光电检测复习资料

简答题

1、光电探测器常见的噪声有哪几类？分别简要说明。

（1）热噪声：由载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏成为热噪声，热噪声功率与温度有关

( 2)散粒噪声：随机起伏所形成的噪声

(3)产生--复合噪声：载流子浓度起伏引起半导体电导率的起伏，在外加电压下，电导率的起伏是输出电流中带有产生--复合噪声

(4)1/f噪声：这种噪声功率谱近似与频率成反比

(5)温度噪声：是由于器件本身温度变化引起的噪声

2、光电二极管与一般二极管相比有什么相同点和不同点？

相同点：都是基于PN结的光伏效应而工作的

不同点：（1）就制作衬底材料的掺杂浓度而言，一般二极管要比光电二极管浓度较高

（2）光电二极管的电阻率比一般二极管要高

（3）普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管是在反向电压作用下工作的，

（4）光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。

3、简述光电三极管的工作原理。

光电三极管的工作原理分为两个过程：一是光电转换；二是光电流放大。就是将两个pn结组合起来使用。以NPN型光电三极管为例，基极和集电极之间处于反偏状态，内建电场由集电极指向基极。光照射p区，产生光生载流子对，电子漂移到集电极，空穴留在基极，使基极与发射极之间电位升高，发射极便有大量电子经基极流向集电极，最后形成光电流。光照越强，由此形成的光电流越

4、简述声光相互作用中产生布喇格衍射的条件以及布喇格衍射的特点。

产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声光作用长度L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射。

特点：衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+11级）衍射光，合理选择参数，并使超声场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到＋1级（或－1级）

5、什么是热释电效应？热释电器件为什么不能工作在直流状态？

热释电效应：热释电晶体吸收光辐射温度改变，温度的变化引起了热电晶体的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。

根据热释电效应，热释电探测器的电流和温度的变化满足，如果照射光是恒定的，那么温度T是恒定值，电流为零，所以热电探测器是一种交流器件

6、噪声等效功率？

投射到探测器敏感元件上的辐射功率所产生的输出电压（或电流）正好等于探测器本身的噪声电压（或电流），则这个辐射功率就叫“噪声等效功率”。

7、光伏效应？

当光辐射到半导体上时，产生光生载流子，电势垒的内建电场将把电子与空穴分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，产生光生伏特效应，简称光伏效应

8、像管的主要功能是什么？有哪几部分组成？像管和摄像管的最大区别是什

么？

像管主要功能是把不可见辐射图像或微弱光图像通过光电阴极和电子光学系统转换成可见光图像

像管由光电阴极、电子透镜、荧光屏三个基本部分组成

像管和摄像管的最大区别：像管内部没有扫描机构，不能输出电视信号，对它的使用就像使用望远镜去观察远处景物一样，观察者必须通过它直接面对事物9、简述光频外差探测的特点。

答：（1）高的转换增益。（2）良好的滤波性能。（3）良好的空间和偏振鉴别能力。（4）小的信噪比损失；有利于微弱光信号的探测。（5）探测灵敏度高（或具有极限灵敏度）。

10、比较光子探测器和光热探测器在作用机理、性能及应用特点等方面的差异。答：光子探测器和光热探测器分别应用了光子效应和光热效应。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。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。（3分）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

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。

11、光电探测器性能参数包括哪些方面。

答：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。

12、光子效应和光热效应。

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 h是普朗克常数,

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

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。

13、请简要说出InSb和PbS光敏电阻的特性。

答：（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1MΩ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）

14、为什么说光电池的频率特性不是很好?

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.

15、直接光电探测器的平方律特性表现在哪两个方面?

答：一是光电流正比于光电场振幅的平方，二是电输出功率正比于入射光功率的平方

16、什么是半波电压？

当光波的两个垂直分量Ex Ey ）时所需要加的电压，称为半波电压。

17、说明光子效应和光热效应各自特点。

光子效应：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的改变。（2分）特点：光子效应对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。（1分）

光热效应：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。（2分）特点：原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。

18、红外光学系统的特点

（1）红外辐射源的辐射波段位于1μm以上的不可见光区，普通光学玻璃对2.5μm以上的光波不透明，而在所有有可能透过红外波段的材料中，只有几种材料有必需的机械性能，并能得到一定的尺寸，如锗、硅等，这就大大限制了透镜系统在

红外光学系统设计中的应用，使反射式和折反射式光学系统占有比较重要的地位。（2）为了探测远距离的微弱目标，红外光学系统的孔径一般比较大。（3）在红外光学系统中广泛使用各类扫描器，如平面反射镜、多面反射镜、折射棱镜及光楔等。（4）8至14μm波段的红外光学系统必须考虑衍射效应的影响。（5）在各种气象条件下或在抖动和振动条件下，具有稳定的光学性能

19、光电倍增管的供电电路分为负高压供电和正高压供电，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。

20、微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度有什么特点。

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。

21、为什么结型光电器件正向偏置时，没有明显的光电效应？必须在哪种偏置

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。

22、光电探测器与热探测器在工作原理、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23、什么是光纤的色散？

答：光纤的色散就是输入脉冲在光纤内的传输过程中，由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。光纤色散是传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光束的传输带宽

24、光纤传感器的基本构成？

光纤传感器由光源、敏感元件（光纤的或非光纤的）、光探测器、信号处理系统以及光纤等组成。

25、相位调制型光纤传感器的工作原理？

答:当一束波长为λ的相干光在光纤中传播时，光波的相位角与光纤的长度L、纤芯折射率n1和纤芯直径d有关。光纤受物理量作用时，这三个参数就会发生不同程度的变化，引起光相移。一般来说，纤芯直径引起的光相位变化可以忽略。而在一段长为L的单模光纤（纤芯折射率为n1）中，波长为λ的输出光相对输入端来说，其相位角Φ为

计算题

1、假设将人体作为黑体，正常人体体温为36.5°C 。计算（1）正常人体所发出的辐射出射度；（2）正常人体的峰值辐射波长。（斯忒藩-玻尔兹曼常数 )(10670.5842K s J/m ???=-σ，维恩常数为2897.9μm ）

2、用Si 光电二极管测缓变光辐射，伏安特性曲线如图1所示，在入射光最大功率为8μW 时，电压10V ，反向偏置电压为40V ，Si 光电二极管的灵敏度S=0.5μA/μW ，结电导为0.005μS ，求（1）画出光电二极管的应用电路图（2）计算二极管的临界电导（3）计算最大线性输出时的负载R L 。

图1 图2

3、与象限探测器相比PSD 有什么特点？如何测试图中（如图2所示）光点A 偏离中心的位置？

答：PSD 是利用离子注入技术制成的一种可确定光的能量中心位置的结型光电器件，其特点是，(1)它对光斑的形状无严格要求，只与光的能量中心有关(2)光敏面上无须分割，消除了死区，可连续测量光斑位置，分辨率高。(3)可同时检测位置和光强，PSD 器件输出总电流和入射光强有关，所以从总的电流可求得相应的入射光强。（4分） 工作原理： 当光束入射到PSD 器件光敏层上距中心点的距离为xA 时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过电阻p 型层分别由电极1与2输出。设p 型层的电阻是均匀的，两电极间的距离为2L ，流过两电极的电流分别为I1和I2，则流过n 型层上电极的电流I0为I1和I2之和（I0= I1+I2）。

4、依据图3提供的结构和脉冲电压图说明CCD 电荷转移的过程。

3

2

1

ΦΦΦ

1 2 34

图3

答：(1)在t1时刻，φ1高电位，φ2、φ3低电位。此时φ1电极下的表面势最大，势阱最深。假设此时已有信号电荷（电子）注入，则电荷就被存储在φ1电极下的势阱中。 (2)t2时刻，φ1、φ2为高电位，φ3为低电位，则φ1、φ2下的两个势阱的空阱深度相同，但因φ1下面存储有电荷，则φ1势阱的实际深度比φ2电极下面的势阱浅，φ1下面的电荷将向φ2下转移，直到两个势阱中具有同样多的电荷。 (3)t3时刻，φ2仍为高电位，φ3仍为低电位，而φ1由高到低转变。此时φ1下的势阱逐渐变浅，使φ1下的剩余电荷继续向φ2下的势阱中转移。 (4)t4时刻，φ2为高电位，φ1、φ3为低电位，φ2下面的势阱最深，信号电荷都被转移到φ2 下面的势阱中，这与t1时刻的情况相似，但电荷包向右移动了一个电极的位置。当经过一个时钟周期T 后，电荷包将向右转移三个电极位置，即一个栅周期（也称一位）。因此，时钟的周期变化，就可使CCD 中的电荷包在电极下被转移到输出端。

5、在晶体横向调制器中，应尽量消除自然双折射对调制光的影响，通常采用“组合调制器”的结构进行补偿。现有两块尺寸、性能完全相同的KDP 晶体，其中一块晶体如图4放置，请问另一块晶体如何放置才能消除双折射影响？并说明其原理。（需标明加电压后晶体主轴x’,y’,z 的方向和电压正负）

图4

KDP 晶体 ＋

6、设在半径为R c 的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l 0处有一个辐射强度为I e 的点源S

7、已知从铝金属逸出一个电子至少需要A = 4.2 eV 的能量，若用可见光投射到

铝的表面，能否产生光电效应？为什么？

(普朗克常量h =6.63×10-34 J ·s ，基本电荷e =1.60×10-19 C)

解： 不能产生光电效应

因为：铝金属的光电效应红限波长A /hc 0=λ，而 A =4.2 eV =6.72×19-10J nm 2960=λ

而可见光的波长范围为390 nm~770 nm > 0λ

8、在两个激光放大器之间，通常加入隔离器，使光束只沿一个方向传播。现有一45°法拉第旋转器，偏振片若干，运用所学的知识，在如图3所示的光路中第6题图

设计一个简单的磁光隔离器，画出结构示意图，并说明其工作原理。

解： 如图所示,磁光隔离器主要由起偏器、45°法拉第旋转器和检偏器构成. 起偏器和检偏器光轴间夹角为45°。来自起偏器的线偏振光,经45°法拉第旋转器之后,由于磁光效应， 振动面旋转45°,正好与检偏器的光轴平行,能通过检偏器传播。若传播的光受到反射,反射的光再度通过45°法拉第旋转器,振动面又旋转45°,正好与起偏器的光轴垂直,从而被挡住,避免了反射光进入作为光源的激光器而影响光源的稳定性，这样可以起到隔离的作用。

9、判断图9中所示为哪种探测器，写出图中所标注的a 、b 、c 的电极名称，并简述该探测器的组成和工作原理。

图9

答：光电倍增管 （1分）瓦片静电聚焦型（1分） a.（半透明）阴极 b.聚焦电极c.阳极（3分） 光电倍增管主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极等部分组成。（3分） 光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。光电倍增管的工作原理：

（1）光子透过入射窗口入射在光电阴极上；（2）光电阴极的电子受光子激发，离开表面发射到真空中；（3）光电子通过电场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。（4）经过倍增后的二次电子由阳极b

c a 入射光

光束传播方向

收集起来，形成阳极光电流，在负载上产生信号电压

10、已知热敏器件的受光面为100mm2,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/cm2K4,k B=1.38×10-23J/K）