完整word版光电技术期末复习.docx
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完整word版光电技术期末复习
第1章光辐射与光源
1.1辐射度的基本物理量
1.辐射能Qe：
一种以电磁波的形式发射，传播或接收的能量。
单位为J（焦耳）。
2辐射通量Φe：
又称为辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率，单位为W（瓦），是单位时间内发射，传播或接收的辐射能，Φe=dQe/dt（J/S焦耳每秒）
3辐射强度Ie：
点辐射源在给定方向上单位立体角内的辐射能量单位为W/sr（瓦每球面度）
Ie=dΦe/dΩ.
4辐射照度Ee：
投射在单位面积上的辐射能量，Ee=dΦe/dA单位为（W/㎡瓦每平方米）。
dA是投射辐射通量dΦe的面积元。
5辐射出射度Me：
扩展辐射源单位面积所辐射的通量，即Me=dΦ/dS。
dΦ是扩展源表面dS在各方向上（通常为半空间360度立体角）所发出的总的辐射通量，单位为瓦每平方米（W/㎡）。
6，辐射亮度Le：
扩展源表面一点处的面元在给定方向上单位立体角，单位投影面积内发出的辐射通量，单位为W/sr*㎡（瓦每球面度平方米）。
7光谱辐射量：
也叫光谱的辐射量的光谱密度。
是辐射量随波长的辐射率。
光辐射量通量：
Φe（λ）：
辐射源发出的光在波长为λ处的单位波长间隔内的辐射通量。
Φe（λ）=dΦe/dλ单位为W/um或W/nm。
1.2明视觉光谱光视效率V（λ）：
视觉主要由人眼视网膜上分布的锥体细胞的刺激所引起的。
（亮度大于3cd/m2，最大值在555nm处）
暗视觉光谱光视效率：
视觉主要由人眼视网膜上分布的杆状细胞刺激所引起的。
（亮度小于0.001cd/m2，最大值在507nm处）
1.3辐射度量和光度量的对照表
辐射度量
符号
单位
光度量
符号
单位
辐射能
Qe
J
光量
Qv
Lm/s
辐射通量或辐射功率
Φe
W
光通量
Φv
lm
辐射照度
Ee
W/㎡
光照度
Ev
Lx=lm/㎡
辐射出度
Me
W/㎡
光出射度
Mv
Lm/㎡
辐射强度
Ie
W/sr
发光强度
Iv
Cd=lm/sr
辐射亮度
Le
W/sr*㎡
光亮度
光谱光视效率
Lv
V（λ）
Cd/㎡
按照人眼的视觉特性V（λ）来评价的辐射通量Φe即为光通量Φv：
Φv=Km
Φe（λ）V（λ）dλ式中Km为名视觉的最大光谱光谱光视效率函数，也成为光功当量。
国际实用温标理论计算值Km为680lm/W。
光度量中最基本的单位是发光强度单位——坎德拉，记作cd，它是国际单位制中七个基本单位之一（其他几个为：
米，千克，秒，安（培），开（尔文），摩（尔））。
光通量的单位是流明（lm）,它是发光强度为1lm的均匀电光源在单位立体角内发出的光通量。
光照度的单位是勒克斯（lx），它相当于1lm的光通量均匀的照在1m2的面积上所产生的光照度。
1.4热辐射的基本物理量（5页）
1辐射本领：
辐射体表面在单位波长间隔单位面积内所辐射的通量
2吸收率α（λ，T）:
在波长λ到λ+dλ间隔内被物体吸收的通量与λ射通量之比，它与物体的温度和波长有关，
3绝对黑体：
任何物体，只要温度在绝对零度以上，就向外界发出辐射，这称为温度辐射。
黑体是一种完全的温度辐射体，定义为吸收率α（λ，T）=1的物体为绝对黑体，其辐射本领为：
4物体的发射率ε（λ，T）
1.5热辐射基本上可分为两类：
黑体辐射和线状，带状辐射源。
主要基本定律：
基尔霍夫定律，兰伯特定律，距离平方反比定律，亮度守恒定律和
1.6普朗克定律
1.7.维恩位移定律
每一种温度的Meb（λ,T）~λ曲线都有一个峰值，随着温度的升高此峰值向短波方向移动
1.8.斯忒藩玻耳兹曼定律
1.9光源的光谱功率分布通常可分为四种情况：
1，线性光谱，有若干条明显分隔的细线组成，如低压汞灯。
2，带状光谱，由一些分开的谱带组成，每一条谱带中又包含许多细谱线，如高压汞灯，高压钠灯就属于这种分布。
3，连续光谱，所有热辐射光源的光谱都是连续的。
4混合光谱，由连续光谱与线，带谱混合而成，一般的荧光灯光谱就属于这种分布，。
10.光源的色温（18页）
黑体的温度决定了它的发光辐射特性。
对非黑体辐射，它的某些特性可用黑体辐射特性来近似表示。
对于一般光源，经常采用分布温度、色温或相关色温表示。
分布温度：
辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱功率分布，与黑体在某一温度下辐射的相对功率分布一致，那么该黑体的温度就成为该辐射源的分布温度。
这种辐射体的光谱辐射亮度可表示为：
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。
由于一种颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同的光源，他们的相对光谱功率分布不一定相同。
相关温度：
在均匀色度图中，如果色源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关温度。
1.11光源的颜色：
光源的颜色包含了两方面的含义即色表和显色性。
色表：
用眼睛直接观察光源时所看到的颜色。
例如高压钠灯的色表成黄色，荧光灯的色表程白色。
显色性：
当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色（也就是物体反射光的在人眼中产生的颜色感觉）与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色一致性。
1.12热辐射光源有三个特点：
1，它们的发光特性都可以利用普朗克公式进行精确的估算，即可以精确掌握和控制他们发光或辐射性质；2它们发出的光通量构成连续的光谱，且光谱范围很宽，因此使用的适应性强。
但在通常温度下，紫外辐射和可见光幅度含量很少，这有限制了这类光源的适用范围；3采用适当的稳压或稳流供电，可使这类光源的光输出获得很高的稳定度。
1.13气体放电原理：
密封在泡壳内的气体或金属气体在电场的作用下激励出电子和离子，电子和离子从电场中获得能量分别向阴极和阳极运动，它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子。
这一过程中会引起原子的激发，受激原子回到低能级时就会发射出辐射，这就是气体放电原理。
优点（与白炽灯相比）：
发光效率高，结构紧凑，寿命长以及光色适应性强等特点。
1.14发光二级管（LED）的工作原理：
P-N结上未加电压时有一定的势垒，当加上正向偏压时在外加电场的作用下，在P-N结附近产生导带电子和价带空穴的复合。
一个电子和一个空穴的每一次复合，都将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这个能量会以热能，光能，或部分热能和部分光能的形式辐射出来。
1.15发光二级管的优点;
1.属于低电压（1-2V），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3.性能稳定，寿命长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。
主要缺点：
功率较小，光色有限，较难获得短波发光，且发光效率低。
1.16激光器的工作原理：
激光器一般有工作物质，谐振腔和泵浦源组成。
常用的泵浦源是辐射源或电源，利用泵浦源能将工作物质中的离子从低能态激发到高能态，是处于高能态的粒子数大于处于低能态的粒子数，构成粒子数的反转分布，这是产生激光的必要条件。
1.17激光器的类型：
1气体激光器2固体激光器3染料激光器4半导体激光器。
1.18激光的特性：
单色性，方向性，亮度，相干性。
课后作业5,6,7,17,18
第2章光电探测器概述
2.1光电探测器的分类：
1 光子探测器：
内光电效应器件和外光电效应器件
（光电子发射探测器，光电导探测器，光伏探测器，光电磁探测器）
2 热探测器（测辐射温差热电偶和热电堆，电阻测辐射热器，热释电探测器）
2.2光电二极管的分类：
结型光电二极管，雪崩光电二极管，pin结光电二极管，肖特基势垒光电二极管。
2.3光电探测器的噪声：
散粒噪声，热噪声，产生-复合噪声，温度噪声，电流噪声
课后作业1,2,3,6
1.光子探测器和热探测器特性上的差别列表：
光子探测器
热探测器
机理
光子效应
光热效应
光谱响应
选择性
非选择性
响应量
电压、电流
和温度有关
响应时间
快
慢
是否需要制冷降噪
是
否（温热辐射器除外）
2.为什么光子探测器的工作波长越长，工作温度越低？
根据维恩位移定律，当探测器工作波长较长时，探测器的光谱响应峰值波长也响应变大，故工作波长越低；另外，为了提高探测器的性能，降低噪声和提高探测率，应在低温下工作。
3.说明光电导器件、P-N结光电器件和光电发射器件的禁带宽度和截止波长间的关系。
光电效应发生的条件：
E=h Eg（Eg为半导体禁带宽度）
截止波长：
6.求解过程如下：
第3章光电子发射探测器
3.1光电子发射材料
纯金属；表面吸附一层其他元素原子的金属和半导体材料；用作光电管、光电倍增管，变像管，像增强管和一些摄像管等光电器件中的光电阴极，其作用是使不同波长的各种辐射信号转换为电信号。
3.2很多半导体材料具有良好的光电子发射性能的原因：
1半导体对入射光有较小的反射系数，有较大的吸收系数，通常在长波极限波长附近就有表面和体内光电子发射效应产生；2阴极层导电性适中，一来可以使光电子在趋向表面运动的过程中损失能量比金属小，二来可以使层内传导电子的补充不发生困难；3半导体内存在着大量的发射中心（价带中有大的电子密度）4半导体有较小的光电逸出功，在光谱响应内有较高的量子效率。
3.3负电子亲和势光电阴极的量子效率高的原因：
负电子亲和势阴极因其表面无表面势垒，所以受激电子跃迁并迁移到表面后，无需克服表面势垒就可以较容易的逸出表面。
受激电子在表面迁移过程中，因与晶体碰撞，使其能量降到导带底而变成热化电子后，仍可继续向表面扩散并逸出表面。
对于一般正电子亲和势光电阴极来说，激发到导带的电子必须克服表面势垒，只有高能电子才能发射出去，所以负电子亲和势光电阴极的有效逸出深度要比正电子亲和势阴极大得多。
因此负电子亲和势光电阴极的量子效率较高。
3.4光谱响应延伸到红外，光谱响应率均匀：
阈值波长公式如下：
3.5半导体中光电子发射一般经过三个步骤：
对光电子的吸收；光电子向表面的运动；克服表面势能的逸出
3.6光电倍增管结构：
光电阴极，电子光学输入系统（光电阴极到第一倍增极D1之间的系统），二次发射倍增系统及阳极等构成。
3.7暗电流
无光照时，光电培增管的输出电流称为暗电流。
暗电流对测量缓变信号不利。
暗电流的产生因素有以下几种：
1 光电阴极和第一倍增管的热电子发射；
2 极间漏电流；
3 离子和光的反射作用；
4 场致发射；
5 放射性同位素和宇宙射线的影响；
减少俺暗电流的方法：
1 选好光电倍增管的极间电压；
2 在极间回路中加上与暗电流相反的直流成分进行补偿；
3 在倍增输出电路中加一选频或锁相放大滤掉暗电流；
4 利用冷却法减少热电子发射；
3．课后作业1,4，9,12
1.为什么负电子亲和势光电阴极的量子效率高，而且光谱范围可扩展至近红外区？
答案见3.3和3.4详解。
2.光电发射和二次电子发射两者有哪些不同？
简述光电倍增管的工作原理：
原理基本上相同，都是原子的外层电子受到激发后，获得足够的动能，从而脱离金属表面的势垒，成为自由电子。
它们之间一个很大的不同点是：
光电发射，一般的情况下十个光子也就是能激发出一个电子而已，而二次电子发射，则有可能一个电子激发出2~10个电子，因此二次电子发射具有放大电流的功能，而光电发射则是把光子转化成了电子，但是这个转化效率，专业一点说叫做量子效率，一般会低于20%，这个效率取决于金属的材料以及入射光的波长等因素。
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。
9.证明过程如下：
12.
第4章;光电导探测器
4.1光电导探测器可根据不同类型的光电导效应和材料差异分为
本征型、杂质型、薄膜型和扫积型光电导探测器。
4.2p96-97页看看光电导探测器内增益G
4.3课后习题第6题
第5章光伏探测器
5.1光伏探测器和光电导探测器的区别：
119页上面第二段；
5.2光生伏特效应：
对于不均匀半导体，由于同质的半导体不同的掺杂形成的pn结，不同质的半导体组成的异质结或金属与半导体接触形成的肖特基势垒都存在内建电场，当光照在这种半导体时，由于半导体对光的吸收而产生了电子空穴，它们在内建电场的作用下就会向相反的方向移动和集聚而产生电位差，这种现象称为——
5.3丹倍效应
对于均匀半导体，由于体内没有内建电场，当光照这种半导体一部分时，由于光生载流子浓度梯度的不同而引起载流子的扩散运动。
但电子和空穴的迁移率不等，由于两种载流子扩散速度的不同而导致两种电荷的分开，从而产生光生电势。
这种现象称为丹倍效应。
5.4光磁电效应：
如果将均匀半导体放在与光辐射方向相垂直的磁场中，则将有洛伦兹力作用于扩散的电子和空穴，使他们向垂直于扩散方向的不同方向偏转，从而在半导体的两侧端面间产生电位差这种效应称为光磁电效应
5.5光磁电效应和霍尔效应的区别：
在霍尔效应中，载流子的定向移动是由外加电场引起的。
两种载流子的运动方向相反，二者形成的电流方向相同。
垂直的磁场使两种载流子向同一方向偏转，效果是互相减弱。
而在光磁电效应中，定向运动是由扩散引起的。
两种载流子扩散方向相同，二者形成的电流方向相反。
在垂直磁场作用下，向相反方向偏转，效果是互相加强的。
5.6看123页最下面一段话（各个象限）
5.7根据不同光伏探测器RD取值，可设计相应的低噪声前置放大器。
书中图5-7分别绘出了光伏探测器光伏和光导工作模式的等效电路，对于光伏模式的探测器内阻远低于负载电阻，它相当于一个恒压源。
与此相反，在光导模式中，光伏探测器的内阻将远远大于负载电阻，它相当于一个恒压源。
5.8p端为光电池正极，n端为负极，一般在地面上应用作为光电探测器的多为p+n型，如国产2CR型
n+p型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用，作为航天的太阳能电池，如国产的2DR型。
（130）
5.9光电二极管的分类：
p-n结光电二级管；PIN光电二极管；雪崩光电二极管；
5.10光电池的特性参数：
光照特性；光谱特性；温度特性；频率特性；
5.11（140）雪崩光电二极管和PIN光电二极管的联系和区别和联系：
5.12光电三极管的结构和工作原理：
5.13光子牵引作用：
当强激光脉冲（波长大于带间吸收）辐照时，具有辐射压力的光子和自由空穴相互作用，使空穴得到能量和动量，从而沿光传播方向运动，好像光子牵着空穴前进，即光子牵引作用。
5.14课后作业1,2,5,7,8
1.光伏探测器的光伏和光导模式，并比较其特点：
光导模式工作时，pn结加上一个反向电压，外加电压所建电场和pn结内建电场方向相同，使得光照产生的电子－空穴对在强电场作用下更容易产生漂移运动，提高了器件的频率特性。
此外反偏压可增加长波灵敏度及扩展线性区上限，但是反偏产生的暗电流引起较大的散粒噪声，低频时还有电流噪声，因而限制了探测能力的下限。
此外暗电流受温度影响大。
光伏模式时，因是无偏压工作，暗电流产生的散粒噪声小，无低频噪声。
无光照时仅有热噪声，故信噪比较高。
在低频工作时具有优势。
但截止频率较低，长波灵敏度略小一些。
2.光伏探测器工作于零偏下有哪些优点。
若工作于反向偏压下应注意哪些问题：
第6章，热探测器
6.1热释电效应：
（155）
某些物质吸收光辐射后将其转化成热能，这个热能能使晶体的温度升高，温度的变化又改变了晶体内晶格的间距，这就引起居里温度以下存在的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。
6.2（157）面电极结构：
边电极结构：
6.3热探测器和光电探测器的区别：
6.4课后作业1,6
第7章，其他光电探测器件
7.1CCD的信号传输过程：
电荷转移（或传输）；电荷注入；电荷输出。
三相二位：
四相三位：
7.2CCD摄像器件的基本性能参数：
分辨率；暗电流；灵敏度；动态范围；光谱响应。
（180页看看）
第8章，光辐射的调制
8.1调制就是使载波的某一参量（例如幅度，频率，相位等）按欲传输信号规律变化的过程。
调制的方式可以分为三类：
模拟调制；脉冲调制；数字调制。
（196~197）
8.2弹光效应
当一块各向同性的透明介质受外力作用时，介质的折射率会发生变化，这种现象称为弹光效应。
通常把超声波引起的弹光效应称为声光效应。
8.3（228页）当满足Q<1时，并且入射光线平行于声波波面（即垂直于声波传播方向入射时）产生拉曼--奈斯衍射
8.4（231）当满足Q>>1时，并入射光以一定的角度斜入射声光介质，则产生布拉格衍射。
条件
8.5看233页声光调制器的结构和原理
8.6电光调制
当电路加在晶体上时，其折射率的变化可能产生线性效应或平方效应，加电场的方向通常由两种方式：
一种是沿着晶体主轴z轴方向，使电场方向与光线方向平行，产生纵向光电效应；二是电场沿晶体任一主轴x轴或y轴或z轴加在晶体上，而取通光方向与电场方向相垂直，即产生横向电场效应。
8.7线性电光效应：
晶体受外加电场作用时，其寻常光和非常光折射率将发生变化。
折射率的变化与电场大小成正比的电光效应称为线性电光效应。
（235）
第9章，直接探测系统
9.1光电系统的类型：
按携带信息的光源分可分为主动系统和被动系统；按光谱范围分可分为可见光探测系统和红外探测系统；按接收系统分可分为点探测系统和面探测系统；从调制方式和信号处理电路的类型分可分为模拟系统和数字系统；从光波对信息信号（或被测未知量）的携带方式可分为直接探测系统和相干探测系统。
9.2信噪比
9.3直接探测和相干探测系统的优缺点：
1 直接探测：
在多数场合中，常常用光波的强度变化来携带信息，，用直接探测的方法可光波的强度变化所包含的信息检测出来。
光的频率和相位的变化必须采用相干探测方法。
直接探测是一种简单而又实用的探测方法，在工业，航空，航天，军事，医疗等领域得到广泛的应用
2 直接探测法不能改善输入信噪比；而相干探测法则能；
3 直接探测：
对于微弱光信号探测是很适宜的探测方法；
4 直接探测方简单，易于实现，可靠性高，成本较低，所以应用广泛；
5 相干探测优点：
精度很高；灵敏度可达量子噪声限，可探测单个光子，进行光子计数；探测距离远；转换增益高；可获得全部信息；良好的滤波性能；有利于微弱光信号的探测。
6 相干探测缺点：
要求光源的相干性极好；受大气湍流影响严重，破坏了激光的相干性；
7 在带宽相同的条件下，相干探测的极限信噪比是直接探测的2倍；两者的信噪比求取公式有本质的区别；
9.4在炎热的夏季，湍流对激光传播的影响尤为突出。
主要表现为下面几个方面：
强度闪烁；光束抖动；光束偏转。
9.5直接探测系统中限制背景功率的方法一是在空间上限制系统视场角；另一方面是加光学滤光片对背景进行光谱滤波。
（263）
第10章，相干探测
一，相干探测的特点：
转换增益高；可获得全部信息；良好的滤波性能；有利于微弱光信号的探测。
二，将相干探测量子噪声限信噪比公式与直接探测量子噪声限信噪比公式比较发现，在滤波器带宽相同的情况下，相干探测的极限信噪比是直接探测的信噪比的2倍。
（273上）
三，相干探测的空间条件：
必须保持信号光和本振光在空间上的角准直。
四，相干探测的频率条件：
为了获得高灵敏度的相干探测，要求信号光和本振光具有高度的单色性和频率稳定度。
五，课后习题4（如题三）,6
第11章，光电信号处理方法
一，前置放大器的设计要求是低噪声，高增益，低输出阻抗，大的动态范围，良好的线性特征和较好的抗产噪声能力。
此外，还要仔细地屏蔽，以消除不希望有的散杂场信号。
（280页）
二，（283）信号匹配和噪声匹配的区别：
噪声的测量方法：
正弦波发；噪声发生期法；
三，（293）电子系统的带宽：
1 对于脉冲信号，其主要频谱能量集中在0~1/t以内；
2 矩形脉冲的脉宽较窄，要求放大器的带宽就越宽；
3 当要求保持脉冲的形状时，带宽要求更宽些。
四，采样定理
五，看看303页微弱光电信号处理方法
基本方法：
压缩检测通道带宽；取样平均处理；
细分为：
锁相放大器法；取样积分法；光子计数法；
六，锁相放大器的工作原理：
锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。
它利用和被检测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频或倍频，同相的噪声分量有响应。
因此能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。
它有三个主要的部分：
信号通道，参考通道和相敏检波。
信号通道对混有噪声的初始信号进行选频放大，对噪声做初步的窄带滤波；参考信道通过锁相和移相提供一个与被测信号同频同相的参考电压。
相敏检波由混频乘法器和滤波器滤波组成。
七，（306）取样积分器的原理：
利用取样和平均化技术测定深埋在噪声中的周期性信号的测量装置。
八，（309）光子计数系统原理：
利用光电倍增管能检测单个光子能量的功能，通过光电子计数的方法测量极微弱光脉冲信号的装置。
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