光电检测技术第二章习题答案

第二章习题答案
1、自发辐射：在没有任何的外界作用，粒子从高能态E2自发地辐射到低能态E1，同时发射出频率为ν、能量为12E E -=ην的光子，这个过程叫自发辐
射。

所形成的光波相位不同，偏振方向不同，每个粒子所发出的光可能沿所有可能的方向传播。

受激吸收：处在下能级E1的粒子受到外来能量为12E E -=ην的光子的作
用，吸收这个光子而跃迁到E2能级的过程，称为受激吸收。

受激辐射：处在上能级E2的粒子受到外来能量为12E E -=ην
的光子的激励而跃迁到E1能级，并发射一个与外来光子一模一样的光子，这个过程称为受激辐射。

受激辐射的光子与外来光子具有相同的频率、相位、传播方向和偏振态。

2、自发辐射所形成的光波相位不同，偏振方向不同，每个粒子所发出的光可能沿所有可能的方向传播，因此形成的是自然光。

受激辐射的光子与外来光子具有相同的频率、相位、传播方向和偏振态，形成的相干光。

3、白炽灯降压可以提高使用寿命。

第二问题参见p17
4、第一问参见表2-3在普通紫外-可见光分光光度计（200~800nm ）中，要选择照明光源，首先此光源要满足光谱要求，光谱范围必须在200~800nm ，其次就是光源的强度是否在普通紫外-可见光分光光度计的接收范围内，最后就是稳定性和结构等其他方面是否满足要求。

5、粉末电致发光、薄膜电致发光和结型电致发光（或称注入式发光）。

第二问参见p20-22。

6、当加上正向偏压时，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PN 结附近产生导带电子和价带空穴的复合，且几率增加，。

电子和空穴复合以光的形式辐射出来。

7、发光二极管是由P 型和N 型半导体组合成的二极管。

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，由于电子浓度不同，载流子扩散运动加强。

这样，在PN 结型上，P 区由于空穴向N 区扩散运动而带负电荷，N 区电子向P 区扩散运动而带上正电荷，形成由N 区指向P 区方向
的电场，此电场为内建电场。

内建电场使扩散运动减弱。

当加上正向偏压时，外加电压削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动又加强，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。

外量子效率与所用半导体材料的折射率有很多关系，折射率高，外量子效率低。

8、激光器一般由工作物质、谐振腔和泵浦源组成。

常用的泵浦源是辐射源或电源，利用泵浦源能量将工作物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。

当高能态粒子在频率为ν的辐射场的激励下，从高能态向低能态跃迁时，也发射一个能量为νh的光子，这种过程称为粒子的受激发射跃迁，由这种受激发射跃迁所发射的光子称为光的受激辐射光子。

受激辐射光子与激励光子具有相同的频率、相位、波矢（传播方向）和偏振状态。

这些辐射波（由激励光子和受激辐射光子组成）沿由两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，它会激发出更多的辐射，从而使辐射能量放大。

当这些辐射在谐振腔内来回一次所获得的增益等于或大于它所遭受的各种损耗之和，即满足阈值条件时，受激和经过放大的辐射通过部分透射的平面镜输出到腔外，产生激光。

9、与普通光源相比，激光辐射方向性好、亮度高（能量集中）、相干性和单色性好；与无线电波相比，都是电磁波，所以传说速度相同，但是由于波长较短，频率要高得多。

10、半导体激光器（LD）工作原理：半导体材料是LD的激活物质，在半导体的两个端面精细加工磨成解理面而构成谐振腔。

半导体p-n结在内建电场下达到平衡；当外加正偏压时，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，复合产生能量释放，部分以光的形式释放出来，由于解理面谐振
腔的共振放大作用实现受激反馈，实现定向发射而输出激光。

特点：体积小、重量轻、寿命长、具有高的转换效率，从紫外到红外均可发光，输出功率从几mw到几百mw，在脉冲输出时，可达数W，单色性比He-Ne激光器差。

因为半导体激光器多用电控法进行稳频，因此电源注入电流的变化要能随温度变化引起的pn结的变化，因此激光器对温度影响敏感，必须在工作电源或驱动电路中，有温度补偿或制冷设备；如果要求输出激光是调频的，那么工作电源也是按同频率变化的。

11、半导体激光器和发光二极管在发光机理上没有太多的差异，在结构上，半导体激光器需要有两个与结平面垂直的解理面形成激光器谐振腔。

而在特性上半导体激光器具有激光的特点，而发光二极管为普通光源。

12、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。