光电信息检测历年论述题总汇

历年论述题总汇03-041、论述光电检测系统的基本构成，并说明各部分的功能。（10分）光电检测系统的基本构成如以下框图组成：各部分的功能如下：（1）光源：给系统提供载波光信号（2）光学系统：A、把待测量调制到载波光信号上（或者说把待测物理量转换成光量）。B、对光源进行调制（3）光电探测器：把光信号转换成电信号。（4）信号处理：把光电探测器转换成的电信号进行解调、滤波、A/D（D/A）转换、整形、换算等。（5）显示：把被测量显示出来。（6）执行：即通过检测出的被测量去控制别的执行机构。2、说明锁相放大器为什么只能对与参考信号同频（或倍频）、同相的信号有响应？（10分）（1）锁相放大器的结构：（2）根据以上的结构知道：输入信号是经被测量调制的经光电探测器输出的电信号：假设：twUUrmr0cos经混频后：t)2(cos)cos(2100w即是sU和rU的频差，为相位差。低通滤波后：)cos(21'0wUUUrmsm如果要得到直流输出信号，只有w=0，则输入信号与参考信号的频率相同。则得到的直流信号为：cos210rmsmUUU，由于未知，无法测出smU，所以当=0时，则可得到最大的信号输出，即输入信号和参考信号同相。因此，锁相放大器只能对与参考信号同频（或倍频）、同相的信号有响应。3、比较说明直接探测方法和光外差探测方法的原理和特点；并各举一例。（15分）原理：（1）直接探测方法原理：光电探测器光敏面响应的是待测光信号的辐射强度，并转换成电流或电压。（2）光外差探测方法的原理：两路光信号（一路为本振信号，另一路为已由被测信号调制的信号光波）平行入射到光电探测器光敏面上形成相干光场，混频产生中频电流。twwUUsms)(cos0特性：（1）直接探测方法的特点：a、光电探测器输出的电功率正比于入射光功率的平方；光电流正比于光电场振幅的平方。b、光强度调制。c、不适于输入信噪比小于或者微弱信号光的探测。d、结构简单、易于实现、可靠性高。（2）光外差探测方法的特点：a、光电探测器输出的中频功率正比于信号光和本振光平均功率的乘积。b、由于本振信号的作用，使光外差探测方法的内增益很大，适合于微弱信号的检测。c、光外差探测中，光电探测器不仅响应信号光的振幅或强度变化，而且响应信号光的频率或相位变化。d、滤波性能好，信噪比好。举例：（1）直接探测方法应用举例：（2）光外差探测方法应用举例：4、阐述用补偿法检测溶液浓度的工作原理及工作过程。（15分）（1）上图为用补偿式光电比色法检测溶液浓度的原理框图（2）它的工作原理及过程为：光源发出的光经过干涉滤光片后成为单色光，由分光器分成两路，分别通过4和5达到光电探测器PD1和PD2。A、检测前，先在待测试样及参考试样比色皿中均放入参考溶液（如蒸馏水），将参考通道中的光阑打到透光量最大，调节信号通道中的光阑，使电路的输出为零，即使到达PD1和PD2的信号光及参考光强度相等。B、测量开始时，在信号通道中放入待测溶液试样，由于待测溶液对工作波长的光要产生吸收，因此，到达PD1的信号光强度将减小，差动输出将不为零，调节参考通道中的光阑，使参考光强亦减小，直到与信号光强相等，即输出重新为零为止。此时，根据连接在参考通道中光阑上的刻度盘的读数，即可读出待测溶液的浓度值。08-09A1、同03-04-12、在“反向偏置”电路中，有两种取得输出电压U0的方法：一种是从负载电阻RL上取得电压U0，另一种是从二极管两端取得电压U0。叙述两种方法的特点及它们之间的联系。（10分）在“反向偏置”电路中，两种取得输出电压U0的方法：一种是从负载电阻RL上取得电压U0，如图a所示，另一种是从二极管两端取得电压U0，如图b所示。(1)对于图a）所示的电路，光电信号是直接取出的，即U0=ILRL，而对于b）图，光电信号是间接取出的，U0=UC-ILRL；(3分)(2)两种电路输出的光电信号电压的幅值相等，但相位是相反的；(3分)(3)这两种方法只适合照射到P—N结上的光强变化缓慢和恒定光的情况，这时光电二极管的结电容不起作用，二极管本身的串联电阻很小，实际上可以略去不计。(2分)(4)当二极管的光电流与暗电流接近时，光电信号难以取出，因此，运用反偏法检测微弱的恒定光时不利的。3、如果硅光电池的负载为RL，画出它的等效电路图，写出流过负载IL的电流方程及Uoc、Isc的表达式，说明其含义（图中标出电流方向）。（12分）（a）光电池工作原理图（b）光电池等效电路图（c）进一步简化(4分)从图（b）中可以得到流过负载RL的电流方程为：)1()1(/0/0KTqVsEKTqVspDpeiESeiiiii－（1）其中，SE为光电池的光电灵敏度，E为入射光照度，Is0是反向饱和电流，是光电池加反向偏压后出现的暗电流。(2分)当i＝0时，RL＝∞（开路），此时曲线与电压轴交点的电压通常称为光电池开路时两端的开路电压，以VOC表示，由式（1）解得：1ln0IIqkTVpOC（2）.。。（4分）当Ip》Io时，)/ln()/(0IIqkTVpOC当RL＝0（即特性曲线与电流轴的交点）时所得的电流称为光电流短路电流，以Isc表示，所以Isc＝Ip＝Se·E（3）。。（4分）从式（2）和（3）可知，光电池的短路光电流Isc与入射光照度成正比，而开路电压Voc与光照度的对数成正比。4、同03-04-408-09B1、试从工作原理和系统性能两个方面比较直接探测和外差探测技术的应用特点。(10分)工作原理上：①直接探测系统是将携带有待测量的光信号直接入射到探测器光敏面上，光探测器响应的是光辐射强度而输出相应的电流和电压；②光外差检测是利用两束频率不同的相干光在满足波前匹配条件下，在光电探测器上进行光学混频，探测器输出的信号是两光波频差的拍频信号，该信号包含有调制信号的振幅、频率和相位特征。系统性能上：①直接探测系统检测方法简单，易于实现，可靠性高，但是不能改善输入信噪比，不适宜检测微弱信号；②光外差检测系统复杂，对光外差两输入信号有严格的空间条件和频率条件，但检测距离远，检测精度高，灵敏度高，是天然检测微弱信号的方法。2、写出硅光电二极管的全电流方程，说明各项物理意义。（10分）08-09A-33、试问图1-1(a)和图1-1(b)分别属哪一种类型偏置电路？为什么？分别写出输出电压U0的表达式。(a)(b)图1-1光敏电阻偏置电路都属于共射极电路，(1)RRUVUUgbeBC0(2)gbeBCRRUVUU04、同03-04-409-10A1、为什么说光外差检测方式是具有天然检测微弱信号的能力？（12分）在外差探测中，因为信号光和本征光的功率分别：2/2SSAP,2/2LLAP而中频电流输出对应的电功率为：LIFIFRIP2，其中LR为光电探测器的负载电阻。所以，LLSLLSIFLSIFRPPRtPPP2222)]([cos4（1）这里的横线是对中频周期求平均。在直接探测中，探测器输出的电功率为：LSLpPRPRIS222（2）从物理过程的观点看，直接探测是光功率包络变换的检波过程；而光频外差探测的光电转换过程不是检波，而是一种“转换”过程，即把以S为载频的光频信息转换到以IF为载频的中频电流上，这一“转换”是本机振荡光波的作用，它使光外差探测天然地具有一种转换增益。为了衡量这种转换增益的量值，我们以直接探测为基准加以描述。为此令PIFSPM/把（1）和（2）式代入（3）中得到：SLPPM2通常在实际应用中，SLPP因此M1,M的大小和SP的量值有关。例如假定mwPL5.0，那么在不同的SP值下，M值将发生明显变化。列举数值如表1所示：表1M的大小和SP的量值PS(w)10-310-410-510-610-710-810-910-1010-11M110102103104105106107108从表1的数值举例中看出，在强光信号下，外差探测并没有多少好处，在微弱光信号下，外差探测器表现出十分高的转换增益。例如，在PS=10-10~10-11w量级时，M＝107~108，也就是说，外差探测的灵敏度比直接探测将高107~108量级，所以我们可以说，光外差探测方式具有天然的探测微弱信号的能力。09-10B1、叙述光电池低输入阻抗和高输入阻抗放大电路的特点和区别，各应用于什么场合？(10分)当光电池后接低输入阻抗放大电路时，其工作在短路或线性电流放大状态，这是一种电流变换状态，要求硅光电池送给负载电阻RL（这时RLRm，且RL→0）的电流与光照度成线性关系。如果需要放大信号，则应选用电流放大器。为此要求负载电阻或后续放大电路输入阻抗尽可能小，才能使输出电流尽可能大，即接近短路电流Isc，因为只有短路电流才与入射光照度有良好的线性关系。另外，在短路状态下器件的噪声电流较低，信噪比得到改善，因此适用于弱光信号的检测。当光电池后接高输入阻抗放大电路时，其工作在线性电压输出和空载电压输出（开路电压输出）状态。当负载电阻很小甚至接近于零的时候，电路工作在短路及线性电流放大状态；而当负载电阻稍微增大，但小于临界负载电阻Rm时，电路就处于线性电压输出状态，此时RLRm，这种工作状态下，在串联的负载电阻上能够得到与输入光通量近似成正比的信号电压，增大负载电阻有助于提高电压，但能引起输出信号的非线性畸变。工作在线性电压放大区的光电池在与放大器连接时，宜采用输入阻抗高的电压放大器。空载电压输出是一种非线性电压变换状态，此时RLRm且RL→∞，要求光电池应通过高输入阻抗变换器与后续放大电路连接，相当于输出开路。2、光敏电阻工作电路的三种偏置方法有什么特点？(10分)(1)恒功率偏置:输出电压URRRSURIRULLpgbpLL22)(并不随负载电阻线性变化，要使LU最大，须将式对RL微分，有32)()(LpLppgbLLRRRRRSUdRUd当负载RL与光敏电阻RP相等时，即RL=RP，表示负载匹配，LLdRUd＝0，则LU最大。此时探测器的输出功率最大，即PL=ILUL(Ub2/4RL称为匹配状态。(2)恒流偏置:在基本偏置电路中，若负载电阻RL比光敏电阻RP大得多，即RLRP，则负载电流IL简化为IL=Ub/RL这表明负载电流与光敏电阻值无关，并且近似保持常数，这种电路称为恒流偏置电路。随输入光通量ΔΦ的变化，负载电流的变化ΔIL变为IL=SgUb(RP/RL)2(Φ上式表明输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与偏置电压成正比。还可以证明恒流偏置的电压信噪比较高，因此适用于高灵敏度测量。但由于RL很大，使光敏电阻正常工作的偏置电压则需很高（100V以上），这给使用带来不便。为了降低电源电压，通常采用晶体管作为恒流器件来代替RL。(3)当负载电阻RL比光敏电阻RP小得多，即RLRP时，负载电阻两端的电压为UL≈0此时，光敏电阻上的电压近似与电源电压相等。这种光敏电阻上的电压保持不变的偏置称为恒压偏置，信号电压变为(UL=SgUbRL(Φ式中，SgΔΦ＝ΔG是光敏电阻的电导变化量，是引起信号输出的原因。从上式中看出，恒压偏置的输出信号与光敏电阻无关，仅取决于电导的相对变化。所以，当检测电路更换光敏电阻值时，恒压偏置电路初始状态受到的影响不大，这是这种电路的一大优点。3、叙述实现光外差检测必须满足的条件。(12分)信号光波和本振光波的波前在整个光混频面上必须保持相同的相位关系。光外差检测只有在下列条件下才可能得到满足：①信号光波和本征光波必须具有相同的模式结构，这意味着所用激光器应该单频基模运转。②信号光和本振光束在光混频面上必须相互重合，为了提供最大信噪比，它们的光斑直径最好相等，因为不重合的部分对中频信号无贡献，只贡献噪声。③信号光波和本振光波的能流矢量必须尽可能保持同一方向，这意味着两束光必须保持空间上的角准直。④在角准直，即