光电技术(王庆有)习题参考答案完整版(不包含题目)

光电技术第一章参考答案1辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？答：为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。根本区别在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。因为光度参数只适用于0.38~0.78um的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。而量子流是在整个电磁辐射，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量。光源在给定波长λ处，将λ～λ+dλ范围内发射的辐射通量dΦe，除以该波长λ的光子能量hν，就得到光源在λ处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。2试写出e、eM、e、eL等辐射度量参数之间的关系式，说明它们与辐射源的关系。答：辐（射）能：以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射）能，用符号表示，其计量单位为焦耳（J）。eQeQ辐（射）通量e：在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐（射）能称为辐（射）通量，以符号e表示，其计量单位是瓦（W），即e=dtdQe。辐（射）出（射）度：对面积为A的有限面光源，表面某点处的面元向半球面空间内发射的辐通量deMe与之，该面元面积d比，定义为辐（射）出（射）度eM即MAe=dAde。其计量单位是瓦每平方米[W/m2]。辐（射）强度：对点光源在给定方向的立体角元ed内发射的辐射通量ed，与该方向立体角元d之比，定义为点光源在该方向的辐（射）强度，即ee=dde，辐射强度的计量单位是瓦特每球面度（W/sr）。辐射亮度：光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐射强度，除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称辐射亮度，eLeL1eL=cosdAdIe=cos2dAdde，式中，θ为所给方向与面元法线间的夹角。其计量单位是瓦特每球面度平方米[W/（sr.m2）]。3何谓余弦辐射体？余弦辐射体的主要特性有哪些？答：一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。但是有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足cos0eedIdI式中Ie0是面元沿其法线方向的辐射强度。符合上式规律的辐射体称为余弦辐射体或朗伯体。黑体为理想的余弦辐射体。它满足黑体辐射定律：dSK,a.普朗克辐射定律黑体表面向半球空间发射波长为λ的光谱，其辐射出射度是黑体温度T和波长λ的函数，这就是普朗克辐射定律；,eMb.斯忒藩—玻尔兹曼定律黑体的总辐射出射度为对积分，得到其为σT4；,eMc.维恩位移定律峰值光谱辐出度所对应的波长与绝对温度的乘积为常数。当温度升高时，峰值光谱辐射出射度所对应的波长向短波长方向移动。4试举例说明辐射出射度Me与辐射照度Ee是两个意义不同的物理量。答：略。5．试说明、、的意义及区别。mKWK答：为人眼的明视觉最灵敏波长λm的光度参量对辐射度参量的转换常数，称为正常人眼的明视觉最大光谱光视效能。其值为683lm/W。mKK对于所谓辐射对人眼锥状细胞或柱状细胞的刺激程度，是从生理上评价所有的辐射参量与所有的光度参量的关系。对于明视觉，刺激程度平衡条件为eX,vX,,evXKmVX令K=/=×,vX,eXmKV，称为人眼的明视觉光谱光视效能。（其中定义V=m,eL,eL为正常人眼的明视觉光谱光视效率。m等于0.555um）定义一个热辐射体发射的总光通量v与总辐射通量e之比，为该辐射体的光视效能K，K=，其中V为辐射体的光视效率。在光电信息变换技术领域常用色温为2856K的标准钨丝灯作为光源，测量硅、锗等光电器件光的电流灵敏度等特性参数。定义标准钨丝灯的光视效能为，=17．1（lm/W）。VmKmKmK6．（平面发散角为1mrad）解：（1）氦氖激光器输出的光为光谱辐射，则辐射通量为,e=3mW根据式（1-56）可计算出它发出的光通量为,v=,emVK又=683lm/W，V0.6328=0.235，带入数据计算得mK,v为0.4815lm。发光强度=,vI,v，立体角为Ω=2π（1－（1－r2）1/2），将光束平面发散角转换α=1×10-3×180/（π）=0.057度则r=sin（α/2）=5×10-4带入公式得Ω=8.17×10-7sr2所以发光强度=,vI,v=0.4815/（8.17×10-7）=5.89×105cd光出射度M=,v2,2dv=0.4815/（π×（0.001/2）2）=6.13×105lx（2）激光投射到10m远处屏幕上，可得接受面半径r=10×2tana+0.0005=5.5×10-3m，面积A==7.85×10-5m22r屏幕的光照度为=vEAv,=6.13×103lx6.（平面发散角为0.02mrad）解：（1）氦氖激光器输出的光为光谱辐射，则辐射通量为,e=3mW根据式（1-56）可计算出它发出的光通量为,v=,emVK又=683lm/W，V0.6328=0.235，带入数据计算得mK,v为0.4815lm。发光强度=,vI,v，由空间立体角的定义，将光束平面发散角转换α=0.02×10-3由于这个角度很小，可以把其所对应的球面度近似的看作锥面圆的面积，且半径为22sinRRr，则Ω=22Rr所以发光强度=,vI,v=00000103.04815.051067.4cd光出射度M=,v2,2dv=0.4815/（π×（0.001/2）2）=6.13×105lx（2）激光投射到10m远处屏幕上，可得接受面半径210121021012tan1033rm003366.0面积A==3.562r510屏幕的光照度为=vEAv,=51056.34815.01.35lx4107．解：由题意有,e=3mW，又查表得V（0.5145um）=0.6082光通量,v=,emVK=683×0.6082×3=1.246×103lm，3屏幕上的光照度=vEAv,=1.246×103/（0.2×10-4）=6.23×107lx若屏幕的反射系数是0.8，则光出射度为=0.8×6.23×107=4.984×107lx,vM设屏幕每分钟接收的光子数目为N，则Nhc=,e×60（1-0.8）所以N=60×0.2×3×0.5145×10-6/（3×108×6.63×10-34）=9.31×1019个/分钟8.解：依题意，设光子流速率为N个/秒，则Nhc=,e又,e=30mW，λ=0.6328um所以N=hce,=9.54×1016个/秒9．解：依题意，m=0.465um，由维恩位移定律，m=2898/T，则太阳表面的温度T=m2898=6232.25K，又=1.309T5×10-15mseM,,计算得其峰值光谱辐射出射度=1.23×104mseM,,12..umcmW10.解：人体在正常体温时T=36.5+273=309.5K由维恩位移定律，Tm2898=9.36um当发烧到38.5时，T=38.5+273=311.5K，此时Tm2898=9.303um峰值光谱辐射出射度=3.84155,,10309.1TMmse12..umcmmW11.解：依题意，由杂质吸收条件，则杂质吸收的长波限iLE24.1所以杂质电离能Li24.1=1.24/13=0.095ev12.解：光照灵敏度VVIS，而辐射灵敏度eeIS，又标准钨丝灯的辐射量与光度量的转化关系为=17.1（lm/W），wKwevK所以，又=200uA/lmewvSKSvS则其辐射灵敏度=200×17.1=3.42mA/lm。eS13.解：依题意，辐射通量为100W，则它的辐射强度为4100eI=7.96cd对应于0.2sr范围的辐射通量为WIee592.12.096.72.04由evwK则对应的光通量lmKewv223.27592.11.171所以100W的标准钨丝灯在0.2sr范围内所发出的光通量为27.223lm。14.解：设甲厂生产的光电器件的光照灵敏度为，则有，1vSeWvSKS1wevKSS1=5/17.1=0.29lmA，而乙厂光电器件的光照灵敏度是=0.4vSlmA显然，所以乙厂光电器件灵敏度高。vvSS115.解：依题意，=50uA，=300uA，=1uA1I2IDI而PN结两端的开路电压为)1ln(DocIIqkTU由于T不是定值，故只有当T=273K条件下才有：VInInqKTUoc093.051106.12731038.1115019231VInInqKTUoc134.0301106.12731038.1113001923216.解：由ggLEEhc24.1又=1.2，则gEeVumL03.12.124.117.答：在微弱辐射作用下，半导体的光电导为,2ehvlqg可见此时半导体材料的光电导与入射辐射通量,e成线性关系。半导体材料在弱辐射作用下的光电灵敏度为2,hclqddgSeg可见，为与材料性质有关的常数，与光电导材料两电极间长度l的平方成反比。为了提高光电导器件的光电灵敏度，一般就将光敏电阻的形状制造成蛇形。还有就是增大了受光面积，也提高了光电灵敏度。gSgS518.答：光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光能转换为电能的效应。当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，N区的空穴向P区运动，P区的电子向N区运动，结果P区带正电，N区带负电，形成光生伏特电压或光生电流。激光器输出光的波长（10.6um）远远超过激光器锗窗材料的本征吸收长波限，不可能产生光电子发射。2CO19.解：由nmEEhcththL1239则evELth82.168012391239，即该光电发射材料的光电发射域值为1.82电子伏特。20.解：由gLE24.1LgE24.1又umL4.1所以evELg886.04.124.124.16光电技术第二章参考答案2.1解：在微弱信号的辐射下，将式（1-80）/,(1)tenNe代入（1-83），并对其求导即可得半导体材料在弱辐射下的光电导灵敏度为/2,(1)tgedgqSdhcle，由此可知时间t响应越长，灵敏度越高。2.2解：同一型号的光敏电阻，在不同光照度下和不同的环境温度下，其光电导灵敏度和时间常数不相同。在照度相同而温度不同时，其光电导灵敏度不相同和时间常数也不相同。其材料性质已经一样，只是决定了的值一定，光照度和环境温度不同，则产生的光生电子浓度和热生电子浓度各异，决定了值不同，照度相同决定光生电子浓度相同，温度不同决定热生电子浓度不同，同样也决定了值不同。由（1-85）和（1-88）推出光电灵敏度不相同，由（2-5）和（2-11）推出其时间常数不相同。2.3解：由式（2-1）rpgIUSE得最大照度22()()PggIPEUSUS2=22500lx最小照度2PggIPEUSUS=150lx2.4解：在照明控制电路中，入射辐射很强r=0.5，光敏电阻分压=220-0.002*（1+5）*1000=208VCU由rpgIUSE