光电检测技术与应用课后答案

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
答：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？P15
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）光生伏效应中，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？P15、P17
第3章
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？
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-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。

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？
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？
答：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。

10、简述光电耦合器件的工作原理？
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—光和光—电的转换器件。

15、光生伏特器件有几种偏置电路?各有什么特点?
(1)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，且要大于开启电压Uth值。

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，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。

第5章
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—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
6何谓莫尔条纹？应用几何光学原理解释，为什么说莫尔条纹测试技术具有光学放大作用？ P119 121
9、比较脉冲激光测距和相位激光测距的技术特点。

第6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：①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；②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：①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；②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。

3:试述实现光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θ应满足关系θ＜λ0/L,其中λ0是本振光波长，L是光电探测器光敏面尺寸。

5、试述激光干涉测长的基本原理。

P144
7：试述多普勒测速原理。

当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7章
2：试述传光型和功能型光纤传感器的基本含义。

功能型传感器（即FF型光纤传感器、传感型光纤传感器。

）：是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，即光纤与被测对象相互作用，使得光纤结构参数发生变化，使其传光特性发生相关变化。

非功能型传感器（即NF型光纤传感器、传光型光纤传感器）：是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质。

4：举例说明光纤中光波的各种调制技术。

光调制分为：强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和光谱调制等。

6：构成分布式光纤传感器的主要技术有哪些？
一、反射法：即利用光纤在外部扰动作用下产生的瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射等效应进行测量的方法。

二、波长扫描（WLS）法：用白光照射保偏光纤，运用快速付里叶算法来确定模式耦合系数的分布，当高双折射保偏光纤受到外部扰动作用时，会引起相位匹配的模式耦合，即光由一种模式转换为另一种模式（即波长）。

由于本征模以不同的速度在光纤中传播，所以从两个本征模的相对幅度的大小可以得到被测参数的信息。

三、干涉法：利用干涉仪把被测量对干涉光路中光波的相位调制进行解调，从而得到被测量信息。