光电检测技术与应用郭培源课后答案

1、光电检测技术与应用课后答案第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）光电检测技术在军事上的应用：夜视瞄准机系统：非冷却

2、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，利用这一原理，可以实现辨伪。（3）荧光反应的检测荧光信号的检测荧光检测的工作

3、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420460nm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

4、传感器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

5、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

6、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

7、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

8、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：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

9、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

10、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P111 、简述光电效应的工作原理。什么是暗电流？什么是亮电流？1.1.1 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

11、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

12、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

13、。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:在救表信号的辐射下，将式（1-80）V修=炉叫式1小'）代入（1-S3）,并对其求导即可律半导体材料在弱辐生下的光电导灵敏度为罂”屋）.由此可知时间由应峥.灵敏醯高.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？解同一型号的光被电阻,在不同光照度下和不同的环境温度下，具光电与灵敏度和时间常数不相同&在明度相同而温重不同时，其光电导灵脓度不利同

14、和时间常数也不知同.其物料性质已经一样.只是决宝T的值一号.光,照度和环境涅度不同,则产生的光生电子微度和热生电子浓度各异.法定了值不同,照度楣同法宝光生电子浓度相同，温度不同决定热生电子浊.度不同*同样也决宝了者不同口由1-SS）新（1-S8）拽出光电灵敏度不相向，由0.5）和21）推出其时间常数不相司口3、为什么结型光电署件任止向偏置时，没书明显的光电裁鹿Y它必须在弊稗偏置状奇？为什么T答因大PF结在外加正向偏压国，印仗没有光照，电流也随着电压指数级在噌加，所以有无服时，光用效应不明显.旷n结必须在反向偏反的状恣下，可明显的光电就应产生，这是因为丁口品在反偏电压下产生即电脸要饱和.所以光照

15、墙加时，得到的光生电流就会明显增加.4、在那图3-70所示的照明灯控制电瓶中.将超3所给的CdS无歇电阻用用式殂传屈器&在如古图所示的照明灯控制电路牌，用8$光敏电凰用作光电传感器，光敏电阻最大功耗为3口01/光电导灵敏度M=d5X10-6Sq*.陪电号g0=0i若已知继电器斑珥的电丽为3kQ,继电器的吸合电流为2n心电里R-lkfl.试求I为使继电器吸合所需要的照度：。要使壁电器在煦度为3be的吸合，应如何调整申麻310分帆光电器的光电抑工=与FUt在南无照射LF=l赭怖指b=1.事为他建电器现舍府浦的用电满艮=：和=%#Itl光敲电阻最大帧U5300/21WV'T-8即福火

16、小加“如三但加皿小I丁tEEyf，理熨为对蜡J盘价，口桃出也不处二悬三卷1羽13*¥cCT值22W£虫虫限幺离的研i灯面期kl3M3到己处广。剧“；士二二阳先敏电电的部50V即他能达轴£a醺的电犀.方可债损坏，即无论怎么调整电阻R,都不会使继电器吸合时间常数是否相同？为什么？如果照度相同而温度不同时情况又会如何？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

17、-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

18、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。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

19、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

20、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

21、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计原理图槎雉黑明灯力助控制电跖设汴总电路阳如图7和图】0而已它由电源电牌、光控电群和延时控制电路，热释电红外感感电踣以及电话控制电麟囚郃命组成.2工0V电鹏经过电激电编部分建柠降后翳流、滤族及稽尿后,为以它电路提供此V的质泳T作电瓶-问时通过北辕电阻、新型热科电红外怪感弱及时其集成

22、电踹Nlif55共同控混h使白天灯不亮，&网有人来的时候灯门动点亮，人士后建时一段忖间门部灭,从而达到节能的目的.电路还加上f电讯控制系统比保证电路在琼常常况F可以下程控漏.图粳迨照明灯的俄也别用话隹靠电旃?淳切邛町灯门M控制电点耳JfT/i的版姓埠里型熊中踊时.85件事电刷的郎处憎有,电工的铀电谑叁而flHr布能解特工停曲美ffl.大小的声痔时.*疗见时#*TMitul，fTft.出这一定”同JL.冏冷小时开关T门前眺舞.守重天，3 iPGM可#处用2册下的苴一灯而示电第,匕口好尤电应用It比电 H4IH. ，,巡阳 0立 J力H JMOe/. f *knF - 05 x t0-4

23、S/U*颦电E如气里嘲建蛆的电康电答；（3J无光照时，Rp阻值很大，即同相反债支跆的反馈电阻很大，输出电压高。光强熠加t,使得RpL使得同相反馈支路阻值戒小，输出电JFF降.（b）无光掰时.Rp阻值很大.输入比似开路.输出电压低.光强增加T.使得RpL,使得输入信号进入，输出信号噌大13、为彳I久在光圈度增大到一定程度后.硅光电池的开路电岳不再题入射皿度的增大而增大？砰汨电池的最大开路电床为多少？为什么砰用电池的有载输出电法总小于相同照度下的开路电压？答:答：当光照强度噌大到范个若定值忖，硅光电池Mjp-U结产生的光生栽流了数达到了最大值.即由理惴和，再增大光照用度.其升路电乐不再随之增大.群

24、光鬼池的开辟电压表达式为4=竺网4+D/将。=-?（】"）©一代人4%初的表达式并求关于的一阶导数.令=°，求得最大开路电Jk由我一洲典于输出电压口*=，/小叫/尸-77-I）圃小即包含了扩散电流G7莉暗电流的影响，蚀得硅光电池的力载输出电原总小于升路电压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？（极电容，串接电阻，串接电阻越小越好。(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。特点：自

25、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

26、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，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，硅光电一模管的仝电流方程为-E/=-幽0一63)中一十/螳后-1)he式中，为光电树科的光电咕换效率，为材料对光的啜枚系数v光电流为nv

27、无羯射时的电流为里/叫-1)/口为即电设,U为加在光电一枚管两端的田凡，为暴抖的曲耍，k为段尔叔曼常熟，q18.比较2CU型硅光电一极管和2DU型硅光电一极管的结构抖点，说明引入环极的意义,答H2CU型硅光电二极管是采用n型硅材料件基底，在n区的一面扩散三侨元素朗而生成重器杂/到乩一型层和n型硅相接触阳成灯口结，引出电极，在光敏而上汾卜SQ供护媵口2DU型琏光电二极管是以轻掺杂、而国值的p型硅材料做基底，在p型星底上护散五价元索磷.形成重掺杂犷型层,p型酢和力一型转接触形成p-n结，在，厂区引出正极，并除以透明的酣。.作为保护膜，场底候摸蒸帕后引出负电极.在硅尤也二般管的喇造过程，凡在光敏甫上

28、涂5/人保护层的过程HL不可避免的会油河一照杂质正离子,通过静电感应现起表面落出流，并进而产生暗电海相族粒喋声.因此，为减少由于5祀4甲少量正国子的静电球应所产生的表面渴电漏在氧化层中也犷散一个坏黑pe雄而将受兔而包围起来.W弓I入环根，以增加高阳区宽度，避免边缘过早击穿.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pdr,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。p,即扩

29、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pRC。对于PN结型硅光电二极管，光生载流子的扩散时间°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。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

30、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，

31、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（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,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

32、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

33、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

34、，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

35、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?冷工光电需会落科中发北极府的发光电波为.区收器件见电除冲小上的光电流可用4三加，&示.暴中叮片叮发兀极管的发光效牛.光电一城管的增品及并之间邱禹年善敷有美的系数.称为尤微发放牛.a般比较It麻吸4金要人f4.由于/为I。的比也闪此光电耨自2对在何川含放人破片时,共电流/摘出。赵小才【而力接收器件来用光电三铁时，由于光电三畿筒本身具有电St放大作用，闪此输出光电流入干等于发光电源*也即其电流山恰比大丁书于】（光电极皙输出光电流在必教MSt,K贵电三极日的出花电流由数瘠级Qt.

36、Hl1|光电耦f；器件构也*J*5HJ逑M心踏筌卡电跣围）Si卅光电闸用裾竹树瞰的道门lW茫心璘令势件构成的或#门为:必«.11光电合注件在电路中的伯号传输祚JIJ勺电容的隈口传奇作曲有什会不同？衿r首先，龙电耦介露件的解号批输期:以兄借由的鹰式进行的I这H电容利用电流或电压传输倡导不闷hst次，北电颗力器rr可以将入总的仃流信1N换为光皤号进打传输.而电曹具右疆立作阳.工认住柳直流脑人相次.对交渝FD3此电幅令器打将几调回内同期率"'.UH1K司小同城率卜阴"电均匕:H修1，！.而仃M百J；M士表.口:-2:卜i而变化的阻抗工血即过幽，无法w输低劣信号*

37、豌后.在抗T状和押啤方面.由电橘合勒仲比也制翼好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，输出激光。特点：体积小、重量轻、运转

38、可靠、耗电少、效率高等。31、2.给出了用光电耦合器件隔离的一种高压稳定电路.说明耳工作原理及对该光电耦合器的要占9*解，本电是低压控制高压输出装置.由丁门复合.邕组成变压电流放大电路.日光电耦合器组成低压控制高压的光控器申，由取杆电阻（R4、以、R5）比较放大电路V3和基准®EwJ瞒稳区控制越仁.当负载区上升，k上升。或上先食合管"3的Uh上升.hi成少,由于Ifc故如诚小，光耦合作用减小1光耦合三极管OC3，Q的K减小，复合管V?的以减小，其ZC随之海卜，复合管VI的让升,其k也随之上升电负载电流电上升.其电压Uz也随之上升曲反之则反,从而实现了低压控富压的目的白（苴巾

39、R1电阻提供编置电压，R2作为基准电用作降压用，/作为限流电阻，作反馈用，VD作为基准电压管）/3,热播射检瑞器通常分为哪的个阶段？哪个阶段能好产生慧电双反T第一阶民；器件嗫收光辐黑能量而使自身温度发生堂化,第二阶段，器件依赖某种银度敏感特性把辐射弓起的温度变化转化为相及的电信号.而达到尤福射探测目的.第二阶禺能够产生型电效应迎333热释电效应应如何理解？热电检测罂为什么只能检测交变辐射信号？热释电效应】热群电晶体吸收犬辐射温度改变，温度的变化弓I起了型电晶体的自发极化强度的变化.从而在晶体的特定方向上用起表面电荷的变化，这就是热释电效应,根据热释电就应，热糅电探测器的电流和温度钠堂化满足f如

40、果照射光是恒定的，di那会温度T是恒定II,电流为零,所以物串探测器是一种交流器件，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（Seebeckeffect）。35、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镒、

41、氧化钻、氧化银、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，完全类似于楮、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，体内载流子数目增加，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0150Mm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。

42、行打如用工好亭的屯增中.设电班电4H9仁儿峨二根湾的伏配特件倒我刈闱和).九轴二眼管t的此地任。-150口加上也先生事先墙白崖养内件卜之室化秋士崎用史变电除的机似陶加.求所高的他钱电设舄并推懦倒收钱I的“M%卜笑17二厘.X*QWi“卜i(*>(b>E:光装二极管电入龟路及黄伏安特性入电咯出伏安特性Ki111KlM口才由*光眩二段管的看电光翻量为15031n时的光电量为17M.田就光电充变化量为H=17-2=15以>7!EuA.四性眼道舒曲曲黄攸线如阳1（b）所示Jfi过N点（9.0）作一条与U牯成a=arctanJ的H战，UI轴2JM点.则MN即为所求的负我段.Q为电路的工

43、作点3：已知某§1光电二极管的灵敏度为OSA/mv.结间电导GMHHPs（技西），转折电压1610Y.入射光功率从p”=15“W变到P'=25W、V,偏UlbHOV。求最大输出功窣时的最佳负鼓RL、输出电流1、揄出电压1和输出功率PL，7（P109T3）己知某夕光电二极管的灵敏度为OSS/yW,结回电号6=0,013（该3）.忖折电片=1OV.入射光功率从旷=ISUW变到P'=25uW.偏珠/=SOV.求最大摘出功4时的易佳负代机.恰出电流/*出电KAU和输出功率凡.Kr初始电导=126 pScSP'-0.5x25。°=G%=""

44、+"""10-最大输出时余我也导A/10Gi=G.:-=1.26X=0315uSL©人-U©50-10戢佳或政施出电东电灌物出功率0.3151175MOF -P1S-1S初二二°“&l*位"=1538s V&/ - CL&U - 0215 x 15385 - 4与M pA为s61AUs4M6X:5.4B5s74.56|1W（P109T4）cm某a九电二襟管的灵敏座为osWuw.靖问电9g=oqius（仍为）总折电限s«=iov.入射光功*从P=S+3W>3t（J1W）.伯MS>=

45、40V试求I电出送到放大四时显得最大功率的电阴凡8放大中的嫔入电用”以及嫔送到成大沿的电冰及功率.弊，由给定条件可确定出脉动光功率依为小-3hWA）-5mW最大功率愉出时.直流ttl且电导a，（&+2PJ+2GUMOSx（32xS）4-2xaoix106%叼F由EaU2|iS电用wVGfeo-a929MQk=&+G=0,112+0.01=0.122注£用广1/0.122-凡1炉MO编入施用峰跑输人功率改飞他品占 05x3标-2 k 0.113 6.H8 VI OS x 3）J唐友lim=2.3OS |jW*：光电倍增管偏置电路如围工”所示.光电信增管的阳根积分灵敏度s

46、K=3nn4加.国做枳分灵敏度SA=UlAlni,阳镒暗电潦I。7凡1.榆入电睛是电阻R-1。5和电容LQF.1"F的并收，阴极面机为即皿，要求信号电筒口=1优m，计算阳极噪声用膈，煲载电阻J-的噪声电压和信噪比.9俾第9后)城前工所亭.在电信埠管的快撤肥分所峨度取=g加注.用微总分夏匐氏=iu4/£»na“整海与=$以.人电幕的二103右加融窘£.二。回物体R.0亚书1号期建为*r旷*4计理的发廉任和青*黄联此鼠卜的峰盘电肝和口鼻已解何苛找帙F前电和ti三电电府械手戴叶懵干力也不斗w?，Ib*G4K&l>0.1加三点工7妣件(2)阳槽敬血

47、声柳tm鱼鞋E的噪声电Hi航料喽声也说加=6于而而玩=x16（r?yio-xo.i:（xm：M）>7Sx75"工糙2r10-BA=l.RAHklfi-rg式中册大括口川-工，51c=13/30=0313M.t-1。必.躁由“银医十日"？*热曝力电源ytaja./a*io*-19/25/1xio-19工w.mqxio-iia-皿。xict*m总修声电定h=J以一-*G=2.S83HIC-1nA外依电阻I的噎曲电柞内=后弁=工即XlflJK01=SHJXIO-V（封公麟就（SNk）=&，&=100/（1503x1旷工）=3.871K1O110於1O9T6)

48、耨出裁大或包东戴达到最小值的*ft警工黄亶故火导耍内条敷立览"治E"=|JL-*_上一上_4&TR/f4kT&f故将贯放大理隼声杀欧达其品小旗的篝件黑源电阻等J放大器暧电收与联昌电更的忠值时,SU=2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?2,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：

49、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

50、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。（SNRY=叫答：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。（印阿亍“史MF4:试根据信噪比分析具有内增益光电检测

51、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.TE接探源方法的基本原理是件次？时卜点探测光电系统.也样提存系趺的作卬由沟T答直接尿剿是将怙检泅的光信号网接入射到光孤制器的光敏面上,仃光探蒲器将光强仁号正接转化为相向的电流或电压、根岷不同系统为探求.再经仃续电博处理（如加大、滤波

52、或箸冲出弓变换电路,最终获用有用的伯号.耀百点磔测光电系统的作用巡禹.可以从以卜儿伏方而号区:提题发射系统的单M立体角偿短射涉札更光源发写光诣定您在大气盲口直M内.热测余作II标.在绊椅尺寸允许的情猊下1痼大光学系场的口较号.第六章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

53、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刀=0.5,入射的信号光波长入=1町，负载电阻RL=50Q,试求该光外差探测系统的转换增益PIF/PS二？2.有以光子探测23运用与想干探测.假设入射到光泡嫉却上的小报光功中PflOmW.光混频甥的量子效率rrOS入射的俏弓光波长入”5负徽电融&50a.该光

54、外插物溺系统的枝秧增发P./Ps«?MiWMSn/hv）叩网“。】。73皿田,3:试述实现外差检冽必须满足的条件.督：1）呼求参干耳颛的信号光和本振光应杲理相相干的茎颛单模光,要有稳定的振荡颛率和相位。2）在光层频罟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液前匹配,即要求堂间调底（推盲、共粕），防面吻合垂育入射干光混频表面。二光束入射角漏斜。应满足关系。入0L：其中木。是本振光波长上是光电探测罂力敢面尺寸。4：求光春差相干椅测在输出负梵RI端的峰值信号功率5.求光零差想干探测在输出负载/端的峰值G号功率光零差相干探测瞬时中频电长为v产BAs/&瞬时功率%=

55、V/R邛1，A?&=4（en/hv尸P/$R>其中PlPs分别为木振光和面号光的功率.5试述激光干涉洪长的基本原理答：如图斫示圣双纵模双颂激光干涉我的原理示亘图0由长度为206mm的全内胫HeNe激光管发出一对互相无良的双纵横线偏振光.横向隔为AV=C/2L（式中c为光速,Z为诣振腔长.为空气折射率.其值约7：8MHz）,经市儡持函取出程领信号.进行热程频其余光束再经折光建反射及透4,反射的一对正交线爆素光作为参考信号,经透镜偏振片产生汨族信号.为光电接收器接收。透射光经元犷展器法直犷束后.为偏家分光镇分光.水平分量方向滔量角钺值.垂直分量时向罔定角律援.两路犬返回后经透陇.篇抹

56、片产生拍领.当测量傥在时间，内以遭度尸移动一距高叼.因委告助效应而引起频爰登化/这样极测长区信息载于返回光束中.并为光电接收器接收.BL=66可得测量援运动距离与相位差变化的关系式41根据测量镜运动引起的多音勒效应3r与相位的关系有：68=2,rbf因而，以=g”L-，967年N可见在忽略了测量过程中枭豌不钱定性影响及百斯光束干港附加项的变化影响的情况T.只要对洌量镜运动过程中潴量信号与变考信号的相位差变化的周明数.即可获得所需测量长度结果.6:如何实现干涉信号的方向判别与计数由于测量反射镜在测量过程中可能需要进行正、反两个方向的移动，或在测量过程中由于各种干扰因素的影响，可能使测量镜在正向移

57、动过程中产生一些偶然的反射移动。（正、反方向移动均使干涉信号产生明、暗的变化）若测量系统中没有判向能力，则由光电检测器接收信号后，由计数器所显示的计数值是测量镜正反移动的总和，而不是真正的被测长度。测量系统的电路中必须设计有方向判别部分，把计数脉冲分为加、减两种脉冲。7:当测量镜正向移动时所产生的脉冲为加脉冲，则测量镜反向移动时所产生的脉冲为减脉冲。这两种脉冲送入可逆计数器进行可逆计数，即可得出测量镜的真正位移量。试述多普勒测速原理。当光（激光）照射运动物体或流体时，其反射光或散射光将产生多普勒频移，用它（即反射光或散射光）与本振光进行混频可测得物体或流体的速度。第七章：1:用射线理论简述光纤的导波工作原理。flCOS（p/nxsillic=n2sin仪./rtkto华=n、Jl6Mt士中=J*一门.：>=90'-fnttsin电=NANA定义