光电检测课程总结

1.光电检测技术的特点高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。高速度：光速是最快的。远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。2.简述本征吸收、杂质吸收。本征吸收:电子从价带激发到导带引起的吸收称为本征吸收,当一定波长的光照射到半导体上时，电子吸收光后能从价带跃迁入导带，显然，要发生本征吸收，光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg。杂质吸收:由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗(二章38-43)3.外光电效应、内光电效应、光伏效应外光电效应：固体受光照后从其表面逸出电子的现象称为光电发射效应或外光电效应。当金属或半导体受到光照射时，其表面和体内的电子因吸收光子能量而被激发，如果被激发的电子具有足够的能量，足以克服表面势垒而从表面离开，产生了光电子发射效应。被光逸出的电子称为光电子,基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。内光电效应：物质受到光辐射的作用后，内部电子能量状态产生变化，但不存在表面发射电子的现象。(二章57）光伏效应：又称光生伏特效应，是指由内建电场形成势垒，此势垒将光照产生的电子空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，产生光生电动势的效应。(二章91-112)4.简述光电探测器的特性参数。响应特性、噪声特性、量子效率、线性度、工作温度响应度（或称灵敏度）：是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的量度。描述的是光电探测器件的光电转换效率(响应度是随入射光波长变化而变化的,响应度分电压响应率和电流响应率)[电压响应度:光电探测器件输出电压与入射光功率之比ioVPVS;电流响应度ioIPIS:光电探测器件输出电流与入射光功率之比;光谱响应度()()()oViVSP()()()oIiISP：探测器在波长为λ的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比;积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度;响应时间：响应时间τ是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数(上升时间：入射光照射到光电探测器后，光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。);频率响应：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应]噪声特性:在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象[光电探测器常见的噪声：热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声、1/f噪声]工作温度：工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度。光电探测器在不同温度下，性能有变化。5.光子器件和热电器件的区别光子器件：响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器件无响应。响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒。热电器件：响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感，响应慢，一般为几毫秒。(三章)6.光电池有哪些参数？它们的含义是什么？结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。原理：当光照射PN结的一个面时，电子——空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生0.2V～0.6V电压、50mA电流。1.光照特性1.1硅光电池的伏安特性：表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。1.2照度-电流电压特性：光电池的短路光电流Isc与入射光照度成正比，而开路电压UOC与光照度的对数成正比；在光照度一定时，UOC与受光面积的对数成正比，短路电流Isc与受光面积成正比。1.3照度-负载特性：光照增加到一定程度后，输出电流非线性缓慢地增加，直至饱和，并且负载电阻越大，越容易出现饱和，即线性范围较小。因此，如欲获得较宽的光电线性范围，负载电阻不能取很大。注：不同照度时的伏安特性曲线，一般硅光电池工作在第四象限。若硅光电池工作在反偏置状态，则伏安特性将延伸到第三象限2.光谱特性光电池对不同波长的光灵敏度不同；硅光电池的光谱响应峰值在0.8μm附近，波长范围0.4～1.2μm。硅光电池可在很宽的波长范围内应用；硒光电池光谱响应峰值在0.5μm附近,波长范围0.38～0.75μm。3.频率特性频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。硅光电池频率响应较好，硒光电池较差。所以高速计数器的转换一般采用硅光电池作为传感器元件。对同一材料光电池，负载大时频率特性变差，减小负载可减小时间常数τ，提高频响。但是负载电阻RL的减小会使输出电压降低，实际使用时视具体要求而定。（ⅰ）要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻；（ⅱ）光电池面积越大则响应时间越大总的来说，由于硅光电池光敏面积大，结电容大，频响较低。4.温度特性光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路电压Voc与短路电流Isc随温度变化的情况。开路电压Voc随着温度的升高而减小，其值约为2～3mV／oC；短路电流Isc随着温度的升高而增大，但增大比例很小，约为10-5～10-3mA/oC数量级。5.稳定性当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时,光电池的性能是相当稳定的,使用寿命也很长。硅光电池的性能比硒光电池更稳定。光电池的性能和寿命除了与光电池的材料及制造工艺有关外，在很大程度上还与使用环境条件有密切关系。7.简述PIN探测器的工作原理。PIN型光电二极管也称PIN结二极管、PIN二极管，在两种半导体之间的PN结，或者半导体与金属之间的结的邻近区域，在P区与N区之间生成I型层，吸收光辐射而产生光电流的一种光检测器。具有结电容小、渡越时间短、灵敏度高等优点。工作原理在上述的光电二极管的PN结中间掺入一层浓度很低的N型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征（Intrinsic）半导体，故称I层，因此这种结构成为PIN光电二极管。I层较厚，几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。8.简述雪崩光电二极管APD的工作原理。雪崩光电二极管是一种p-n结型的光检测二极管，其中利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度。其基本结构常常采用容易产生雪崩倍增效应的Read二极管结构（即N+PIP+型结构，P+一面接收光），工作时加较大的反向偏压，使得其达到雪崩倍增状态；它的光吸收区与倍增区基本一致（是存在有高电场的P区和I区）。9.简述LD的发光原理。半导体激光器发出一系列光脉冲，经过光纤耦合器进入光纤，来自被测光纤的部分后向散射光再次经过耦合器传输到雪崩光电二极管转换为电信号。10、简述LED的发光原理。PN结上加正向偏压时：自由电子通过二极管时会陷入P型层中的空穴。这一过程涉及电子从传导带到低轨道的跌落，因而电子会以光子的形式释放出能量。这种发射过程主要对应光的自发辐射过程。11、简述光电探测器中的热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声和低频噪声的含义热噪声：或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动(相当于微电脉冲)，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声又称为白噪声。散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的，PN结中通过结区的载流子数也是随机的。散粒噪声也是白噪声，与频率无关。散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。产生-复合噪声：半导体受光照，载流子不断产生-复合。在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的，但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。低频噪声：或称闪烁噪声或低频噪声。噪声的功率近似与频率成反比，多数器件的1/f噪声在200~300Hz以上已衰减到可忽略不计。（三章33页-）12、光电池的工作原理光电池的主要功能是在不加偏置的情况下能将光信号转换成电信号。按用途光电池可分为太阳能光电池和测量光电池。光电池是一个PN结，根据PN结材料的不同，常见的光电池有硒光电池，硅光电池、砷化镓光电池和锗光电池四种。结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。原理：当光照射PN结的一个面时，电子—空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生0.2V～0.6V电压、50mA电流。(六章）13、光纤传感器01.概念光纤传感器FOS,用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质或作为感受被测量的敏感器。(其实质是通过光调制器，将一个携带着待测信息（被测对象）的信号叠加到载波光波上，经光纤传输后由光探测系统解调、经信号处理系统处理后检测出所需要的待测信号。)02.主要优点：◆灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可挠性强、可实现不带电的全光型探头。◆频带宽、动态范围大。◆可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器。◆便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测和控制。◆可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境。◆结构简单、体积小、重量轻、耗能少。03.光纤的结构①纤芯：石英玻璃，直径5-75um，材料以SiO2为主，掺杂微量元素，掺杂的作用是提高材料折射率。②包层：直径100-200um，折射率略低于纤芯。③涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。④套层：尼龙或其它有机材料，提高机械强度，保护光纤。04.光缆的结构由缆芯、加强钢丝、填充物和护套等几部分组成05.斯乃尔定理（Snell'sLaw）当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图，其折射角大于入射角，即n1＞n2时，θr＞θi。n1sinθi=n2sinθr入射角θi增大时，折射角θr也随之增大，且始终θr＞θi。06.光纤导光原理及数值孔径NA结论：arcsinNA是一临界角，凡入射角θi＞arcsin(NA)的光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反，只有入射角θi＜arcsin(NA)的光线才可进入光纤被全反射传播。NA定义为“数值孔径”。它是衡量光纤集光性能的主要参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有2θc张角内的光，才能被光纤接收、传播(全反射)；NA愈大，光纤的集光能力愈强。产品光纤通常不给出折射率，而只给出NA。石英光纤的NA=0.2～0.4。07.光纤的临界角对应光纤的入射角临界值为08.光纤模式及其对光信号传输的影响221201sincnnNAn2200120nnnnNA21arcsincnn09.光纤的种类（1）、按材料性质：高纯度石英玻璃光纤：耐温度较高，导光效率佳多组分玻璃光纤：用更常规的玻璃制作，损耗很低塑料光纤：损耗小，体积小（2）按折射率分布：阶跃折射率光纤；渐变折射率光纤（3）按光纤的传输模式：单模光纤；多模光纤（4）按用途分：通信光纤；特殊光线：液芯光纤、红外光纤等（5）按制作方法分：CVD；MCVD010011.012.光纤传感器的分类（1）功能型（全光纤型）光纤传感器FF利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤（或特殊光纤）作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。传感型光纤传感器（功能型光纤传感器）（本征型）原理：指利用外界因素改变光纤中光的特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的。特点：传感合一，信息的获取和传输都在光纤之中。（2）非功能型（或称传光型）光纤传感器NFF光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其它物理性质的