第八章 课后习题及答案自己讲课用

1、第八章第八章 课后习题及答案课后习题及答案8.1 8.1 什么叫外光电效应？由爱因斯坦光电效应方程什么叫外光电效应？由爱因斯坦光电效应方程式得出的两个基本概念是什么？式得出的两个基本概念是什么？lP230 l答：答：1. 1. 光线照射在某些物体上，使物体内的电子光线照射在某些物体上，使物体内的电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。逸出物体表面的现象称为外光电效应。 2.1 2.1 光的波长越短，也就是频率越高，光子的光的波长越短，也就是频率越高，光子的能量也越大；能量也越大； 2.2 2.2 光的波长越长，其光子的能量也就越小。光的波长越长，其光子的能量也就越小。8.2 8.2 什么叫内光电

2、效应？什么叫内光电导效应和光什么叫内光电效应？什么叫内光电导效应和光生伏特效应？生伏特效应？lP231l答：答：1. 1. 当光照射在物体上，使物体的电阻率发生当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光电动势的现象称为内光电效应。变化，或产生光电动势的现象称为内光电效应。 2. 2. 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率的变化，态过渡到自由状态，而引起材料电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。这种现象称为光电导效应。 3. 3. 在光线作用下能够使物体产生一定方向电动在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象

3、叫光生伏特效应。势的现象叫光生伏特效应。8.3 8.3 试述光电管的简单结构及其光谱特性、伏安特试述光电管的简单结构及其光谱特性、伏安特性、光电特性和暗电流的特点。性、光电特性和暗电流的特点。lP232l答：答：1. 1. 首先光电管有真空光电管和充气光电管两首先光电管有真空光电管和充气光电管两类，两者结构类似。就真空光电管来说它是一个类，两者结构类似。就真空光电管来说它是一个真空玻璃泡内装有两个电极：光电阴极和阳极。真空玻璃泡内装有两个电极：光电阴极和阳极。 2. 2. 光谱特性：一般对于光电阴极材料不同的光光谱特性：一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们具有不同的红限频率电管，它们具有不同

4、的红限频率v v0 0，因此它们可用，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率上的入射光的频率高于红限频率v v0 0，并且强度相同，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子数量随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子数量还会不同。即同一光电管对于不同频率的光的灵还会不同。即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。敏度不同，这就是光电管的光谱特性。l3. 3. 伏安特性：当入射光的频谱及光通量一定时，伏安特性：当入射光的频谱及光通量一定时，阳极电压与阳极电流之间的关系称为伏安特

5、性。阳极电压与阳极电流之间的关系称为伏安特性。 4. 4. 光电特性：当光电管阳极与阴极间所加电压和光电特性：当光电管阳极与阴极间所加电压和入射光频谱一定时，阳极电流入射光频谱一定时，阳极电流I I与入射光在光电阴与入射光在光电阴极上的光通量极上的光通量之间的关系。之间的关系。 5. 5. 暗电流的特点：没有光信号输入时，加上电压暗电流的特点：没有光信号输入时，加上电压后阳极仍有电流。后阳极仍有电流。8.4 8.4 试述光电倍增管的结构和工作原理与光电管的异同点。试述光电倍增管的结构和工作原理与光电管的异同点。若入射光子为若入射光子为103103个（个（1 1个光子等效于个光子等效于1 1个电

6、子电量）。光个电子电量）。光电倍增管共有电倍增管共有1616个倍增极，输出阳极电流为个倍增极，输出阳极电流为20A20A，且，且1616个个倍增极二次发射电子数按自然数的平方递增，试求光电倍倍增极二次发射电子数按自然数的平方递增，试求光电倍增管的电流放大倍数和倍增系数。增管的电流放大倍数和倍增系数。lP234l答：答：1. 1. 它由光电阴极，若干倍增极和阳极三部分组成。它由光电阴极，若干倍增极和阳极三部分组成。 2. 2. 工作原理：入射光在光电阴极上激发出光电子，由于各工作原理：入射光在光电阴极上激发出光电子，由于各极间有电场存在，所以阴极激发出的光电子被加速后轰击第一极间有电场存在，所以

7、阴极激发出的光电子被加速后轰击第一倍增极，第一倍增极受到一定能量的电子轰击后，能放出更多倍增极，第一倍增极受到一定能量的电子轰击后，能放出更多的电子，称为的电子，称为“二次电子二次电子”，每个极都能接受前一极的二次电，每个极都能接受前一极的二次电子，而在各个倍增极上顺序加上越来越高的正电压。子，而在各个倍增极上顺序加上越来越高的正电压。l这样如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个光电这样如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个光电子，这个电子被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍子，这个电子被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极，设第一倍增极有增极，设第一倍增极有个二次电子发出，这个

8、二次电子发出，这个电子又被个电子又被第二倍增极加速后轰击第二倍增极，而产生的二次电子又第二倍增极加速后轰击第二倍增极，而产生的二次电子又增加增加倍，由此经过倍，由此经过n n个倍增极后，原先的一个光电子将变个倍增极后，原先的一个光电子将变为为n n个电子，这些电子最后被阳极所收集而在外电路形成个电子，这些电子最后被阳极所收集而在外电路形成电流。电流。l3. 3.解：解：=I/i=I/il =20/1000 =20/1000* *1.61.6* *1010-19-19l =1.25 =1.25* *1010-17-17l =1=12 2+2+22 2+3+32 2+.+16+.+162 2 =1

9、.496=1.496* *10103 3161i2iM8.5 8.5 试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管的性能差异，给出什么情况下应选用哪种三极管的性能差异，给出什么情况下应选用哪种器件最为合适的评述。器件最为合适的评述。l答：答：1. 1. 光敏电阻的光电流和电压成线性关系。不同的光照度光敏电阻的光电流和电压成线性关系。不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明电阻值随光照度发生变化。可以得到不同的伏安特性，表明电阻值随光照度发生变化。光照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，而且没有光照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，而且没有饱和

10、现象。由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适饱和现象。由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作线性敏感元件宜作线性敏感元件 ，这是光敏电，这是光敏电 阻的缺点之一。所以在自阻的缺点之一。所以在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器 。l 2. 2. 光电池的特点是工作时不需要外加偏压，接收面积小，光电池的特点是工作时不需要外加偏压，接收面积小，使用方便。缺点是响应时间长。光电池的光照特性为开路电使用方便。缺点是响应时间长。光电池的光照特性为开路电压与光照度之间为对数关系，因而具有饱和性。因此，把硅压与光照度之间为对数关系，因而具有饱和性。因

11、此，把硅光电池作为敏感元件时，应该把它当作电流源的形式使用，光电池作为敏感元件时，应该把它当作电流源的形式使用，即利用短路电流与光照度成线性的特点，这是硅光电池的主即利用短路电流与光照度成线性的特点，这是硅光电池的主要优点。要优点。 l3. 3. 光敏二极管的光照特性亦呈良好线性，这是由于它的光敏二极管的光照特性亦呈良好线性，这是由于它的电流灵敏度一般为常数。而光敏三极管在弱光时灵敏度电流灵敏度一般为常数。而光敏三极管在弱光时灵敏度低些，在强光时则有饱和现象，这是由于电流放大倍数低些，在强光时则有饱和现象，这是由于电流放大倍数的非线性所至，对弱信号的检测不利。故一般在作线性的非线性所至，对弱信

12、号的检测不利。故一般在作线性检测元件时，可选择光敏二极管而不能用光敏三极管。检测元件时，可选择光敏二极管而不能用光敏三极管。 l4. 4. 光敏三极管的光电流比同类型的光敏二极管大好几十光敏三极管的光电流比同类型的光敏二极管大好几十倍，零偏压时，光敏二极管有光电流输出，而光敏三极倍，零偏压时，光敏二极管有光电流输出，而光敏三极管则无光电流输出。原因是它们都能产生光生电动势，管则无光电流输出。原因是它们都能产生光生电动势，只因光电三极管的集电结在无反向偏压时没有放大作用，只因光电三极管的集电结在无反向偏压时没有放大作用，所以此时没有电流输出（或仅有很小的漏电流）。所以此时没有电流输出（或仅有很小

13、的漏电流）。8.6 8.6 光电效应器件中哪种响应快？比较内光电效应光电效应器件中哪种响应快？比较内光电效应器件的频率特性。器件的频率特性。l答：答：1. 1. 光伏效应中，与光照相联系的是少数载流光伏效应中，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。为基础的检测器件有更快的响应速度。l2. 2. 光敏电阻：其频率特性与材料有关光敏电阻：其频率特性与材料有关l 光敏管：具有一定频率的调制光照射光敏管时，光敏管：具

14、有一定频率的调制光照射光敏管时，光敏管输出的光电流（或负载上的电压）随调制光敏管输出的光电流（或负载上的电压）随调制频率而变化。其频率响应与其自身的物理结构、频率而变化。其频率响应与其自身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。l 光电池：其频率特性是输出电流随调制光频率光电池：其频率特性是输出电流随调制光频率变化的关系。变化的关系。 8.7 8.7 当采用波长为当采用波长为800-900nm800-900nm的红外光源时，宜采的红外光源时，宜采用哪几种光电器件作为测量元件？为什么？用哪几种光电器件作为测量元件？为什么？l答：答：硅光电池，锗

15、管等硅光电池，锗管等l硅光电池的光谱响应范围在硅光电池的光谱响应范围在400-1200nm400-1200nm范围，用范围，用红外光进行探测时锗管较为适宜。红外光进行探测时锗管较为适宜。8.8 8.8 试分别使用光敏电阻、光电池、光敏二极管和试分别使用光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管设计一个适合光敏三极管设计一个适合TTLTTL电平输出的光电开电平输出的光电开关电路，并叙述其工作原理。关电路，并叙述其工作原理。l使用开关量来控制，串联光敏电阻、光电池、光使用开关量来控制，串联光敏电阻、光电池、光敏二极管作为开关。三极管注意极性，敏二极管作为开关。三极管注意极性，e接地，接地，b为接受光

16、源端，为接受光源端，c接电源接电源+。8.9 8.9 假如打算设计一种光电传感器，用于控制路灯假如打算设计一种光电传感器，用于控制路灯的自动亮灭（天黑自动点亮，天明自动熄灭）。的自动亮灭（天黑自动点亮，天明自动熄灭）。试问可以选择哪种光电器件？这里利用该光电器试问可以选择哪种光电器件？这里利用该光电器件什么特性？件什么特性？8.10 8.10 光电转速传感器的测量原理是将被测轴的转光电转速传感器的测量原理是将被测轴的转速变换成相应频率的脉冲信号，然后，测出脉冲速变换成相应频率的脉冲信号，然后，测出脉冲频率即可测得转速的数值。试根据这一思路画出频率即可测得转速的数值。试根据这一思路画出光电转速传

17、感器的检测变换部分的工作原理示意光电转速传感器的检测变换部分的工作原理示意图，图中的光电转换元件选用哪种光电器件比较图，图中的光电转换元件选用哪种光电器件比较合适？为什么？合适？为什么？8.11 8.11 利用光敏三极管和利用光敏三极管和NPNNPN硅三极管实现图硅三极管实现图8-388-38的的控制电路，并叙述其工作过程。控制电路，并叙述其工作过程。8.12 8.12 简述发光二极管的工作原理及其光谱特性。简述发光二极管的工作原理及其光谱特性。l在某些半导体材料的PN结中，电子与空穴(电洞)复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。l课件有课件有8.13 8.13 光

18、电耦合器的基本结构是什么？它有哪些优光电耦合器的基本结构是什么？它有哪些优点？点？l发光器件与光敏元件集成发光器件与光敏元件集成l优点优点(1) 能够有效抑制接地回路的噪声能够有效抑制接地回路的噪声,消除地干扰消除地干扰,使信号使信号现场与主控制端在电气上完全隔离现场与主控制端在电气上完全隔离,避免了主控制系统受到避免了主控制系统受到意外损坏意外损坏.l(2) 可以在不同电位和不同阻抗之间传输电信号可以在不同电位和不同阻抗之间传输电信号,且对且对信号具有放大和整形等功能信号具有放大和整形等功能,使得实际电路设计大为简化使得实际电路设计大为简化.l(3) 开关速度快开关速度快,高速光电耦合器的响

19、应速度到达高速光电耦合器的响应速度到达ns数数量级量级,极大的拓展了光电耦合器在数字信号处理中的应用极大的拓展了光电耦合器在数字信号处理中的应用.l(4) 体积小体积小,器件多采用双列直插封装器件多采用双列直插封装,具有单通道、双具有单通道、双通道以及多达八通道等多种结构通道以及多达八通道等多种结构,使用十分方便使用十分方便.l (5) 可替代变压器隔离可替代变压器隔离,不会因触点跳动而产生尖峰噪声不会因触点跳动而产生尖峰噪声,且抗震动和抗冲击能力强且抗震动和抗冲击能力强.l(6) 高线性型光电耦合器除了用于电源监测等高线性型光电耦合器除了用于电源监测等,还被用于还被用于医用设备医用设备,能有

20、效地保护病人的人生安全能有效地保护病人的人生安全.l具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强无触点且输入与输出在电气上完全隔离等。能强无触点且输入与输出在电气上完全隔离等。8.14 8.14 试叙述光纤传感器所用光纤的结构和传光原试叙述光纤传感器所用光纤的结构和传光原理。理。l课件有l光导纤维工作的基础是光的全内反射，当射入的光线的入射角大于纤维包层间的临界角时，就会在光纤的接口上产生全内反射，并在光纤内部以后的角度反复逐次反射，直至传递到另一端面。8.15 8.15 什么是单模光纤和多模光纤？并叙述驻波和什么是单模光纤和多模光纤？并

21、叙述驻波和模的关系。模的关系。l答：答：单模光纤单模光纤(Single Mode Fiber)：中心纤芯很细：中心纤芯很细(芯径一芯径一般为般为9或或10m)，只能传一种模式的光。因此，其模间色，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。求，即谱宽要窄，稳定性要好。l多模光纤多模光纤(Multi Mode Fiber) 芯较粗芯较粗(50或或62.5m)，可，可传多种模式的光。但其模间

22、色散较大，这就限制了传输传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。因此，数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。8.16 8.16 在自由空间，波长在自由空间，波长0 0=500=500m m的光从真空进入金刚石的光从真空进入金刚石（n nd d=2.4=2.4）。在通常情况下当光通过不同物质时频率是不）。在通常情况下当光通过不同物质时频率是不变的，试计算金刚石中该光波的速度和波长。变的，试计算金刚石中该光波的速度和波长。l解：解： v=c/nd

23、=c/2.4=0.4167c ，c为光速；为光速； l =0 / nd =0 /2.4=0.41670 =208.3m ， 0 为光速为光速 8.17 8.17 利用利用SnellSnell定律推导出临界角定律推导出临界角c c的表达式。计算的表达式。计算水与空气分界面（水与空气分界面（n n水水=1.33=1.33）的）的c c值。值。l解：解：n水水sinc =n0 sin/2=n0 l sinc= n0 / n水水 l c =arcsin1/1.33=48.768.18 8.18 求光纤求光纤n n1 1=1.46=1.46，n n2 2=1.45=1.45的的NANA值；如果外部的值；

24、如果外部的n n0 0=1=1，求光纤的临界入射角。，求光纤的临界入射角。l解：解：当当n0 =1时时 lNA= = =0.1706所以，所以， c =sin-1 NA =9.822122nn1.451.4622-8.19 8.19 一迈克尔逊干涉仪用平均波长为一迈克尔逊干涉仪用平均波长为634.8nm634.8nm、线宽、线宽0.0013nm0.0013nm的镉红光源，初始位置时光成差为零，然后，慢的镉红光源，初始位置时光成差为零，然后，慢慢移动图慢移动图8-528-52所示系统中的可移动四面体所示系统中的可移动四面体5 5，直到条纹再消，直到条纹再消失。求该镜子必须移动多少距离？它相当于多

25、少个波长？失。求该镜子必须移动多少距离？它相当于多少个波长？8.20 8.20 光纤传感器有哪两大类型？它们之间有何区光纤传感器有哪两大类型？它们之间有何区别？别？光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能型（传光型）传感型）传感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。感器。功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生

26、变化，再通过对被调制过的信号进行解调，发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。从而得出被测信号。非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质。量的变化，光纤仅作为信息的传输介质。 8.21 8.21 相位调制型光纤传感器的基本检测方法是什相位调制型光纤传感器的基本检测方法是什么？该类传感器的主要技术难点是什么？么？该类传感器的主要技术难点是什么？l试说明相位调制传感器的工作原理、应用及特点。 l352答：其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或变化，而导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。通常有：利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用Sagnac效应的旋转角速度传感器(光纤陀螺)等。这类传感器的灵敏度很高，但由于需用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。8.22 8.22 根据频率调制原理，设计一个用光纤传感器根据频率调制原理，设