光电检测原理与技术

一 填空题20分，每空1分1波长在__________-的是红外辐射。

通常分为_______、_______和远红外三部分2辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足公式_________________,式中I e 0是面元dS 沿其法线方向的辐射强度。

符合上式规律的辐射体称为__________,也称为朗伯体。

3光辐射普遍形式的波动方程t J t P t E E ∂∂-∂∂-=∂∂+⨯∇⨯∇ μμμε22220中，方程右边两项分别由________与________引起。

4 KDP 晶体沿z 轴加电场时，由________变成了双轴晶体，折射率椭球的主轴绕________轴旋转了45度角，此转角与外加电场的大小______，其折射率变化与电场成_______。

5 KDP 晶体横向运用条件下，光波通过晶体后的相位差包括两项：其中一项与外加电场无关，是由晶体本身__________引起的；另一项为电光效应_________。

6考虑到声束的宽度，当光波传播方向上声束的宽度L 满足条件___________,会产生多级衍射，否则从多级衍射过渡到单级衍射。

7要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光上去的问题，这种将信息加载于激光的过程称为调制，光束调制按其调制的性质可分为______、______、______及强度调制等。

8依据噪声产生的物理原因,光电探测器的噪声可大致分为________、________和________三类。

二 简答题，共30分，每题6分1光电探测器性能参数包括哪些方面。

2 光子效应和光热效应。

3 请简要说出InSb 和PbS 光敏电阻的特性。

4 为什么说光电池的频率特性不是很好?5 直接光电探测器的平方律特性表现在哪两个方面?三 推导证明，共10分，每题5分 1 已知热电晶体极板面积为A ，热电系数为β，负载电阻为R L ，热敏元件的吸收系数为α，热导为G ，且温度变化规律为ti Te T T ω∆+∆=0。

证明热释电探测器的电压灵敏度为()()222211H c L u G R A R τωτωαβω++=。

2已知光电二极管的反偏压V 及最大入射光功率P ，器件的暗电导为g,临界电导为g ’，器件光点转换灵敏度为S ，证明合理的负载电阻为：SPg SP g g V R L ''1-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=。

（画出线性化处理后的伏安特性曲线）四 分析、计算题，共40分，每题10分1 已知热敏器件的受光面为100mm 2,频率响应范围Δf 为1H Z ，器件初始温度为300K ，发射率为ε为100%，试推导并估算此热敏探测器的最小可探测光功率。

（σ=5.67×10-12J/cm 2K 4,k B =1.38×10-23J/K ）2输入信号U in 经过二极管整流后，输出信号为U ou =KU in ，现有一按正弦规律变化的经过隔直处理后的调幅输入信号为：U in =（1+msin Ωt ）sin ωt,其中的m 为调制度，Ω为调制频率，ω为载波频率，经过二极管整形后并按傅里叶级数展开，得到:()()()⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡Ω--Ω++--Ω+=∑∞122sin 22sin 22cos 141sin 12t n m t n m t n n t m K U ou ωωωπ问：（1）分析上式，并说出上式中哪部分是我们需要提取的信号？（2）为了提取出需要的信号，需要采取什么电路来提取？最后提取出的信号表达式是什么，并画出电路图。

（3）根据右图的调制波形绘出整流后的波形，并绘出经过滤波后的信号波形简图。

3 一目标经红外成像系统成像后供人眼观察，在某一特征频率时，目标对比度为0.5,大气的MTF 为0.9，探测器的MTF 为0.5，电路的MTF 为0.95，CRT 的MTF为0.5，则在这一特征频率下，光学系统的MTF 至少要多大？4 已知某硅光电二极管的灵敏度W A S μμ5.0=，结电导s g μ005.0=，屈膝电压V u 10''=，入射光信号功率()Wt P μωsin 35+=，反偏压V V 40=。

求：电信号输出送到放大器时，取得最大功率的电阻P R 及放大器的输入电阻i R 。

《光电检测原理与技术》课程试题A 答案 2007-12-23一 填空题20分，每空1分1波长在0.77~1000μm 的是红外辐射。

通常分为近红外、中红外和远红外三部分2一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。

但是有些辐射体的 7辐射强度在空间方向上的分布满足θcos0e e dI dI =，式中I e 0是面元dS 沿其法线方向的辐射强度。

符合上式规律的辐射体称为余弦辐射体或朗伯体。

3光辐射普遍形式的波动方程t J t P t E E ∂∂-∂∂-=∂∂+⨯∇⨯∇ μμμε22220中，方程右边两项反映物质对光辐射场量的影响，起“源”的作用，分别由极化电荷与传导电流引起。

4 KDP 晶体沿z 轴加电场时，由单轴晶体变成了双轴晶体，折射率椭球的主轴绕z 轴旋转了45︒角，此转角与外加电场的大小无关，其折射率变化与电场成正比。

5 KDP 晶体横向运用条件下，光波通过晶体后的相位差包括两项：第一项与外加电场无关，是由晶体本身自然双折射引起的；第二项即为电光效应相位延迟 t6考虑到声束的宽度，当光波传播方向上声束的宽度L 满足条件204λλs n L L ≈<，会产生多级衍射，否则从多级衍射过渡到单级衍射。

7要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光上去的问题，这种将信息加载于激光的过程称为调制，完成这一过程的装置称为调制器。

其中激光称为载波，起控制作用的低频信息称为调制信号。

8依据噪声产生的物理原因,光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、热噪声和低频噪声三类。

二 简答题，共30分，每题6分（要求简单扼要）1光电探测器性能参数包括哪些方面。

（得分点：回答为什么制定性能参数得2分，具体参数每两个得1分，共4分，本题总分6分）为了评价探测器性能优劣，比较不同探测器之间的差异，从而达到根据具体需要合理正确选择光电探测器件的目的，制定了一套性能参数。

通常包括积分灵敏度，也成为响应度，光谱灵敏度，频率灵敏度，量子效率，通量阈和噪声等效功率，归一化探测度及工作电压、电流、温度及入射光功率允许范围。

2光子效应和光热效应(给出两种效应的概念得2分,给出两种效益的特点得2分,对两种效能的探测器时间特性能进行简单说明得2分)答：光子效应是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。

探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。

光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。

因为，光子能量是h γ，h 是普朗克常数, γ是光波频率，所以，光子效应就对光波频率表现出选择性，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。

光热效应和光子效应完全不同。

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的电学性质或其他物理性质发生变化。

所以，光热效应与单光子能量h γ的大小没有直接关系。

原则上，光热效应对光波频率没有选择性。

只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。

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。

值得注意的是，以后将要介绍一种所谓热释电效应是响应于材料的温度变化率，比其他光热效应的响应速度要快得多，并已获得日益广泛的应用。

3请简要说出InSb 和PbS 光敏电阻的特性。

（得分点：每种光敏电阻有1分，写出光敏电阻的主要参数得4分，本题总分6分）（1）PbS近红外辐射探测器波长响应范围在1～3.4μm ，峰值响应波长为2μm内阻（暗阻）大约为1M Ω响应时间约200μs（2）InSb在77k 下,噪声性能大大改善峰值响应波长为5μm响应时间短（大约50×10-9s ）4为什么说光电池的频率特性不是很好?（得分点：2个因素，每一个得分3分，本题总分6分）答:光电池总的来说频率特性不是很好,这是由于两个方面的原因:第一,光电池的光敏面一般做的较大,因而极间电容较大;第二,光电池工作在第四象限,有较小的正偏压存在,所以光电池的内阻较低,而且随入射光功率变差,因此光电池的频率特性不好.5 直接光电探测器的平方律特性表现在哪两个方面?答:直接探测器的平方律特性表现在:三 推导证明，共10分，每题5分1 已知热电晶体极板面积为A ，热电系数为β，负载电阻为R L ，热敏元件的吸收系数为α，热导为G ，且温度变化规律为t i Te T T ω∆+∆=0。

证明热释电探测器的电压灵敏度为()()222211H c L u G R A R τωτωαβω++=。

（教材P148-150） 2已知光电二极管的反偏压V 及最大入射光功率P ，器件的暗电导为g,临界电导为g ’，器件光点转换灵敏度为S ，证明合理的负载电阻为：SPg SP g g V R L ''1-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=。

（画出线性化处理后的伏安特性曲线）证明过程略（教材P138-139）（得分点：分析，包括绘出线性处理后的伏安特性曲线示意图2分，证明过程，应在伏安特性曲线图上表示出各个参量，2分，结论1分，本题总分5分）四 计算题，共40分，每题10分1 已知热敏器件的受光面为100mm 2,频率响应范围为1H Z ，器件初始温度为300K ，发射率为ε为100%，试推导并估算此热敏探测器的最小可探测光功率。

（σ=5.67×10-12J/cm 2K 4,k B =1.38×10-23J/K ）（得分点：分析3分，过程5，结论2分，本题总分10分）(P148)2输入信号U in 经过二极管整流后，输出信号为U ou =KU in ，现有一按正弦规律变化的经过隔直处理后的调幅输入信号为：U in =（1+msin Ωt ）sin ωt,其中的m 为调制度，Ω为调制频率，ω为载波频率，经过二极管整形后并按傅里叶级数展开，得到:()()()⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡Ω--Ω++--Ω+=∑∞122sin 22sin 22cos 141sin 12t n m t n m t n n t m K U ou ωωωπ 问：（1）分析上式，并说出上式中那部分是我们需要提取的信号？为什么。

（2）为了提取出需要的信号，需要采取什么电路来提取？最后提取出的信号表达式是什么，并画出电路图。

（3）根据右图的调制波形绘出整流后的波形，并绘出经过滤波后的信号波形简图。