各种光学效应，如反射、吸收、折射、干涉、衍射、偏振等，使光束携带上被检测对象的特征信息，形成待检测的光信号。光学变换通常是用各种光学元件和光学系统来实现的，实现将被测量转换为光参量（振幅、频率、相位、偏振态、传播方向变化等）。3）光信号的匹配处理：这一工作环节的位置可以设置在被检测对象前面，也可设在光学变换后面，应按实际要求来决定。光信号匹配处理的主要目的是为了更好地获得待测量的信息，以满足光电转换的需要。

（4）光电转换：该环节是实现光电检测的核心部分。其主要作用是以光信号为媒质，以光电探测器为手段，将各种经待测量调制的光信号转换成电信号（电流、电压或频率），以利于采用目前最为成熟的电子技术进行信号的放大、处理、测量和控制等。

（5）电信号的放大与处理：这一部分主要是由各种电子线路所组成。光电检测系统中处理电路的任务主要是解决两个问题：①实现对微弱信号的检测；②实现光源的稳定化。

（6）存储、显示与控制系统：许多光电检测系统只要求给出待测量的具体值，即将处理好的待测量电信号直接经显示系统显示。

2、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）

(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； (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)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。 (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

硅光电池的工作原理和等效电路为下图：

（a）光电池工作原理图 （b）光电池等效电路图 （c）进一步简化 从图（b）中可以得到流过负载RL的电流方程为：

i?ip－iD?ip?is0(eqV/KT?1)?SEE?is0(eqV/KT?1)

（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。

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：

VOC?（4分）

?kT?Ip?ln??1?I? （2）q?0?当Ip》Io时，VOC?(kT/q)ln(Ip/I0)

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。

1、为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光？而光电二极管要零偏或

反偏才能有光生伏特效应？

答：1. p-n结在外加正向偏压时,外加电压削弱内建电场,使空间电荷区变窄,载流子的扩散运动加强,构成少数载流子的注入,从而在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一次复合将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这些能量会以热能、光能或部分热能和部分光能的形式辐射出来，产生电致发光现象，这就是LED的发光机理。

因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有光照时，光电效应不明显。p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生，这是因为p-n结在反偏电压下产生的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光生电流就会明显增加。

2、简述三种主要光电效应的基本工作原理

答： 当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大，这种现象称为光电导效应，是一种内光电效应。材料对光的吸收有本征型和非本征型，所以光电导效应也有本征型和非本征型两种。当光照射PN结时，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子－空穴对。光生电子——空穴对就被内建电场分离开来，空穴留在P区，电子通过扩散流向N区,这种光照零偏PN结产生开路电压的效应，称为光伏效应.当光照射到某种物质时，若入射的光子能量h?足够大，那么它和物质中的电子相互作用，可致使电子逸出物质表面，这种现象称为光电发射效应，又称为外光电效应。

3、光电探测器与热电探测器在工作原理、性能上有什么区别？

答：所谓光电效应是指，光辐射入射到光电材料上时，光电材料发射电子，或者其电导率发生变化，或者产生感生电动势的现象。光电效应实质上是入射光辐射与物质中束缚于晶

格的电子或自由电子的相互作用所引起的。光电效应就对光波频率（或波长）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。按照是否发射电子，光电效应又分为内光电效应和外光电效应。具体有光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应、光子牵引效应和光电磁效应等。

光热效应的实质是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与温度有关的电学性质或其他物理性质发生变化。原则上，光热效应对光波频率（或波长）没有选择性，因而物质温度的变化仅决定于光功率（或其变化率），而与入射光辐射的光谱成分无关。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。光热效应包括热释电效应、温差电效应和测热辐射计效应等

4、简述光电探测器的选用原则

答：(1).光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配。(2)光电检测器件的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。(3) 光电检测器件的响应特性必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频率失真和良好的时间响应。(4) 光电检测器件必须和输入电路以及后续电路在电特性上相互匹配，以保证最大的转换系数、线性范围、信噪比以及快速的动态响应等。

5、简述光电池、光电二极管的工作原理及区别？

答：光电池和光电二极管都是基于光伏特效应的原理进行工作,只不过光电池可以工作在零偏状态下,是光伏工作模式,器件内阻远低于负载电阻,相当于一个恒压源;而光电二极管必须在反偏电压下才能工作,是光电导工作模式,器件内阻远大于负载电阻,此时器件相当于一个恒流源.

1、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)

答： 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RL

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RL

空载电压输出是一种非线性电压变换状态，此时RL>Rm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)

答：(1) 恒功率偏置: 输出电压?UL??IRL?2RpUbSg(Rp?RL)2RL????U并不随负

RL微分，有

载电阻线性变化，要使?UL最大，须将式对

2Rp(Rp?RL)d?UL?UbSg?? 3dRL(Rp?RL)当负载RL与光敏电阻RP相等时，即RL=RP，表示负载匹配，d?UL＝0，则?UL最大。

dRL此时探测器的输出功率最大，即 PL=ILUL ?Ub2/4RL 则称为匹配状态。

(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RL>>RP，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)?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RL<

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。

2

3、叙述实现光外差检测必须满足的条件。(12分)

答：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，即传播方向一致的情况下，两束光的波前面还必须曲率匹配，即或者是平面，或者有相同曲率的曲面。 ⑤在上述条件都得到满足时，有效的光混频还要求两光波必须同偏振，因为在光混频面上它们是矢量相加。

总之,要满足时间,空间条件外,还有满足频率条件和偏振条件.

4、对直接检测系统来说，如何提高输入信噪比？ (12分)

答：对于光电检测系统来说，其噪声主要有三类：

（1）光子噪声 包括：A.信号辐射产生的噪声；B.背景辐射产生的噪声。

（2）探测器噪声 包括：热噪声；散粒噪声；产生—复合噪声； 1/f 噪声；温度噪声。

（3）信号放大及处理电路噪声

在实际的光电探测器中，由于光电转换机理不同，各种噪声的作用大小亦各不相同。若综合上述各种噪声源，其功率谱分布可用下图表示。由图可见：在频率很低时，1/f噪声起

主导作用；当频率达到中间范围频率时，产生——复合噪声比较显著；当频率较高，甚至于截至频率时，只有白噪声占主导地位，其它噪声影响很小。很明显，探测器应当工作在1/f噪声小、产生-复合噪声为主要噪声的频段上。

因此，对于直接探测系统，提高输入信噪比的措施有： （1）利用信号调制及选频技术可抑制噪声的引入

白噪声的大小与电路的频带宽度成正比，因此放大器应采用带宽尽可能窄的选频放大器或锁相放大器。

（2）将器件制冷，减小热发射，降低产生-复合噪声。

采用半导体制冷、杜瓦瓶液态气体制冷或专用制冷机制冷。 （3）采用最佳条件下的偏置电路，使信噪比（S/N）最大

图 光电探测器噪声功率谱分布示意图

5、叙述激光干涉测长的原理。(16分)

答：如图所示是双纵模双频激光干涉仪的原理示意图。

固定角锥镜 测量信号 图 双纵模双频激光干涉仪原理示意图

参考信号 偏振片 光电 稳频信号 接收器 透镜 测量角锥镜 偏振分光镜 光扩展器 分光器 布儒斯特窗 激光器 由长度为206mm的全内腔He-Ne激光管发出一对互相垂直的双纵模线偏振光，模间隔为???c/2nL（式中c为光速，L为谐振腔长，n为空气折射率，其值约728MHz），经布儒特窗取出稳频信号，进行热稳频。其余光束再经析光镜反射及透射，反射的一对正交线偏振光作为参考信号，经透镜、偏振片产生拍频信号，为光电接收器接收。透射光经光扩展器准直扩束后，为偏振分光镜分光，水平分量射向测量角锥镜，垂直分量射向固定角锥镜，两路光返回后经透镜、偏振片产生拍频。当测量镜在时间t内以速度V移动一距离时，因多普勒效应而引起频差变化?f，这样被测长度信息载于返回光束中，并为光电接收器接收。