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1、绪 论0-1依据光电科学与光机电一体化技术之树的根、干、枝、果关系，自己列举两个光电技术的应用例子。第一章 光电器件的物理基础1-1可见光的波长、频率和光子的能量范围是多少？1-2一块半导体样品，有光照时电阻为50，无光照时电阻为5000，求该样品的光电导。1-3用PN结简图表示出光生电压的极性和光生电流的方向。若光电PN结在照度E1下的开路电压为Uoc1，求照度E2下的开路电压Uoc2。1-4为什么光电阴极都是用P型半导体材料制作的？第二章 光电探测器件2-1试述光电倍增管的原理。设管中有n个倍增极，每个倍增极的二次电子发射系数均为，试推导电流增益Mn。2-2试述光电池的工作原理，以及开路电
2、压、短路电流与光照度的关系。2-3为什么结型光电器件只有反偏置或零偏置时才有明显的光电效应。2-42CR、2DR和2CU、2DU在结构上有何主要区别。2DU管设环极的目的何在，使用时应如何接电。2-5PIN管的频率特性为什么比普通光电二极管好。第三章 热电探测器件3-1热电探测器与光电探测器比较，在原理上有何区别？3-2热电探测器与普通温度计有何区别？第四章 光电成象器件4-1CCD器件中的电荷包为什么会沿着半导体表面转移，以三相或二相CCD为例具体研究一下它的转移过程。4-2为什么CCD必须在动态下工作？其驱动脉冲的上、下限受哪些条件限制，应如何估算？第五章 发光器件与光控器件5-1半导体激
3、光器和发光二极管的时间响应如何？使用时以什么方式（连续或脉冲）驱动为宜？5-2克尔盒和泡克耳斯盒的基本结构如何？U/2与o、e光的相差有何关系？5-3声光调制器的基本原理如何？在什么条件下是声光调制器，在什么条件下是声光偏转器？5-4磁光效应与物质的天然旋光性有何区别？磁光调制器的基本结构如何？第六章 光电检测电路的设计6-1光电检测电路的设计应注意满足哪些技术要求？怎样衡量一个检测电路的好坏？6-2为什么要进行检测电路的静态计算？要解决哪些问题？有哪些计算方法？6-3光电二极管有哪些可能实现的电路方式？各种工作状态有什么特点？对检测电路有什么要求？6-4光电检测电路的动态计算包括哪些内容？它
4、们对检测电路的工作有何要求？6-5决定光电检测电路的频率特性有哪些因素？什么是截止频率？有什么参数决定？第七章 非相干光光电信号变换方法7-1对于形式多样的各种光信号，为了进行分析比较，应该进行怎样地分类和概括？7-2举例说明缓慢变化的光信号有哪些检测方法。它们的特点是什么？主要检测误差源有哪些？7-3什么是光学调制？有哪些调制方法？它们有什么特点和应用？什么是调制器，调制器有哪些类型？7-4什么是相敏检波？相敏检波中的参考电压起什么作用？这种电路为什么要采用有单向导电的器件？在光电检测技术中有何应用？第八章 相干光光电信号变换方法8-1什么是光学干涉和光电干涉测量？怎样理解干涉现象的相幅变换
5、作用。为什么说干涉测量是一种有效的几何参量和物理参量的传感技术？8-2举例说明什么是直接探测和外差探测，它们的工作原理和特性是什么。怎样理解光学外差测量为干涉测量的发展提供了有效手段8-3在形成和检测干涉条纹时，为了得到高质量的光电条纹信号应怎样设计和调整光学系统？怎样选择光电检测器的参数？为什么？8-4相干光的频率调制和检测有哪些主要类型？划出它们的信号变换流程图，解释它们的工作原理和特点。8-5什么是直接光频率调制？为什么它能用于干涉测量？采用直接调频法测量物体面形和距离都有哪些方法？说明它们的工作原理。8-6通过本章的介绍，怎样认识相干光信息的形成和检测技术的演变过程？对干涉测量技术的今
6、后发展作怎样的估计？习 题11. 设在半径为Rc的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l0处有一个辐射强度为Ie的点源S，如图所示。试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。l0SRc第1题图 ， 2. 如图所示，设小面源的面积为DAs，辐射亮度为Le，面源法线与l0的夹角为qs；被照面的面积为DAc，到面源DAs的距离为l0。若qc为辐射在被照面DAc的入射角，试计算小面源在DAc上产生的辐射照度。LeDAsDAcl0qsqc第2题图用定义和求解。4. 霓虹灯发的光是热辐射吗？ 不是热辐射。6. 从黑体辐射曲线图可以看出，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长lm随温度T的升高而减小。试由普朗克热辐射公式
7、导出。这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为2.89810-3mK。 普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0，即可求的。9. 常用的彩色胶卷一般分为日光型和灯光型。你知道这是按什么区分的吗？按色温区分。习 题21. 何为大气窗口，试分析光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素。对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为大气窗口。2. 何为大气湍流效应，大气湍流对光束的传播产生哪些影响？是一种无规则的漩涡流动，流体质点的运动轨迹十分复杂，既有横向运动，又有纵向运动，空间每一点的运动速度围绕某一平均值
8、随机起伏。这种湍流状态将使激光辐射在传播过程中随机地改变其光波参量，使光束质量受到严重影响，出现所谓光束截面内的强度闪烁、光束的弯曲和漂移（亦称方向抖动）、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，统称为大气湍流效应。5. 何为电光晶体的半波电压？半波电压由晶体的那些参数决定？当光波的两个垂直分量Ex，Ey的光程差为半个波长（相应的相位差为p）时所需要加的电压，称为半波电压。7. 若取vs=616m/s，n=2.35， fs=10MHz，l0=0.6328mm，试估算发生拉曼-纳斯衍射所允许的最大晶体长度Lmax=?由公式计算。10. 一束线偏振光经过长L=25cm，直径D=1cm的实心玻璃，玻璃
9、外绕N=250匝导线，通有电流I=5A。取韦尔德常数为V=0.2510-5（）/cmT，试计算光的旋转角q。由公式和计算。11. 概括光纤弱导条件的意义。从理论上讲，光纤的弱导特性是光纤与微波圆波导之间的重要差别之一。实际使用的光纤，特别是单模光纤，其掺杂浓度都很小，使纤芯和包层只有很小的折射率差。所以弱导的基本含义是指很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构，而且为制造提供了很大的方便。15. 光波水下传输有那些特殊问题？主要是设法克服这种后向散射的影响。措施如下：适当地选择滤光片和检偏器，以分辨无规则偏振的后向散射和有规则偏振的目标反射。尽可能的分开发射光源和接收器。采用如图2-28所示的
10、距离选通技术。当光源发射的光脉冲朝向目标传播时，接收器的快门关闭，这时朝向接收器的连续后向散射光便无法进入接收器。当水下目标反射的光脉冲信号返回到接收器时，接收器的快门突然打开并记录接收到的目标信息。这样就能有效的克服水下后向散射的影响。习 题31. 一纵向运用的KDP电光调制器，长为2cm，折射率n=2.5，工作频率为1000kHz。试求此时光在晶体中的渡越时间及引起的相位延迟。渡越时间为：td=nL/c相位延迟因子：2. 在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个l/4波片，波片的的轴向如何设置最好？若旋转l/4波片，它所提供的直流偏置有何变化？其快慢轴与晶体的主轴x成45角，从
11、而使和两个分量之间产生p/2的固定相位差。7. 用PbMoO4晶体做成一个声光扫描器，取n=2.48，M2=37.7510-15s3/kg，换能器宽度H=0.5mm。声波沿光轴方向传播，声频fs=150MHz，声速vs=3.99105cm/s，光束宽度d=0.85cm，光波长l=0.5mm。 证明此扫描器只能产生正常布喇格衍射； 为获得100%的衍射效率，声功Ps率应为多大？ 若布喇格带宽Df=125MHz，衍射效率降低多少？ 求可分辨点数N。 由公式证明不是拉曼-纳斯衍射。 ， 若布喇格带宽Df=125MHz，衍射效率降低多少？， 用公式和计算。习 题44.1 比较光子探测器和光热探测器在作
12、用机理、性能及应用特点等方面的差异。答：光子效应是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。因为，光子能量是h，h是普朗克常数, 是光波频率，所以，光子效应就对光波频率表现出选择性，在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量h的大小没
13、有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。值得注意的是，以后将要介绍一种所谓热释电效应是响应于材料的温度变化率，比其他光热效应的响应速度要快得多，并已获得日益广泛的应用。4.2 总结选用光电探测器的一般原则。答：用于测光的光源光谱特性必须与光电探测器的光谱响应特性匹配；考虑时间响应特性；考虑光电探测器的线性特性等。习 题55.1 以表面沟道CCD为例，简述CCD电荷存储、转移、输出的基本原理。CCD的输出信号有什
14、么特点？答：构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器。正如其它电容器一样，MOS电容器能够存储电荷。如果MOS结构中的半导体是P型硅，当在金属电极（称为栅）上加一个正的阶梯电压时（衬底接地），Si-SiO2界面处的电势（称为表面势或界面势）发生相应变化，附近的P型硅中多数载流子空穴被排斥，形成所谓耗尽层，如果栅电压VG超过MOS晶体管的开启电压，则在Si-SiO2界面处形成深度耗尽状态，由于电子在那里的势能较低，我们可以形象化地说：半导体表面形成了电子的势阱，可以用来存储电子。当表面存在势阱时，如果有信号电子（电荷）来到势阱及其邻近，它们便可以聚集在表面。随着电子来到势阱中，表面势将降低，耗尽层将减薄，我们把这个过程描述为电子逐渐填充势阱。势阱中能够容纳多少个电子，取决于势阱的“深浅”，即表面势的大小，而表面势又随栅电压变化，栅电压越大，势阱越深。如果没有外来的信号电荷。耗尽层及其邻近区域在一定温度下
