2作为基准电阻作降压用。阳作为限涼电阻，作反馈用，VD作为基 准电压管）“32、热辐射检测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能够产生热电效应？第一阶段：器件吸收光 辐射能量而使自身温度发生变化，第二阶段：器件依赖某种温度敏感特性把辐射引起的温度变化转化为相应的电信号，而达到光辐射探测目的，第二阶段能够产生热电效应星33热释电效应应如何理

39、解？热电检测器为什么只能检测交变辐射信号？ 热释电效应：热释电晶体吸收光辐射温度改变，温度的变化引起了热电晶体的自发极化强 度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化.这就是热释电效应。根据热释电效应，拈释电探测器的电療和蛊度的变化满足F 纟，如果照射光是恒定的， dr那么温度T是恒定值，电流为零”所以热电探测器是一种交盜器件。34、简述热电偶工作原理？热电检测器为什么只能检测变幅射信号？热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势一一热电动势，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect )。3

40、5、为什么半导体材料常具有负温度系数？热敏电阻是指电阻值随温度变化而变化的敏感元件。在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电 热敏电阻器阻器。负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钻、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺 制造而成。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，完全类似于锗、硅晶体材料，体内的载流子(电子和 空穴)数目少，电阻较高；温度升高，体内载流子数目曾加，自然电阻值降低。第四章1：总结不同类型光电检测器确定静态工作点的方法主要有图解计算法和解析计算法。答：不同类型光电检测器确定

41、静态工作点的方法主要有图解计算法和解析计算法。2:如图所示电路中，设电源电压源为Ub=9V，光敏二极管的伏安特性曲线如图b所示。光敏二极管上的光通量在 0150卩Im变化。若光通量在此范围内做正弦变化，要是输出交变 电压的幅值为3V，求所需的负载电阻 RL,并作出负载线。如間丄所亦的电賂叽幔电灣电压 =令讥光二戡皆的快安待性曲離见團町光二BHT上討 比通霾07石0疋毗冋變化.耳充迥皤心此范閘内作上菠養化進快输出殳变瞅H；的襦他人艸求所嵩的血 世电圈Hl，斤作出负覩战3X5) MI14 iT*矶1J t Gjm, + G = 0.112+ Q,01 = 0.122 pS掩-1/Gtp - 1/0

42、J22 - BJ97 MO= 6,148 V=2JOS05 x 3Z xO.1125:光电倍增管偏置电路如图4-22所示。光电倍增管的阴极积分灵敏度SK=30卩A/lm，阳极积分灵敏度 SA=10A/lm，阳极暗电流ld=4卩A，输入电路是电阻 R=105 Q和电容 C0=0.1 卩F的并联，阴极面积为 80mm2，要求信号电流IL=10-4A，计算阳极噪声电流，负载电阻 上的噪声电压和信噪比。9(P109T5)如图2所示.光电和管的阴极枳分灵敏fJSx = 30 pA/lm.阳极枳分灵敏fltSA = 10 A/lm,阳极 昭电/d = 4MA.输入电路是电= KPO和电容Co = 0.1

43、pF的并联.阴锻而枳80 mm?为.耍求们号电流 为h = W4A.计算阳极噪肖电滾、负放电魁卜.的噪炉电斥和们噪比.Mt (1)W效噪由帯宽和检査电路高鑽率截止頻率分别为“ =4RQ = 4 X 0.1 X 0.1 = 25 HZZhc：B2=I1A/； = 1S-916H2(2)阳极收N噪声电it和负仮上的噪声胞床散料噪卢电減/na = j2qMl“bf. = 72 x 1-6022 x lO1 x 0333 x 100 x 2.S x 2S = 2582 x 10*g A = 2583 x IO2 pA 式屮放大ttftM = SjSK = 10/30 = 0333 M. /A = /L

44、 = WO pA.噪声堆矮闵子7取25熾噪卢电潦/nT X 1O10 1.29/23/10 x IO-10 Z040 x IO12 A - 2.040 x IO*6 pA总绥虫电JI2.S83 x IO*2 pA负铁电R1卜的噪炉电斥(3)岱缥比Un = /Nff = 2.634 x IO1 x 0.1 = 2.583 x W1 V(SNR)a IJ& 100/(2383 x ICT) 371 x IO110 (P109T6)简述前豐放大8噪卢集数达到最小位的条件.答，前宜放大卸噪炉糸數_4kTfft 丘=0 o R = R. = 故龍貝放大达列最小值的条件是激电RI好J放大S4电斥与映声电滾

45、的比值时.W第五章1直接检测系统的基本原理是什么？为什么说直接检测又称为包络检测？is -aA2 +aA1d（t所谓光电直接检测是将待测光信号直接入射到光检测器光敏面上，光检测器响应于光辐射强度（幅度）而输出相应的电流或电压信号。光检测器输出的电流为：式中：第一项为直流项。 若光检测器输出端有隔直流电容，则输出光电流只包含第二项，这 就是包络检测的意思。2:对直接检测系统来说，如何提高输入信噪比？答：对于光电检测系统来说，其噪声主要有三类：（1）光子噪声包括：A.信号辐射产生的噪声；B.背景辐射产生的噪声。（2）探测器噪声包括：热噪声；散粒噪声；产生一复合噪声； 1/f噪声；温度噪声。（3）信

46、号放大及处理电路噪声 在实际的光电探测器中，由于光电转换机理不同，各种噪声的作用大小亦各不相同。 若综合上述各种噪声源， 其功率谱分布可用 下图表示。由图可见：在频率很低时，1/f噪声起主导作用；当频率达到中间范围频率时，产生复合噪声比较显著；当频率较高，甚至于截至频率时，只有白噪声占主导地位，其 它噪声影响很小。 很明显，探测器应当工作在1/f噪声小、产生-复合噪声为主要噪声的频段 上。因此，对于直接探测系统，提高输入信噪比的措施有：（1）利用信号调制及选频技术可抑制噪声的引入 白噪声的大小与电路的频带宽度成正比，因此放大器应采用带宽尽可能 窄的选频放大器或锁相放大器。（2）将器件制冷，减小

47、热发射，降低产生 -复合噪声。 采用半导体制冷、杜瓦瓶液态气体制冷或专用制冷机制冷。（3）采用最佳条件下的偏置电路，使信噪比（S/N）最大3:什么是直接检测系统的量子极限？说明其物理意义。（SNR）p =-答：当入射信号光波所引起的散粒噪声为主要噪声，其他噪声可忽略时，此时信噪比为：该式为直接检测理论上的极限信噪比。也称为直接检测系统的量子极限。量子极限检测为检测的理想状态。4:试根据信噪比分析具有内增益光电检测器的直接测量系统为什么存在一个最佳倍增系数。（参考） 答：当光检测器存在内增益（如：光电倍增管）时当很大时，热噪声可忽略。若光电倍增管加致冷、屏蔽等措施以减小暗电流和背景噪声,则可达到

48、散粒噪声极限。在直接检测中，光电倍增管、雪崩管的检测能力高于光电导器件， 采用有内增益的检测器是直接检测系统可能趋近检测极限的唯一途径。5:对于点检测光电系统，怎样提高系统的作用距离？3.方法的基木底理是什么？对T点探测光电系疑，址样提髙泉统的作用1E离T直按探灣足将特检测的）t忙号ft接入射到比操劇曙的光敏面匕有光採科器将光强 忙号胃接转化为相应的皑流或电斥、根锯不阿系统的耍求.出经后续电賂处隣（如放大*池 波或希种依号变换电路），摄揣获得育用的怕号.提旺点探測光电嘉统的作用沖孫，町以从以下儿个方面考也：接陆发射系址的单位立休 角的誹肘幼率+把光源发射光谓址选任大宙口范用内，探测含作口标也蜻

49、构尺寸允许的 情况下*增大光律瞑统的口径錚1 :试从工作原理和系统性能两个方面比较直接检测系统和光外差检测系统的特点。答:工作原理上：直接探测系统是将携带有待测量的光信号直接入射到探测器光敏面上，光探测器响应的是光辐射强度而输出相应的电流和电压；光外差检测是利用两束频率不同的相干光在满足波前匹配条件下， 在光电探测器上进行光学混频， 探测器输出的信号是两 光波频差的拍频信号，该信号包含有调制信号的振幅、频率和相位特征。系统性能上：直接探测系统检测方法简单，易于实现，可靠性高，但是不能改善输入信噪比，不适宜检测微弱信号；光外差检测系统复杂，对光外差两输入信号有严格的空间条件和频率条件，但检测距离

50、远，检测精度高，灵敏度高，是天然检测微弱信号的方法。2:有一光子探测器运用于相干探测。假设入射到光混频器上的本振光功率PL=10mW，光混频器的量子效率 n =0.5，入射的信号光波长 入=1卩m，负载电阻RL=50 Q，试求该光外 差探测系统的转换增益PIF/PS=?2.有以光子採测器环用与想于揮測愎设入射到先腕專上的本撮光功率gOfnW. 光顾的裁子效率怦乩 入射的&号展长张lpm”负載电阳曙如.试求谟光外插 探测系统的找挟增益“E6.63 *10*-3:试述实现外差检测必须满足的条件。答：1）要求参于混频的信号光和本振光应是理想相干的单频单模光，要有稳定的振荡频 率和相位。2）在光混频器

51、上信号光与本振光要求偏振方向一致。3）信号光与本振光要求空间波前匹配，即要求空间调准（准直、共轴），波面吻合垂直入射于光混频表面。二光束入射角偏斜0应满足关系0 V入0/L,其中入0是本振光波长，L是光电探测器光敏面尺寸。 4:求光零差相干检测在输出负载RI端的峰值信号功率5.求光零基想干探测在输出负栽缶端的堆值怕号功率,光零垦相干探濃懈时屮频电圧为圳尸卩屯如lift时功率 PF=V|F3/RL=f3AsW=4(eri/hv)3PLPsRL 其小 九Ps分别为木撮光利怕号光的功率5试述激光干涉测长的基本原理。答：如图所示是双纵模双频激光干涉仪的原理示意图。由快度为206nm: ff全内E He

52、-Ne 光管发出一对互相垂図的双纵模统偏振光.模间隔 为Ar=C . 2 （武中旷为尤連，为诣振腔长朴为空气折射率.其值釣-SMHz）经布 借特窗取岀穩瓠信号.进行热穩频其余光束再经析光彊反射及这射.反射的一对正交线偏 撮光作为播考信号，经遴儷、假振片产生扭频信号*为光唱接收器接收.选射光经光扩展器 准直扩東看，为偏振分北琥分尤.木平分射问测晝甬雄儷.垂直分鬣射向固定詹稚儷.两 路光返回后经遇镜、偏撮片产生拍频.当测晝境在时阊f内収速度移动一距离时.因多晉勒豉应而引起频差交化y这样械欄恢度信患戟于近回光克中井为光电摆收器按牧*6L -厶一3可帶测俛运动距离与相位差变化的关糸式卅很据fltft运动引起的多晋勒效应疥与相检的关紧有1