光电检测技术与应用重点计算题

1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)(10670.5842KsJ/m，维恩常数为2897.9m）（1）人体正常的绝对温度T=36.5+273=309.5(K)，根据斯忒藩-玻尔兹曼辐射定律，正常人体所发出的辐射出射度为)/(3.5205.3091067.52484mWTMeb）（－（2）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为)(36.95.3099.28979.2897mTm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RL。解：根据公式'''SPguug)(405.01010005.085.0'''suguSPg（最大线性输出下，负载线正好通过M’点')(ugGuVL135.0405.0104010'guVuGL6104.71LLGRR23.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.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）。计算公式为LIIIIxLxLIILxLIIAAA12120201224.(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。321t1t2t3t435、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线偏光通过第一和第二块晶体两光束的相位差21LnnLnnyzzy''22dLVrnErnErnnnnErnnozozooeezoo63363363363322212212))](([)(由自然双折射引起的相位的符号相反所以相互抵消x’y’KDP晶体z＋－入射光偏振方向x’y’电光晶体z电光晶体z-x’y’＋－+－46、设在半径为Rc的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l0处有一个辐射强度为Ie的点源S，如图所示。试计算该点源发射到圆盘的辐射功率。解：因为ddeeI，且22000212cos12sincRRllddrdSdc所以220012ceeeRllIdI7、已知从铝金属逸出一个电子至少需要A=4.2eV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=6.63×10-34J·s，基本电荷e=1.60×10-19C)答：不能产生光电效应因为：铝金属的光电效应红限波长λ0=hc/A,而A=4.2eV=6.72*10-19J所以λ0=296nm而可见光的波长范围400nm-760nm》λ0所以不能产生光电效应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。图8答：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。激光放大器激光放大器光束传播方向l0SRc第1.1题图起偏器检偏器450法拉第偏转器450激光450激光放大器激光放大器59、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。答：光电倍增管a，阴极b，栅网c，阳极光电倍增管由光入射窗，光电阴极，电子学系统，倍增管和阳极等部分组成光电倍增管由光窗，光电阴极，电子学系统，光电倍增系统和阳极五个部分组成，光电倍增管的工作原理（1）光子透过入射窗口入射到光电阴极（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，倍增极发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子径N极管倍增极倍增后，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1HZ，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,kB=1.38×10-23J/K）bca入射光