光电技术与光纤基础(复习2014).

光电技术与光纤基础总复习（一）计算题3,4,5章各一题内容•第一章：光电检测应用中的基础知识•第二章：光电检测中的常用光源•第三章：结型光电器件•第四章：光电导器件•第五章：真空光电器件•第六章：真空成像器件•第七章：固体成像器件•第八章：红外辐射与红外探测器•第九章：光导纤维与光纤传感器•第十章：太赫兹的产生与检测第一章基础知识一．辐射度学和光度学的基本概念及其计算二．半导体基础知识三．基本定律四．光电探测器的噪声和特性参数被测对像光学系统光电转换被测对象的信息加载光源信息载体光电探测器信息处理光电检测系统组成：辐射度学和光度学的基本概念及其计算1、辐射功率（辐射通量）e单位：W（瓦特）2、辐射强度eI单位srW/3、辐射亮度单位：2/msrW4、辐射出射度eM单位：W/m25、辐照度eE单位：W/m2eL一、辐射度学基本物理量辐射度学和光度学的基本概念二、光度学基本物理量1、视见函数(联系了…)555nm时最大！2、基本物理量表1－2，注意单位、相互之间关系辐射度学和光度学的基本概念三、其他基本概念（1、2、3、4）半导体基础知识一、基本概念1、能带结构2、杂质半导体3、非平衡载流子(计算长波极限)4、扩散和漂移N型中，自由电子空穴浓度非本征要低温：减少热激发带来的影响基本定律一、黑体辐射定律（概念）1、基尔霍夫定律（任何物体的单色辐出度和单色吸收比之比，等于同一温度时绝对黑体的单色辐出度）2、普朗克辐射公式(了解)3、斯忒藩－玻耳兹曼定律辐射出射度MeB(T)=σT^44、维恩位移定律BTm基本定律二、光电效应1、内光电效应2、外光电效应光电导效应：光照导致载流子浓度增加，电导率增大光伏效应（光生伏特效应）：产生势垒半导体会计算阈值波长光电发射效应：光照作用下，电子逸出λ=1.24/Eth能量阈值Eth=EA+EgEa电子亲和势Eg禁带宽度光电探测器的噪声和特性参数一、特性1、响应率：探测器的输出信号电压Us或者电流Is与入射的辐通量之比，称为电压响应率Sv或Si2、光谱响应率：单色光照射下，上面的比值3、等效噪声功率：最小可探测功率，越小越好第二章常用光源一．光源的特性参数二．热辐射源（太阳，白炽灯）三．气体放电光源（脉冲灯，汞灯）四．固体发光光源发光二极管（P型和N型半导体结合的二极管）一．激光器自发辐射、受激吸收、受激辐射三个条件：粒子数反转、谐振腔、光汞光源的特性参数•辐射效率和发光效率•光谱功率分布•光源的颜色•光源的温度:色温相关色温分布温度ve,热辐射源（能举例&判别）•太阳•黑体模拟器•白炽灯气体放电光源（能举例&判别）•脉冲灯•原子光谱灯•汞灯固体发光光源•结型发光光源–发光二极管工作原理及量子效率激光器•激光原理–三种跃迁过程、必要条件•激光器的结构(能画图并指出各部分的作用)•激光器的类型（气体、固体、染料、半导体）•激光的特性–单色性好、方向性好、亮度高、相干性好第三章结型光电器件一．结型光电器件的工作原理二．硅光电池三．硅光电二极管和硅光电三极管四．结型光电器件的放大电路五．特殊结型的光电二极管六．结型光电器件的应用实例——光电耦合器件结型光电器件的工作原理•热平衡状态下的PN结–外加偏压、反向饱和电流•光照下的PN结–光伏效应–电流方程分析负载电路（如图3-2）SEE）（eIIkTqUp10DpLIII流过负载电流硅光电池•不加外电压！IDIPRLURsCjRshILE=0E1E2UIL)1(0kTqUpLeIII光伏工作区RL1RL2光电子、光伏工作区、光电池都工作在第四象限；光电二极管、光电三极管工作在第三象限硅光电池•特性参数（负载小线性范围大）–光照特性——开路时(电压)、短路时(电流)、有限负载时ILU1E2E3E4EUoc4Isc4Isc1Isc2Isc3Uoc2Uoc1Uoc3线性区RL1RL2硅光电二极管和三极管•一般在反向偏压下工作反向偏压加大内建电场！使ＰＮ结拉开，增大势垒。光导工作区E=0E1E2UIESIIIEP0P)1e(IIIkTqU0pL与光电池的比较光电池工作区UbRLE=0E1E2UIL光电二极管工作区RLUb=0RLRLUbIP硅光二极管和光电池都是基于PN结的光伏效应工作的。这就是硅光二极管工作在反偏置电压下的原因。内光电效应。光电池工作在零偏置状态下。特殊结型光电二极管•PIN型光电二极管–结构、原理•光电位置传感器–原理–位置表达式•雪崩光电二极管(有放大作用)•紫外光电二极管（结浅）2112IIIILxL2xLIIA1L2xLIIA2PIN型光电二极管优点•使PN结的结间距离拉大•内建电场基本集中在I层中•增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度•可承受较高的反向偏压第四章光电导器件•工作原理（无光照，电阻很大；受光照，电导率改变，电阻减小，光生载流子迅速增加）•主要特性参数光电导灵敏度Sg=gp/Egp光电导量子效率n=Nhv/Φ输出的光电流与输入光电流之比•偏置电路和噪声•特点与应用（照相机的自动曝光电路，路灯自动控制电路）杂质光敏要工作在低温下，防止热激发工作原理•基于内光电效应（光电导效应）•暗电流、亮电流、光电流及三者的关系流过光敏电阻的电流Ｉ＝Ｉp+ＩDI为亮电流Ｉp光电流，ＩD暗电流A)pn(qLUALUIpnP)(LqUNpn2主要特性参数•光电灵敏度(计算)•量子效率ESggpgpSg偏置电路(结合应用)UUbRLRPIIU=PmaxUbUb/RLE2E3禁区UIQ3Q2Q1E1E=0光敏电阻的伏安特性曲线负载电流和电压的变化近似地与光通量的变化△Φ成正比。第五章：真空光电器件（基于外光电效应）•光电阴极：能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，光电发射体在光电器件中常作为阴极。（使辐射信号转为电信号）•光电管与光电倍增管（都是真空的）•光电倍增管的主要特性参数•光电倍增管的供电和信号输出电路•微通道板光电倍增管•光电倍增管的应用光电阴极•工作原理——外光电效应•主要参数–灵敏度–量子效率–光谱响应曲线•分类：反射与透射•常用光电阴极材料–负电子亲合势及其特点光电管与光电倍增管•光电管–玻壳、光电阴极和阳极组成，真空型和充气型•光电倍增管–基于外光电效应和二次电子发射效应–结构上与光电管的区别：电子光学系统和倍增级光电倍增管•工作原理•典型参数阴极KA阳极μAU1U2U5U6U3D2U4D3D1D4D5光电倍增管•入射窗口–端窗、侧窗•电子光学系统–作用：汇聚、同步•电子倍增极•阳极光电倍增管的主要参数•灵敏度阴极灵敏度Sk=Ｉk/ΦＩk阴极输出光电流阳极灵敏度Sp=Ｉp/Φ•放大倍数N321KP......II光电倍增管的供电和信号输出电路Rf=2MΩUoIP光电倍增管Uo=Ip×Rf微通道板光电倍增管•结构原理应用•结构：微通道板是由成千上万根微通道排成的二维列阵（工作在真空）•原理：微通道是一根很细的玻璃管，它的内壁镀有高阻值的二次发射材料，施加高压后内壁出现电位梯度，光电阴极发出的一次电子轰击微通道的一端，发射出二次电子因电场加速而轰击另一处，再发射二次电子，这样连续多次发射二次电子，可获得10的四次方增益。•应用：MCP光电倍增管光电倍增管的应用•微弱光探测（图5-26）——光子计数第六章：真空成像器件光电成像器件真空成像器件固体成像器件像管变像管像增强管摄像管光电发射型像管（摄像管）光电导型像管（视像管）无存储直视不可见光可见光弱光强光有存储非直视电荷耦合器件CCD自扫描光电二极管列阵SSPD第六章：真空成像器件•像管•常见像管•摄像管•光导靶和存储靶•摄像管的特性参数•摄像管的发展方向像管•包括变像管和像增强管•结构和工作原理光电阴极电子透镜荧光面照像机或人眼像管结构原理示意图常见像管•常见变像管–红外、紫外•常见像增强器–级联式、微通道板、X射线能举例！摄像管•与变像管的区别（作用）•分类–光电发射型摄像管、光电导型摄像管两者的不同之处:前者有移像区,后者无光电阴极电子光学系统移像区两者相同之处:扫描区电子枪灯丝,热阴极,控制栅极,各加速电极,聚焦线圈,偏转线圈,校正线圈光导靶和存储靶•视像管靶–硅靶(结构)，工作原理•存储靶–二次电子传导靶三个过程：（1）无光照扫描充电(归零)（2）有光照无扫描光→电（3）电子束再次扫描,输出(归零)三个过程：（1）无光照扫描零电位（2）有光照无扫描电位升高（3）电子束再次扫描输出摄像管的特性参数（了解）1、灵敏度2、光电转换特性第七章：固体成像器件•电荷耦合器件•电荷耦合器件的分类•CCD摄像机分类•CCD的性能参数•自扫描光电二极管列阵•发展现状和应用CCD：（ChargeCoupledDevice）电荷耦合器件固体成像器件SSPD：（SelfScannedPhotodiodArray)自扫描光电二极管列阵电荷耦合器件•结构•耦合原理与电极结构•CCD的组成与工作原理–输入、转移、输出深势阱从1电极→2电极下，势阱内的电荷也向右转移了一位，如果不断地改变电极上的电压，就能使信号电荷可控地一位一位按顺序传输，这就是所谓的电荷耦合。10V10V2Vt22）电荷的耦合10V2V2Vt14V10V2Vt32V10V2Vt42V4V10Vt52V2V10Vt6t1t2t3t4Ф1Ф2Ф3tttt5UUU三相时钟t6电荷耦合器件的分类•线阵CCD–单边、双边•面阵CCD–帧转移、行间转移CCD摄像机分类•能举例可见光ＣＣＤ，紫外ＣＣＤ，Ｘ射线ＣＣＤCCD的性能参数•转移效率和转移损失率（能计算）原有的信号电荷量为Ｑｏ，转移到下一个电极下的电荷量为Ｑ１转移效率η＝Ｑ１／Ｑｏ转移损失率１－η当信号转移了ｎ个电极后，总转移率为Ｑｎ／Ｑｏ＝η＾ｎnnn自扫描光电二极管列阵•结构形式和工作原理（图7-14～16）–连续（N+1根引线）连续工作方式–电荷存储（三个过程：准备、曝光、再充电）•线阵、面阵–工作原理7-4LR，RQU/maxcdUCQsPsDPTITIIQ)(dccdCQUU①准备过程：场效应管导通，电容器被充电②曝光过程：场效应管截止，同时有光入射到光敏二极管上，产生电子空穴对，光电流流过电容器，对电容器放电，放电电量正比于入射的光强度③再充电过程，场效应管再次导通，电容器再次被充电，流过负载电阻的电流在负载上产生电压降，即输出电压，输出电压的大小正比于电容放电的多少，即正比于入射的光通量的大小。第九章：光导纤维与光纤传感器•光导纤维基础知识•光导纤维的应用（光纤照明器）•光纤传感器的分类及构成•功能型光纤传感器•非功能型光纤传感器光导纤维基础知识•光纤的结构•光纤的种类•光纤的传光模式•光纤的传光原理22211110cossinsinnnnnncC能在光纤中发生全反射的入射光的入射角不能大于θC：数值孔径越大，光纤集光能力越强数值孔径NA最大张角例：石英光纤的NA=0.2~0.4张角为：11.5°~23.6°纤芯包层外套光导纤维基础知识•传输损耗•色散类型•集光本领•光纤耦合的三个类型光导纤维的应用•能举例光纤传感器的分类及构成•分类–功能型：不仅起传光作用而且又是敏感元件–非功能型：只作为传输回路•基本构成–光源–光电元件•优点：几何适应性强；灵敏度高功能型光纤传感器•相位调制型–原理–压力温度传感器•光强调制型非功能型光纤传感器（举例）•传输光强调制型•反射光强调制型•频率调制型•光纤液位传感器(了解原理)