《光电检测期末复习题》
第一次作业
1、光电检测技术有何特点？光电检测系统的基本组成是怎样的？
答：光电检测技术是将光学技术与现代技术相结合，以实现对各种量的测量，它具有如下特点：（1）高精度，光电测量是各种测量技术中精度最高的一种。（2）高速度，光电检测以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，因此用光学方法获取和传递信息的速度是最快的。（3）远距离、大量程，光是最便于远距离传递信息的介质，尤其适用于遥控和遥测。（4）非接触式测量，不影响到被测物体的原始状态进行测量。
光电检测系统通过接收被测物体的光辐射，经光电检测器件将接收到的光辐射转换为电信号，再通过放大、滤波等电信号调理电路提取有用信息，经数模转换后输入计算机处理，最后显示，输出所需要的检测物理量等参数。
2、什么是能带、允带、禁带、满带、价带和导带？绝缘体、半导体、导体的能带情况有何不同？
答:晶体中电子所能具有的能量范围，在物理学中往往形象化地用一条条水平横线表示电子的各个能力值，能量愈大,线的位置愈高,一定能量范围内的许多能级（彼此相隔很近）形成一条带,称为能带。其中允许被电子占据的能带称为允带。允带之间的范围是不允许电子占据的，称为禁带。在晶体中电子的能量状态遵守能量最低原理和泡利不相容原理，晶体最外层电子壳层分裂所形成的能带称为价带。价带可能被电子填满也可能不被填满，其中被填满的能带称为满带。半导体的价带收到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后即成为导电的能带--导带。
对绝缘体和半导体，它的电子大多数都处于价带，不能自由移动，但是热，光等外界因素的作用下，可以少量价带中的电子越过禁带，跃迁到导带上去成为载流子。
绝缘体和半导体的区别主要是禁的宽度不同。半导体的禁带很窄，绝缘体的禁带宽一些，电子的跃迁困难的多，因此，绝缘体的载流子的浓度很小。导电性能很弱。实际绝缘体里，导带里电子不是没有，并且总有一些电子会从价带跃迁到导带，但数量极少，所以，在一般情况下，可以忽略在外场作用下他们移动所形成的电流。但是，如果外场很强，束缚电荷挣脱束缚而成为自由电荷，则绝缘体就会被“击穿”而成导体。
6.什么是外光电效应和内光电效应,他们有那些应用
答：在光照下，物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象称为外光电效应。物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动而不逸出物质的现象称为内光电效应，内光电效应又可分为光电导效应和光伏特效应。
外光电效应可用于制造光电管和光电倍增管。
内光电效应中光电导效应可用于制造光敏电阻、光生伏特效应可用于制造光电二级管、光电池、光电三级管等。
第二次作业
1.光电检测器件中常见的噪声有那些，
答：光电检测器件中常见的几种噪声为：热噪声，散粒噪声，产生-复合噪声，I/f噪声，温度噪声等
（1）热噪声，为载流子无规则的热运动造成的噪声。
（3）散粒噪声，噪声所呈现的起伏就像射出的散粒无规则的落在靶子上呈现出的一样随机起伏。
（3）产生-复合噪声，在半导体中一定温度下或者在一定光照下载流子不断的产生-复合，尽管在平衡状态下载流子产生和复合的平均数是一定的，但其瞬间载流子的产生和复合是有起伏的，在外加电压下，电导率的起伏使输出电流中带有产生-复合噪声
（4）I/f噪声：出现在大约1KHz以下的低频范围内，而且与光辐射的调制频率成反比，故称低频噪声或I/f噪声。
（5）温度噪声：在热噪声中，不是由于辐射信号的变化，而是由于器件本身吸收和传导的热交换引起的温度起伏称为温度噪声。
2，光敏电阻结构设计的基本原则是什么，由此又什么结论
答：光敏电阻的光电导灵敏度在微弱辐射作用情况下与光敏电阻两电极间距离的二次方成反比，而在强辐射作用的情况下则与光敏电阻两电极间的距离3/2次方成反比，因此为了提高光敏电阻的光电导灵敏度，要尽可能地缩短光敏电阻两电极间的距离，这就是电阻结构设计的基本原则。
由此可以得出光敏电阻两电极间的距离缩短，其光电灵敏度越高。
5、什么是光生伏特效应？那些光电器件是利用光生伏特效应工作？
答：光生伏特效应是指半导体在收到光照射时产生电动势的现象，是一种少数载流子导电的光电效应。
光电池、光电二极管、光电三极管等光电器件都是利用光生伏特效应工作的。具有暗电流小、噪声低、响应速度快、光电特性的线性好、受温度的影响小等特点。
6、光电二极管和光电三极管有何区别它们在使用时需要注意哪些问题？
答：光电二极管和光电三极管都是光伏效应器件，光电二极管和普通二极管一样，是由一个PN结组成的半导体器件，接收光照后，产生于入射光强度成正比的光生电流，再把光信号转换为电信号以达到探测目的。光电三极管相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个光电二极管。其主要区别时光电二极管线性度高些。而光电三极管的灵敏度高。但光电二极管工作时需要加反向偏置电压，且更适用于高频响应场合。
在使用光电二极管和光电三极管时需要注意以下几个方面：
（1）热稳定性及温度补偿：光电二极管在检测恒定弱光时要选用反向饱和电流小的光电二极管，采用电容耦合方式输出调制光时应选择放大系数随温度变化很小的光电三极管。对光电二极管和光电三极管的温度效应可采用热敏电阻进行补偿。
（2）视角及光路：在检测弱光时刻在光路加一凸透镜，以获得最佳检测效果，因此为使光电管接收到尽可能多的光，必须考虑光源及光路的设置。
（3）光信号匹配：光电管的特性必须和光信号的调制形式、信号频率波形相匹配，以保证得到没有频率损失的输出波形和良好的时间响应。
7、光电倍增管的工作原理是怎样的？光电倍增管中倍增极有哪几种结构？每一种的主要特点是什么？
答：光电倍增管的工作原理：（1）光子透过入射窗口入射到光电阴极K上。（2）光电阴极电子受光子激发，离开表面发射到真空中（3）光电子通过电子加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极D1上，倍增极将发射出入射电子数目更多的二次电子，入射电子经N级倍增后光电子就放大N次方倍。（4）经过倍增后的二次电子由阳极P收集起来，形成阳极光电流，在负载RL上产生信号电压。
光电倍增管中的倍增极有聚集型和非聚集型两种，聚集型包括鼠笼式、直线聚焦式等，非聚集型包括百叶窗式、盒栅式等。
鼠笼式：结构紧凑，体积小，但灵敏度的均匀性稍差。
直线聚焦式：极间电子渡越时间的离散性小，时间响应很快，线性好，但绝缘支架可能积累电荷而影响电子光学系统稳定性
百叶窗式：工作面积大，与大面积光电阴极配合可制成探测弱光的倍增管，但极间电压高，有时电子可能越级穿过，从而，收集率较低，渡越时间离散较大。
盒栅式：电子的收集效率较高，均匀性和稳定性较好，但极间电子赌约时间离散较大。
第三次作业
1、简述发光二极管的发光原理，发光二极管的外量子效率与哪些因素有关?
答：发光二极管实际上就是一个由P型和N型半导体组成的二极管，在PN结附近，N 型材料中的多数载流子是电子，P型材料中的多数载流子是空穴，PN结上未加电压时构成一定的势垒，当加上正向偏压时，在外加电场作用下，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散，构成少数载流子的注入，从而在PN结附近产生导带电子和价带空穴的符合。每一对电子和空穴的复合都将释放出与材料性质有关的一定的复合能量，这个能量会以热量，光能或部分热能和部分光能的形式辐射出来。
发光二极管的外量子效率与射出的光子数，电子空穴对数，半导体材料的折射率有关，
2、简述激光器的工作原理、类型和特点。
答：激光器一般由工作性质、谐振器和泵浦源组成。常用的泵浦源是辐射源或电源，利用泵浦源能将工作性质中的粒子从低能态激发到高能态，使处于高能态的粒子数大于处于低能态的粒子数，构成粒子数的反转分布，这是产生激光的必要条件
当高能态粒子从高能态跃迁到低能态而产生辐射后，辐射波通过受激原子时会感应出同相位、同频率的辐射，这些辐射波沿平面构成的谐振腔来回传播时，沿轴线的来回反射次数最多，会激发出更多的辐射，从而使辐射能量放大，这样，通过原子受激并经过放大的辐射通过部分透射的平面镜输出到腔外，便会产生激光。
5、为什么要将发光二极管和光电三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：发光器件与光电器件靠的很近，但不接触，发光器件与光电器件之间具有很强的电气绝缘特性、绝缘电阻常高于兆欧量级，信号通过光传输。因此光电耦合器件具有脉冲变压器、继电器、开关电器的功能。
光电耦合器件的主要特性：1具有电隔离功能；2.信号传输信号方向；3.具有抗干扰和噪声的能力；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
第四次作业
1、简述CCD的基本工作原理。
答：CCD的特点是以电荷作为信号，它的基本功能是电荷的存储和转移，因此，CCD的基本工作原理是信号电荷的产生，存储，传输和检测。
其中光电转换与电荷的存储是在光电二极管中进行，电荷转移是在CCD移位寄存器中进行，电荷检测是在FD放大器进行。
5、什么是CCD的电荷转移效率和转移损失率？它们有何关系？
答：点荷包从一个势阱向另一个势阱转移时，需要一个过程，像素中的电荷在离开芯片之前要在势阱间移动上千次或更多，这要求电荷转移效率极其高，否则光电子的有效数目会在读出过程中损失严重。
引起电荷转移不完全的主要原因时表面态对电子的俘获，转移损失在成信号退化，采用“胖零”可减少这种损耗。
第五次作业
1、热辐射探测器输出信号的形成过程通常分为哪两个阶段？
答：热电检测器件是将辐射到器件上的能量转换成热能，再把热能转换成电能的器件。热辐射探测器输出信号的形成过程包括两个阶段，第一个阶段为将辐射能转换成热能的阶段，第二个阶段为将热能转换成各种形式的电能阶段。
2、什么是热能电阻的冷阻与热阻？为什么半导体材料的热敏电阻常具有负温度系数？
答：热敏电阻是指电阻值随温度变化而变化的敏感元件，热敏电阻在某个温度下的电阻值通常称为冷阻，吸收单位热辐射功率引起温度升高时的电阻称为热阻。
在工作温度范围内,电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻。一般情况下半导体材料的载流子（电子和空穴）数目少，其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，电阻值降低，所以半导体材料的热敏电阻常具有夫温度系数。
3、已知某热敏电阻在500K时的组织为550Ω，而在700K时的阻值为450Ω，试求该热敏电阻在550K和600K时的阻值。
答：已知：T1=500K，R1=550Ω，T2=700K,R2=450Ω
由负温度系数热敏电阻公式：B=2.303（T1*T2）/(T2-T1)*lg（R1/R2）得
B=2.303*（500K*720K）/（700K-500K）*lg（550Ω/450Ω）=361.27
则温度为T1=550K时有
2.303*（500K*550K）/（550K-500K）*lg（550Ω/R3）=361.27 得R3=515Ω
则温度为T1=600K时有
2.303*（500K*600K）/（600K-500K）*lg（550Ω/R4）=361.27 得R4=488Ω
所以，该热敏电阻在550K的阻值为515Ω，在600K时的阻值为488Ω
4、简述热电偶和热电堆的工作原理。
答：当两种材料的金属A和B组成一个回路时，若两种金属连接点的温度存在差异，则在回路中就有电流产生，即由于温度差而产生的电位差，这一现象称为温差电效应。热电偶正是利用物质温差产生电动势的效应来检测入射辐射的。
为了减小热电偶的响应时间，提高灵敏度，常把辐射接收面分为若干块，每块都接一个热电偶，并把它们串联起来构成热电堆。热电堆的输出电压（输出温差电动势）是多个热电偶的输出电压之和。
第六次作业
1、常用的微弱光信号检测技术有哪几种？
常用的微弱光信号检测技术分为锁相放大技术、取样积分技术和光子计数技术三种。
锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器，相当于对频域的信号进行窄带化处理。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。
取样积分是一种利用取样和平均化技术测定深埋在噪声中的周期性信号的测量装置，相当于对时域信号的累积平均。它利用周期性信号的重复特性，在每个周期的同一相位处多次采集波形上某点的数值，其算术平均的结果与该点处的瞬时值成正比，而随机噪声多次重复的统计平均值为零，所以可大大降低信噪比，恢复被噪声淹没的信号波形。
光子计数技术是以光电倍增管作为接收器，将光信号以电子形式来检测的技术。当光子入射
到光电探测器上时，倍增管的光阴极释放的电子在管内电场的作用下运动到阳极，在阳极的负载电阻上出现光电子脉冲，然后经处理把光信号从噪声中以数字化的方式提取出来。弱辐射信号是时间是离散的光子流，因而检测器输出的是自然离散化的电信号，采用脉冲放大、脉冲甄别和计数技术可以有效提高弱光探测的灵敏度。
2.以锁相放大器为例，说明去除噪声、改善检测信噪比的机理。
答：锁相放大器包括信号通道、参考通道、相敏检波三个部分。参考信号与被测信号与同频同相的交变信号。经相敏检波后输出信号为直流信号。噪声和干扰信号只有当与参考信号同频同相时才可能输出直流信号并与被测信号叠加，而这样的几率是非常非常小的。因此，锁相放大器去除噪声改善信噪比的原理是：利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频同相的噪声分量有响应。因此能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。
第七次作业
1.光纤传感系统常用的光源和器件有哪些？
答：常用的光源分为相干光源和非相干光源，非相干光源有热光源、气体放电光源、发光二极管等，相干光源指各类型的激光器，常见的有固体、气体、液体、半导体激光器、面发射激光器、光纤激光器、放大自发辐射激光器等。
常见的器件有光纤连接器件、光纤耦合器、光开关和波分复用器等。
2.光纤传感器的基本分类是怎样的？利用了哪些调制原理？
答：光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型(传感型)传感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特征发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。非功能型传感器是利用其他光敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅仅起到导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。
4.强度调制型光纤传感器的工作原理是什么？它有哪几种类型？
光强度调制主要有四种方式：透射式、反射式、遮挡式、投射式。（1）透射式：可测量被测对象所辐射出的功率、光谱分析及温度等参数，以便确定待测物体的存在，所处的方位以及根据其光谱的分布情况来分析它的物质成分及性质，如报火警、侦察、跟踪、武器制导、地形地貌普查分析、光谱分析及太阳能利用等。（2）反射式：光的反射形式有镜面反射和漫反射。对于镜面反射，光按一定方向反射，往往被用来判断光信号的有无，因此可以用于光电准直、电机等转动物体的转速测量；对于漫反射，是指一束平行光照到某一表面上时，光向各个方向反射出去的现象。采用漫反射可以检测物体的外观质量，如物体表面材料的性质，表面粗糙以及表面缺陷等因素。此外，激光测距、激光制导、主动式夜视、电视摄像、文字判读等方面的应用属于这种方式；（3）遮挡式：指被测物体部分地或全部地遮挡或扫过入射光束所引起的输出信号的变化。应用这种方式，可对物体的位移量和物体的尺寸进行检测，如光电测微计、光电投影尺寸检测仪等。
答：光强度调制型光纤传感器利用外界物理量改变光纤中光的强度，通过测量光强度变化来测量外界物理量变化。强度调制型光纤传感器的原理是：恒定光源发出的光通过光纤传输，经过强度调制区后，在外加信号作用下，光波强度被调制，载有外加信号的出射光包络线与外加信号的变化相同。出射光功率由光电探测器接收，以电流或电压方式输出。
分为如下五种类型：反射式强度调制型光纤传感器、透射式强度调制型光纤传感器、光模式强度调制型光纤传感器、折射率强度调制型光纤传感器。