光电技术与实验_习题_试卷_答案__复习资料

U ou = K
∞ 2⎧ 1 ⎡ m m ⎤⎫ cos 2nω t + sin (2nω + Ω )t − sin (2nω − Ω )t ⎥ ⎬ ⎨(1 + m sin Ωt ) − ∑ 2 ⎢ π⎩ 2 2 ⎦⎭ 1 4n − 1 ⎣
问： （1）分析上式，并说出上式中哪部分是我们需要提取的信号？ （2）为了提取出需要的信号，需要采取什么电路来提取？最后提取出的信号表达式是什么， 并画出电路图。 （3）根据右图的调制波形绘出整流后的波形，并 绘出经过滤波后的信号波形简图。 3 一目标经红外成像系统成像后供人眼观察，在某一 t 特征频率时，目标对比度为 0.5,大气的 MTF 为 0.9， 探测器的 MTF 为 0.5， 电路的 MTF 为 0.95， CRT 的 MTF 为 0.5，则在这一特征频率下，光学系统的 MTF 至少 要多大？ 4 已知某硅光电二极管的灵敏度 S = 0.5 µA µW ，结电导 g = 0.005µs Байду номын сангаас屈膝电压 u = 10V ， 入射光信号功率 P = 5 + 3 sin ω t (µW ) ，反偏压 V = 40V 。求：电信号输出送到放大器时，取 得最大功率的电阻 R P 及放大器的输入电阻 Ri 。
3
符合上式规律的辐射体称为余弦辐射体或朗伯体。 � � � � ∂2E ∂2P ∂J 3 光辐射普遍形式的波动方程 ∇ × ∇ × E + µε 0 2 = − µ 2 − µ 中，方程右边 ∂t ∂t ∂t 两项反映物质对光辐射场量的影响，起“源”的作用，分别由极化电荷与传导电流 引起。 4 KDP 晶体沿 z 轴加电场时， 由单轴晶体变成了双轴晶体， 折射率椭球的主轴绕
答：光子效应是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光 子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态
nλ2 s ， 4 λ0
4
改变的大小。因为，光子能量是 h γ ，h 是普朗克常数, γ 是光波频率，所以，光子效应就对光 波频率表现出选择性，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。 光热效应和光子效应完全不同。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的电学性质或其他物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量
3 请简要说出 InSb 和 PbS 光敏电阻的特性。 （得分点：每种光敏电阻有 1 分， 写出光敏电阻的主要参数得 4 分，本题总分 6 分） （1）PbS 近红外辐射探测器 波长响应范围在 1～3.4μm，峰值响应波长为 2μm 内阻（暗阻）大约为 1MΩ 响应时间约 200μs （2）InSb 在 77k 下,噪声性能大大改善 峰值响应波长为 5μm 响应时间短（大约 50×10-9s） 4 为什么说光电池的频率特性不是很好?（得分点：2 个因素，每一个得分 3 分， 本题总分 6 分） 答:光电池总的来说频率特性不是很好,这是由于两个方面的原因: 第一,光电池的光敏面一般做的较大,因而极间电容较大;第二,光电池工作在第 四象限,有较小的正偏压存在,所以光电池的内阻较低,而且随入射光功率变差,因此 光电池的频率特性不好. 5 直接光电探测器的平方律特性表现在哪两个方面? 答:直接探测器的平方律特性表现在:
h γ 的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。只是在红外波段上，
材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。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。 值得注意的是，以后将要介绍一种所谓热释电效应是响应于材料的温度变化率，比其他光 热效应的响应速度要快得多，并已获得日益广泛的应用。
iωt
。证明热释电探测器的电压灵敏度为
2
Ru =
AβωRLα G (1 + ω τ
2 2 c
)(1 + ω τ )
2 2 H
。
2 已知光电二极管的反偏压 V 及最大入射光功率 P，器件的暗电导为 g,临界电导为 g’，器件光
⎛ g ⎞ SP V⎜ 1 − ⎜ g' ⎟ ⎟ − g' ⎝ ⎠ 点转换灵敏度为 S，证明合理的负载电阻为： R L = 。 （画出线性化处理后的伏 SP
第一章 光辐射与光 1.光电系统工作的电磁波波段，主动光电系统，被动光电系统 光电系统工作的光波段 （电磁波） 可见光：0.38μm~0.78μm .(0.4μm~0.76μm ) 红外： 0.76μm~1000μm 紫外：0.001 μm ~0.4μm 光电系统（仪器）主动光电系统和被动光电系统。 使用自然光源的组成被动光电系统； 使用人造光源的组成主动光电系统。 2、辐射度学量（辐射度单位体系 ） 用能量描述光辐射能的客观物理量 光度学量（光度单位体系） 具有标准视觉特性的人眼对光辐射能的度量，具有主观性 对于单色光： X (λ ) = K X (λ )V (λ ) V m e 3、维恩位移定律 ∂M eb (λ , T ) 光谱匹配、和选探测器结合起来考虑 =0
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《光电检测原理与技术》课程试题 A 答案 一 填空题 20 分，每空 1 分
2007-12-23
1 波长在 0.77~1000µm 的是红外辐射。通常分为近红外、中红外和远红外三部分 2 一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。但是有些辐射体的 7 辐射强度在空 间方向上的分布满足 dI e = dI e 0 cos θ ，式中 Ie0 是面元 dS 沿其法线方向的辐射强度。
z 轴旋转了 45°角，此转角与外加电场的大小无关，其折射率变化与电场成正比。
5 KDP 晶体横向运用条件下， 光波通过晶体后的相位差包括两项： 第一项与外加 电场无关，是由晶体本身自然双折射引起的；第二项即为电光效应相位延迟 6 考虑到声束的宽度，当光波传播方向上声束的宽度 L 满足条件 L < L0 ≈ 会产生多级衍射，否则从多级衍射过渡到单级衍射。 7 要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光上去的问题，这 种将信息加载于激光的过程称为调制，完成这一过程的装置称为调制器。其中激光 称为载波，起控制作用的低频信息称为调制信号。 8 依据噪声产生的物理原因,光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、 热噪声和 低频噪声三类。 二 简答题，共 30 分，每题 6 分（要求简单扼要） 1 光电探测器性能参数包括哪些方面。 （得分点：回答为什么制定性能参数得 2 分，具体参数每两个得 1 分，共 4 分，本题总分 6 分） 为了评价探测器性能优劣，比较不同探测器之间的差异，从而达到根据具体需 要合理正确选择光电探测器件的目的，制定了一套性能参数。 通常包括积分灵敏度，也成为响应度，光谱灵敏度，频率灵敏度，量子效率，通量 阈和噪声等效功率，归一化探测度及工作电压、电流、温度及入射光功率允许范围。 2 光子效应和光热效应(给出两种效应的概念得 2 分,给出两种效益的特点得 2 分,对两种效能的探测器时间特性能进行简单说明得 2 分)
� � � � ∂2E ∂2P ∂J ∇ × ∇ × E + µε 0 2 = − µ 2 − µ ∂t ∂t ∂t
中，方程右边两项分别由________与________引起。 4 KDP 晶体沿 z 轴加电场时，由________变成了双轴晶体，折射率椭球的主轴绕________ 轴旋转了 45 度角，此转角与外加电场的大小______，其折射率变化与电场成_______。 5 KDP 晶体横向运用条件下， 光波通过晶体后的相位差包括两项： 其中一项与外加电场无关， 是由晶体本身__________引起的；另一项为电光效应_________。 6 考虑到声束的宽度，当光波传播方向上声束的宽度 L 满足条件___________,会产生多级 衍射，否则从多级衍射过渡到单级衍射。 7 要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光上去的问题，这种将信息加 载于激光的过程称为调制，光束调制按其调制的性质可分为 ______、______、______及强度调 制等。 8 依据噪声产生的物理原因,光电探测器的噪声可大致分为________、________和________ 三类。 二 简答题，共 30 分，每题 6 分 1 光电探测器性能参数包括哪些方面。 2 光子效应和光热效应。 3 请简要说出 InSb 和 PbS 光敏电阻的特性。 4 为什么说光电池的频率特性不是很好? 5 直接光电探测器的平方律特性表现在哪两个方面? 三 推导证明，共 10 分，每题 5 分 1 已知热电晶体极板面积为 A，热电系数为β，负载电阻为 RL，热敏元件的吸收系数为α，热 导 为 G ， 且 温 度 变 化 规 律 为 T = ∆T0 + ∆Te
I = RI P
I =
hυ
P =
hc
P
15、光电探测器的噪声有哪些，哪些可以消除，哪些不能消除 第八章 光辐射的调制 调幅信号和调频信号的区别，其带宽特点 （用某一频率的正弦信号对高频载波进行调制）
1
调幅信号的频谱为 调频波的频谱是由载频 ω0 和无数对边频ω0±nΩ（n=1、2、3…）组成，因此调频波占用频带 较宽。 声光调制器的基本原理与组成 纵向、横向电光调制器的基本原理。 第九、十章 直接探测与相干探测的基本原理，应用特点 直接探测： 适用于探测功率较强的光信号；探测器解调光功率，能流密度包络 相干探测： 适用于探测微弱光信号，全息探测 第十一章 前置放大器 放大器的 En-Ιn 噪声模型、 等效输入噪声 Eni 和噪声系数的定义， 低噪声运算放大器怎样选择？ 低噪声运算放大器怎样选择？ 290 页（1）低噪声运算放大器的 En 和Ιn 段 《光电检测原理与技术》课程试题 A 卷 一 填空题 20 分，每空 1 分 1 波长在__________-的是红外辐射。通常分为_______、_______和远红外三部分 2 辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足公式 _________________,式中 Ie0 是面元 dS 沿其法线方向的辐射强度。符合上式规律的辐射体称为__________,也称为朗伯体。 3 光辐射普遍形式的波动方程
安特性曲线） 四 分析、计算题，共 40 分，每题 10 分 1 已知热敏器件的受光面为 100mm2,频率响应范围Δf 为 1HZ，器件初始温度为 300K，发射率 为ε为 100%， 试推导并估算此热敏探测器的最小可探测光功率。 （σ=5.67×10-12J/cm2K4,kB=1.38 ×10-23J/K） 2 输入信号 Uin 经过二极管整流后，输出信号为 Uou=KUin，现有一按正弦规律变化的经过隔直处理 后的调幅输入信号为：Uin=（1+msinΩt）sinωt,其中的 m 为调制度，Ω为调制频率，ω为载波 频率，经过二极管整形后并按傅里叶级数展开，得到:
λmT = 2897.8 ( µ m ⋅ K )
∂λm
4、已知照度，求光源的光辐射通量，或光源消耗的电功率（ 34 页习题 10）17 页 公式（1.3-1）和（1.3-2） 5、求光源的光谱功率分布与色温、分布温度、相关色温的关系 第二～六章 光电探测器概述 1、光子探测器与热探测器的主要区别 : 光电效应与热效应，对光谱响应有无选择性，响应的快慢 哪些是光子探测器，哪些是热探测器？ 2、光子探测器：外光电效应 内光电效应：光电导效应？代表探测器 光生伏特效应？代表探测器 3、长波限的计算：37 页内光电效应公式（ 2.1－1） （2.1－2） （2.1－3） —3） （3.2－4） 69 页外光电效应公式（ 3.2 3.2— 表 2－1，表 2－2 4、光子探测器哪些具有内增益，哪些没有内增益。 5、光伏探测器有哪几种工作模式？用于信号检测有哪几种工作模式，该模式对应的伏安特性 在第几象限，画出相应模式下的偏置电路，并标出光电流（光电动势）方向，负载电阻的数值 大小如何选择。光电池模式下有哪两种用途，负载电阻的数值大小如何选择。 6、根据伏安特性设计负载电阻， 7、为什么 PIN 光电二极管比 PN 结光电二极管的频率响应要高？ 8、热探测器：热释电效应 ? 热释电探测器的频率特性 9、由热释电探测器的频率特性怎样求热、电时间常数 ?170 页习题 2 10、光敏电阻和热敏电阻的区别？ 11、选择探测器时应考虑的主要因素有哪些？ 12 、 光 电 探 测 器 的 性 能 参 数 NEP 和 D* 的 用 途 、 关 系 ? 46 页公式(2.2-14) 13、光电探测器响应度、灵敏度 ? 44 页公式(2.2-1～4) 14、光电探测器量子效率的的定义，量子效率与电流响应度、灵敏度之间的关系 47 页公式 (2.2-18) eη λ eη