光电检测技术(第二版)-答案-(与教材匹配)-曾光宇-张志林-张存林-主编

Allrightreserved:Charles光电检测技术（第二版）答案曾光宇张志林张存林主编清华大学出版社北京交通大学出版社附注：本答案通过网络收集汇总而成，只提供第1章到第5章的绝大部分答案。其他章节以简答题为主，大多在书本上能找到解释，因此不花时间整理。谢谢网友们的资源分享。祝大家学习顺利。第1章1-1：答案一：①波长为632.8nm的激光的视见函数值𝑉𝜆=0.265光通量𝜙𝜈，辐射通量𝜙𝑒,最大能光视效能Km=683lm/W发光强度𝐼𝑣,亮度𝐿𝑣,光出射度𝑀𝑣②Allrightreserved:Charles答案二：①该激光束的光通量328.0102240.0683)(3emvVKLm（流明）发光强度)1028.3(102.44/)101(328.05523vvICd(坎德拉)光亮度：)102.4(1035.54/)101(102.41111235或SILvvCd/m2光出射度：523102.44/)101(328.0SMvvLm/m2②10米远处光斑面积大小：52321085.7)10110(414.3)(4LSm2反射光功率为：33'107.110285.0PPW反射光通量：279.0240.0683107.1)(3''VKPmvLm漫反射屏可以看作是个朗伯体，其法向发光强度I0与光通量的关系是/0I，由于朗伯体的光亮度与方向无关，所以：35'01013.11085.714.3279.0SSILvvCd/m21-2:30*4π2=30*4*3.14*1.5*1.5=848lm1-3：根据维恩位移定律：T𝜆𝑚=B,B=2.897*10−3m·K解得T=6535K1-5：Allrightreserved:Charles白噪声：指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。所有频率具有相同能量的随机噪声称为白噪声。1/f噪声:这种噪声的功率谱与频率成反比变化，故称1/f噪声。措施：降低温度，选择带通小的电阻。1-6：最小辐射功率：1-7：时间常数：Ʈ=12𝜋𝑓𝑐=12𝜋∗20M≈8ns1-8:第2章2-1：（1）辐射效率和发光效率在给定波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比，称为光源在规定光谱范围内的辐射效率。（2）光谱功率分布不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。（3）空间光强分布Allrightreserved:Charles对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同的。若在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，矢量的长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。（4）光源的色温辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。（5）光源的颜色光源的颜色包含了两个方面的含义，即色表和显色性。用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色与物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。（6）光源的色温2-2：自发辐射：原子开始处于高能态𝐸2,，它自发地从高能态跃迁至低能态𝐸1，并发出频率为ƴ=(𝐸2−𝐸1)/h的光子。受激吸收：原子开始处于低能态，在1个频率为ƴ=(𝐸2−𝐸1)/h的入射光子激发下，原子吸收了这个光子，跃迁至高能态。受激辐射：原子开始处于高能态，在1个频率为ƴ=(𝐸2−𝐸1)/h的入射光子激发下，原子从高能态跃迁至低能态，并发射2个完全相同的光子。2-3：场致发光的三种形态，即粉末，薄膜和结型。交流粉末场致发光光源：（1）固体化，平板化，因而可靠，安全，占地小，易安装；（2）面积，形状几乎不受限制，因此可以通过光刻，透明导电膜和金属电极掩蔽镀膜的方法，制成任意发光图形；（3）无红外辐射的冷光源，因而隐蔽性好，对周围环境没有影响；（4）视角大光线柔和，易于观察；（5）寿命长。可连续使用几千小时，而发光不会突然全部熄灭；（6）功耗低，约几毫瓦/〖厘米〗^2；（7）发光易于电控。直流粉末场致发光光源：光源亮度高，且亮度随电压上升而迅速上升；制造工艺简单，成本低，外部驱动方便。薄膜场致发光光源：厚度薄，没有介质，均匀细密，分辨率高，成像质量高，对比显示度好，驱动电压低，平板化，可以制成各种形状，视角大。光线柔和，制备工工艺简单，造价便宜。发光二极管：（1）属于低电压，小电流器件，在室温下即可得到足够的亮度；（2）发光响应速度快（〖10〗^(-7)~〖10〗^(-9)s）；（3）由于器件在正向偏置下使用，因此性能稳定，寿命长（一般在〖10〗^5小时以上）；Allrightreserved:Charles（4）易于和集成电路匹配，且驱动简单；（5）与普通光源相比，单色性好，其发光的半宽度一般为几十纳米；（6）小型，耐冲击。2-4：n型半导体中多数载流子是电子，p型半导体中多数载流子是空穴。P-N结未加电压时构成一定势垒。加正向偏压时，内电场减弱，p区空穴和n区电子向对方区域的扩散运动相对加强，构成少数载流子的注入，从而p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合，复合中产生的与材料性质有关的能量将以热能和光能的形式释放。以光能形式释放的能量就构成了发光二极管的光辐射。发光二极管的外量子效率与所用的半导体材料的折射率有关。2-5：半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。特点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。对电源要求：半导体激光器本质上是一种大电流开关电路，电源除了能提供大的电流脉冲外，还应给出足够大的脉冲电压幅度。2-6：结构：一般由工作物质、谐振腔和泵浦源3部分组成激光的特点：单色性好、方向性强、亮度高、相干性好第3章3-1：因为正向偏置时，正向电流远远大于光电流，因此光电效应不明显。必须工作于反向偏置状态。3-2当负载电阻断开时，p端对n端的电压称为开路电压，用表示LROCV)1ln(0IIqkTVPOCAllrightreserved:Charles当负载电阻短路时，发生电压接近与零，流过器件的电流叫短路电流，用SCI表示：3-33-4：开路电压具有负温度系数，随着温度升高，开路电压值反而减少。3-5：3-6：3-7：PIN管原理：在高掺杂P型和N型半导体之间生长一层具有一定厚度（近似于反偏压下的耗尽层厚度）的本征半导体或低掺杂半导体材料（称为I层），使PIN管具有优于耗尽层光敏二极管的高速响应特性。特点：响应时间很短，在S左右；频带很宽，可达10GHz；输出电流小，只有零点几uA至数uA雪崩二极管原理：雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作)1(/0kTqUPDPLeIIIIIESIIEPSCAllrightreserved:Charles的一种二极管。特点：它通常工作在很高的反偏电压状态，自身有电流增益，具有响应度高，响应速度快的特点。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。原因：由于I层（高阻）的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可以选择低电阻的基体材料，减少了串联电阻；使扩散区不会到达基体，从而减少了或者根本不存在少数载流子通过扩散区的扩散时间，提高了响应速度；反偏下，耗尽层较无I层时要大的多，从而使结电容下降到零点几PF。3-8：第4章4-1：光谱响应范围宽偏置电压低，工作电流大动态范围宽光电导灵敏度大，灵敏度高光敏电阻无极性，使用方便4-2：热噪声、产生——复合噪声、低频噪声Allrightreserved:Charles4-3：4-4：Allrightreserved:Charles4-5：Allrightreserved:Charles第5章5-1：5-2：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K上。2）光电阴极电子受光子激发，离开表面发射到真空中。3）光电子通过电子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次方倍。4）经过倍增后的二次电子由阳极P收集起来，形成阳极光电流，在负载RL上产生信号电压。5-4：热电子发射欧姆漏电高的工作电压5-5：因为探测器本身的热噪声会对测量造成极大的影响。5-6：正高压供电优点：便于屏蔽，光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极靠得近些，屏蔽效果好；暗电流小，噪声低。缺点：阳极要处于正高压，会导致寄生电容大，匹配电缆连接复杂，特别是后面若接直流放大器，整个放大器都处于高电压，不利于安全操作；如果后面接交流放大器，则必须接一个耐压很高的隔直电容器，而一般耐压很高的电容器体积大而且价格高。负高压供电优点：便于跟后面的放大器相接，操作安全，后面不仅可以通过一个低压耦合电容与交流放大器相接，也可以直接与直流放大器相接。缺点：这时阴极要处于负高压，屏蔽罩不能跟阴极靠得很近，至少要间隔1～2cm，因此屏蔽效果差一些，暗电流和噪声都比阳极接地时大，而且整个倍增管装置的体积也要大些。信号输出电路Allrightreserved:Charles（1）负载电阻输出用一只负载电阻将电流信号转化为电压信号，再连接到电压放大器或电压表上。负载电阻不能过大，否则会使倍增管频率响应和线性变差。（2）运放输出输出电压：AfiRu0电源稳压：根据公式：MMnkUU1式中，U为电源电压，M为光电倍增管电流增益，n为倍增极数，k为与材料相关系数，取0.7~1，这里取k=1计算：电源电压稳定度：%083.0%111211MMnkUU5-7：