光电信息技术 第一章答案 有部分错误

《光电技术》习 题第一章

第一部分:

1． 已知表示光电导体的灵敏度的G（光电增益）= βτ/ tL ，式中β为量子产额；τ为光生载流子寿命；tL为载流子在光电导两极间的渡越时间，如果在光电导体中自

由电子与空穴均参与导电，请推导：G = β(τnμn +τpμp )U/l2 式中τn和τp分别为自由电子和空穴的寿命；μn和μp分别为自由电子和空穴的迁移率。

答： G=βτ/tL

tL=l/μE=l2/μU G=βτμU/l2

2

G = β(τnμn +τpμp )U/l

2． 简答P型与N型半导体杂质能级区别.

答：N型半导体掺有5价的杂质原子，如磷、砷。杂质引进的额外的电子占有恰在导带下方的某些分立的能级；其距离可为十分之几电子伏特。这些额外的电子容易被杂质原子释放出来并被激发至导带。于是，激发电子对半导体的电导率有贡献。

P型半导体掺有3价的杂质原子，如硼、铝。杂质引进空的分立能级，这些能级的位置很靠近价带顶。因此，容易把价带中一些具有较高能量的电子激发到杂质能级上。这个过程在价带中产生空态即空穴。

3． 比较直线性光电导与抛物线性光电导的主要特性。

答：在直线性光电导的弛豫中，光电流都按指数规律上升和下降。在t=τ时，光电流上升11

到饱和值的（1- ）,或下降到饱和值的 ，上升和下降是对称的。显然，直线性光电导

ee的弛豫时间与光强无关。

在非线性光电导情况下，光电导的弛豫现象比较复杂。它取决于复杂的复合机理，并且1

上升和下降都不对称，我们可以用( 错误！未定义书签。)1/2来表示弛豫时间。光

Inαβb照开始后，经过这段时间，光电导增加到定态值tanh 1=0.75。而光照停止后，光电导在这段时间内减少到定态值的一半。显然，抛物线性光电导的弛豫时间与光强有关。光强越高，弛豫时间越短。

4． 举一简例说明研究光电导的光谱分布有何实际应用。 答：（1）做特定的光谱特性的传感器 （2）起节省滤光片的作用

5． 简述光生伏特效应与热释电效应的原因及其应用。

答：光生伏特效应：由光照引起电动势的现象。包括两种类型: (1)发生在均匀半导体材料内部；(2)发生在半导体的界面。pn结的空间电荷区的电场，称为自建电场。光照产生的电子空穴对，在自建电场作用下的运动，是形成光生伏特效应的原因。光生伏特效应的应用: (1)太阳能电池；(2)光电探测器件。 热释电效应：某些晶体的电极化强度随温度变化而变化，从而在晶体特定方向上引起表面电荷变化的现象。此效应只能发生在不具有中心对称的晶体中。某些晶体内正负电荷

中心并不重合，有一定的电矩，其表面容易吸附自由电荷以抵消总电矩所产生的宏观电场。温度变化时，由于极化强度的改变而释放出表面吸附的部分电荷，从而表现出热释电效应。热释电效应的应用：红外探测器，热电激光量热计，夜视仪以及各种光谱反接收器等。

6．

观察图1.1.3-4，指出本征光电导与杂质光电导的长波限位置。

答：金元素在锗中存在多重能级，在不加砷施主杂质时，金是受主，锗是P型半导体，从曲线中看到，长波限在0.05eV处。当加入少量砷施主杂质，此时锗晶体仍是P型，长波限相应于0.15eV。当加入足够多的砷施主杂质时，致使锗晶体从P型转变为N型，从曲线中可看到长波限相应于0.2eV。这与用其他方法测出的金锗中形成多重能级的电离能是一致的。

7. 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。

S l0 Rc 第1题图

dΦeπRc2πRc2

答： Ie= , dΩ=2 ，d Φe=Ie2

l0l0dΩ

*8. 如图所示，设小面源的面积为?As，辐射亮度为Le，面源法线与l0的夹角为?s；

被照面的面积为?Ac，到面源?As的距离为l0。若?c为辐射在被照面?Ac的入射角，试计算小面源在?Ac上产生的辐射照度。（选做题, 参见讲稿§1.2.1 光的有关概念与度量）

第2题图

?s Le ?As l0 ?Ac ?c 用定义Le?dIed?e和Ee?求解。

?Arcos?rdA

*9. 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?m随温度T的升高而减小。试由普朗克热辐射公式导出 （选做题, 参见讲稿§1.2.1 光的有关概念与度量）

?mT?常数。

这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为2.898?10-3m?K。

第二部分：

1.正透镜的共同特征是中心厚度比边缘厚度 厚 ；负透镜的共同特征是中心厚度比边缘厚度 薄 。

2． 单片正透镜 是一个最简单的放大镜。 3．工作在物镜面附近的透镜称为 场镜 4．探测器与浸没透镜平面间或胶合或光胶，使像面浸没在折射率较高的介质中。它的主要作用是 显著地减小探测器的光敏面积，提高信噪比 。 5．阶梯透镜是有“阶梯”形不连续表面的透镜；“阶梯”由一系列同心圆环状带区构成，故又称环带透镜。优点： 厚度小 ，重量轻，光吸收损失小。

6．设球面曲率半径为R，则球面镜的焦距为 R/2 ，这一数值与光的波长无关，也就是说球面镜不产生 色差 。

7．光锥为一种非成像的聚光元件，可增加光照度或 减小探测面积 的作用。

8．光楔常用作 光学测微器补偿器 ，利用光楔的移动或转动来测量或补偿微小的角量或线量。

9．干涉滤光片主要功能是 分割光谱带 ,常见的有:截止滤光片和带通滤光片 。

10．光调制指的是使光信号的一个或几个 特征参量 按 被传送信息 的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法。

11．分别简答下列三个图调制方法（光强度调制）

答：（1）利用电磁感应的机械调制 ：将永磁铁固定在基座上，中间加入激磁线圈，该线圈中铁芯的一端经簧片后固定在基座上，在铁芯另一端上固定挡片。在激磁线圈中加入交变电流，则铁芯两端产生交变磁场，在永磁铁作用下挡片产生左右摆动，对光束进行调整，其调制频率是激磁电流交变频率的两倍。而其调制波形应与激磁电流的波形和强度、光束和挡片的相对形状和大小有关。

（2）调制盘：在圆形板上由透明和不透明相同的扇形区构成。旋转时，通过盘的光脉冲周期性地变化。光脉冲的形状:决定于扇形尺寸和光源在盘上的像的大小和形状。 （3）受抑全反射调制器：入射光在固定棱镜斜面处满足全反射条件。在交变电压作用下，压电晶体周期性的变形，使入射光束分解为两束相互垂直的调制光。

12．光波在传播时被超声波衍射的现象叫做 声光 效应。

13．利用偏振光振动面旋转，实现光调制最简单的方法是用两块偏振器相对转动，按马吕斯定理，输出光强为 I=I0cos2α ，式中I0为两偏振器主平面一致时所通过的光强；α为两偏振器主平面间的夹角。

14．克尔效应:指的是某些各向同性的介质在电场作用下变成各向异性，光束通过将会产生___双折射___现象。

15.实验表明,克尔效应的两束偏振光的折射率之差ne-n0与 电场强度E 成正比 ，而泡克耳效应的两束偏振光的折射率之差ne-n0 与所加 所加电场E 成正比。

16．何为磁光效应？目前在磁光效应方面，主要是哪两种效应来获得光偏振调制？“法拉第”旋光效应偏振光在磁场内偏振面旋转的角度表达式如何？

答：磁光效应指的是介质或晶体在磁场作用下，其光学性质发生变化的各种现象。 主要利用“法拉第”旋光效应和科登-穆顿效应来获得光偏振调制。 “法拉第”旋光效应指的是某些物质在磁场的作用下，能使通过该物质的偏振光振动面产

生旋转的现象。 在磁场内偏振面的旋转角度 α=VBL

交变磁场 B=B0sinωt

调制光强 I=I0cos(φ-BVLsinωt)

17．光的频率调制，主要是指光学___多普勒___频移

18．波长调制有哪几种（至少举三种）？下图为利用热色物质颜色变化的波长调制来检测液体温度的示意图，说明其检测原理。

答：（1）利用热色物质的颜色变化进行波长调制

检测原理：白光进入热变色溶液，其反射光经650nm 和800nm 的滤光片，由探测器接收。上图所示的热变色溶液,温度为20o C 时，在500 nm 处有个吸收峰，溶液呈红色；升到75o C 时，在650 nm 处也有一个吸收峰，溶液呈绿色。在波长为650 nm 时，光强随温度变化最灵敏；在波长为800 nm 时，光强与温度无关。因此，选这两个波长进行检测（即波长检测）就能确定外界物理量。 （2）利用磷光（荧光）光谱的变化进行波长调制 （3）利用黑体辐射进行波长调制 （4）利用滤光器参数的变化进行波长调制

19. 放大器的电压放大系数通常是频率的复函数，可以写成 Au=Au(jω)= │Au(jω)│ejφ(ω) . 式中f是频率，ω是角频率，│Au(jω)│表示放大器的放大量与频率的关系，称为 幅-频特性 ，φ(ω)表示放大器输出相对于输入的相位差与频率的关系,称为 相-频特性 ，它们合称为放大器的频率特性,也称为频率响应。

21.利用理想运算放大器的近似条件写出下列各图的u0的值

图a

Rf C －

R uo

u i

C －R2 + + ?图b

uI

＋

R A

uO

R’

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