第六章 光检测器
光检测器工作原理
光检测器工作原理
光检测器是一种用来测量光的强度、波长、频率和相位等参数的仪器。
它的工作原理可以分为两种类型：光电效应和光学效应。
一、光电效应
光电效应是指光照射到特定材料表面时，会产生光电子的释放现象。
光检测器利用光电效应来测量光的强度或波长。
其中一种常见的光电效应是光电子效应，即光照射到金属表面时，金属中的电子会被激发并从金属表面解离出来。
光检测器中的金属接收到光信号后，激发的电子会产生电流或电压，通过测量电流或电压的大小就可以知道光的强度或波长。
另一种光电效应是光致电离效应，即光照射到半导体材料表面时，会产生电子-空穴对，从而产生电流。
光检测器中的半导体材料接收到光信号后，电子-空穴对的产生会引起电流的变化，通过测量电流的变化就可以得到光的强度或波长。
二、光学效应
光学效应是指光在材料中的传播和衍射现象。
光检测器利用光学效应来测量光的频率、相位或其他参数。
其中一种常见的光学效应是干涉现象，即光在多个光学路径上相遇时会产生干涉，干涉现象与光的波长和相位有关。
光检测器中的光信号经过光学路径后，会产生干涉现象，通过测量干涉现象的变化就可以得到光的频率、相位或其他参数。
另一种光学效应是衍射现象，即光通过细缝或光栅等物体时会发生弯曲和扩散现象。
光检测器中的光信号经过细缝或光栅等物体后，会发生衍射现象，通过测量衍射的模式和角度就可以得到光的波长或其他参数。
综上所述，光检测器的工作原理主要包括光电效应和光学效应。
通过利用这些效应，可以实现对光的强度、波长、频率和相位等参数的测量。
第六章 无源与有源光器件—3
个来回，则偏振方向将一共旋 转90度，这是其实现光隔离功 能的本质特征；位相延迟波片 当光从一个方向通过它时，将 使偏振方向旋转45度；而光从 另一个方向通过它时，将使偏 振方向旋转-45度。这意味着 光束通过波片往返一次，其初 始的偏振状态将不被改变。有 了上述对三个关键器件功能的 分析，参考光隔离器的工作机 理，则易于理解图6.31所示的 三端口光环形器的工作原理。
光纤光栅
光纤光栅的功能与机理
光纤光栅是一类重要的无源光器件，也是一类重要的特种光 纤，它能有选择地反射和透射某此波长的光。 1.基本概念 光纤光栅的结构特征是，一段光纤其纤芯玻璃的折射率沿光纤 长度方向呈周期性的变化(如先增大，后减小，再次增大)。纤芯折 射率的周期性变化将导致通过光纤的光发生散射，这种效应与分布 在反射性表面上一排高度平行的条纹或槽构成的衍射光栅所产生的 不同波长光谱展开的现象类似。光纤光栅中“条纹”处的折射率高 于纤芯中其他部分的折射率，这种折射率变化的分布结构，将使通 过其中的光发生布拉格散射效应，最终使光纤光栅能选择性地反射 某些选定的波长，而使其他波长的光波透射。为此，光纤光栅又称 为反射型或短周期光栅，亦称为“光纤布拉格光栅”(Fiber Bragg Grating，BFG)。1990年光纤布拉格光栅开始出现。
图6.31 光环形器原理结构示意图
6.3.3 光衰减器
为防止强光可能使接收机过载(例如发射机距接收机很时， 接收机接收的光信号可能很强)，光路中需要使用光衰减器。 光衰减器是光滤波器的一种，但它又区别于其他类型的光 滤波器。在光纤系统中，光滤波器是指光透过率随波长而显著 变化的光器件。例如，一个滤波器可以对1530~1565nm掺铒放 大器工作波段的光透过，而对980nm泵浦波段的光却衰减50dB； 但光衰减器的功能却是在整个光谱范围内均匀地减小光强，去 掉多余的光能量。衰减器若对某一波长光衰减了3dB，则对其 他所有波长的衰减也都应为3dB。具体衰减方法通常是通过衰 减器吸收掉多余的光能量，由于光信号的这些能量相对于衰减 器来说很弱，因而不会引起衰减器显著的发热现象。由于衰减 器对光信号能量的吸收，因而减小了由于反射、散射等返回光 对激光发射机可能产生的噪声影响。
第六章 仪器分析 荧光分析法
第6章 荧光分析法
磷光发射：电子由第一激发三重态的最低 振动能级→基态（ T1 → S0跃迁）。
1.基本原理
无辐射跃迁方式 振动弛豫：同一电子能级内以热能量交换形式 由高振动能级至低相邻振动能级间的跃迁。
内转换：能量差较小的激发态之间，部分能量 重叠，激发态由高电子能级转移至低电子能级 的无辐射能级交换。
外转换：激发分子与溶剂或其他分子之间产生 相互作用而转移能量的非辐射跃迁；外转换使 荧光或磷光减弱或“猝灭”。 体系间跨越：不同多重态,有重叠的振动能级间 的非辐射跃迁。
2.荧光分光光度计
（2）单色器 选择激发光波长的第一单色器 选择发射光(测量)波长的第二单色器
（3）样品池
低荧光的玻璃或石英 方形适用于90°测量 （4）检测器 光电倍增管 （5）读出装臵
2.荧光分光光度计
2.2 仪器的校正
(1)灵敏度校正 (2)波长校正 (3)激发光谱和荧光光谱的校正
3.分析方法 3.1 荧光强度与物质浓度的关系
1.基本原理
（3）影响荧光强度的外部因素
① 温度 温度升高，荧光物质的荧光效率和荧光 强度下降。 其中一个原因是分子的内部能量转化作 用。当激发分子接受额外热能时，有可能使 激发能转换为基态的振动能量，随后迅速振 动弛豫而丧失振动能量。另一个原因是碰撞 频率增加，使外转换的去活几率增加。
1.基本原理
1.基本原理
1.基本原理
仪器分析第六章UV-VIS
3.芳香烃 （1）苯：苯为环状共轭体系，其UV谱如下 主要吸收带：E1、E2和B带 E1带：180～184nm （为末端吸收） E2带：200～204nm B带：230～270nm 其中最大吸收在256nm 左右且显示精细结构
苯在环己烷中的紫外光谱
（2）取代苯 ①一取代苯 若苯环上有助色团如OH、Cl等取代时，由 于n-π共轭，使E2吸收带红移，强度增大， 但一般λmax在210nm左右。 若有生色团取代而且与苯环共轭，则E2吸 收带与K 吸收带合环芳烃 稠环芳烃较之苯环形成了更大的共轭体系， 使E、K、B带均比苯环移向长波长方向， 精细结构比苯环更明显。
苯、萘、蒽和 并四苯的紫外 可见吸收光谱
6.3无机化合物紫外-可见吸收光谱
无机化合物的电子跃迁形式主要有：电荷 迁移和配位场跃迁两种 一、电荷迁移跃迁 产生原因：当物质吸收紫外或可见光时， 使电子从给予体外层轨道向接受体相应的 轨道跃迁产生吸收光谱，此过程又称内氧 化-还原。
整个分子的能量主要为这三种能量的加和。 即E=Ee+Ev+Er 实验证明这些能量都是量子化的，且 ΔEe>ΔEv>>ΔEr 当用紫外或可见光照射溶液中的物质分子 时，只有当辐射光子的能量等于两电子能 级间能量差时，物质分子才能吸收辐射产 生跃迁，即电子由基态跃迁至各个激发态。 用适当的仪器记录下吸收过程，就可获得 物质的紫外—可见分子吸收光谱。
本章主要内容
6.1分子吸收光谱基本原理 6.2有机化合物紫外—可见吸收光谱 6.3无机化合物紫外—可见吸收光谱 6.4溶剂对紫外—可见吸收光谱的影响 6.5紫外—可见分光光度计 6.6紫外—可见吸收光谱的应用
概述
达标测试北师大版八年级物理下册第六章 常见的光学仪器必考点解析试题(含答案解析)
八年级物理下册第六章常见的光学仪器必考点解析考试时间：90分钟；命题人：物理教研组考生注意：1、本卷分第I卷（选择题）和第Ⅱ卷（非选择题）两部分，满分100分，考试时间90分钟2、答卷前，考生务必用0.5毫米黑色签字笔将自己的姓名、班级填写在试卷规定位置上3、答案必须写在试卷各个题目指定区域内相应的位置，如需改动，先划掉原来的答案，然后再写上新的答案；不准使用涂改液、胶带纸、修正带，不按以上要求作答的答案无效。
第I卷（选择题 30分）一、单选题（10小题，每小题3分，共计30分）1、小明的爷爷和爸爸都是老花眼（远视眼）爷爷的老花眼更重一些，小明的妈妈是近视眼，则下例说法正确的是（）A．小明的爷爷和爸爸的眼镜是用凹透镜做的B．小明的爷爷和爸爸的眼镜是用凸透镜做的，爷爷的老花镜度数比爸爸的大C．小明的爷爷和爸爸的眼镜是用凸透镜做的爷爷的老花镜度数比爸爸的小D．小明妈妈的眼镜是用凸透镜做的2、下列关于图中所示光学现象的描述或解释正确的是（）A．图甲中，小孔成的是倒立的虚像B．图乙中，人配戴的凹透镜可以矫正远视眼C．图丙中，太阳光通过三棱镜会分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光D．图丁中，漫反射的光线杂乱无章不遵循光的反射定律3、光通过透镜的光路如图所示，正确的图是（）A．B．C．D．4、黄健同学对凸透镜成像的特点进行了总结，其中正确的是：（）A．缩小的都是实像，放大的都是虚像B．实像都是倒立的，虚像都是正立的C．缩小的像都是倒立的，放大的像都是正立的D．实像和虚像都可在光屏上呈现5、烛焰通过焦距为10cm的甲凸透镜在光屏上成清晰的像，如图所示．现用焦距为5cm的乙凸透镜替换甲，不改变蜡烛和凸透镜的位置，关于乙凸透镜的成像情况，正确的说法是（）A．要在光屏上成清晰的像，光屏应向左移动B．要在光屏上成清晰的像，光屏应向右移动C．移动光屏，可以得到一个清晰放大的实像D．移动光屏，可以得到一个清晰放大的虚像6、某班同学在“探究凸透镜成像规律”的实验中，记录并绘制了物体到凸透镜的距离 u 跟像到凸透镜的距离 v 之间关系的图象，如图所示，下列判断正确的是（）A．当u=5cm 时，在光屏上能得到一个放大的像B．当u=15cm 时，在光屏上能得到一个缩小的像C．当 u=25cm 时成放大的像，投影仪就是根据这一原理制成的D．把物体从距凸透镜 10cm 处移动到 30cm 处的过程中，像逐渐变小7、在“探究凸透镜成像规律的实验”中，小红调节蜡烛，凸透镜和光屏的位置，在光屏上成清晰的像如图所示，下列说法正确的是（）A．教学中使用的投影仪就是利用了图中的成像规律B．换上焦距小一些的凸透镜，只将蜡烛向右适当移动就能在光屏上接收到清晰的像C．如果使蜡烛向左移动，光屏需要向右移动才能接收到清晰的像D．如果把蜡烛与光屏对调，光屏上将不会出现清晰的像8、在光具座的A点处放置一发光物体，从焦距f甲为5厘米、f乙为10厘米、f丙为20厘米的凸透镜中选择一个放置在如图所示的位置，在BC间移动光屏时可在光屏上得到清晰的像，则选择的凸透镜为（）A．甲B．乙C．甲、乙D．乙、丙9、小周用图甲所示的装置测出凸透镜的焦距，并“探究凸透镜成像规律”，当蜡烛、透镜、光屏位置如图乙时，在光屏上可成清晰的像。
北师大版八年级物理第六章《常见的光学仪器》知识点+测试试题和答案
北师大版物理八年级下册第六章知识点+测试题第六章：常见的光学仪器一.基本知识点归纳：1.凸透镜:有两个虚焦点。
1)外观：表面是球面的一部分，中间厚，边缘薄，由透明材料制成。
2）光学特点：对光线具有会聚作用①正确看待凸透镜对光线的会聚作用：光线经透镜折射后，折射光线相对于入射光线原来的传播方向，更靠近主轴。
②凸透镜越厚，它表面的弯曲程度越大，折光能力越强，其焦距越短。
3）成像规律及应用：①U>2f:f＜V＜2f，成倒立缩小的实像应用：照相机②U=2f:V=2f，成倒立等大的实像应用：——③2f>U>f:V＞2f，成倒立放大的实像应用：幻灯机，投影仪④U＜ｆ：成正立放大的虚像应用：放大镜规律简化总结：①一倍焦距分虚实，两倍焦距分大小。
②成实像时：物远像近，物近像远，像近像小，像远像大。
③成虚像时：物远像远，物近像近，像近像小，像远像大。
④成实像时，像与物比较：上下，左右均相反；而成虚像时，像与物上下，左右均相同。
这点与平面镜有所区别！2．光学仪器的操作1）照相机的操作：①若要扩大照相范围，就要让像变小，具体操作方法是：增大照相机与被拍照物体的距离以增大物距，同时缩短暗箱长度以减小相距．②照相机镜头上沾有少量灰尘对成像效果影响不大,灰尘由于距离镜头太近，故它不会通过凸透镜成实像呈现在底片上。
但它会遮挡住部分射到镜头上的光，使像的亮度受到一定的影响。
2）幻灯机的操作：①由于物体通过幻灯机的镜头成的是倒立的像，故幻灯片要倒插。
②若觉得屏幕上的图像太小，则应该减小幻灯片到镜头的距离，同时增大镜头到屏幕的距离。
3）放大镜的操作：①要利用放大镜看到物体正立放大的虚像，必须保证物体到放大镜的距离小于一倍焦距。
若物体到放大镜的距离大于一倍焦距，则我们看到的就是倒立的实像了。
②如果要想将物体的像放大得更多一些，则应该稍稍增大物体到放大镜的距离，但要保证这个距离不能超过一倍焦距。
3.眼睛1)原理:U>2f,成倒立缩小的实像(与照相机相同)眼睛的晶状体相当于照相机的镜头，瞳孔相当于照相机的光圈，眼睑相当于照相机的快门，视网膜相当于照相机的底片。
光纤通信习题
第一章 概述1、光纤通信的波谱在1.67×1014Hz~3.75×1014Hz 之间(波长在0.8μm ~1.8μm 之间)，属红外波段，将0.8 μm ~0.9μm 称为短波长，1.0μm ~1.8μm 称为长波长，2.0μm 以上称为超长波长。
2、信道容量与信道带宽之间的关系，香农—哈特利(Shannon-Hartley )定理：C 为信道容量(单位为比特/秒，bps )，B 为信道带宽(赫兹，Hz )，SNR 为信噪比。
3、要实现受激发射需要两个条件：（一）粒子数反转，可通过向半导体激光二极管注入正向电流的方式来实现粒子数反转；（二）光子谐振腔，并在谐振腔里建立起确定的振荡。
4、最大比特率的计算式： 光纤色散是比特率受限的主要原因。
5、仅考虑光纤损耗，光信号沿光纤传输的最大距离 L6、光纤通信系统的通信容量用比特率-距离积BL 来表示，单位为(Mbit/s )·km ；也可以用带宽-距离积来表示，单位是 MHz ·km 。
它是系统的一个极限参数。
一个系统设计完成以后，通信容量则是一个定值。
其意义是：数据速率和传输距离可以变化，但必须满足两者的乘积为常数。
5、光脉冲传输距离 L 后的展宽应不超过系统比特周期的四分之一。
6、渐变折射率光纤大大降低了模式色散，提高了通信容量7、提高通信容量的主要途径是减小信道间距、扩展带宽 以及采用混合复用技术。
第二章 光纤和光缆1、光纤直径尺寸2、阶跃型光纤SIF 和渐变型光纤GIF ；多模光纤MMF 单模光纤SMF 。
3、折射率为幂律分布的（渐变）多模光纤中传导模的数目为4、相对折射率差：∆ = (n 12 - n 22)/(2n 12) ≈ (n 1 - n 2)/n 15、要使光线全部限制在渐变光纤纤芯中传播，入射角φ 应满足下式：（证明或计算！）6、相位一致条件（证明！） 2k 0n 1a cos θ - δ = N π7、例1：已知某光纤参数如下：a = 4.1 μm ，∆ = 0.003，纤芯折射率n 1 = 1.48，试问此光纤能否传输波长λ = 1.31 μm 的TE 01和TM 01模？如要使TE 01、TM 01模能够传输，光波长应做怎样的调整？（PPT ）第三章 光纤的传输特性 222V N +=αα221sin c n n -<φ)1(2SNR Blog C +=τ∆=21max B rec out P P L lg 10α=Bc n L 411<∆⨯1、多模光纤的折射率分布决定光纤带宽和连接损耗，单模光纤的折射率分布决定工作波长的选择。
北师大版八年级下册第六章《常见的光学仪器》专题训练及答案
第六章常见的光学仪器第一节透镜1．（上海19大同中学杯）如图所示，有一圆柱形玻璃体，在它的中心轴线上有一球形气泡，柱体低面是磨砂的毛面，当平行光沿轴方向向下照射时，在磨砂的毛面上可能会看到（）A．圆形亮斑 B．圆型暗斑C．圆形暗斑且中心有一亮点 D．圆形亮斑且中心有一暗点2．(11常州) 在淹城民俗街上，小明对一雕刻于半粒大米(上圆下平) 上的微雕作品“”产生了浓厚兴趣。
(1)为看清微雕作品上的文字和图像，小明应利用如图所示透镜中的 (选填序号)进行观察。
(2)正确选择透镜后，小明拿透镜正对着太阳光，再把一张纸放在它的另一侧，当在纸上呈现一个最小最亮的光斑时，测得这个光斑到透镜的距离为5 cm。
(3)透过透镜观察微雕作品“”，小明看到的像如图所示，此时透镜到微雕作品的距离是。
A．小于5 cm B．大于5 cm且小于10 cmC．等于10 cm D．大于10 cm3．（10年学而思杯初二）如图所示Ｓ是发光体，Ｓ′是它通过凸透镜成所的像，请画出凸透镜的位置并找出焦点（一个即可）。
4．（10年学而思杯初二）实验中有时需要将一束平行光变成细平行光，这可以利用两块透镜的组合来解决，请在下图的两个方框中各画出一种组合方式。
5．（趣味链接）西汉淮南王刘安（公元前179~前122年）和门客著有《淮南鸿烈》，又名《淮南子》。
《淮南子•万毕术》记载：“削冰令圆，举以向日，以艾承其影则火。
”这就是说，把一块洁净的冰两面削成球面状，实际上就是用洁净的冰块削成一凸透镜，用它对着太阳，使平行的太阳光折射，让太阳光的能量聚集到焦点上，再把易燃的艾绒放到焦点处，最后被点着起火。
你认为该方法可行吗？试用你所学的知识解释其中的道理。
参考答案1．D 【解析】当平行光沿轴方向向下照射时，对准气泡周围入射的光，方向不变，在磨砂面（相当于“光屏”）上有光到达，形成亮斑。
气泡和它竖直方向上、下层玻璃共同的作用相当于一个凹透镜，即平行光经这个“凹透镜”后会发散，使磨砂面中心无光，形成暗斑。
物理八上第六章《常见的光学仪器》复习
【课后作业】
1.发光体从距凸透镜很远的地方向焦点移近时，
在凸透镜另一侧得到清晰的像，则像距和像的大
小的变化是: ( )
A.像距变大，像变大
B.像距不变，像变大
C.像距变小，像变小
D.像距变大，像变小
2.关于实像和虚像，下列说法正确的是: ( )
A.实像能用光屏收集到，虚像不能
B.虚像是人的幻觉，并没有光线进入人眼，实像
了解眼睛是怎样矫正视力的。
【学习重点、难点】
重点：透镜对光的作用，三条特殊光线，凸透镜
成像的规律；
难点：凸透镜成像的规律，常见光学仪器的调节，
视力的矫正。
【知识回顾】
一、透镜
1.边缘厚中央薄的是
透镜；边缘薄中央厚的
是 透镜。
2.通过光心的光线传播方向
。
3.透镜对光的作用：凸透镜对光起
作用。
凹透镜对光起
A.5°
B.15°
C.3°
D.30°
【知识回顾】
四、眼睛和眼镜
1.眼球的构造：
2.眼睛和照相机的类似之处：
3.正常眼的远点是
，近点是
明视距离
。
4.(1)近视眼的成因：
_____________________________
矫正：
特点：
(2)远视眼的成因：
_______________________________
6.显微镜和望远镜都装有一组目镜，目镜的 作用相当于：（ ） A.一个放大镜 B.投影仪的镜头 C.照相机镜头
D.以上说法都不对
7.在探究凸透镜成像规律的实验中，当烛焰、凸 透镜、光屏处于如图所示的位置时，恰能在光屏 上得到一个清晰的像。利用这一成像原理可以制 成（ ）A.照相机 B.幻灯机 C.放大镜 D.潜望镜 8.如图所示，将凸透镜看作是眼睛的晶状体，光 屏看作是眼睛的视网膜，烛焰看作是眼睛观察的 物体。 拿一个近视眼镜给“眼睛”戴上，光屏上 出现烛焰清晰的像，而拿走近视眼镜则烛焰的像 变得模糊。那么在拿走近视眼镜后，下列操作能 使光屏上重新得到清晰像的是 （ ） A.将光屏适当远离凸透镜 B.将蜡烛适当远离凸透镜 C.将光屏适当移近凸透镜 或将蜡烛适当移近凸透镜
光纤通信原理第六章光电检测器与光接收机
表 6.2 常用光电检测器件的参考数据
正向压降 正向电阻 反向电阻
Si-PINPD 0.6～0.7V 3～5k¦ Έ（R×100 档） >100k¦ （ Έ R×1K 档）
InGaAs-PINPD 0.2～0.3V
3～5k¦ （ Έ R×100 档） >100k¦ （ Έ R×1K 档）
InGaAs-APD 约 2V 通
利用数值计算技术求得误码率的方法 非常费时，而且不能对光接收机的设计提 供多少帮助。所以，为了简化计算，一般 均将概率密度函数近似成高斯函数来进行 相应的分析。于是，误码率又可表示成：
BER 1
exp
x2
2 dx
2 Q
式中Q可以表示为： Q D0 Iop0 Ntot 0
Iop1 D0 N tot1
(2)
所谓光接收机动态范围，就是指在一 定误码率或信噪比(有时还要加上信号波形 失真量)条件下光接收机允许的光信号平均 光功率的变化范围。
6.4 光接收机的噪声
6.4.1
1.
光电检测器上的噪声包括光检测噪声 (有可能与信号强度相关的噪声)、暗电流 噪声及背景辐射噪声。
(1) PINPD
由于光的量子性，PINPD的光检测噪
2 3
B3
3.
光接收机的输入等效总噪声可以表示 为：
ntot=nPD+nA
在PINPD光接收机中，nPD要远远小 于nA。
6.4.2
1. PINPD
根据信噪比定义，PINPD光接收机判 决点上的信噪比为：
SNR
So N tot
si A2 ntot A2
si
P
ntot
nPINPD nA
声属于光量子噪声。PINPD的光检测噪声
第六章 光端机(发射和接收)讲解
6 光接收机的组成部件，除了光电二极 管外，都是标准的电子元器件，采用标 准集成电路 (IC) 工艺技术，很容易集成 在同一芯片上，做成集成光接收机。 在高比特工作时，这种集成光接收机 具有很多优点。 90 年代末用 Si 和 GaAs 集 成电路工艺已制成带宽超过2GHz的集成 光接收机，现在带宽超过 10GHz 的集成 光接收机也已用于光波实验系统。
第六章：光端机
6.1光源与光纤的耦合 6.2光调制 6.3光发射机 6.4光接收机 6.5光接收机噪声分析 6.6光接收机的误码率和接收灵敏度 6.7光中继器
6.1光源与光纤的耦合
从光源发射出来的光功率尽可能多地 送入光纤中传输，这就是光源与光纤的 耦合问题。 衡量光源与光纤耦合的质量可以用耦合 效率η，它定义为 η=PF/PS (6-1-1) 式中： PF—耦合进入光纤的光功率 PS—光源发射的功率。
4
数据恢复
数据恢复电路由判决电路和时钟恢复电 路组成，如果需要与电端机接口，还需 要解码、解扰和编码电路 判决电路和时钟恢复电路的任务是把线 性通道输出的升余弦波形恢复成数字信 号。
5
辅助电路
光接收机除上面介绍的若干部分外，还 有一些辅助电路， (1)钳位电路。 (2)温度补偿电路。 (3)告警电路。
2
噪声的评价方法 噪声是一种随机性的起伏量，是电 信号中不需要的成分，它干扰实际系统 中信号的传输和处理，影响和限制了系 统的性能。 (1) (2)信噪比(SNR) SNR=平均信号功率/噪声功率
3
6.6光接收机的误码率和接收灵敏度
光接收机的误码率和灵敏度是描述 光接收机准确检测光信号能力的性能指 标。
第六章 常见的光学仪器
知识点 幻灯机和投影仪
像的“倒立”与“正立”解析. 正立与倒立是指像与物体的关系,以物体的状态为标准,若像的状态与物 体的状态一致,则说像是正立的;若像的状态与物体的状态颠倒,则说像是 倒立的.像的“倒立”指像的上下位置与物体的上下位置颠倒,还要注意 凸透镜成倒立的像时,像与物体的左右也是颠倒的.
学科素养课件
新课标北师版·物理 八年级下
第六章 常见的光学仪器
第一节 透 镜
知识点 透镜
新疆文化旅游节用冰凸透镜采集圣火.
知识点 透镜
每个透镜有且只有一条主光轴,画主光轴应用“点划线”.透镜光心在主 光轴上,通过光心的光传播方向不变.
知识点 透镜
凸透镜的镜面并不一定是两侧都向外凸出,而是至少有一个镜面向外凸 出,并且从整体上看,它一定是中间较厚、边缘较薄的透镜;同样,凹透镜 的镜面也不一定是两侧都向内凹,而是至少有一个镜面向内凹,从整体上 看,它一定是中间较薄、边缘较厚的透镜.
知识点 探究凸透镜成像规律
实验中光屏上看不到像的几种情况: (1)烛焰中心、透镜中心、光屏中心没有在同一高度,像成在光屏以外的 位置; (2)蜡烛放在了凸透镜的焦点上,发出的光经凸透镜折射后平行于主光轴 射出,不能成像,因此光屏上没有像; (3)蜡烛放在了凸透镜的焦距以内,不能成实像,因此光屏上没有像.
显微镜把一个全新的世界展现在人类的视野里,把人类的视觉从宏观引 入到微观.
知识点 显微镜
显微镜是人类进入原子时代的标志,光学显微镜是在1590年由荷兰的詹 森父子所创.
知识点 显微镜
为什么显微镜的物镜焦距要比较短,目镜焦距要比较长?
知识点 显微镜
显微镜的镜筒长度有限,物镜需要把标本折射成放大的实像,还需要离标 本近一点使得成像可以明亮些,因此需要把物镜的焦距做得短一些;而目 镜的焦距较长,可以保证经物镜折射后的实像落在目镜的焦距之内,以再 次形成放大后的虚像.
第六章光电检测电路的设计
S max /[U b (1 G / G0 ) S max / G0 ]
当
R
＝1/
L
G
L
已知时，可计算偏置电源
电压 U b为
用解析法计算输入电路
U b S max(GL G0 ) / GL (G0 G)
a) 确定线性区 b) 计算输出信号
3）计算输出电压幅度 由图b，当输入光通量由Φmin变化到Φmax时，输出电压
b) 相对探测灵敏度曲线 1-检测型Si光电二极管
2-照相用Si光电二极管 3-平面型Si光电池 4-光电三极管
5-台面型光电二极管 6-视见函数
7-CdS光敏电阻
2）探测器的光电转换特性和入射辐射能量的大小相匹配
根据光电系统辐射源的发光强度、传输介质和目标的传输 及调制损耗、接收光学系统接收孔径的限制及反射吸收等损失 的影响，可以计算出入射到探测器光敏面上的实际辐射能量， 通常它们是很微弱的，探测器的选择应充分利用这些有用的信 号能量，为此要考虑：
为了提高传输效率，无畸变地变换光电信号，光电检测器 件不仅要和被测辐射源及光学系统，而且要和后续的电子系统 在特性和工作参数上相匹配，使每个相互连接的器件都处于最 佳的工作状态。光电检测器件和光路的匹配是在对辐射源和光 路进行光谱分析和能量计算的基础上，通过合理选择光路和器 件的光学参数来实现的，这要涉及到工程光学的内容。而光电 检测器件和电路的匹配则应根据选定的光电检测器件的参数， 通过正确选择和设计电路来完成。
载电阻RL的减小会增大输出信号电流 而使输出电压减小。但RL的减小会受 到最大工作电流和功耗的限制。为了
提高输出信号电压应增大RL ，但过大 的RL会使负载线越过特性曲线的转折 点M进入非线性区，而在这个范围内
《第六章常见的光学仪器》知识点归纳
《第六章常见的光学仪器》知识点归纳第六章主要介绍了常见的光学仪器，涵盖了显微镜、望远镜、光谱仪、干涉仪、分光计等。
以下是该章节的知识点归纳：
1.显微镜：
-显微镜通过放大物体的图像来观察微观结构。
-光学显微镜使用透镜来放大物体的图像。
-透射电子显微镜和扫描电子显微镜使用电子束来放大物体的图像。
-相差显微镜和荧光显微镜是常见的光学显微镜。
2.望远镜：
-望远镜用于观察远处的天体。
-折射望远镜使用透镜将入射光线折射来放大图像。
-反射望远镜使用反射镜将入射光线反射来放大图像。
-天文望远镜和光学望远镜是常见的望远镜类型。
3.光谱仪：
-光谱仪用于分析物质的光谱特征。
-分光仪通过将入射光分散成不同波长的光束来进行光谱分析。
-分光光度计通过测量不同波长光的吸收或发射来定量分析物质。
-红外光谱仪和紫外-可见光谱仪是常见的光谱仪。
4.干涉仪：
-干涉仪用于测量光的干涉现象。
-杨氏双缝干涉实验是干涉仪的基本原理。
-干涉仪可以用来测量波长、折射率、薄膜厚度等。
-迈克尔逊干涉仪和迪克逊干涉仪是常见的干涉仪。
5.分光计：
-分光计用于测量和分析光线的色散性质。
-分光计通过将入射光线经过光栅或棱镜分散来进行测量。
-分光计可以用来测量物质的光谱特性、波长、频率等。
-分光光度计和偏振分光计是常见的分光计。
以上是第六章常见的光学仪器的知识点归纳。
通过学习这些仪器，我们可以更好地了解光学原理，应用于不同领域的科学研究和实验中。
光探测器工作原理
光探测器工作原理
光探测器是一种用于检测光的仪器，通常由光敏元件、光学系统和电信号处理器组成。
其工作原理基于光电效应，即利用光子的能量转化为电子能量。
光敏元件可以是光电二极管（Photodiode）、光电三极管（Phototransistor）或光电阻（Photoresistor）等。
这些元件都
是半导体材料，其能带结构使其能够吸收光子并释放电子。
当光照射在光敏元件上时，光子传递能量给其中的电子，使其跃迁到导带（conduction band），形成光生载流子。
这些光生载
流子通过外部回路流动，最终转化为电流或电压信号。
光敏元件常常配备光学系统，主要用于聚焦光束并将其引导到光敏元件上。
光学系统一般由透镜、光纤等光学元件组成，通过它们可以控制和调节光束的聚散和方向。
透镜可以增大光敏元件所接收到的光束面积，提高光电转换效率；光纤则可以将远距离传输的光束引导到光敏元件附近，以满足特定的应用需求。
电信号处理器是光探测器中的重要组成部分，用于将光敏元件接收到的光信号转化为电信号，以便进行进一步的处理和分析。
处理器可以包括放大器、滤波器、解调器等电路，其主要功能是增强光信号的强度、去除噪声和将光信号转化为可读取的电压或电流信号。
这样，光探测器就可以将光信号转化为可观测和记录的电信号。
总之，光探测器工作原理是基于光电效应，通过光敏元件的光
电转换和电信号处理器的信号放大、滤波等过程，将光信号转化为电信号并进行相应的处理和分析。
它在很多领域中得到广泛应用，包括光通信、光学测量、光电子学等。
光检测器(APD 特性表征公式)
ηq
hv
=
ηq λ
hc
=
(6.6259 C)λ
−34
J ⋅ s 3 ×108 m/s
)(
)
= 7.25 × 105 λ
当波长为1300 nm时：
ℜ = 7.25 ×105 (A/W )/m 1.30 ×10 −6 m = 0.942 A/W
[
](
)
当波长大于1600 nm时，光子能量不足以激发出一个电子，例 如In0.53Ga0.47As的带隙能量为Eg = 0.73 eV，故截止波长为：
ηq
hv
(A/W)
例：能量为1.53x10-19 J的光子入射到光电二极管上，此二极管 的响应度为0.65 A/W，如果入射光功率为10 µW，则产生的光 电流为：
I p = ℜPin = (0.65 A/W ) × (10 µW ) = 6.5 µA
响应度、量子效率 vs. 波长
0.9 1.0
η=
Ip /q Pin / hv = (1 − R f ) 1 − e −α s (λ )w
(
)
给定波长，η与Pin无关 0.65 0.45
ℜ= Ip Pin =
ηq ηqλ
hv = hc
给定波长，R为常数
由光子能量不足造成
造成原因：1) 材料对短波长吸收强烈； 2) 高能量载流子寿命短
例
如上图所示，波长范围为1300 nm - 1600 nm，InGaAs的 量子效率大约为90%，因此这个波长的响应度为：
噪声来源
信号部分：光生电流信号
信号功率为P(t)的调制光信号落在检测器上，则产生的初 级光电流为： ηq P (t ) = I DC + i p (t ) i ph (t ) = hv 对于pin，均方信号电流为：
第6章 光外差检测系统
6.1 光外差检测原理
直接检测系统中，检测器检测的光功率为平均光功率Pcp： 2 1 2 2 A 2 Pcp A cos td t 2 0 2 显然光波直接检测只能测量其振幅值。
分光镜 可变光阑
光外差检测原理如图，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，故又称相干检测。
式中： 为背景辐射功率; 为检测器的暗电流; 为外差检测 中频带宽。上式表示，外差检测系统中的噪声分别由信号光、本振 光和背景辐射所引起的散粒噪声，由检测器暗电流引起的散粒噪声 及由检测器和电路产生的热噪声Ps PL RL h e Ps PB PL I d M 2e fRL 2kTf h
转换效率高转换效率高检测灵敏度高比直接检测高7检测灵敏度高比直接检测高78数量级8数量级对微弱信号的探测有利尽管信号对微弱信号的探测有利尽管信号光功率小但是本振光功率大光功率小但是本振光功率大良好的滤波性能良好的滤波性能信噪比损失小信噪比损失小检测灵敏度高检测灵敏度高检测距离远检测距离远对探测器的要求比直接检测高对探测器的要求比直接检测高光外差检测的空间和频率条件光外差检测的空间和频率条件空间条件空间条件
C s L L s L s
分光镜 可变光阑
信号光束f s
fL 本振
6.2 光外差检测特性
6.2.1 光外差检测可获得全部信息
iC t As AL cosL s t L s
在相干探测中，光探测器输出的中频光电流振幅、频率和 相位都随信号光的振幅 aAsAL、频率(ωL-ωs)和相位(φLφs)的变化而变化，因此可以把频率调制和相位调制的信 号光像幅度调制或强度调制一样进行解调。外差检测不仅 可检测振幅和强度调制的光信号，还可检测频率调制及相 位调制的光信号。在直接检测系统是不可能的。
光检测器 工作原理
光检测器工作原理
光检测器是一种用于检测光信号的设备，其工作原理基于光电效应。
光电效应是指当光线照射到某些物质表面时，光的能量能够将一部分电子从物质中激发出来，形成电子-空穴对。
光检测器的关键部件是光敏元件，它通常由半导体材料制成，如硅(Si)、锗(Ge)或碲化镉(CdTe)等。
这些半导体材料具有带
隙能量，当光子能量大于该带隙能量时，光子被吸收，激发出电子-空穴对。
在光检测器中，光源发出的光经过透镜或光纤聚焦到光敏元件的表面。
当光线照射到光敏元件上时，光敏元件中的半导体材料吸收光能，产生电子-空穴对。
这些电子-空穴对在电场的作
用下，被分离并分别集聚在不同的电极上，形成电压信号。
通过测量电压信号的变化，可以间接测量光的强度。
光的强度越大，光敏元件中产生的电子-空穴对就越多，电压信号的幅
度也相应增大。
因此，光检测器可以用来测量光的强度、功率、能量等参数。
除了光强测量，光检测器还可用于其他应用，如光通信、光谱分析、光能转换等。
在光通信中，光检测器将光信号转换为电信号，实现光信号的接收和解码。
在光谱分析中，光检测器可根据光的波长对光信号进行分析和测量。
在光能转换中，光检测器可将太阳光等能源转换为电能，实现光能的利用和转化。
总之，光检测器是一种利用光电效应来实现光信号检测的设备。
通过测量产生的电压信号，可以获取光的相关参数，并在不同领域中应用于光通信、光谱分析等多个应用领域。
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pin
APD
其中F(M) Mx是噪声系数，它与雪崩过程的随机特性有关。
噪声部分：暗电流噪声
暗电流是指，没有光入射时流过检测器偏置电路的电流，它是 体暗电流iDB和表面暗电流iDS之和。iDB来自于检测器的pn结内 因为热运动而产生的电子空穴。对于APD，iDB为：
5.4 106 90% 6 6 10
在实际的应用中，检测器的量子效率一般在30%-95%之间。 一般增加量子效率的办法是增加耗尽区的厚度，使大部分的 入射光子可以被吸收。但是，耗尽区越宽，pin的响应速度就 越慢。因此二者构成一对折衷。
I p Pin (1 R f )(1 e s w ) q hv
0.901.6 1019 C
34
J s 3 108 m/s
7.25105
当波长为1300 nm时：
7.25105 A/W/m 1.30106 mnm时，光子能量不足以激发出一个电子。 当波长<1100 nm时，光子在接近光电二极管的表面被吸收， 所产生的电子空隙对的复合寿命很短，很多载流子并没有产 生光电流。所以在短波长段，响应度的值迅速降低。
2q ( I P I D ) M 2 F M B 2qIL B
检测器的负载热噪声由RL的热噪声决定：
2 2 iT T
4k BT B RL
其中KB为波尔兹曼常数，T是绝对温度。
例
InGaAs光电二极管在波长为1300 nm时有如下参数：初级 体暗电流ID = 4 nA，负载电阻RL = 1000 W，量子效率=0.90， 表面暗电流可以忽略，入射光功率为300 nW (-35 dBm)，接收 机带宽为20 MHz，计算接收机的各种噪声。 首先计算初级光电流：
pin的量子效率
如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为：
s w Pw P ( 1 e ) in
如果二极管的入射表面反射系数为Rf，初级光电流为：
I p Pin (1 R f )(1 e s w ) q hv
其中q是电子电荷。量子效率定义为产生的电子-空隙对与入射 光子数之比：
响应度 vs. 波长
给定波长R为常数
Ip Pin
q
hc
光子能量变小不容 易激发出载流子
造成原因：高能量载流子寿命过短
例
如上图所示，波长范围为1300 nm - 1600 nm，InGaAs的 量子效率大约为90%，因此响应度为：
q q
hv hc
6.62510
例 (续)
光检测器暗电流：
2 i DB 2qI D B 2(1.6 10 19 C )( 4 10 9 A)( 20 10 6 Hz ) 2.56 10 20 A 2
负载均方热噪声电流为：
i
2 T
4k BT 4(1.381023 J / K )(293K ) B 20106 Hz 3231018 A2 RL 1kW
噪声来源
雪雪雪雪 hv RL 雪雪雪 雪雪
(雪 雪 )雪 雪 雪 雪 雪
hv
雪雪 雪雪
雪雪 雪雪
雪雪 雪雪
雪 雪 雪 雪
雪 雪 雪 雪 雪
雪 雪 雪 雪
雪 雪 雪
信号部分：光生电流信号
信号功率为P(t)的调制光信号落在检测器上，则产生的初级光 电流为： q i ph (t ) P(t ) I DC i p (t ) hv 对于pin，均方信号电流为：
第六章 光检测器
光电检测器的要求
- 能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号的转换 - 足够高的响应度，对一定的入射功率能输出足够大的光电流 - 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响 - 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真 - 具有较小的体积、较长的工作寿命等
常用的半导体光电检测器：光电二极管和雪崩光电二极管
载流子寿命过短 -> 载流子无法到达电极变成光生电流
pin的光吸收
P(x)
耗尽区
x
在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律：
P( x) P0 (1 e s ( ) x )
其中s()为材料对波长的吸收系数，P0是入射光功率，P(x) 是光在耗尽区中经过距离x后被吸收的功率
不同材料吸收系数s()与波长的关系
F M M x
因子F用于衡量由于倍增过程的随机性导致的检测器噪声的 增加。参数x称为过剩噪声指数，一般取决于材料，并在0~1 之间变化，x对于Si APD为0.3，对InGaAs APD为0.7，对Ge APD 为1.0。
总噪声
光检测器的总均方噪声电流为：
2 2 2 2 2 iN N iQ iDB iDS 2 2 2 Q DB DS
倍增因子M为：
IM 10mA M 43 I p 0.235mA
主要内容
光电二极管物理原理及其参数 雪崩倍增管的原理及其参数 光电检测器的噪声分析 光电检测器的带宽
6.2 光检测器噪声
输出端光信噪比： S/N = 光电流信号/(光检测器噪声功率+放大器噪声功率) 为了得到较高的信噪比： 1. 光检测器具有较高的量子效率，以产生较大的信号功率 2. 使光检测器和放大器噪声尽可能的低
高掺杂p+型 高掺杂n+型
i (本征)层：低掺杂n型
耗尽区
加反向偏置电压后形成一个很宽的耗尽层
电子和空穴的扩散长度
电载流子在扩散过程中： 载流子处在较高的能态 电子 - 空穴对会重新复合而消失 L 电子扩散长度 Ln Dn n
1/ 2
1/ 2
空穴扩散长度 Lp D p p
Dn扩散系数，n电子寿命 Dp扩散系数，p空穴寿命
2 2 iDB DB 2qI D BM 2 F M
会被雪崩区放大
表面暗电流由表面结构(缺陷、清洁程度、面积大小)和偏置电 压决定：
2 2 i DS DS 2qI L B
不会被雪崩区放大
噪声部分：雪崩倍增噪声
APD中的雪崩过程具有统计特性，不同的光生载流子的 放大倍数可能不同，给放大后的信号带来了幅度上的随机噪 声。这里定义F为过剩噪声因子，它近似等于：
信噪比
2 ip M2
S N 2q( I p I D ) M 2 F ( M ) B 2qIL B 4k BTB / RL
小结： 对于 pin ，主要噪声来自检测器电路中的电阻和有源器件 对于APD，电路噪声不占重要地位，主要噪声来源于检测器被 雪崩区放大了的量子噪声和体暗电流
主要内容
pin的响应度
光电二极管的性能常使用响应度 来表征：
Ip Pin
q
hv
(A/W)
例：能量为1.53x10-19 J的光子入射到光电二极管上，此二极管 的响应度为0.65 A/W，如果入射光功率为10 mW，则产生的光 电流为：
I p P in (0.65A/W) (10μW) 6.5 μA
类似于pin，APD的性能也由响应度来表征：
APD
q
hv
M pin M
例
一种硅APD在波长900 nm时的量子效率为65%，假定0.5 mW的光功率产生的倍增电流为10 mA，试求倍增因子M。初 级光电流为： qP q in
I p Pin hv hc 0.65(1.6 1019 C )(9 107 m) 7 5 10 W 0.235mA 34 8 6.62510 J s 3 10 m / s Pin
主要内容
光电二极管物理原理及其参数 雪崩倍增管的原理及其参数 光电检测器的噪声分析 光电检测器的带宽
6.1 光电二极管的物理原理
光电二极管实际上是一个加了反向偏压的pn结
n型
耗尽层
p型
当反向偏压足够大时 耗尽区本征载流子被 完全耗尽
n
p
耗尽区受到光的照射
当光照射到光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区 (高场 区) 及耗尽区附近引起受激跃迁现象，从而产生电子空穴对。
p+ppn+结构
“拉通”来源于其工作情况： 增加偏压，使耗尽区正好拉通到整个本征p区，以增加
w
雪崩二极管 (APD) 照片
倍增因子和响应度
光电二极管中所有载流子产生的倍增因子M定义为：
M IM 1 I p 1 V / VB n
IM ：雪崩增益后输出电流的平均值 Ip：未倍增时的初级光电流 V：反向偏压 VB：二极管击穿电压 n：常数，一般为 2.5~7
Ip /q Pin / hv
(1 R f )(1 e s w )
量子效率只与波长有关，而与Pin无关
例
有一个InGaAs材料的光电二极管，在100ns的脉冲时段内 共入射了波长为1300nm的光子6×106 个，平均产生了 5.4× 106 个电子空隙对，则其量子效率可以等于：
hv
n
p
载流子的收集
产生的电子空穴对在外部电场作用下定向移动，被电极收集 产生电流 E
n 光生电流 I
p
pin光电二极管的工作原理
1. pn结加一个高的反向偏压 2. pn结耗尽区受到光的照射产生光生载流子 3. 在外部偏压的作用下，光生载流子定向漂移产生光生电流
外加反向偏压抽取光能量的过程
pin光电二极管的结构
光子能量增大方向
例
有一个光电二极管是由GaAs材料组成的，在300 k时其带 隙能量为1.43 eV，其截止波长为：
hc 6.6251034 J s 3 108 m / s c 869nm 19 1.43eV (1.6 10 J / eV ) Eg