部分课后习题答案

那么温度 T 是恒定值，电流为零，所以热电探测器是一种交流器件。
5-1 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？
答案见教材 P110-111。
5-2 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
2、光敏电阻的几种典型工作电路（或工作状态） 第四章 PPT 第 29 页
(1) 恒功率偏置： 输出电压 U
L 2 Rp U bSg
IR L
(R p RL )2
R L U 并不随负载电阻线性变化，要
2 Rp (R g
使 U L 最大，须将式对 RL 微分，有
dU L U bS dR L
6-5 试述激光干涉测长的基本原理。
答：如图所示是双纵模双频激光干涉仪的原理示意图。
测量角锥镜 偏振分光镜 光扩展器 分光器 布儒斯特窗 激光器
透镜 偏振片 光 固定角锥镜 测量信号 参考信号 电 稳频信号 接收器
图
双纵模双频激光干涉仪原理示意图
由长度为 206mm 的全内腔 He-Ne 激光管发出一对互相垂直的双纵模线偏振光，模间隔 ，经布 为 c / 2nL （式中 c 为光速，L 为谐振腔长，n 为空气折射率，其值约 728MHz） 儒特窗取出稳频信号，进行热稳频。其余光束再经析光镜反射及透射，反射的一对正交线偏 振光作为参考信号，经透镜、偏振片产生拍频信号，为光电接收器接收。透射光经光扩展器 准直扩束后，为偏振分光镜分光，水平分量射向测量角锥镜，垂直分量射向固定角锥镜， 两 路光返回后经透镜、偏振片产生拍频。当测量镜在时间 t 内以速度 V 移动一距离时，因多普 勒效应而引起频差变化 f ，这样被测长度信息载于返回光束中，并为光电接收器接收。
3-33 热释电效应应如何理解？热电检测器为什么只能检测交变辐射信号？
热释电效应： 热释电晶体吸收光辐射温度改变，温度的变化引起了热电晶体的自发极化强 度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。 根据热释电效应，热释电探测器的电流和温度的变化满足 i
dT ，如果照射光是恒定的， dt
图
光电探测器噪声功率谱分布示意图
6-1 试从工作原理和系统性能两个方面比较直接探测和外差探测系统的特点。
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
3-15 光生伏特器件有哪几种偏置电路？各有什么特点？ （第四章 PPT 第 20 页）
无偏置型、反向偏置型和太阳能电池充电电路 特点：教材 P78-81
或者：
光伏探测器的工作模式分为哪几种？为什么（分类依据） ？他们的主要区别？
光伏探测器的工作模式分为光电导工作模式和光伏特工作模式， 它的工作模式则由外偏压回 路决定。在零偏压的开路状态，PN 结型光电器件产生光生伏特效应，这种工作原理成光伏 工作模式。当外回路采用反偏电压，即外加 P 端为负，N 端为正的电压时。无光照时的电阻 很大，电流很小；有光照时，电阻变小，电流就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变 化。从外表看，PN 结光伏探测器与光敏电阻一样，同样也具有光电导工作模式，所以称为
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。
（1）
其中，SE 为光电池的光电灵敏度，E 为入射光照度，Is0 是反向饱和电流，是光电池加反 向偏压后出现的暗电流。 当 i＝0 时，RL＝∞（开路） ，此时曲线与电压轴交点的电压通常称为光电池开路时两端 的开路电压，以 VOC 表示，由式（1）解得：
VOC
kT I p ln 1 q I0
（2）
当 Ip》Io 时， VOC ( kT / q ) ln( I p / I 0 ) 当 RL＝0（即特性曲线与电流轴的交点）时所得的电流称为光电流短路电流，以 Isc 表 示，所以 Isc＝Ip＝Se·E （3） 从式（2）和（3）可知，光电池的短路光电流 Isc 与入射光照度成正比，而开路电压 Voc 与光照度的对数成正比。
p
RL)
(R
p
RL )3

当负载 RL 与光敏电阻 RP 相等时，即 RL=RP，表示负载匹配， d U L ＝0，则 U L 最大。 dR L 此时探测器的输出功率最大，即 PL=ILUL Ub2/4RL 则称为匹配状态。
(2) 恒流偏置： 在基本偏置电路中，若负载电阻 RL 比光敏电阻 RP 大得多，即 RL>>RP，则负载电流 IL 简化 为 IL=Ub/RL 这表明负载电流与光敏电阻值无关，并且近似保持常数，这种电路称为恒流偏置电路。随输 入光通量ΔΦ的变化，负载电流的变化ΔIL 变为
3-17 写出硅光电二极管（或硅光电池）的全电流方程，说明各项物理意义。
硅光电池的工作原理和等效电路为下图：
（ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）光电池工作原理图 （b）光电池等效电路图 从图（b）中可以得到流过负载 RL 的电流方程为：
（c）进一步简化
i i p－i D i p i s 0 (e qV / KT 1) S E E i s 0 (e qV / KT 1)
补充知识点： 1、画出光电倍增管的结构图并阐述其工作原理
光电倍增管是光电子发射型光检测器，具有灵敏度高、稳定性好、响应速度快等优点， 最适用于微弱光信号的检测。图中 K 是光阴极，D 是倍增管，A 是阳极。阳极与阴极之间总 电压可达千伏以上，分级电压在百伏左右。 光电倍增管的工作过程阐述如下： 阴极在光照下发射出光电子， 光电子受到电极间电场 作用而获得较大的能量。 当电子以足够高的速度达到倍增管上时， 倍增电极会产生二次电子 发射，使得向阳极方向运动的电子数目成倍地增加，经过多级倍增，最后达到阳极被收集形 成阳极电流，随着光信号的变化，在倍增管不变的条件下，阳极电流也随光信号而变化， 达 到把小的光信号变成较大电信号的目的。
光导工作模式。 主要区别：器件处于光伏工作模式时，器件内阻远低于负载电阻，相当于一个恒压源；在光 电导模式下，器件内阻远大于负载电阻，此时器件相当于恒流源。
第三章补充题：光电池与光电二极管的异同
相同点： 两者都是基于光伏特效应的原理进行工作； 不同点： （1）光电池可以工作在零偏状态下，是光伏工作模式，器件内阻远低于负载电阻，相当于 一个恒压源； （2）光电二极管必须在反偏电压下才能工作，是光电导工作模式，器件内阻远大于负载电 阻，此时器件相当于一个恒流源。
IL=SgUb(RP/RL)2Φ
上式表明输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值， 与偏置电压成正比。 还可以证明 恒流偏置的电压信噪比较高，因此适用于高灵敏度测量。但由于 RL 很大，使光敏电阻正常 工作的偏置电压则需很高（100V 以上） ，这给使用带来不便。为了降低电源电压，通常采用 晶体管作为恒流器件来代替 RL。 (3) 恒压偏置： 当负载电阻 RL 比光敏电阻 RP 小得多，即 RL<<RP 时，负载电阻两端的电压为 UL ≈ 0 此时， 光敏电阻上的电压近似与电源电压相等。 这种光敏电阻上的电压保持不变的偏置称为 恒压偏置，信号电压变为
1
f
L

t
1
1
0
7-2 试述传光型和功能型光纤传感器的基本含义。
光纤传感器一般可分为两大类： 一类是功能型传感器，又称 FF 型光纤传感器，它是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感 元件，既感知信息又传输信息，所以又称传感型光纤传感器。 另一类是非功能型传感器，又称 NF 型光纤传感器，它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，用以传输来自于远处或难以接近场所的光信号，因此，也称 为传光型光纤传感器。
UL=SgUbRLΦ
式中，SgΔΦ＝ΔG 是光敏电阻的电导变化量，是引起信号输出的原因。 从上式中看出，恒压偏置的输出信号与光敏电阻无关，仅取决于电导的相对变化。所以， 当 检测电路更换光敏电阻值时， 恒压偏置电路初始状态受到的影响不大， 这是这种电路的一大 优点。
3、负载电阻不同时，光电池有几个工作状态 （第四章 PPT 第 23-26 页）
可得测量镜运动距离与相位差变化的关系式
L

4
1

根据测量镜运动引起的多普勒效应 f 与相位的关系有： 因而： L
2 f
f fdt
N 2 2 2 可见在忽略了测量过程中系统不稳定性影响及高斯光束干涉附加项的变化影响的情况 下， 只要对测量镜运动过程中测量信号与参考信号的相位差变化的周期数， 即可获得所需测 量长度结果。
三个状态： （1）负载电阻较小时， 。 。 。 （2）负载电阻较大时， 。 。 。 （3）线性输出时的最大负载 RM， 。 。 。
1-8 试叙述光电检测系统的构成及各部分功能。
下面是一个光电检测系统的基本构成框图：
（1）光源和照明光学系统：是光电检测系统中必不可少的一部分。在许多系统中按需要选 择一定辐射功率、一定光谱范围和一定发光空间、分布的光源，以此发出的光束作为 载体携带被测信息。 （2）被测对象及光学变换：这里所指的是上述光源所发出的光束在通过这一环节时，利用 各种光学效应，如反射、吸收、折射、干涉、衍射、偏振等，使光束携带上被检测对 象的特征信息，形成待检测的光信号。光学变换通常是用各种光学元件和光学系统来 实现的，实现将被测量转换为光参量（振幅、频率、相位、偏振态、传播方向变化等） 。 （3）光信号的匹配处理：这一工作环节的位置可以设置在被检测对象前面，也可设在光学 变换后面，应按实际要求来决定。光信号匹配处理的主要目的是为了更好地获得待测 量的信息，以满足光电转换的需要。 （4）光电转换：该环节是实现光电检测的核心部分。其主要作用是以光信号为媒质，以光 电探测器为手段，将各种经待测量调制的光信号转换成电信号（电流、电压或频率） ， 以利于采用目前最为成熟的电子技术进行信号的放大、处理、测量和控制等。 （5）电信号的放大与处理：这一部分主要是由各种电子线路所组成。光电检测系统中处理 电路的任务主要是解决两个问题：①实现对微弱信号的检测；②实现光源的稳定化。 （6）存储、显示与控制系统：许多光电检测系统只要求给出待测量的具体值，即将处理好 的待测量电信号直接经显示系统显示。