半导体激光器（LD）工作原理：半导体材料是LD的激活物质，在半导体的两个端面精细加工磨成解理面而构成谐振腔。半导体p-n结在内建电场下达到平衡；当外加正偏压时，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，复合产生能量释放，部分以光的形式释放出来，由于解理面谐振腔的共振放大作用实现受激反馈，实现定向发射而输出激光。 特点：体积小、重量轻、寿命长、具有高的转换效率，从紫外到红外均可发光，输出功率从几mw到几百mw，在脉冲输出时，可达数W，单色性比He-Ne激光器差。 对工作电源的要求是稳定
2、光源选择的基本要求有那些？
①源发光的光谱特性必须满足检测系统的要求。按检测的任务不同，要求的光谱范围也有所不同，如可见光区、紫外光区、红外光区等等。有时要求连续光谱，有时又要求特定的光谱段。系统对光谱范围的要求都应在选择光源时加以满足。 ②光对光源发光强度的要求。为确保光电测试系统的正常工作，对系统采用的光源的发光强度应有一定的要求。光源强度过低，系统获得信号过小，以至无法正常测试，光源强度过高，又会导致系统工作的非线性，有时还可能损坏系统、待测物或光电探测器，同时还会导致不必要的能源消耗而造成浪费。因此在设计时，必须对探测器所需获得的最大、最小光适量进行正确估计，并按估计来选择光源。 ③对光源稳定性的要求。不同的光电测试系统对光源的稳定性有着不同的要求。通常依不同的测试量来确定。稳定光源发光的方法很多，一般要求时，可采用稳压电源供电。当要求较高时，可采用稳流电源供电。所用的光源应该预先进行月化处理。当有更高要求时，可对发出光进行采样，然后再反馈控制光源的输出。
④对光源其他方面的要求。光电测试中光源除以上几条基本要求外；还有一些具体的要求。如灯丝的结构和形状；发光面积的大小和构成；灯泡玻壳的形状和均匀性；光源发光效率和空间分布等等，这些方面都应该根据测试系统的要求给以满足。
3、光电倍增管的供电电路分为负高压供电和正高压供电，说明两种电路各有什么特点？ 采用阳极接地，负高压供电。这样阳极输出不需要隔直电容，可以直流输出，一般阳极分布参数也较小。可是在这种情况下，必须保证作为光屏蔽和电磁屏蔽的金属筒距离管壳至少要有10～20mm，否则由于屏蔽筒的影响，可能相当大地增加阳极暗电流和噪声。如果靠近管壳处再加一个屏蔽罩，并将它连接到阴极电位上，则要注意安全。
采用正高压电源就失去了采用负高压电源的优点，这时在阳极上需接上耐高压、噪声小的隔直电容，因此只能得到交变信号输出。可是，它可获得比较低和稳定的暗电流和噪声。 4、在微弱辐射作用下，光电导材料的灵敏度有什么特点？为什么把光敏电阻制成蛇形？ 在微弱辐射下，光电导材料的光电灵敏度是定值，光电流与入射光通量成正比，即保持线性关系。
因为产生高增益系数的光敏电阻电极间距需很小（即tdr小），同时光敏电阻集光面积如果太小而不实用，因此把光敏电阻制造成蛇形，既增大了受光面积，又减小了极间距。 5、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在哪种偏置状态？为什么？
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。
四、论述题
1.论述光电检测系统的基本组成，并说明各部分的功能？ 下面是一个光电检测系统的基本构成框图：
(4分)
（1）光源和照明光学系统：是光电检测系统中必不可少的一部分。在许多系统中按需要选择一定辐射功率、一定光谱范围和一定发光空间、分布的光源，以此发出的光束作为载体携带被测信息。
（2）被测对象及光学变换：这里所指的是上述光源所发出的光束在通过这一环节时，利用各种光学效应，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。 (6分)
2、在“反向偏置”电路中，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，如图a所示，另一种是从二极管两端取得电压U0，如图b所示。
(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； (3分) (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分) (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。 (2分) (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。 (2分)
3、如果硅光电池的负载是R,画出等效电路。写出流过负载I的电流方程及Uoc,Isc的表达式，说明含义
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 (4分) 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。 (2分)
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??kT?Ip?ln??1 （2）.。。（4分） ??q?I0?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。
4、原理和工作过程：光源1发出的光经单色器2后成为单色光，该单色光的波长应选为待测溶液的峰值吸收波长。将该光线用分束器BS分成两束，分别通过待测溶液S2和参比溶液S1，并用两个性能一致的光电探测器接收。由于参比溶液对工作波长的光不产生吸收，而待测溶液对该波长的光有较强的吸收，因此，探测器PD1接收到的光强度I1即为入射光强度I0，而探测器PD2接收到的光强度I2取决于待测溶液的浓度。
R2K1?1R1K2?2式中，C0为比例常数；I?1为PD1上产生的光电流；I?2为PD2上产生的光电流；K1、K2为PD1
U0?C0(lgI?1?lgI?2)R2/R1?C0lg 和PD2的灵敏度，?1、?2为到达PD1和PD2上的光通量。若PD1和PD2性能一致，则K1＝K2，故上式可变为：
系统输出电压为：
U0?C0R2?1RIlg?C2lg1R1?2R1I2I由于在忽略反射和散射的情况下，I1=I2,故
U0?Klg0I2
可见，最后输出电压即为溶液的吸光度值，亦即反映了溶液的浓度。 （5分）
（8分）
河南大学物理与电子学院200 -200 学年第 学期期末考试
光电检测技术题库试卷（五）参考答案
一 单项选择题（每小题2分,共40分）
1. 结型光电器件与三极管连接，保证放大，要接在( A ).
A. 基射极间短路 B. 基集极间短路 C. 基射极间反偏 D. 基集极间正偏 2．光电池的工作条件是( D ).
A．加热 B. 加正向偏置 C. 加反向偏置 D. 加光照 3．IRCCD表示的是（ D ）CCD．
A. 增强型; B. 时间延迟型; C. 电子轰击模D. 红外． 4. Sb－Cs 材料，主要用于( B ) 变像管光阴极．
A. 红外B. 紫外C. 可见 D. X射线 5．汞灯是一种 ( A ).
A. 气体光源 B. 热光源C. 冷光源 D. 激光光源 6. 辐通量相同时，光通量最小的光的波长是（ D ）nm．
A.555 B.590 C.620 D.780
7. 光电倍增管的高压模块，其输出电压一般为直流( A ).
A．1000V B．100V C．10000V D．15V 8．PN结光生伏特效应 ( B ).
A. 电子集中的P区； B . 电子集中的N区结表面； C. 电子集中的P区表面； D. 电子集中的N区表面.
9．用光电法测量某高速转轴的转速时，选用最合适的的光电器件是( D ).
A. PMT B. CdS光敏电阻
C. 2CR42硅光电池 D. 3DU型光电三极管 10．充气白炽灯主要充入循环剂是（ B ）.
A. 氢气 B. 溴化硼 C. 氖气 D. 氪气
11．如下不是降低光电倍增管的暗电流的方法（ B ）. A. 直流补偿; B. 选频和锁相缩小 C. 冷却光电倍增管; D. 增加电磁屏蔽 12. 灵敏度最高的光电器件是( B )．
A.光电二极管 B.光敏电阻C.光电三极管 D.硅光电池 13．发光效率的单位（ A ）.
A.流明每瓦B.无量纲C.流明 D.瓦特每球面度
14．已知某种光电器件的本征吸收长波限为1.4μm,则该材料的禁带宽度为（ A ）.
A．0.886 eV B. 1 eV C．2 eV D. 1.3 eV 15．下面属于冷光源的是（ C ）.
A. 太阳 B. 白炽灯C. 发光三极管 D. 卤钨灯 16．太赫兹波频率的范围在（ A ）．
A. 1011～1012 B. 108～109 C. 1013～1014 D. 1015～1016
17．假设将人体作为黑体，正常人体体温为36.5℃，那么由维恩定律，可以计算
出正常人体的峰值辐射波长为 ( D )．
A. 0.936 um B. 93.6 um C. 0.0936 um D. 9.36 um 18．半导体中施主能级的位置位于（ A ）.
A. 禁带 B. 满带C. 导带 D. 价带 19. 波长为0.8μm的光线属（ A ）。
A. 近红外线 B.中红外线C. 远红外线 D.极远红外线 20．下边哪一项可作为光电耦合器件的发光件( D ). A. 光电三极管 B. 光电池
C. 光敏电阻 D. 半导体激光器
二、多项选择题（每题2分，共10分） 1. CCD的种类有（ ABCDE ）.
A. 黑白CCD B. 可见光CCD C. X射线CCD D. 彩色CCD E. 微光CCD 2. 属于相干光源的是（ABCDE ）.
A. 染料激光器 B. 半导体激光器 C. 固体激光器 D. 等离子体激光器 E. 气体激光器