现代光电检测 复习题 带答案 总结1

10、试述低噪声前置放大器的设计方法与步骤 答：(1)普通设计法，这种设计法只适用于对噪声 要求不高的场合。 (2)以噪声为主的设计法 a 根据噪声要求设计输入级。 b 晶体管输入极可以通过调整集电极电流来获 得噪声匹配。 c 第一级功率增益要大。 d 根据其他指标，如总增益，频率响应，动态范 围等技术指标综合考虑后的设计， f 集电流对噪声等参数的影响如下表：
19、在“反向偏置”电路中，有两种取得输出电 压 U0 的方法： 一种是从负载电阻 RL 上取得电压 U0，另一种是从二极管两端取得电压 U0。叙述 两种方法的特点及它们之间的联系。
答:光外差检测时利用两束频率不相同的相干光， 在满足波前匹配条件下，在光电检测器上进行光 学混频，检测器的输出频率为两光波频差的相频 信号，该信号包含有调制信号的振幅，频率和相 位特征。 应用： 干涉测量技术， 光外差通信， 多普勒测速。 8、什么是光电信号检测电路？各部分取何作用。 答：对于大多数光电装置，光电器件需要通过检 测电路才能实现光电信号的变换作用，通常光电 检测器件，输入电路和前置放大器组成。 (1) 光电检测器件：光电转换的核心部件，将 光信号转化电信号。 (2) 输入电路： 为光电器件提供正常的工作条 件，进行电参量的变量，同时和前置放大 电路匹配。 (3) 前置放大器：将微弱的光信号进行放大， 匹配后置处理器与光电探测器之间的阻 抗。 9、试述光电信号检测电路的设计目的和要求？ 答：光电检测电路的设计要求： (1) 灵敏的光电转换能力。 (2) 最佳的信号检测能力。 (3) 快速的动态响应特性。 (4) 长期工作的稳定性和可靠性。 所以检测电路的设计步骤为 (1) 输入电路静态计算 (2) 输入电路动态计算 (3) 噪声计算
−4
以
∆h =
������������ 2
=
1000 ×632 .8×10 −9 2
������ = 3.164 ×
10 ������ (2)脉冲当量为条纹变化为 1 个时的位移值，即
1×632 .8×10 −9 2
������ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ= 3.164 × 10−4 ������
24、在如图所示的各种情况下，从线偏振光或自 然光入射界面是，问折射光和反射光各属于什么 性质的光？并在图中所示折射光线和反射光线 用点和短线将其振动方向表示出来，其中 ������������ = ������������������������������������������ ������ ≠ ������������ ， 答：
������0 ������ 1 2 1 1
1
������0 +������
1 ������ 2 0
= 5，
所以 = ，既自然光强为线偏振光强的一半。 23.用迈克尔逊干涉仪进行干涉纹计数， 如果激光 器的波长为 632.8nm，若测得的波数为 1000，试 计算出： (1)其位移值 X 为多少？ (2)脉冲当量是多少？ 解： 2∆h = Nλ ∆h为位移值， N 为条纹测得数， λ 为波长 所
答：(1)对于图 a）所示的电路，光电信号是直接 取出的，即 U0=ILRL，而对于 b）图，光电信号是 间接取出的，U0=UC-ILRL； (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。 20、试从工作原理和系统性能两个方面比较直接 探测和外差探测技术的应用特点。 答： (1)直接检测系统只能检测信号光的振幅或强 度，无外差检测可以检测信号光的频率和相位。 (2)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。 (3)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。 (4)直接检测系统在弱光检测时信躁比恶化， 光外 差检测系统输出信号比没有任何损失。 (5)直接检测系统的构成简单，便于调试，光外差 检测结构复杂调试困难。 21、一支波长为 632.8nm 的 He-Ne 激光器（该波 长 视 见 函 数 ������ ������ = ������. ������������������ ） 发 射 出 能 量 为 ������ ������ = ������������������ . 若 投 射 到 屏 幕 上 的 光 斑 直 径 为 0.1m，求光照度是多少 lx？ 答：E = ������������ φ = 5 × 0.265(lx) A = h ∙ 0.25 2 ������ 2 所以，E = ������
5×0.265 0.25
2
������������
= 168.7lx
22.一线偏振光和自然光的混合光束， 当它通过偏 振片时，若偏振片旋转一周，发现投射光强依赖 于偏振化方向可变化 5 倍，求光束两种成分的光 强比。 答：设自然光强为������0 ,线偏振光强为I,自然光经过 偏振光片后光强减半，而线偏振光经过偏振片后， 光强变化有两种情况：相互平行时为 2，相互垂 直时为 0。所以，该混合光经过偏振片后的光强 最大值为2 ������0 + ������ ，最小值为2 ������0 ，又2
11、光电探测器的原理有几种效应？分别是什么？ 内容是什么？ 答： 共四种， 光电子发射效应： 在光辐射作用下， 电子逸出材料表面，产生光电子发射 光电导效应：光照射某些半导体材料，某些电子 吸收光子变成导电自由态，在外电场的作用下， 半导体的电导增大。 光生伏特效应：光照射在 PN 结及其附近，在结 果区中因电场作用，产生附加电动势。 光磁电效应：半导体置于磁场中，用激光垂直照 射，由于磁场产生洛伦兹力形成电位差。 12、光电器的种类及相应的光电器件。 答：光电子发射器件:光电管，光电倍增管。 光电导器件：光敏电阻，光生伏特器件，雪崩光 电管，光电池。光电二极管，光电三极管。 13、光电探测器的噪声主要来源是什么？ 答： 热噪声， 暗电流噪声， 散粒噪声， 低频噪声。 14、光电探测器的性能参数有哪些？详细叙述。 答：量子效率；响应度；光谱响应；响应时间和 频率响应；噪生等效功率；探测度；线性度。 15、光电倍增管的工作原理及结构（组成部分） 有什么特点？ 答：工作原理：光照射在光电阴极上，从光阴极 激发出的光电子，在电场������1 的加速下，打在第一 个倍增级������1 上，由于光电子能量很大，它打在倍 增极上时，就又激发出，数个二次光电子，在电 场������2 的作用下，二次光电子对打在第二个倍增极 上，有引起电子发射，如此下去，电子流迅速倍 增，最后被阳极收集。 组成：光电阴极，倍增板，阳极和真空管。 特点：灵敏度高，稳定性好，响应速度快和噪声 小，结构复杂，工作电压高，体积大。 16、雪崩型硅光二极管与普通硅光二极管在工作 原理上有什么区别？ 答：普通硅光二极管是将光信号变成电信号的半 导体器件，它的核心部分是一个 PN 结，为了便 于接受入射光照，PN 结面积尽量做大一些，电 极面积尽量小些，而 PN 结的结深很浅，一般小 于 1um；光电二极管是在反向电压作用之下工作 的，没有光照时，反向电流很小，称为暗电流， 当有光照时，携带能量的光子进入 PN 结喉，把 能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱 共价键，从而产生电子——空穴对，成为光生载 流子，而雪崩二极管是利用 PN 结在高反向电压 下产生的雪崩效应来工作的一种二极管，这种管 子工作电压很高， 约 100· 200V， 接近于反向电压， 这种管子有很高的内增益，响应速度快，但同时 噪声也很大。 17、光电三极管与普通三极管有什么不同？为什 么说光电三极管比观点二极管输出电流可以大 很多？ 答：光电三极管在原理上相当于在普通三极管的 基极和集电极间并联一个光电二极管，光电三极 管内增益很大，故可以输出很大电流。 18、什么是自发辐射？受激辐射？和受激吸收 ? 自发辐射和受激辐射有什么不同？ 答：自发辐射：处在高能级的原子，没有任何外 界激励自发地跃迁到低能级并发射光子。 受激辐射：处在高能级的原子，受到外来光子的 激励，跃迁到低能级并发送光子。 受激吸收：处在低能级的原子，收到光子的照射 时，吸收光子而跃迁到高能级。 受激辐射需要外界激励，而自发辐射不需要。
1、相干（时间）光谱：若同一光源在不同时刻 发出的光在空间汇合后能发生干涉，则称这两部 分具有时间相干性，这种现象叫做相干时间性。 波的时间相干所形成的图样叫做相干时间光谱。 干涉图：波的干涉使某些区域的振动加强，某些 区域的振动减弱，而振动加强的区域与振动减弱 的区域相分隔开，这种现象叫做波的干涉，波的 干涉所形成的图样叫干涉图。 瑞利判据：实际波面与参考球面之间的最大波像 差不超过时，次薄面可看作是无缺陷的。 2、简单说明透镜的傅里叶变换性质 答： （1）无论物与透镜的位置如何，透镜后焦面 上的光场分布于衍射物体的复振幅透过率存在 傅里叶变换关系。 （2）无论物体相对于透镜的距离������0 是多少，后焦 面上的强度分布不受影响，它任然是物体的功率 谱 （3）透镜的后焦面通常称为傅里叶变换平面或 频谱面 3、光学信息处理中的 4f 系统，说明各部分的功 能。 答：4f 系统主要是由两组焦距为 f 的透镜（组） 组成的。从左到右为：物点、第 1 透镜（组） 、 第 2 透镜（组） 、像点物点与第 1 透镜（组）间 距 f；第 1 透镜（组）与第 2 透镜（组）间距 2f； 第 2 透镜（组）与像点间距 f。第 1 透镜（组） 起准直作用，第 2 透镜（组）起汇聚作用。 4、试述激光测长的原理和特点 答：激光测距的原理：可以归结为测量光往返回 极所需要的时间，然后通过光速和大气折射系数 n 计算距离 特点：被测物体平面必须与光线垂直，通常精密 测距需要全反射棱镜配合。 5、试述光焦点法测距原理和应用。 答：光焦点利用点光源对被测物体表面照相，使 成像物镜对该光点成像聚焦，当物体沿光轴方向 移位时，像面焦点扩散成弥散圆，只有准确处于 物面位置时，良好的成像状态才能保证像面上有 集中的光密度分布，光焦点以聚焦光斑密度分布 的几种程度来判断物体轴向位移，即可用来测量 轴向位移。 6 、什么是干涉条纹光强检测法 ?试述器检测原 理？ 答：干涉条纹光强检测法：在干涉场中确定的位 置上用光电元件直接检测干涉条纹的光强变化。 7、述光外差检测的原理，他主要应用在何处？