光电检测技术 哈理工 考试复习资料

一、填空

1.光电效应包括（内光电效应）（外光电效应）

2.光热效应包括（热释电效应）（辐射热计效应）（温差电效应）

3.可见光波长范围（380~780nm）

4.描述辐射强度的量（光度学量）（辐射度学量）

5.光的波粒二象性指的是（波动性）（粒子性）

6.物体根据导电性能分为（导体）（半导体）（绝缘体）

7.（外界提供足够的能量）（跃迁到的能带上存在空位）//什么玩意发生的条件吧

8.（能态的分布）（能态中被电子占据的概率）

9.半导体对光子的吸收可分为（本征吸收）（杂质吸收）（激子吸收）（自由载流子吸收）（晶格吸收）（品格吸收）

10.载流子在PN结中运动方式（扩散）（漂移）

11.光电池种类（太阳能光电池）（测量光电池）

12.光电耦合器按结构和用途可分为（光电隔离器）（光传感器）

13.光敏三极管的两个过程（光电转换）（电流放大）

14.光电倍增管的组成（阴极K）（倍增极D）（阳极A）

15.激光器的组成（工作物质）（泵浦）（谐振腔）

16.光热辐射检测器件包括（热敏电阻）（热电偶检测器件）（热释电器件）

17.电流功率

18.光电检测系统的检测方法分为（直接检测）（光外差检测）分别检测（相干光）和（非相干光）19.直接检测系统和光外差检测系统的基本特性：直接检测系统（信噪比、通项带宽度、检测距离、视角）；光外差检测特性（获得信息全部、转换增益高、良好流没特性、信噪比损失小、最小可检测功率）

20. 光源光敏二极管光电池光栅传感器结构：光删副是由主光栅和指示光栅组成

二、概念

1.光电传感器：利用光电效应，将光通量转换为电信号的一种传感器

2.光电导效应：是光照射到某些物体上后，引起电导变化的效应

3.热噪声：由于载流子的无规则运动产生的噪声成为~，与温度有关，与频率无关。

4.光电效应：当物质受到光照射后，材料的电学性质（电导率改变，发射电子，产生感应电动势）发生变化的现象称为~

5.禁带：允许电子存在的能带叫允许带，两个相邻允许带之间不允许电子存在的能带叫禁带

6.价带：在绝对零度下能被电子占满的最高能带，也是存在电子的能带中，能量最高的带

导带：导带是半导体最外面（能量最高）的一个能带，是由自由电子形成的能量空间，即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围

7.光电效应：根据光电导效应，当入射光变化时，材料的电导率发生变化

8.光热效应：由于入射光照射引起温升从而使电导变化，使得负载电阻上电压发生变化

9.热电检测器件：由于入射光与物质相互作用的热效应而制成内光电检测器件

10.光电耦合器件将信号接入端和输出端连接到一起的器件,以光为媒介将输入信号耦合到输出信号11.光电位置敏感器（PSD）：对位置的变化进行检测的器件

12.热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起电荷表面电荷变化的现象．

13.辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象．

14.温差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流．

三、简答

1.光电检测的测量方法及发展趋势

（1）方法：直接作用法，补偿测量法，差动测量法，脉冲测量法

（2）发展趋势：①发展纳米，亚纳米高精度的光电检测新技术②发展小型，快速的微型光、电、机系统③非接触、快速在线测量，满足快速增长的商品经济需求④发展微型空间三维和大型空间三维测量技术⑤发展闭环检测电路，实现光电检测和光电控制一体化⑥向人们无法触及的领域发展⑦发展光电跟踪和光电扫描技术，远距离遥控、遥测技术，激光制导、飞行物自动跟踪、复杂形体自动扫描测量

2.比较光电效应和光热效应的作用机理，性能及应用特点等方面的差异

（1）作用机理：①光电效应：光照射到物体表面，使材料电学性质发生变化（电导率改变、发射电子、产生感应电动势）②光热效应：光照使温度升高而引起性质改变

（2）性能：①光电效应直接把光子能量转变为光电子能量②光热效应将光能转变为晶格振动的热能

（3）应用特点：①光电对光波波长有选择性，响应速度快②光热无选择性，响应慢

3.光生伏特效应与光电导效应的区别

（1）光生伏特效应：少数载流子作用，引起电压变化，暗电流小，响应快，受温度影响小，光电特性线性号，噪声低（2）光电导效应：多数载流子作用，引起电导率变化，可对微弱辐射检测，光谱响应范围宽。

4.外光电效应和内光电效应的区别

（1）外光电效应是指受到光照射后发射电子的现象（2）内光电效应指收到光照射后，物质内部的电子能量状态改变，不发射电子

5.辐射出射度和辐射照度的区别

（1）辐射出射度：辐射体单体面的辐射通量或功率，是向外发射的辐射特性

（2）辐射照度：投射到单位面积上的辐射通量，是接受的辐射特性

7.光生伏特器件有哪几种偏置电路？各有什么特点？

三种：自偏置电路：有输出功率，但输出电流/电压与入射光线性不好；反向偏置：PN结势垒区变宽；零偏置：短路电流与入射光呈线性

8.光电检测系统的噪声（如何提高信噪比）

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。

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。

9.光电直接检测系统的组成及各部分的特点

光发射机:发射光信号；光学信道：光信息的传递；光接收机：接受光信息

光源→强度调制器→光学天线→光学信道→接受天线及光电检测器→光电信号处理→回收的信息

10.包络检测（光电直流检测为什么又叫包络检测） 所谓光电直接检测是将待测光信号直接入射到光检测器光敏面上，光检测器响应于光辐射强度（幅

度）而输出相应的电流或电压信号。)(2

1

22t d A A i αα+= 式中：第一项为直流项。若光检测器输出端有隔直流电容，则输出光电流只包含第二项，就是包络检测的意思。

11.直接检测系统的量子极限

当入射信号光波所引起的散粒噪声为主要噪声，其 他噪声可忽略时，此时信噪比为：

()f h 2P p s

SNR ?=νη该式为直接检测理论上的极限

信噪比。也称为直接检测系统的量子极限。量子极限检测为检测的理想状态

12.光外差检测系统的量子极限：

()f h P SNR s p ?=νη光外差检测系统电路中由于系统噪声的存在，使得入射光的信号变噪声限定。

13.具有增益光电检测器的直接测量系统为什么存在一个最佳倍增系数

当光检测器存在内增益（如：光电倍增管）时当2M 很大时，热噪声可忽略。若光电倍增管加致冷、屏蔽等措施以减小暗电流和背景噪声，则可达到散粒噪声极限。在直接检测中，光电倍增管、雪崩管的检测能力高于光电导器件，采用有内增益的检测器是直接检测系统可能趋近检测极限的唯一途径

14.直接检测系统和光外差检测系统的区别

直接检测：光源：相干/非相干；原理：利用光线传递光信息；调制方式：光强调制、偏振调试。光外差检测：光源：相干光；原理：利用光的振幅频率相位传递；方式：利用光的振幅频率相位调制。

15.何为莫尔条纹？应用几何光学原理解释为什么说莫尔条纹测试技术具有放大作用？

莫尔条纹：若两块光栅（其中一块称为主光栅，另一块称为指示光栅）互相重叠，并使它们的栅线之间形成一个较小的夹角，当光栅对之间有一相对运动时，透过光栅对看另一边的光源，就会发现有一组垂直于光栅运动方向的明暗相间的条纹移动，这就形成莫尔条纹。

16.试叙述激光干涉测量的基本原理

1.如何实现非电量的测量？

非电量测量技术首先必须获得非电量信息，并将非电量信息转变成电信号，然后才能完成电测量。传感器是完成非电量变成电信号的器件，通过传感器的输出信号经测量电路进行的加工处理（如衰减，放大，调制和解调，滤波运算及数字化等）变成电信号，实现非电量的测量。

2.试叙述光电检测系统的组成及特点。

传感器→信号变换器→输出环节

传感器：从被测对象中提取被测信号，转化成便于测量的电参数。信号变换电路：完成信号的转换、滤波和放大。

第二章

1.简述光电效应的工作原理。什么是暗电流？什么是亮电流？

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。光敏电阻两端加电压（直流或交流）。无光照时，阻值很大，电流（暗电流）很小；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？

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？

某些物质在受到光照射后，由于温度变化而造成材料性质发生变化的现象称为光热效应。

特点：（1）响应波长无选择性。（2）响应慢。

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。

8.简述发光二极管的发光原理及半导体激光器的工作原理。

答：它们的结构简单说就是三明治的夹心结构，中间的夹心是有源区。二者的结构上是相似的，但是LED没有谐振腔，LD有谐振腔。LD工作原理是基于受激辐射、LED是基于自发辐射。LD发射功率较高、光谱较窄、直接调制带宽较宽，而LED发射功率较小、光谱较宽、直接调制带宽较窄。

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）

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。

22.发光二极管的发光光谱由哪些因素决定？光谱的半宽度有何意义？

发光二极管的发光光谱由材料的种类、性质及发光中心的结构决定，而与器件的几何形状和封装方式无关。无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长即为峰值波长λP。在LED谱线的峰值两侧±Δλ处，存在两个光强等于峰值一半的点，分别对应λP-Δλ ，λP+Δλ它们之间的宽度即为半谱线宽度，也称半功率宽度，它是一个反映LED 单色性的参数。半宽度越小，则发光光谱单色性越好，发光功率集中于半谱线宽度内。

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。

32.热辐射检测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能够产生热电效应？

第一阶段：器件吸收光辐射能量而使自身温度发生变化.第二阶段：器件依赖某种温度敏感特性把辐射引起的温度变化转化为相应的电信号，而达到光辐射探测目的.第二阶段能够产生热电效应.

第四章

6.简述前置放大器噪声系数达到最小值的条件。 f kT 4R I f kTR 4E s

2n s 2n

1F ??++=由0s dR dF ==》n

n

I E s 0R R ==故前置放大器噪声系数达到最小值的条件是源电阻等于放大器噪声电压与噪声电流的比值时，即n

n

I E

s R =。 第五章

9.比较脉冲激光测距和相位测距的技术特点。 脉冲激光测距：由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收目标反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的时间来算出目标的距离。

相位测距：通过测量从测距仪器发出的连续调制光在待测距离上往返所产生的相位移来计算待测距离。

第六章

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。

2.有一光子探测器运用于相干探测。假设入射到光混频器上的本振光功率PL=10mW ，光混频器的量子效率η=0.5，入射的信号光波长λ=1μm ，负载电阻RL=50Ω，试求该光外差探测系统的转换增益s c P P =? 解：s c P P =L L 2

R P h e 2??? ??νη=4.02×1110 5.试述激光干涉测长的基本原理。

如图所示是双纵模双频激光干涉仪的原理示意图

7.试述多普勒测速原理。

当光（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。

第七章

1.用射线理论简述光纤的导波工作原理。 2c 121n sini n n cos n ==?

2

221211c 0n n cos 1n sin n sin n -=-==??θ c i 90-?=?

NA n n sin n 2

221c 0=-=θ

NA定义为光纤的“数值孔径”，为衡量光纤集光性能的主要参数。在光纤端面，只有入射角小于

的

c

光才能在光纤中传输。

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。

3.什么是单模光纤？成为单模光纤的基本条件是什么？

单模光纤只能传输一种模式，纤芯直径仅几个微米，接近波长。单模光纤的优点是没有模式散射，可利用波导色散抵消材料色散，以得到零色散。同时，信息容量极大，可进行理论预测，可利用光的相位等。但缺点是，芯径很小，因而使用不便。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。