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1、光电技术知识点复习WOW1 光辐射源1. 维恩位移定律黑体峰值付出度：2. 斯蒂芬玻尔兹曼定律3. 基尔霍夫定律：热平衡状态下任何物体的光谱辐出度与光谱吸收率的比值都相等，并等于密闭容器内的光谱辐照度，与物体材料无关。4. 普朗克辐射定律：描述黑体光谱辐出度与波长、绝对温度之间关系2 光电探测器概述1. 噪声热噪声（白噪声，所有阻性元件）散粒噪声（光电子发射器件、光伏器件中，白噪声与频率无关）产生-复合噪声（g-r噪声，光电导探测器）温度噪声（热探测器中）电流噪声（1/f噪声，1kHz以下的低频区）2. 光电效应与热电效应的异同光电效应：光辐射到光电材料上，光电材料发射电子或电导率发生变化或产
2、生光生电动势的现象，对光波频率表现出选择性，响应速度较快，分为内光电与外光电效应，具体有光电子发射效应、光电导效应光伏效应、光子牵引效应等热电效应：探测元件吸收光辐射能量后，将光能变成晶格能的热运动能量，引起探测元件温度上升，使相关物理量随之改变的过程。对光波频率没有选择性，仅决定于光功率，响应速率较慢，易受环境温度影响，包括热释电效应、温差电效应、测辐射热计效应等。3. 分类4.3 光电导探测器4 光伏探测器1. 光伏探测器的频率响应特性明显优于光电导，解释之。答：光电导：半导体材料受光照时，光子吸收引起载流子浓度变化，电导率变化随载流子浓度增加，复合机会增多，经过一段时间达到平衡，光电导探
3、测器响应时间等于光生载流子的平均寿命，一般为毫秒级。光伏探测器：光照产生的光生电子-空穴向结区扩散，由于结区内建电场的作用被分离，PN结两边出现光生电动势，入射光变为电能。忽略外电路时间常数时，光伏探测器响应时间包括扩散与漂流的时间，由于光敏面很薄，故其远小于载流子寿命。故光伏探测器响应时间比同材料的光电导探测器的响应时间要小。2. 说明PIN管与APD管的工作原理与各自的特点。PIN管的频率特性为什么比普通光电二极管好？答：PIN管：在参杂浓度很高的P型半导体与N型半导体之间夹一层较厚的本证半导体I层，具有以下特点。结电容小，频率响应高。可承受较高的反向电压，线性输出范围宽量子效率较高输出电
4、流小APD管：利用PN结在高反压下的雪崩效应来工作。工作电压很高约为100-200V，接近反向击穿电压。结区内电场极强，光生载流子极大加速，同时与晶格原子碰撞电离，产生更多的电子空穴对，形成结电流雪崩效应。具有以下特点，灵敏度高电流增益大，可达102-103响应很快原因：PIN结间距离大，结电容很小，由于工作在反偏状态，随反偏电压增大，结电容减小，提高了频率响应。3.5 光电子发射探测器1. 光电倍增管主要考虑散粒噪声。2. 光电倍增管采用负高压或正高压供电，各有什么优缺点？答：负高压（阳极接地）：便于与后面的放大器相连，操作安全；但这时阴极处于负高压。评比困难，暗电流和噪声较大，适用于对暗电
5、流和噪声要求不高的工作场合。正高压（阴极接地）：便于屏蔽，屏蔽罩可以和阴极靠得很近，屏蔽效果好；暗电流小噪声低，但阳极处于正高压，导致寄生电容大，匹配电缆连接复杂，特别是后面接直流放大器时整个放大器处于高压，不利于安全操作。如果接一个交流放大器，则必须接一个耐高压的隔直电容器。脉冲应用中常采用阴极接地，以减小暗电流和噪声。3. 光电倍增管工作原理由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极组成。入射光透过光窗照射到光电阴极上，发射出光电子，光电子经过电子光学系统加速，聚焦到倍增极上，倍增极将发射比入射更多的二次电子；电子经n次放大后形成放大后的阳极电流。4.6 热探测器1. 共性-交变温
6、升其中，Ch是热探测器的热容，G是热导。2. 温度灵敏度3. 辐射热导与温度噪声功率（）4. 热释电探测器只能测交变信号的原因答：热释电效应：热电晶体材料因吸收光辐射而产生温升，晶体表面静电荷变化自发极化：热电晶体在某个方向上正负电荷中心不重合，在晶体表面形成一定极化电荷。温度变化时，由于较大的热胀系数引起较大形变，晶体中正负电荷中心发生相对位移。故热电晶体的自发极化强度随温度变化（负相关）。平时，晶体面束缚电荷被中和而不显示外电场。温度上升时，自发极化强度减小，表面的极化电荷急剧减小，晶体表面有了“净”电荷。若构成回路则产生电流信号输出。热电晶体弛豫时间很短，因此热释电可响应快速温变。温变很
7、慢时，晶体表面束缚电荷会被自由电荷中和。故热释电探测器只能响应交变光辐射、入射光辐射的调制频率要满足5.各探测器需要考虑的噪声探测器噪声公式备注测辐射热计热噪声电阻阻值变化值温度噪声电流噪声热电偶欧姆电阻的热噪声附加热导输出电压（记忆）温度噪声热电堆热噪声热释电探测器热噪声响应速度比其它热探测器快得多，不需偏压，室温放大器的噪声电流温度噪声6. 综述除测辐射热计（热敏电阻）外不需偏压探测率较低热释电探测器具有较高的灵敏度和较快的响应速度7 光电成像器件1. 重点：CCD波形图，要求会绘制2. CCD工作原理注入：用光束直接照射P型Si-CCD衬底时，半导体内将产生电子空穴对，多数载流子会被栅极
8、上所加电压产生的电场排斥到底部，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷包，为光注入；通过输入端的输入二极管和输入栅极，把与信号成正比的电荷注入到相应势阱中，为电注入。存储：栅极上加正电压，栅极衬底之间产生电场，半导体表面附近区域的空穴被排斥到半导体下部，形成耗尽区。电子会被电场力引入并限制在耗尽区内。势阱具有存储电子的能力，当电压超过阈值时，电子浓度高于空穴形成反型层。此时，若向势阱中注入电荷，则被注入的电荷将被存储在势阱中，形成（信号）电荷包。随着电荷包的积累，表面势将继续收缩，势阱变浅。电荷包的转移：通过控制各栅极的电压来调节势阱的深度，并利用势阱的耦合原理来将电荷包从一个变浅势阱中转移到
9、相邻的深势阱中。电荷包的输出：当电荷包在最后一个转移栅极下的势阱，若CR2电极上的电压由高变低，则势阱收缩，电荷包将通过栅极下面的沟道进入N+区，又迅速被拉走形成电流Id。3. CMOS工作原理CMOS主要由像敏单元阵列和MOS场效应管集成电路。像元阵列按X和Y方向排列成方阵，可由两个方向的地址译码器进行访问。像元列产生的光电信号先经放大器放大，然后送入多路模拟开关。当某一路模拟开关导通时，其对应的列放大器内的光电信号就传至A/D转换器，变成数字信号，经预处理器处理，经接口电路输出。4. CCD与CMOS比较“随机访问（开窗）”能力：CMOS图像采用X-Y寻址方式，可读出任意局部画面，而CCD
10、采用按序读出信号的结构，开窗能力有限。灵敏度、光谱响应、噪声特性、动态范围、功耗、信号读取速率：CCD灵敏度高，具有在可见光及近红外波段的完全响应，CMOS则对红光和近红外吸收困难；CCD的噪声可以控制在极低的水平；CCD读出速率远低于CMOS；CCD的动态范围高于CMOS；CMOS的功耗低于CCD；5.8 光学信号的调制和解调1. 一次调制和二次调制的概念一次调制：将信息直接加载到光载波上二次调制：人为地按确定的规律变换载波信号2. 调制的意义：加载信息，改善系统工作品质。3.9 直接探测和相干探测1. 光外差效应信号光和参考光同时入射到光电探测器的光敏面上，形成干涉图样。光电探测器响应两束
11、光的干涉光场，其输出信号不仅与入射光波的强度有关，还和频率相位等参数有关。2. 相干探测特点：探测能力强转换增益高信噪比高滤波性好稳定性和可靠性高3. 相干探测波前条件空间条件：信号光和本振光在空间上角准直（共轴）频率条件：两者具有高度单色性和频率稳定度偏振条件：在光混频器上要求信号光与参考光的偏振方向一致，或者有偏振方向相同的分量，使之可以按光束叠加规律合成。4.10 光电检测电路与信号处理1. 最佳源电阻匹配当信号源的内阻等于放大器的最佳源电阻值时，放大器对检测电路附加的噪声最小，称为信号源与放大器之间达到了噪声匹配。2. 锁定放大器的工作原理锁放由信号通道、参考通道和相敏检波三个部分组成。信号通道对混有噪声的初始信号进行放大，对噪声做初步窄带滤波后输出；4参考通道通过触发电路、倍频电路和方波驱动电路提供一个与被测信号同频且相位可调的方波信号；相敏检波由乘法器、积分器和DC放大器组成，输入信号和参考信号在相敏检波器中混频，经过低通滤波器后得到一个与输入信号幅度成比例的直流输出分量。3. 相关器（PSD）相敏检波器：输入输出，不同谐波、不同波形。抑制偶次谐波4. 取样积分器抑制噪声原理5.11 典型光电系统的分析与设计
