光电检测技术复习总结

光电检测技术复习总结第一章1.光电检测系统的组成：光源信息载体光电探测器信息处理装置；2.可见光的波长范围：380nm---780nm;3.半导体的光吸收效应：1)本征吸收：本征半导体吸收光子能量的过程叫本征吸收；要发送本征吸收，光子能量必须≥材料的禁带宽度，即hv≥Eg;或(hc/λ)≥Eg;h:普朗克常量6.62×10^(-34)j.s;c:光速3×10^8m/s;λ:光波长本征半导体存在一个长波限：λo=(hc)/Eg=1.24/Eg;2)杂志吸收：参有杂质的半导体，束缚电子可以吸收光子，束缚空穴也可以吸收光子，这个就是杂志吸收；杂志吸收的长波限为：λ=1.24/ΔEg;ΔEg是杂质吸收的电离能；4.黑体辐射定律①绝对黑体：在任何温度下，对任何波长的入射辐射能的吸收比都是1的东西；不存在的；灰体：一个物体对光的吸收比小于1，但是近似地等于一个常数η，则该物体就是灰体，η叫它的黑度；1)黑体辐射定律一，基尔霍夫定律：不同的物体1，2，3…,只要所处温度和入射光波长λ相同，那么他们这些物体的单色辐出度Me(λ,T)和单色吸收比α(λ,T)的比值就是一个常量，而且这个常量等于相同温度时绝对黑体的单色辐出度MeB(λ,T);即，Me(λ,T)/α(λ,T)=MeB(λ,T)2)黑体辐射定律二，普朗克辐射公式：普朗克推导出了黑体光谱辐射出度与波长λ和温度T的关系；MeB(λ,T)=c1/{(λ^5)·[e^(c2/λT)–1）]}k波尔茨曼常数，h普朗克常量，c1=3.74×10^(-16)(W·m²)MeB(λ,T)黑体辐射出度，λ光波长，T温度值3)黑体辐射定律三，斯忒藩-波尔茨曼定律：黑体辐射出度MeB(λ,T)和温度T的关系为：MeB(λ,T)=σ·T^4;σ=5.67×10^(-8)WmK,斯忒藩-波尔茨曼常数；4)黑体辐射定律四，维恩位移定律：黑体辐射出度MeB(λ,T)最大时，对应的那个波长λm和此时的温度值T有一个关系：T·λm=BB=2.897×10^(-3)m·K5.光电效应分为内光电效应和外光电效应；内光电效应有分为光电导效应和光生伏特效应；1)光电导效应：半导体受到光照时，由于吸收了光子所以是自身的载流子增多，因而材料的电导率增大，这种现象就叫做光电导效应；能够产生光电导效应的材料称为光电导体；2)光生伏特效应：光照射到PN结的P区上之后，会在近表面激发电子-空穴对，电子将被结电场拉倒N区，空穴进入P区。这样电子进入N区，空穴进入P区，就会产生一个电势差，这就是光生伏特效应；3)光电发射效应：在光照的作用下，会使电子逸出物体表面向外发射，这就是外光电效应，也叫光电子发射效应；①物体的电子吸收光子的能量，当吸收的能量大于逸出功Ao时，就会向外产生动能，公式表示为：h·v=(1/2)mv²+Ao(光电发射第一定律)h：普朗克常量6.626×10^(-34)J·sv：光的频率(1/2)mv²:电子逸出去之后的动能；Ao：电子需要逸出物体表面克服的逸出功；②光电发射第二定律：一束光照射到物体表面时会产生光电流，饱和光电流Iq和入射光通量之间成正比；Iq=Sg·φIq：饱和光电流，Sg:光电灵敏度φ：入射光通量③光电发射可以分为以下三个步骤：1物体吸收光子，激发内部电子为高能态；2被激发的电子向物体表面运动，运动过程中碰撞而损耗部分能量3克服逸出功，溢出物体表面，完成了发射过程；4）从上面的逸出功可以知道，每一种物体的逸出功都不同，所以每一个物体都有一个可以使电子刚好溢出的光频域值，即红限频率；hv=Ao时的光频率v就是那个红限频率；也叫长波限；半导体的长波限为:λm=1.24/Ao;6.练习题一支氦-氖激光器（波长为632.8nm）发出激光的功率为2mw。该激光束的平面发散角为1mrad，激光器的放电毛细管直径为1mm。（1）求出该激光束的光通量，发光强度，光亮度，光出射度。（2）若激光束投射在10m远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的反射比为0.85，求该屏上的光亮度第二章1.激光产生的三个条件：粒子数反转、光泵、谐振腔；2.激光的特性：单色性、方向性、亮度、相干性；第三章1.半导体结型光电器件利用了光生伏特效应来工作的光电探测器件；结型光电器件使用时需注意：1.确定极性，必须反偏；2.检测模拟量时光照不可太强；检测数字量光照可以强一些；3.灵敏度和器件类型、使用条件、方法有关4.结型器件响应速度都很快；5.结型器件的各种参量都和温度有关；还和电磁场等有关；2.光敏电阻的结构和分类：1)光敏电阻是利用光电导体制成的光电器件；在一个光电导体两端加上电极，贴在绝缘基板上，两端引出电极引线；封装在外壳内制成；如图所示的结构：2)光敏电阻的分类：本征光敏电阻和掺杂光敏电阻；N型半导体的光敏特性较好，所以一般使用较多的就是N型半导体光敏电阻；3.光敏电阻应用电路---用光敏电阻设计一个光控开关电路：开关常闭开关①电路组成分析：如图所示就是一个光控开关的控制电路应用；在图中，是从220V高压接过来的电路，所以电路可以分为两个部分，第一部分：电阻R、二极管VD、电容C组成的半波整流滤波电路；还有第二部分就是光敏电阻、继电器J、开关组成的控制部分；②电路功能分析：光照弱阻值大继电器J无法启动灯路电阻小，电流走灯路灯亮了；光照强阻值小电流都流过来了继电器J启动工作开关常闭了灯灭了4.习题：4.1光敏电阻有哪些优点：可靠性好、体积小、灵敏度高、反应速度快、光谱特性好4.4光敏电阻R与Rl=2KΩ的负载电阻串联后接于Ub=12V的直流电源上，无光照时负载上的输出电压为U1=20mv，有光照时负载上的输出电压U2=2v，求（1）光敏电阻的暗电阻和亮电阻值；（2）若光敏电阻的光电导灵敏度Sg=6*10^-6s/lx，求光敏电阻所受的照度。解:第五章1.光电阴极：能够产生光电发射效应的物体；因为常作为阴极，所以又叫光电阴极；2.光电倍增管的原理：1)光阴极在光子作用下发射电子，这些电子被外电场(或磁场)加速，聚焦于第一次极。这些冲击次极的电子能使次极释放更多的电子，它们再被聚焦在第二次极。这样，一般经十次以上倍增，放大倍数可达到108～1010。最后，在高电位的阳极收集到放大了的光电流。2)输出电流和入射光子数成正比。整个过程时间约10-8秒。3)光电倍增管由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统、阳极五部分组成；基本结构图：3.极微弱光信号的探测---光子计数的原理如图所示：如上图为光子计数器的原理图，当光子入射到光电探测器上时，倍增管的光阴极释放的电子在管内电场作用下运动至阳极，在阳极的负载电阻上出现光电子脉冲，然后经处理把光信号从噪声中以数字化的方式提取出来。弱辐射信号是时间上离散的光子流，因而检测器输出的是自然离散化的电信号，采用脉冲放大、脉冲甄别和计数技术可以有效提高弱光探测的灵敏度。第六章真空成像器件1.固体成像器件和真空成像器件的区别和联系：光电成像器件分为：①其中真空成像器件内部有一个真空管；真空成像器件又分为像管和摄像管；像管的作用是把不可见或微弱的光图像通过光阴极和电子光学系统转化成可见光图像；摄像管将可见光和不可见光的二维图像通过光电靶和电子束扫描成一维图像成像的；②像管和摄像管的区别是：像管内部没有扫描机构，不能输出电视信号；③固体成像器件没有真空的扫描，而是通过特殊的硬件电路读出电信号，然后送到显示器件进行成像；第七章固体成像器件1.CCD就是电荷耦合器件：①CCD组成，信号输入部分、电荷转移部分、信号输出部分；突出特点就是以电荷作为信号载体；属于非稳态器件；CCD分为点阵CCD和面阵CCD；②CCD四种平衡状态：变像管像增强管第九章：光导纤维和光纤传感器1.光纤的数值孔径：入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度α的正弦值就称为光纤的数值孔径（NA=sinα）2.光纤传光的原理：在如图所示的光纤传输示意图中，一束光以θ0入射到端面，折射成θ1，之后在纤芯内以ψ1的角度产生全反射，并且以相同的角度反复全反射向前传输，直至从光纤的另一端射出，这就是光纤的传光原理；图中的虚线表示入射角θ0过大而不能产生全反射，直接溢出了，这叫光纤的漏光；能产生全反射的最大入射角θc可以通过光学反射知识求得：sin(θc)也叫光纤的数值孔径:NA;n0