光电检测考-点探测器部分复习题

1、光源选择的基本要求有哪些?

答：①源发光的光谱特性必须满足检测系统的要求。按检测的任务不同，要求的光谱范围也有所不同，如可见光区、紫外光区、红外光区等等。有时要求连续光谱，有时又要求特定的光谱段。系统对光谱范围的要求都应在选择光源时加以满足。②光对光源发光强度的要求。为确保光电测试系统的正常工作，对系统采用的光源的发光强度应有一定的要求。光源强度过低，系统获得信号过小，以至无法正常测试，光源强度过高，又会导致系统工作的非线性，有时还可能损坏系统、待测物或光电探测器，同时还会导致不必要的能源消耗而造成浪费。因此在设计时，必须对探测器所需获得的最大、最小光适量进行正确估计，并按估计来选择光源。③对光源稳定性的要求。不同的光电测试系统对光源的稳定性有着不同的要求。通常依不同的测试量来确定。稳定光源发光的方法很多，一般要求时，可采用稳压电源供电。当要求较高时，可采用稳流电源供电。所用的光源应该预先进行月化处理。当有更高要求时，可对发出光进行采样，然后再反馈控制光源的输出。④对光源其他方面的要求。光电测试中光源除以上几条基本要求外；还有一些具体的要求。如灯丝的结构和形状；发光面积的大小和构成；灯泡玻壳的形状和均匀性；光源发光效率和空间分布等等，这些方面都应该根据测试系统的要求给以满足

2、光电倍增管的供电电路分为负高压供电与正高压供电，试说明这两种供电电路的特点，举例说明它们分别适用于哪种情况?

答：采用阳极接地，负高压供电。这样阳极输出不需要隔直电容，可以直流输出，一般阳极分布参数也较小。可是在这种情况下，必须保证作为光屏蔽和电磁屏蔽的金属筒距离管壳至少要有10～20mm，否则由于屏蔽筒的影响，可能相当大地增加阳极暗电流和噪声。如果靠近管壳处再加一个屏蔽罩，并将它连接到阴极电位上，则要注意安全。采用正高压电源就失去了采用负高压电源的优点，这时在阳极上需接上耐高压、噪声小的隔直电容，因此只能得到交变信号输出。可是，它可获得比较低和稳定的暗电流和噪声

3、在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度有什么特点，？为什么要把光敏电阻制造成蛇形？

答：在微弱辐射下，光电导材料的光电灵敏度是定值，光电流与入射光通量成正比，即保持线性关系。

因为产生高增益系数的光敏电阻电极间距需很小（即t dr小），同时光敏电阻集光面积如果太小而不实用，因此把光敏电阻制造成蛇形，既增大了受光面积，又减小了极间距。

4、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在那种偏置状态？为什么？

答：因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有光照时，光电效应不明显。p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生，这是因为p-n结在反偏电压下产生的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光生电流就会明显增加。

二~论述光电检测系统的基本构成，并说明各部分的功能。

1、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。

2、在“反向偏置”电路中，有两种取得输出电压U 0的方法：一种是从负载电阻R L 上取得电压U 0，另一种是从二极管两端取得电压U 0。叙述两种方法的特点及它们之间的联系。（10

分）

(1)对于图a ）所示的电路，光电信号是直接取出的，即U 0=I L R L ，而对于b ）图，光电信号是间接取出的，U 0=U C -I L R L ；

(2)两种电路输出的光电信号电压的幅值相等，但相位是相反的； (3)这两种方法只适合照射到P —N 结上的光强

变化缓慢和恒定光的情况，这时光电二极管的结电容不起作用，二极管本身的串联电阻很小，实际上可以略去不计。

(4)当二极管的光电流与暗电流接近时，光电信号难以取出，因此，运用反偏法检测微弱的恒定光时不利的。

3、如果硅光电池的负载为R L ，画出它的等效电路图，写出流过负载I L 的电流方程及U oc 、I sc 的表达式，说明其含义（图中标出电流方向）。（12分

硅光电池的工作原理和等效电路为下图：

（a ）光电池工作原理图 （b ）光电池等效电路图 （c ）进一步简化

从图（b ）中可以得到流过负载R L 的电流方程为：

)1()1(/0/0--=--==KT qV s E KT qV s p D p e i E S e i i i i i － （1）

其中，S E 为光电池的光电灵敏度，E 为入射光照度，I s0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，R L ＝∞（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V OC 表

示，由式（1）解得：

???

? ??+=1ln 0I I q kT V p O C （2）（4分） 当Ip 》Io 时，)/ln()/(0I I q kT V p O C ≈

当R L ＝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＝I p＝Se·E （3）（4分）

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V oc与光照度的对数成正比。1、为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光？而光电二极管要零偏或反偏才能有光生伏特效应？

答：1. p-n结在外加正向偏压时,外加电压削弱内建电场,使空间电荷区变窄,载流子的扩散运动加强,构成少数载流子的注入,从而在p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子和一个空穴的一次复合将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这些能量会以热能、光能或部分热能和部分光能的形式辐射出来，产生电致发光现象，这就是LED的发光机理。

因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有光照时，光电效应不明显。p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生，这是因为p-n结在反偏电压下产生的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光生电流就会明显增加。

2、简述三种主要光电效应的基本工作原理

答：当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大，这种现象称为光电导效应，是一种内光电效应。材料对光的吸收有本征型和非本征型，所以光电导效应也有本征型和非本征型两种。当光照射PN结时，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子－空穴对。光生电子——空穴对就被内建电场分离开来，空穴留在P区，电子通过扩散流向N区,这种光照零偏PN结产生开路电压的效应，称为光伏效应.当光照射到某种物质时，若入射的光子能量 h足够大，那么它和物质中的电子相互作用，可致使电子逸出物质表面，这种现象称为光电发射效应，又称为外光电效应。

3、光电探测器与热电探测器在工作原理、性能上有什么区别？

答：所谓光电效应是指，光辐射入射到光电材料上时，光电材料发射电子，或者其电导率发生变化，或者产生感生电动势的现象。光电效应实质上是入射光辐射与物质中束缚于晶格的电子或自由电子的相互作用所引起的。光电效应就对光波频率（或波长）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。按照是否发射电子，光电效应又分为内光电效应和外光电效应。具体有光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应、光子牵引效应和光电磁效应等。

光热效应的实质是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与温度有关的电学性质或其他物理性质发生变化。原则上，光热效应对光波频率（或波长）没有选择性，因而物质温度的变化仅决定于光功率（或其变化率），而与入射光辐射的光谱成分无关。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。光热效应包括热释电效应、温差电效应和测热辐射计效应等

4、简述光电探测器的选用原则

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。

5、简述光电池、光电二极管的工作原理及区别？

答：光电池和光电二极管都是基于光伏特效应的原理进行工作,只不过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;而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.

1、叙述光电池低输入阻抗和高输入阻抗放大电路的特点和区别，各应用于什么场合？(10分)

答：当光电池后接低输入阻抗放大电路时，其工作在短路或线性电流放大状态，这是一种电流变换状态，要求硅光电池送给负载电阻R L（这时R L

因此适用于弱光信号的检测。

当光电池后接高输入阻抗放大电路时，其工作在线性电压输出和空载电压输出（开路电压输出）状态。当负载电阻很小甚至接近于零的时候，电路工作在短路及线性电流放大状态；而当负载电阻稍微增大，但小于临界负载电阻R m 时，电路就处于线性电压输出状态，此时R L

空载电压输出是一种非线性电压变换状态，此时R L >R m 且R L →∞，要求光电池应通过高输入阻抗变换器与后续放大电路连接，相当于输出开路。

2、光敏电阻工作电路的三种偏置方法有什么特点？ (10分)

答：(1) 恒功率偏置: 输出电压U R R R S U R IR U L L p g

b p L L ?=?Φ+=?=?22)(并不随负载电阻线性变化，要使

L U ?最大，须将式对R L 微分，有?Φ+-=?32)

()(L p L p p g b L L R R R R R S U dR U d 当负载R L 与光敏电阻R P 相等时，即R L =R P ，表示负载匹配，L

L dR U d ?＝0，则L U ?最大。此时探测器的输出功率最大，即 P L =I L U L ≈U b 2/4R L 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R L 比光敏电阻R P 大得多，即R L >>R P ，则负载电流I L 简化为 I L =U b /R L

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ΔI L 变为 ?I L =S g U b (R P /R L )2

?Φ

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R L 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R L 。

(3) 当负载电阻R L 比光敏电阻R P 小得多，即R L <

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 ?U L =S g U b R L ?Φ

式中，S g ΔΦ＝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、叙述实现光外差检测必须满足的条件。(12分)

答：信号光波和本振光波的波前在整个光混频面上必须保持相同的相位关系。光外差检测只有在下列条件下才可能得到满足：①信号光波和本征光波必须具有相同的模式结构，这意味着所用激光器应该单频基模运转。

②信号光和本振光束在光混频面上必须相互重合，为了提供最大信噪比，它们的光斑直径最好相等，因为不重合的部分对中频信号无贡献，只贡献噪声。

③信号光波和本振光波的能流矢量必须尽可能保持同一方向，这意味着两束光必须保持空间上的角准直。

④在角准直，即传播方向一致的情况下，两束光的波前面还必须曲率匹配，即或者是平面，或者有相同曲率的曲面。 ⑤在上述条件都得到满足时，有效的光混频还要求两光波必须同偏振，因为在光混频面上它们是矢量相加。 总之,要满足时间,空间条件外,还有满足频率条件和偏振条件.

4、对直接检测系统来说，如何提高输入信噪比？ (12分)

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

图 光电探测器噪声功率谱分布示意图

5、叙述激光干涉测长的原理。(16分)

答：如图所示是双纵模双频激光干涉仪的原理示意图。

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，模间隔为nL c 2/=?ν（式中c 为光速，L 为谐振腔长，n 为空气折射率，其值约728MHz ），经布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。

可得测量镜运动距离与相位差变化的关系式δθπλδ41=L

稳频信号 布儒斯特窗 激光器

偏振分光镜 测量角锥镜 固定角锥镜 分光器 光扩展器 偏振片 光电 接收器 参考信号 测量信号

透镜

根据测量镜运动引起的多普勒效应f δ与相位的关系有：f πδδθ2= 因而：f L δλδ2

1= N fdt f L t ?=??=?221

01λδλ 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。 4、阐述用补偿法检测溶液浓度的工作原理及工作过程。（13分）

答：原理和工作过程：光源1发出的光经单色器2后成为单色光，该单色光的波长应选为待测溶液的峰值吸收波长。将该光线用分束器BS 分成两束，分别通过待测溶液S 2和参比溶液S 1，并用两个性能一致的光电探测器接收。由于参比溶液对工作波长的光不产生吸收，而待测溶液对该波长的光有较强的吸收，因此，探测器PD 1接收到的光强度I 1即为入射光强度I 0，而探测器PD 2接收到的光强度I 2取决于待测溶液的浓度。

系统输出电压为：

式中，C 0为比例常数；1φI 为PD 1上产生的光电流；2φI 为PD 2上产生的光电流；K 1、K 2为PD 1和PD 2的灵敏度，1φ、2φ为到达PD 1和PD 2上的光通量。若PD 1和PD 2性能一致，则K 1＝K 2，故上式可变为：

由于在忽略反射和散射的情况下，I 1=I 2,故

可见，最后输出电压即为溶液的吸光度值，亦即反映了溶液的浓度。 （5

分）

2211120122100lg /)lg (lg φφ

φφK K R R C R R I I C U =-=2

1

12211200lg lg I I R R C R R C U ==φφ20

0lg I I K U =