《光电信号检测》部分作业答案

《光电信号检测》部分作业答案

P68.

9. 试判别下列结论，正确的在括号里填写T，错误的则填写F:

(1) 光电导器件在方波辐射的作用下，其上升时间大于下降时间。（F ）（2）光敏电阻的阻值与环境温度有关，温度升高时光敏电阻的阻值也随之升高。（T ）（3）光敏电阻的是由于被光照后所产生的光生电子与空穴的复合需要很长时间，而且，随着复合的进行，光生电子与空穴的浓度与复合几率不断减小，使得光敏电阻恢复被照前的阻值需要很长时间。（T ）

1.试分析图3-72（a），（b）所示的放大电路中，光敏电阻Rp的作用。

2光生伏特器件有哪几种偏置电路？各有什么特点？

3.产生激光器的三个必要条件是什么？

4.总结不同类型光电检测器静态工作点状态是如何确定的？

5.如图所示电路中，设电源电压源为U b=9V，光敏二极管的伏安特性曲线如图b所示。光敏二极管上的光通量在0~150μlm变化。若光通量在此范围内做正弦变化，要是输出交变电压的幅值为3V，求所需的负载电阻R L,并作出负载线。

6.光电倍增管偏置电路如图4-22所示。光电倍增管的阴极积分灵敏度S K=30μA/lm，阳极积分灵敏度S A=10A/lm，阳极暗电流I d=4μA，输入电路是电阻R=105Ω和电容C0=0.1μF的并联，阴极面积为80mm2，要求信号电流I L=10-4A，计算阳极噪声电流，负载电阻上的噪声电压和信噪比。

7.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。

8.试述实现外差检测必须满足的条件。

9.简述光电探测器的选用原则

1.答：（a）无光照时，Rp阻值很大，即同相反馈支路的反馈电阻很大，输出电压高。光强增加↑，使得Rp↓，使得同相反馈支路阻值减小，输出电压下降。

（b）无光照时，Rp阻值很大，输入近似开路，输出电压低。光强增加↑，使得Rp↓，使得输入信号进入，输出信号增大。

2.答：光伏探测器可以有正向偏置，反向偏置和零偏置三种偏置状态。

其中作为光电探测器主要工作于后面两种状态。因为在正偏压状态时暗电流远大于光生电流，作为光电探测器没有意义。

工作于反向偏压状态时，暗电流数值很小，探测器的外回路特性与光电导探测器十分相似，被称为光导模式。光电流正比于光辐射强度，光电流的大小与负载无关，反向偏压减小了结电容，具有较好的频率特性。但反向偏压产生暗电流引起较大的散粒噪声，频率低于1kHz时有1/f低频噪声等，限制了探测能力的下限。另外暗电流易受温度的影响。主要用于探测高速光脉冲和高频调制光。

工作于零偏压状态，输出光电流正比于入射功率，但负载电阻较大时随着光功率变化，探测器输出电流与电压会出现明显非线性，这种工作状态被称为光伏模式的光电二极管。光伏工作模式下暗电流造成的散粒噪声小，且频率低于1kHz时无1/f噪声。但截止频率较低，波长灵敏度略小。主要应用于超低噪声，低频率仪器方面。

3.答：具有能产生粒子数反转的激光器工作物质；具有选频放大作用的谐振腔；具有为工作物质提供受激辐射能量的泵浦源。

4.答：不同类型光电检测器确定静态工作点的方法主要有图解计算法和解析计算法。

5.解：变电压的幅值为3V,所以2ΔU=6 V

当光通量Φ在0~150μlm范围变化时，根据光敏二极管的伏安特性曲线得知，电流的动态范围是2ΔI=Фmax-Фmin=（17-2）μA

所以负载电阻的阻值R L=2ΔU/2ΔI=6 V /15μA=400KΩ

已知U b=9V，可知负载线在横轴上的起点。负载线夹角α=arctg(1/R L）,可以作出负载线。

6.解：Δf=1/4RC=25Hz M=S A/S K=10/309*10-6=3.33*105

σ取值1.5

I A=I L+ I d=10-4A +4μA=104μA

I NA= (2qMI AσΔf）1/2=（2*1.6*10-19*3.33*105*10-4*1.5*25）1/2≈0.02μA

U Nm=R (2qMI dσΔf）1/2=（2*1.6*10-19*3.33*105*10-4*1.5*25）1/2*105=2mV

I NT《I NA, I N≈I NA

(SNR)A= I L/I NA =10-4/0.02*10-6 =5000

7.答：

直接检测系统只能检测信号光的振幅或强度，光外差检测还可以检测信号光的频率和相位；直接检测系统适合强光检测，光外差检测具有较高的转换增益，适合弱光信号检测；

直接检测系统需要外加滤光片滤除杂散光，光外差检测系统本身具有良好的滤波性能（空间滤波性和光谱滤波性）；

直接检测系统在弱光检测时信噪比恶化，光外差检测系统输出信号比没有任何损失；

直接检测系统的构成简单便于调试，光外差检测系统结构复杂调试复杂。

8.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。

4)光电探测器应有灵敏度均匀的光敏表面，足够的高频响应和稳定的量子效率。

9.答：(1).光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配。(2)光电检测器件的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。(3) 光电检测器件的响应特性必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频率失真和良好的时间响应。(4) 光电检测器件必须和输入电路以及后续电路在电特性上相互匹配，以保证最大的转换系数、线性范围、信噪比以及快速的动态响应等。