光電技術與光纖基礎復習2014

1、光電技術與光纖基礎總復習（一）,計算題 3,4,5章各一題,內容,第一章：光電檢測應用中的基礎知識 第二章：光電檢測中的常用光源 第三章：結型光電器件 第四章：光電導器件 第五章：真空光電器件 第六章：真空成像器件 第七章：固體成像器件 第八章：紅外輻射與紅外探測器 第九章：光導纖維與光纖傳感器 第十章：太赫茲的產生與檢測,第一章 基礎知識,輻射度學和光度學的基本概念及其計算 半導體基礎知識 基本定律 光電探測器的噪聲和特性參數(shù),被測對像,光學系統(tǒng),光電轉換,被測對象的信息加載,光電檢測系統(tǒng)組成：,輻射度學和光度學的基本概念及其計算,1、輻射功率（輻射通量）,單位：W（瓦特）,2、輻射強度,單

2、位,3、輻射亮度,單位：,4、輻射出射度,單位：W/m2,5、輻照度,單位：W/m2,一、輻射度學基本物理量,輻射度學和光度學的基本概念,二、光度學基本物理量,1、視見函數(shù)(聯(lián)系了),555nm時最大！,2、基本物理量,表12，注意單位、相互之間關系,輻射度學和光度學的基本概念,三、其他基本概念（1、2、3、4）,半導體基礎知識,一、基本概念,1、能帶結構,2、雜質半導體,3、非平衡載流子(計算長波極限),4、擴散和漂移,N型中，自由電子空穴濃度,非本征要低溫：減少熱激發(fā)帶來的影響,基本定律,一、黑體輻射定律（概念）,1、基爾霍夫定律（任何物體的單色輻出度和單色吸收比之比，等于同一溫度時絕對黑

3、體的單色輻出度）,2、普朗克輻射公式(了解),3、斯忒藩玻耳茲曼定律 輻射出射度 M e B (T ) = T4,4、維恩位移定律,基本定律,二、光電效應,1、內光電效應,2、外光電效應,光電導效應：光照導致載流子濃度增加，電導率增大 光伏效應（光生伏特效應）：產生勢壘,半導體會計算閾值波長,光電發(fā)射效應：光照作用下，電子逸出,=1.24/Eth 能量閾值Eth=EA+Eg Ea電子親和勢 Eg禁帶寬度,光電探測器的噪聲和特性參數(shù),一、特性,1、響應率：探測器的輸出信號電壓Us或者電流 Is與入射的輻通量之比，稱為電壓響應率Sv或Si,2、光譜響應率：單色光照射下，上面的比值,3、等效噪聲功率

4、：最小可探測功率，越小越好,第二章 常用光源,光源的特性參數(shù) 熱輻射源（太陽，白熾燈） 氣體放電光源（脈沖燈，汞燈） 固體發(fā)光光源 發(fā)光二極管（P型和N型半導體結合的二極管） 激光器 自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射 三個條件：粒子數(shù)反轉、諧振腔、光汞,光源的特性參數(shù),輻射效率和發(fā)光效率 光譜功率分布 光源的顏色 光源的溫度: 色溫 相關色溫 分布溫度,熱輻射源（能舉例&判別）,太陽 黑體模擬器 白熾燈,氣體放電光源（能舉例&判別）,脈沖燈 原子光譜燈 汞燈,固體發(fā)光光源,結型發(fā)光光源 發(fā)光二極管工作原理及量子效率,激光器,激光原理 三種躍遷過程、必要條件 激光器的結構(能畫圖并指出各部分的作用)

5、 激光器的類型（氣體、固體、染料、半導體） 激光的特性 單色性好、方向性好、亮度高、相干性好,第三章 結型光電器件,結型光電器件的工作原理 硅光電池 硅光電二極管和硅光電三極管 結型光電器件的放大電路 特殊結型的光電二極管 結型光電器件的應用實例光電耦合器件,結型光電器件的工作原理,熱平衡狀態(tài)下的PN結 外加偏壓、反向飽和電流 光照下的PN結 光伏效應 電流方程分析負載電路（如圖3-2）,流過負載電流,硅光電池,不加外電壓！,光電子、光伏工作區(qū)、光電池都工作在第四象限； 光電二極管、光電三極管工作在第三象限,硅光電池,特性參數(shù)（負載小線性范圍大） 光照特性開路時(電壓)、短路時(電流)、有限負

6、載時,硅光電二極管和三極管,一般在反向偏壓下工作 反向偏壓加大內建電場！ 使結拉開，增大 勢壘。,與光電池的比較,光電池工作區(qū),光電二極管工作區(qū),硅光二極管和光電池都是基于PN結的光伏效應工作的。這就是硅光二極管工作在反偏置電壓下的原因。內光電效應。光電池工作在零偏置狀態(tài)下。,特殊結型光電二極管,PIN型光電二極管 結構、原理 光電位置傳感器 原理 位置表達式 雪崩光電二極管(有放大作用) 紫外光電二極管（結淺）,PIN型光電二極管優(yōu)點,使PN結的結間距離拉大 內建電場基本集中在I層中 增加了對長波的吸收，提高了長波靈敏度 可承受較高的反向偏壓,第四章 光電導器件,工作原理（無光照，電阻很大；

7、受光照，電導率改變，電阻減小，光生載流子迅速增加） 主要特性參數(shù) 光電導靈敏度Sg=gp/E gp光電導 量子效率n=Nhv/ 輸出的光電流與輸入光電流之比 偏置電路和噪聲 特點與應用（照相機的自動曝光電路，路燈自動控制電路）,雜質光敏要工作在低溫下，防止熱激發(fā),工作原理,基于內光電效應（光電導效應） 暗電流、亮電流、光電流及三者的關系 流過光敏電阻的電流p+D I為亮電流 p光電流，D 暗電流,主要特性參數(shù),光電靈敏度(計算) 量子效率,偏置電路(結合應用),E3,禁區(qū),光敏電阻的伏安特性曲線,負載電流和電壓的變化近似地與光通量的變化成正比。,第五章：真空光電器件（基于外光電效應）,光電陰極

8、：能夠產生光電發(fā)射效應的物體稱為光電發(fā)射體，光電發(fā)射體在光電器件中常作為陰極。（使輻射信號轉為電信號） 光電管與光電倍增管（都是真空的） 光電倍增管的主要特性參數(shù) 光電倍增管的供電和信號輸出電路 微通道板光電倍增管 光電倍增管的應用,光電陰極,工作原理外光電效應 主要參數(shù) 靈敏度 量子效率 光譜響應曲線 分類：反射與透射 常用光電陰極材料 負電子親合勢及其特點,光電管與光電倍增管,光電管 玻殼、光電陰極和陽極組成，真空型和充氣型 光電倍增管 基于外光電效應和二次電子發(fā)射效應 結構上與光電管的區(qū)別：電子光學系統(tǒng)和倍增級,光電倍增管,工作原理 典型參數(shù),光電倍增管,入射窗口 端窗、側窗 電子光學系

9、統(tǒng) 作用：匯聚、同步 電子倍增極 陽極,光電倍增管的主要參數(shù),靈敏度 陰極靈敏度Sk=k/k陰極輸出光電流 陽極靈敏度Sp=p/ 放大倍數(shù),光電倍增管的供電和信號輸出電路,Uo=IpRf,微通道板光電倍增管,結構 原理 應用 結構：微通道板是由成千上萬根微通道排成的二維列陣（工作在真空） 原理：微通道是一根很細的玻璃管，它的內壁鍍有高阻值的二次發(fā)射材料，施加高壓后內壁出現(xiàn)電位梯度，光電陰極發(fā)出的一次電子轟擊微通道的一端，發(fā)射出二次電子因電場加速而轟擊另一處，再發(fā)射二次電子，這樣連續(xù)多次發(fā)射二次電子，可獲得10的四次方增益。 應用：MCP光電倍增管,光電倍增管的應用,微弱光探測（圖5-26）光子

10、計數(shù),第六章：真空成像器件,光電成像器件,真空成像器件,固體成像器件,像管,變像管,像增強管,攝像管,光電發(fā)射型像管（攝像管）,光電導型像管（視像管）,無存儲 直視,不可見光可見光,弱光強光,有存儲 非直視,電荷耦合器件CCD,自掃描光電二極管列陣SSPD,第六章：真空成像器件,像管 常見像管 攝像管 光導靶和存儲靶 攝像管的特性參數(shù) 攝像管的發(fā)展方向,像管,包括變像管和像增強管 結構和工作原理,常見像管,常見變像管 紅外、紫外 常見像增強器 級聯(lián)式、微通道板、X射線,能舉例！,攝像管,與變像管的區(qū)別（作用） 分類 光電發(fā)射型攝像管、光電導型攝像管,兩者的不同之處:,前者有移像區(qū),后者無,光電

11、陰極,電子光學系統(tǒng),移像區(qū),兩者相同之處:,掃描區(qū) 電子槍,燈絲,熱陰極,控制柵極,各加速電極,聚焦線圈,偏轉線圈,校正線圈,光導靶和存儲靶,視像管靶 硅靶(結構)，工作原理 存儲靶 二次電子傳導靶,三個過程： （1）無光照掃描 充電(歸零) （2）有光照無掃描 光 電 （3）電子束再次掃描, 輸出(歸零),三個過程： （1）無光照掃描 零電位 （2）有光照無掃描 電位升高 （3）電子束再次掃描 輸出,攝像管的特性參數(shù)（了解）,1、靈敏度 2、光電轉換特性,第七章：固體成像器件,電荷耦合器件 電荷耦合器件的分類 CCD攝像機分類 CCD的性能參數(shù) 自掃描光電二極管列陣 發(fā)展現(xiàn)狀和應用,CCD：

12、 （Charge Coupled Device）電荷耦合器件,固體成像器件,SSPD：（Self Scanned Photodiod Array)自掃描光電二極管列陣,電荷耦合器件,結構 耦合原理與電極結構 CCD的組成與工作原理 輸入、轉移、輸出,深勢阱從1電極2電極下，勢阱內的電荷也向右轉移了一位，如果不斷地改變電極上的電壓，就能使信號電荷可控地一位一位按順序傳輸，這就是所謂的電荷耦合。,2）電荷的耦合,電荷耦合器件的分類,線陣CCD 單邊、雙邊 面陣CCD 幀轉移、行間轉移,CCD攝像機分類,能舉例 可見光，紫外，射線,CCD的性能參數(shù),轉移效率和轉移損失率（能計算） 原有的信號電荷量為

13、，轉移到下一個電極下的電荷量為 轉移效率 轉移損失率 當信號轉移了個電極后，總轉移率為,自掃描光電二極管列陣,結構形式和工作原理（圖7-1416） 連續(xù)（N+1根引線）連續(xù)工作方式 電荷存儲（三個過程：準備、曝光、再充電） 線陣、面陣 工作原理,7-4,準備過程：場效應管導通，電容器被充電,曝光過程：場效應管截止，同時有光入射到光敏二極管上，產生電子空穴對， 光電流流過電容器，對電容器放電，放電電量正比于入射的光強度,再充電過程，場效應管再次導通，電容器再次被充電， 流過負載電阻的電流在負載上產生電壓降，,即輸出電壓，輸出電壓的大小正比于電容放電的多少， 即正比于入射的光通量的大小。,第九章：光導纖維與光纖傳感器,光導纖維基礎知識 光導纖維的應用（光纖照明器） 光纖傳感器的分類及構成 功能型光纖傳感器 非功能型光纖傳感器,光導纖維基礎知識,光纖的結構 光纖的種類 光纖的傳光模式 光纖的傳光原理,能在光纖中發(fā)生全反射的入射光的入射角不能大于C：,數(shù)值孔徑越大，光纖集光能力越強,數(shù)值孔徑NA,最大張角,例：石英光纖的NA=0.20.4 張角為：