光电信息技术终极小抄

物体受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应或光电发射效应。光电发射第一定律：当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流Ik与被阴极所吸收的光通量Φk成正比，即Ik=SkΦk，Sk为光电发射灵敏度系数。光电发射第二定律：发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大，而与入射光的光强无关，即光电子发射的能量关系符合爱因斯坦方程：hv=0.5mevmax^2+φ0，其中h为普朗克恒量；v为入射光频率；me为光电子质量；vmax为出射光的最大速率；φ0为光电阴极的逸出功。光电发射第三定律：当光照射某一给定金属或某种物质时，无论无论光的强度如何，如果入射光的频率小于这一金属的红限v0，就不会产生光电子发射。v0=φ0/h。光电发射的瞬时性：实验证明，光电发射的延迟时间不超过3x10^-13s的数量级，可认为光电发射是无惯性的，这决定了外光电效应器件具有很高的频响。光电检测基本方法：直接作用法（被测物控制光通量转换电量）、差动法（双光路差动法测物体长度）、补偿法、脉冲法-光通量转电脉冲（脉宽法测长、相位法测距、频率法测速，特点：抗干扰性好，精度高，与计算机连接，易在线测量和自动化控制）。光电测距（二法：脉冲激光测距（激光发散角小，脉冲持续时间极短，D=ct/2）和相位测距（高精度要求适用））。透射元器件（成像）中场镜的作用：1.提高边缘光束入射到探测器的能力2.相同条件下，减少探测器的面积3.可让出像面位置放置调制盘4.使探测器光敏面上非均匀光照得均匀化5.当使用平像场镜时，可获得平场像面。大直径测件的双光路测量：1是氦氖激光器，2是旋转扫描镜。由电动机3带动扫描镜以一定的速度旋转。光点F位于会聚透镜8和10的焦点位置。其中4为分光棱镜，5、6、7为反光镜。原理：激光器1发出的一束激光由扫描镜2反射后进入分光棱镜4，分成两束光分别经过透镜8和10，形成与光轴平行的两条细平行光束。两光束通过测量区域进入透镜9和11后，会聚于放臵在透镜9和11焦点处的光电器件GG1和GG2上。扫描镜旋转时，光束从上向下扫描。在测量区域内，扫描光束始终与光轴平行。（a）U1a和U2a不同时为“0”或为“1”。与门15和16均不允许计数脉冲CP通过，计数器17和18均不计数，表示直径为正常值D0。（b）光照较长，脉冲宽，在ΔTb这段时间内，这两电压同时为“1”。与门15有计数脉冲通过，脉冲通过的多少与ΔTb成正比。故从计数器17得到的数值比标准直径D0小。（c）光照较短，脉冲窄，在ΔTc内，U1c和U2c同时为“0”，经非门13和14后，与门16能通过计数脉冲，脉冲通过的多少与ΔTc成正比。故从计数器18得到的数值比标准直径D0大。法拉第电流传感器原理：法拉第电流传感器是利用光纤的磁光效应实现电流测量的，按调制参数分类，则属于偏振调制型。设法拉第材料的长度为l，沿长度方向施加的外磁场强度为H，则线偏振光通过它后偏振方向旋转的角度为θ=VdlH，又H=I/2πR，所以θ=VdlI/2πR，可得θ=VdNI通过光纤的光偏振面偏转角与被测电流及光纤的匝数成正比，与光纤圈半径大小无关。解调方法的特点是可以有效消除光源强度波动对测量结果的的不利影响。电荷耦合器CCD是半导体集成器件，由MOS光敏元、移位寄存器、电荷转移栅组成。移位寄存器由金属电极、氧化物介质及半导体三部分组成，是MOS结构。在SiO2表面排列多个金属电极a1、b1、c1；…；an、bn、cn，每三个电极组成一个传输单元，在三个电极上分别加上三相脉冲电压Ua、Ub、Uc。当t=t1时Ua=U，Ub=0，Uc=U/2，a1、a2、…、an上的电压最高，势阱最深；b1、b2、…、bn上的电压为零，不产生势阱；c1、c2、…、cn的势阱介于两者之间。t=t2时，原来在a1、a2、…、an处的势阱变浅，其电子移向势阱最深的b1、b2、…、bn处。t=t3时，bn变浅，cn处。t=t4时，cn变浅，an处。从t1到t4为脉冲电压的一个周期，原来在a1极下的电子移向a2极，依此类推。可知，信号向右传输直至输出是一个电荷耦合过程。大面积激光器的两种改进结构为增益导引型和折射率导引型，它们是为解决侧向辐射和光限制问题而采用的。解决光限制问题的简单方案是将诸如电流限制在一个窄条里，即增益导引型半导体激光器。将一绝缘层介质（SiO2）淀积在P层上，中间敞开以注入电流。电流只能在狭窄的中间带内注入，导致在侧向载流子密度的空间分布，光被限制在条形区域。缺点是功率增大时，光斑尺寸不稳定，模式稳定性也不高。折射率导引型半导体激光器是通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引入折射差，也可解决侧向光限制问题。将P型层得一部分腐蚀掉以形成脊，然后在脊两边沉积一层SiO2以阻截电流流动并形成折射率波导，将产生的光限制在脊区。温度变化将改变激光器的输出光功率，因为激光器的阈值电流随温度升高而增大且外微分量子效率随温度升高而减小。OTDR工作原理及过程：光学时域后射技术（OTDR）是利用分析光线中后向散射光或前向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的广西那传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，当光纤某一点受温度或应力作用时该点的散射特性将发生变化，因此通过显示损耗与光纤长度的对应关系来检测外交诶信号分布于传感光纤上的扰动信息。掺铒光纤放大器EDFA（应用最广泛的光放大器），其特点是高增益、低噪声、能放大不同速率和调制方式的信号，带宽很宽。EDFA主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔离器及光滤波器组成。光电信息转换的四种光电效应：1.外光电效应：在入射光能量作用下，某些物体内的电子逸出物体表面，向外发射电子。相关器件：光电倍增管、真空光电管、充气光电管等。2.光电导效应：入射光线的作用下，半导体材料中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子的激发，将由价带越过禁带迁到导带，从而使导带中电子浓度加大，材料的电阻率减小。相关器件：光敏电阻等。3.光伏效应：在入射光能量的作用下能使物体产生一定方向的电动势。相关器件：光电池、光敏二极管、光敏三极管。4.光电热效应：光照引起材料温度变化而产生电流。相关器件：热电探测器。光纤陀螺是基于Sagnac效应，用光纤构成环状光路，组成光纤Sagnac干涉仪。应用：导航、制导。Sagnac效应是指在任意几何形状的闭合光路中，从某一点观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该观察点时，这对光波的相位将由于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同，其相位差（光程差）的大小与闭合光路的转速速率成正比。跃迁：受激吸收：当外界入射光子能量hv近似等于E1与E2能级能量差，电子会吸收光子，由E1能级跃迁到E2能级。自发辐射（如光电二极管，非相干辐射光）：在高能级E2上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自发地跃迁到低能级E1上，并释放出一个能量为hv的光子。受激辐射。受激辐射（如半导体激光器，相干辐射光）：在高能级上的电子受到入射光作用，由E2跃迁到E1上，并释放出一个能量为hv的光子（能量、相位、偏振、传播方向与入射光子相同，自发辐射的是随机的）。液晶可分为层列液晶、向列液晶、胆甾相液晶。能带是现代物理学描写固体中原子外层电子运动的一种图像。能量最高的是价电子填满的能带称为价带。价带以上的能带基本上是空的，其中最低的能带称为导带，价带与导带之间的区域称为禁带。良导体（金属）是那些最高能带未被完全填满的固体。半金属是原子具有满充壳层，但在固体时由于满带和空带重叠而成为固体的物质。绝缘体是它们的最上面的价带是满的，同时和下一个空带之间有几个电子伏特能隙的固体。完全纯净和结构完整的半导体称为本征半导体。电子容易被杂质原子（施主）释放出来并被激发至导带的半导体叫做N型半导体；较高能量的电子（起正电子作用）被激发到杂质能级上而在价带上产生空态即空穴的半导体称为P型半导体。光调制是使光信号的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。研究意义：1.杂散光与检测光信号混合，需要区分。2.消除光电器件的暗电流影响。3.光信号调制特性匹配，抑制噪声，实现高精度检测。光强度调制（最早采用，技术简单）以光的强度作为调制对象，利用外界因素使待测的直流或缓慢变化的光信号转换成以某一较快频率变化的光信号，采用交流选频放大器放大人，然后把待测的量连续测量出来。光相位调制利用外界因素改变光波的相位，通过检测相位变化来测量物理量。光偏振调制利用偏振光振动面旋转，采用电光效应和磁光效应实现。方法：用两块偏振器相对移动。光的频率和波长调制利用外界因素改变光的频率或的波长，通过检测光的频率或光的波长的变化来测量外界的物理量。光的频率调制主要指光学多普勒频移。利用热色物质的颜色变化、磷光光谱的变化、黑体辐射可进行波长调制。LED的特性：发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽；辐射呈朗伯分布；面发光的光功率特性优于边发光，相同电流下，面发射光功率更大。LED的特点：1.辐射为非相干光，光谱较宽，发散角大。2.发光颜色丰富3.辉度高4.单元体积小5.寿命长。应用：指示灯、数字显示用滤波器、平面显示器、光源。光电倍增管结构：光窗（入射光的通道，同时也是对光吸收较多的部分）、光电阴极（光电变换，接收入射光，向外发射电子，其材料决定了倍增管光谱特性的长波阈值）、电子光学系统（对电极结构适当设计，使前一级发射出的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增级上，使下一级的收集率接近于1；使前一级各部分发射出的电子落到后一级上所经历的时间尽可能相同，使渡越时间差异最小）、电子倍增系统（决定整管灵敏度的关键处，由多个倍增级组成，每级能使一次电子倍增）和阳极（收集最末一级倍增级发射出来的电子）等五个主要部分组成。光电倍增管原理：利用二次电子发射现象制成。当高速的电子打击到金属表面，由于高速电子的动能被金属吸收，改变了金属原子内电子能量的状态，便有些电子从金属表面逸出。当一次电子有足够大的速度时，它从金属中解放出σ个二次电子，即倍增管电流放大系数β=I/i0=σ^n（阳极电流I，光阴极发出的光电流i0，倍增级数n）。辐射度学起源于物理学上对物体热辐射特性的研究。借鉴光度学的表达方法描述辐射度特性。光度学和辐射度学的研究对象主要是非相干光学辐射，并且认为辐射的传播服从几何光学定律。1.距离平方反比法则和照度的余弦法则2.叠加定理3.均匀漫射面及其特性。光电二极管是利用正向偏执PN结中电子与空穴的辐射符合发光的。结构：面发光二极管，边发光二极管。原子分布遵循玻尔兹曼统计分布。在热平衡状态下，能量为E的能级北店子占据的概率为费米-狄拉克分布。光电传感器（分直射型、反射型（单向反射、漫发射）、辐射型）由光源、光学系统和光电信息转换器件三部分组成。光电导效应指固体受光照而改变其电导率，是最早发现的光电现象。电导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。不管哪一种光电导，入射光的光子能量都必须大于等于与该激发过程相应的能隙ΔE（eV），即光电导有一个最大的响应波长即光电导的长波限为λc（μm）。λc=1.24/ΔE。灵敏度通常指的是在一定条件下，单位照度所引起的光电流。光电导上升或下降的时间就是弛豫时间，或称为响应时间。弛豫时间长，则光电导反应慢，惯性大，反之短快小。光生伏特效应指的是由光照引起电动势的现象。应用：太阳电池。半导体界面存在空间电荷区，其中有高场强的自建电场。光照产生的电子空穴对，在自建电场的作用下的运动，就是形成光生伏特效应的原因。热释电效应指的是某些晶体的电极化强度随温度变化而释放表面吸附的部分电荷。应用：红外探测器、夜视仪、光谱仪接收器。位置传感器PSD是一种对其感光面上入射光点位置敏感的光电器件。入射光点的强度和尺寸大小对PSD的位置输出信号均无关，只与入射光点的“重心”位置有关。LCD的特点（优点）：1.由于低功耗，利用电池即可长时间运行，为节能型显示器。2.低电压运行，可由IC直接驱动，驱动电话小型，简单3.元件为薄型，而且从大型显示到小型显示都可满足，适用于便携式装置。4.属