光电技术复习资料--2.0版

1、何谓光源的色温？辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。2、费米能级的物理意义是什么？在绝对零度，电子占据费米能级fE以下的能级，而fE以上的能级是空的，不被电子占据。温度高于绝对零度时，费米能级的电子占据率为50%，比费米能级能量高得愈多的能级，电子的占据概率愈小。3、写出辐射度量学的基本物理量，并说明它们的定义。辐射能：以辐射的形式发射、传播或接受的能量。辐射通量：以辐射形式发射、传播或接受的功率。辐射强度：在给定方向上的单位立体角内，离开点辐射源的辐射通量。辐射出射度：面辐射源表面单位面积上发射的辐射通量。辐射照度：接受面上单位面积所照射的辐射通量。辐射亮度：辐射源表面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该方向的平面上的正投影面积。光谱辐射量：辐射源发出的光在波长λ处的单位波长间隔内的辐射物理量。4、写出光度学系统的基本物理量，并说明它们的定义。光量：以可见光的形式发射、传播或接受的光的多少的量度。光通量：单位时间内，以可见光的形式发射、传播或接受的光量。光强度：在给定方向上的单位立体角内，离开点光源的光通量。光出射度：面光源表面单位面积上发射的光通量。光照度：接受面上单位面积所照射的光通量。光亮度：辐射源表面一点处的面元在给定方向上的光强度除以该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。5、什么是光谱光视效率（视见函数）？国际照明委员会根据对许多人的大量观察结果，确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”光谱光视效率或光视见函数。光谱光视效率分明视觉光谱光视效率（光强度大于3坎德拉）和暗视觉光谱光视效率（光强度小于0.001坎德拉），分别用)(V和)(V表示。一般来说，光度学量和对应的辐射度量学量之间有如下关系：dVKemv)()(78.039.0式中v是光度学量，e是对应的辐射度量学量。mK等于683Lm/W，称为明视觉最大光谱光视效能，它表示人眼对波长为555nm的光辐射所产生的视觉刺激值。积分上下限表示该积分从0.39nm到0.78nm之间进行。6、发光强度的单位——坎德拉，是国际单位制中七个基本单位之一。给出它的科学含义及操作性定义。它相当于1lm的光通量均匀照射在1㎡面积上所产生的光照度科学定义：光源发出频率为540×1012Hz的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1/683WSr-1时，在该方向上发光强度为1cd。操作性定义：在101325牛顿/平方米的压力下，处于铂凝固点温度（2024K）的绝对黑体的1/600000平方米表面沿法线方向的发光强度为1坎德拉（其亮度为60熙提，1熙提=1烛光/厘米）。7、什么是朗伯辐射体？在任意发射方向上辐射亮度不变的表面，即对任何θ角Le为恒定值（理想辐射表面）。朗伯辐射表面在某方向上的辐射强度与该方向和表面法线之间夹角的余弦成正比。cos0II8、写出黑体辐射的基尔霍夫定律。所有物体的光谱辐射出射度与吸收比的比值是相同的，并等于绝对黑体的光谱辐射出射度),(TMeb。9、说明维恩位移定律、斯蒂芬——玻尔兹曼定律与普朗克黑体辐射公式之间的关系。普朗克黑体辐射公式：)1(4),(/53kThcebehcTM)1(4),(/3kThebehTM（一）维恩位移定律令：0),(dTdMeb，得：2897TmmK。这就是维恩位移定律。（二）斯蒂芬——玻尔兹曼定律40),(TdTMMebeb式中，21067.5Wcm-2K-410、写出光源的基本特性参数。（1）辐射效率和发光效率在给定波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比，称为光源在规定光谱范围内的辐射效率，于是𝛈𝐞=𝛟𝐞𝐏=∫𝛟𝐞（𝛌）𝐝𝛌𝛌𝟐𝛌𝟏𝐏如果光电探测量系统的光谱范围为λ1～λ2，那么应经可能选用𝛈𝐞较高的光源。某一光源所发射的光通量与产生这些光通量所需要的电功率之比，就是该光源的光效率，即𝛈𝛖=𝛟𝛖𝐏=𝐊𝐦∫𝛟𝐞(𝛌)𝐕（𝛌）𝐝𝛌𝟕𝟖𝟎𝟑𝟖𝟎𝐏单位为lm/W。在照明领域或光度量系统中，一般应选用𝛈𝛖较高的光源。（2）光谱功率分布不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。（3）空间光强分布:对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同的。若在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，矢量的长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。（4）光源的色温:辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。（5）光源的颜色光源的颜色包含了俩方面的含义，即色表和显色性。用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色与物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。11、光电探测器常用的光源有哪些？热辐射光源：太阳；白炽灯，卤钨灯；黑体辐射器（模拟黑体，动物活体）。气体放电光源：汞灯，钠灯，氙灯，荧光灯等。固体发光光源：场致发光灯，发光二极管等。激光器：气体激光器，固体激光器，染料激光器，半导体激光器等。12、画出发光二极管的结构图并说明其工作原理。发光二极管的基本结构是半导体P-N结。工作原理：n型半导体中多数载流子是电子，p型半导体中多数载流子是SiO2铝电极背电极PN＋－题12图发光二极管的结构图空穴。P-N结未加电压时构成一定势垒。加正向偏压时，内电场减弱，p区空穴和n区电子向对方区域的扩散运动相对加强，构成少数载流子的注入，从而p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合，复合中产生的与材料性质有关的能量将以热能和光能的形式释放。以光能形式释放的能量就构成了发光二极管的光辐射。13、说明发光二极管的基本特性参数有哪些。（1）量子效率：1）内发光效率：PN结产生的光子数与通过器件的电子数的比例。2）外发光效率：发射出来的光子数与通过器件的电子数的比例。（2）发光强度的空间分布：（3）发光强度与电流关系：电压低于开启电压时，没有电流，也不发光。电压高于开启电压时显示出欧姆导通性。在额定电流范围内，发光强度与通过的电流成正比。（4）光谱特性：发射功率随光波波长（或频率）的变化关系。（5）响应时间：从注入电流到发光二极管稳定发光或停止电流到发光二极管熄灭所用的时间。表达了发光二极管的频率特性。（6）寿命：亮度随时间的增加而减小。当亮度减小到初始值的e-1时所延续的时间。14、说明半导体激光器的工作原理及特性参数半导体P-N结是激活介质，两个与结面垂直的晶体边界构成谐振腔，当P-N结正向导通时，可激发激光，阈值电流产生激光输出所需最小注入电流。工作电压、电流，发光功率，发光功率的空间分布，光谱范围与峰值波长，电流阈值，频率特性，寿命等。15、场致发光有哪三种形态？各有什么特点？场致发光的三种形态，即粉末，薄膜和结型。交流粉末场致发光光源：（1）固体化，平板化，因而可靠，安全，占地小，易安装；（2）面积，形状几乎不受限制，因此可以通过光刻，透明导电膜和金属电极掩蔽镀膜的方法，制成任意发光图形；（3）无红外辐射的冷光源，因而隐蔽性好，对周围环境没有影响；（4）视角大光线柔和，易于观察；（5）寿命长。可连续使用几千小时，而发光不会突然全部熄灭；（6）功耗低，约几毫瓦/厘米𝟐；（7）发光易于电控。直流粉末场致发光光源：光源亮度高，且亮度随电压上升而迅速上升；制造工艺简单，成本低，外部驱动方便。薄膜场致发光光源：厚度薄，没有介质，均匀细密，分辨率高，成像质量高，对比显示度好，驱动电压低，平板化，可以制成各种形状，视角大。光线柔和，制备工工艺简单，造价便宜。发光二极管：（1）属于低电压，小电流器件，在室温下即可得到足够的亮度；（2）发光响应速度快（𝟏𝟎−𝟕~𝟏𝟎−𝟗𝐬）；（3）由于器件在正向偏置下使用，因此性能稳定，寿命长（一般在𝟏𝟎𝟓小时以上）；（4）易于和集成电路匹配，且驱动简单；（5）与普通光源相比，单色性好，其发光的半宽度一般为几十纳米；（6）小型，耐冲击。第三章16、简述光电导效应。光电导效应是一种内光电效应，是光电导探测器光电转换的基础。当半导体材料受光照时，对于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，因而导致材料电导率增大，这种现象称为光电导效应。17、简述PN结光伏效应（分正偏、反偏、零偏三种情况）。是一种内光电效应，当光子产生时，能产生一个光生电动势，基于两种材料相接触形成的内建势垒，光子激发的光生载流子被内建电场扫向势垒两面三刀边，从而形成光生电动势。18、简述光电发射效应（分金属与半导体两种情况）。当光照射物质时，若入射光子能量hν足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子吸收光子的能量而逸出物质表面。（1）第一定律：当入射辐射的光谱分布不变时，饱和光电流与入射的辐射量Φ成正比。（2）第二定律：发射的光子最大动能随入射光子频率的增加而线性的增加，与入射光强度无关。19、什么是负电子亲合势，它的工作原理、主要用途及优缺点。如果给半导体的表面做特殊处理，使表面区域能带弯曲，真空能级降到导带之下，从而使有效的电子亲和势为负值，经过这种特殊处理的阴极称作负电子亲和势光电阴极。特点：1）量子效率高2）光谱响应延伸到红外3）热电子发射小4）光电子的能量集中20、探测器噪声主要有哪几种？（1）热噪声：载流子在一定温度下做无规则热运动，载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏。（2）复合噪声：载流子产生复合瞬间有起伏。（3）散粒噪声：随机起伏所形成的噪声。（4）1/F噪声：噪声功率谱与频率与反比。主要由于材料表面态和内部缺陷引起电子散射而产生。（5）温度噪声：由于器件本身吸收和传导的热交换，引起的温度起伏。21、写出电阻热噪声的电压、电流、功率表达式。热噪声均方电流：热噪声均方电压：fkTRun4222、何谓等效噪声带宽？通常在D*后附加测量条件D*（500K，900，5）表示用500K黑体，调制频率900Hz，测量系统带宽5Hz测量得到的值。23、何谓等效噪声功率？何谓探测率？何谓归一化等效噪声功率？如果入射到探测器的辐通量按某一频率变化，当探测器输出信号电流Is等于噪声均方根电流时，所对应的入射辐通量Φe称为等效噪声功率NEP。等效噪声功率NEP的倒数为探测率D。NEP常与探测器面积dA和测量系统带宽f的乘积的平方根成正比。为比较探测器性能，需除去dA和f的影响，用归一化参数表示。fADDd24、何谓“白噪声”？何谓“1/f噪声”？要降低电阻的热噪声应采取什么措施？热噪声与测量仪器的电子带宽Δf成正比，而与频率无关，这说明热噪声24NjkfiR频谱无限宽，功率谱密度4KT为常数，类似于白光由各种频率的光合成，所以热噪声又称“白噪声”。1/f噪声:这种噪声的功率谱与频率成反比变化，故称1/f噪声降低温度，选择带通小的电阻。25、说明光电导器件、PN结光电器件和光电发射器件的禁带宽度和截止波长之间的关系。光电效应发生的条件：E=hEg(Eg为半导体禁带宽度)截止波长：第四章26、常用的光电阴极有哪些？各有何特点？（1）银氧铯Ag-O-Cs光电阴极（2）单碱锑化物光电阴极，在可见短波区和近紫外区响应率最高（3）多碱锑化物光电阴极，耐高温（4）紫外光电阴极：只对探测的紫外信号灵敏（5）负电子亲和势光电阴极：量子效率高，光谱响应延伸到红外，势电子发射小，光电子能量集中27、简述光电倍增管的工作原理。1）光子透过入射窗口入射在光电阴极K上。2）光电阴极电子受光子激发，离开表面发射到真空中。3）光电子通过电子加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极D1上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子，入射电子经N级倍增极倍增后光电子就放大N次方倍。4）经过倍增后的二次电子由阳极P收集起来，形成阳极光电流，在负载RL上产生信号电压。1.24()cg