光电技术期末复习题

第一章光辐射与光源

1.1辐射度的基本物理量

1.辐射能Qe：一种以电磁波的形式发射，传播或接收的能量。单位为J（焦耳）。

2辐射通量Φe：又称为辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率，单位为W（瓦），是单位时间发射，传播或接收的辐射能，Φe=dQe/dt(J/S焦耳每秒)

3辐射强度Ie：点辐射源在给定方向上单位立体角的辐射能量单位为W/sr（瓦每球面度）

Ie=dΦe/dΩ.

4辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射能量，Ee=dΦe/dA单位为（W/㎡瓦每平方米）。dA是投射辐射通量dΦe的面积元。

5辐射出射度Me：扩展辐射源单位面积所辐射的通量，即Me=dΦ/dS。dΦ是扩展源表面dS在各方向上（通常为半空间360度立体角）所发出的总的辐射通量，单位为瓦每平方米（W/㎡）。

6，辐射亮度Le：扩展源表面一点处的面元在给定方向上单位立体角，单位投影面积发出的辐射通量，单位为W/sr*㎡(瓦每球面度平方米)。

7光谱辐射量：也叫光谱的辐射量的光谱密度。是辐射量随波长的辐射率。

光辐射量通量：Φe（λ）：辐射源发出的光在波长为λ处的单位波长间隔的辐射通量。

Φe（λ）=dΦe/dλ单位为W/um或W/nm。

1.2 明视觉光谱光视效率V（λ）：视觉主要由人眼视网膜上分布的锥体细胞的刺激所引起的。（亮度大于3cd/m2，最大值在555nm处）

暗视觉光谱光视效率：视觉主要由人眼视网膜上分布的杆状细胞刺激所引起的。（亮度小于0.001cd/m2，最大值在507nm处）

Φv=Km

780

380

Φe(λ)V(λ)dλ式中Km为名视觉的最大光谱光谱光视效率函数，也成为光功当量。国际实

用温标理论计算值Km为680lm/W。

光度量中最基本的单位是发光强度单位——坎德拉，记作cd，它是国际单位制中七个基本单位之一（其他几个为：米，千克，秒，安（培），开（尔文），摩（尔））。光通量的单位是流明（lm）,它是发光强度为1lm的均匀电光源在单位立体角发出的光通量。光照度的单位是勒克斯（lx），它相当于1lm的光通量均匀的照在1m2的面积上所产生的光照度。

1.4 热辐射的基本物理量（5页）

1辐射本领：辐射体表面在单位波长间隔单位面积所辐射的通量

2吸收率α（λ，T）:在波长λ到λ+dλ间隔被物体吸收的通量与λ射通量之比，它与物体的温度和波长有关，

3绝对黑体：任何物体，只要温度在绝对零度以上，就向外界发出辐射，这称为温度辐射。黑体是一种完全的温度辐射体，定义为吸收率α（λ，T）=1的物体为绝对黑体，其辐射本领为：

4物体的发射率ε（λ，T）

1.5 热辐射基本上可分为两类：黑体辐射和线状，带状辐射源。主要基本定律：

基尔霍夫定律，兰伯特定律，距离平方反比定律，亮度守恒定律和

1.6 普朗克定律

1.7. 维恩位移定律

每一种温度的Meb(λ,T)~λ曲线都有一个峰值，随着温度的升高此峰值向短波方向移动

1.8. 斯忒藩玻耳兹曼定律

1.9 光源的光谱功率分布通常可分为四种情况：

1，线性光谱，有若干条明显分隔的细线组成，如低压汞灯。2，带状光谱，由一些分开的谱带组成，每一条谱带中又包含许多细谱线，如高压汞灯，高压钠灯就属于这种分布。3，连续光谱，所有热辐射光源的光谱都是连续的。4混合光谱，由连续光谱与线，带谱混合而成，一般的荧光灯光谱就属于这种分布，。

10. 光源的色温（18页）

黑体的温度决定了它的发光辐射特性。对非黑体辐射，它的某些特性可用黑体辐射特性来近似表示。对于一般光源，经常采用分布温度、色温或相关色温表示。

分布温度：辐射源在某一波长围辐射的相对光谱功率分布，与黑体在某一温度下辐射的相对功率分布一致，那么该黑体的温度就成为该辐射源的分布温度。这种辐射体的光谱辐射亮度可表示为：

色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。由于一种颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同的光源，他们的相对光谱功率分布不一定相同。相关温度：在均匀色度图中，如果色源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关温度。

1.11 光源的颜色：

光源的颜色包含了两方面的含义即色表和显色性。色表：用眼睛直接观察光源时所看到的颜色。例如高压钠灯的色表成黄色，荧光灯的色表程白色。显色性：当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色（也就是物体反射光的在人眼中产生的颜色感觉）与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色一致性。

1.12 热辐射光源有三个特点：

1，它们的发光特性都可以利用普朗克公式进行精确的估算，即可以精确掌握和控制他们发光或辐射性质；2它们发出的光通量构成连续的光谱，且光谱围很宽，因此使用的适应性强。但在通常温度下，紫外辐射和可见光幅度含量很少，这有限制了这类光源的适用围；3采用适当的稳压或稳流供电，可使这类光源的光输出获得很高的稳定度。

1.13 气体放电原理：

密封在泡壳的气体或金属气体在电场的作用下激励出电子和离子，电子和离子从电场中获得能量分别向阴极和阳极运动，它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子。这一过程中会引起原子的激发，受激原子回到低能级时就会发射出辐射，这就是气体放电原理。

优点（与白炽灯相比）：发光效率高，结构紧凑，寿命长以及光色适应性强等特点。

1.14 发光二级管（LED）的工作原理：

P-N结上未加电压时有一定的势垒，当加上正向偏压时在外加电场的作用下，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每一次复合，都将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这个能量会以热能，光能，或部分热能和部分光能的形式辐射出来。

1.15 发光二级管的优点;

1.属于低电压（1-2V），小电流器件在室温下即可得到足够的亮度

2.发光响应速度快

3.性能稳定，寿命长

4.易于和集成电路匹配，且驱动简单

5.与普通光源相比单色性好，其发光的半宽度一般为几十纳米6小型，耐冲击。

主要缺点：功率较小，光色有限，较难获得短波发光，且发光效率低。

1.16 激光器的工作原理：

激光器一般有工作物质，谐振腔和泵浦源组成。常用的泵浦源是辐射源或电源，利用泵浦源能将工作物质中的离子从低能态激发到高能态，是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。

1.17 激光器的类型：1气体激光器2固体激光器3染料激光器4半导体激光器。

1.18 激光的特性：单色性，方向性，亮度，相干性。

课后作业5,6,7,17,18

第二章光电探测器概述

2.1 光电探测器的分类：

①光子探测器：光电效应器件和外光电效应器件

（光电子发射探测器，光电导探测器，光伏探测器，光电磁探测器）

②热探测器（测辐射温差热电偶和热电堆，电阻测辐射热器，热释电探测器）

2.2 光电二极管的分类：

结型光电二极管，雪崩光电二极管，pin结光电二极管，肖特基势垒光电二极管。

2.3 光电探测器的噪声：

散粒噪声，热噪声，产生-复合噪声，温度噪声，电流噪声

课后作业1,2,3,6

1.光子探测器和热探测器特性上的差别列表：

光子探测器热探测器

机理光子效应光热效应

光谱响应选择性非选择性

响应量电压、电流和温度有关

响应时间快慢是否需要制冷降噪是否（温热辐射器除外）

2.为什么光子探测器的工作波长越长，工作温度越低？

根据维恩位移定律，当探测器工作波长较长时，探测器的光谱响应峰值波长也响应变大，故工作波长越低；另外，为了提高探测器的性能，降低噪声和提高探测率，应在低温下工作。

3.说明光电导器件、P-N结光电器件和光电发射器件的禁带宽度和截止波长间的关系。

光电效应发生的条件：E=h Eg(Eg为半导体禁带宽度)

截止波长：

6.求解过程如下：

第三章光电子发射探测器

3.1 光电子发射材料

纯金属；表面吸附一层其他元素原子的金属和半导体材料；用作光电管、光电倍增管，变像管，像增强管和一些摄像管等光电器件中的光电阴极，其作用是使不同波长的各种辐射信号转换为电信号。

3.2 很多半导体材料具有良好的光电子发射性能的原因：

1半导体对入射光有较小的反射系数，有较大的吸收系数，通常在长波极限波长附近就有表面和体光电子发射效应产生；2阴极层导电性适中，一来可以使光电子在趋向表面运动的过程中损失能量比金属小，二来可以使层传导电子的补充不发生困难；3半导体存在着大量的发射中心（价带中有大的电子密度）4半导体有较小的光电逸出功，在光谱响应有较高的量子效率。

3.3 负电子亲和势光电阴极的量子效率高的原因：

负电子亲和势阴极因其表面无表面势垒，所以受激电子跃迁并迁移到表面后，无需克服表面势垒就可以较容易的逸出表面。受激电子在表面迁移过程中，因与晶体碰撞，使其能量降到导带底而变成热化电子后，仍可继续向表面扩散并逸出表面。对于一般正电子亲和势光电阴极来说，激发到导带的电子必须克服表面势垒，只有高能电子才能发射出去，所以负电子亲和势光电阴极的有效逸出深度要比正电子亲和势阴极大得多。因此负电子亲和势光电阴极的量子效率较高。

3.4 光谱响应延伸到红外，光谱响应率均匀：

阈值波长公式如下：

3.5 半导体中光电子发射一般经过三个步骤：

对光电子的吸收；光电子向表面的运动；克服表面势能的逸出

3.6 光电倍增管结构：

光电阴极，电子光学输入系统（光电阴极到第一倍增极D1之间的系统），二次发射倍增系统及阳极等构成。

3.7 暗电流

无光照时，光电培增管的输出电流称为暗电流。暗电流对测量缓变信号不利。

暗电流的产生因素有以下几种：

①光电阴极和第一倍增管的热电子发射；

②极间漏电流；

③离子和光的反射作用；

④场致发射；

⑤放射性同位素和宇宙射线的影响；

减少俺暗电流的方法：

①选好光电倍增管的极间电压；

②在极间回路中加上与暗电流相反的直流成分进行补偿；

③在倍增输出电路中加一选频或锁相放大滤掉暗电流；

④利用冷却法减少热电子发射；

三．课后作业1,4 ，9,12

1.为什么负电子亲和势光电阴极的量子效率高，而且光谱围可扩展至近红外区？

答案见3.3和3.4详解。

2.光电发射和二次电子发射两者有哪些不同？简述光电倍增管的工作原理：

原理基本上相同，都是原子的外层电子受到激发后，获得足够的动能，从而脱离金属表面的势垒，成为自由电子。它们之间一个很大的不同点是：光电发射，一般的情况下十个光子也就是能激发出一个电子而已，而二次电子发射，则有可能一个电子激发出2~10个电子，因此二次电子发射具有放大电流的功能，而光电发射则是把光子转化成了电子，但是这个转化效率，专业一点说叫做量子效率，一般会低于20%，这个效率取决于金属的材料以及入射光的波长等因素。

1)光子透过入射窗口入射在光电阴极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，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子，入射电子经N级倍增极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。

9.证明过程如下：

12.