光电检测技术期末试卷试题大全(4)

4、简述光电探测器的选用原则

答：(1).光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配。(2)光电检测器件的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。(3) 光电检测器件的响应特性必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频率失真和良好的时间响应。(4) 光电检测器件必须和输入电路以及后续电路在电特性上相互匹配，以保证最大的转换系数、线性范围、信噪比以及快速的动态响应等。

5、简述光电池、光电二极管的工作原理及区别？

答：光电池和光电二极管都是基于光伏特效应的原理进行工作,只不过光电池可以工作在零偏状态下,是光伏工作模式,器件内阻远低于负载电阻,相当于一个恒压源;而光电二极管必须在反偏电压下才能工作,是光电导工作模式,器件内阻远大于负载电阻,此时器件相当于一个恒流源.

1、叙述光电池低输入阻抗和高输入阻抗放大电路的特点和区别，各应用于什么场合？(10分)

答： 当光电池后接低输入阻抗放大电路时，其工作在短路或线性电流放大状态，这是一种电流变换状态，要求硅光电池送给负载电阻RL（这时RL<Rm，且RL→0）的电流与光照度成线性关系。如果需要放大信号，则应选用电流放大器。为此要求负载电阻或后续放大电路输入阻抗尽可能小，才能使输出电流尽可能大，即接近短路电流Isc，因为只有短路电流才与入射光照度有良好的线性关系。另外，在短路状态下器件的噪声电流较低，信噪比得到改善，因此适用于弱光信号的检测。

当光电池后接高输入阻抗放大电路时，其工作在线性电压输出和空载电压输出（开路电压输出）状态。当负载电阻很小甚至接近于零的时候，电路工作在短路及线性电流放大状态；而当负载电阻稍微增大，但小于临界负载电阻Rm时，电路就处于线性电压输出状态，此时RL<Rm，这种工作状态下，在串联的负载电阻上能够得到与输入光通量近似成正比的信号电压，增大负载电阻有助于提高电压，但能引起输出信号的非线性畸变。工作在线性电压放大区的光电池在与放大器连接时，宜采用输入阻抗高的电压放大器。

空载电压输出是一种非线性电压变换状态，此时RL>Rm且RL→∞，要求光电池应通过高输入阻抗变换器与后续放大电路连接，相当于输出开路。

2、光敏电阻工作电路的三种偏置方法有什么特点？ (10分)

答：(1) 恒功率偏置: 输出电压 UL IRL 2RpUbSg

(Rp RL)2RL U并不随负

RL微分，有载电阻线性变化，要使 UL最大，须将式对

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2Rp(Rp RL)d UL UbSg 3dRL(Rp RL)

当负载RL与光敏电阻RP相等时，即RL=RP，表示负载匹配，d UL＝0，则 UL最大。dRL

此时探测器的输出功率最大，即 PL=ILUL Ub2/4RL 则称为匹配状态。

(2) 恒流偏置: 在基本偏置电路中，若负载电阻RL比光敏电阻RP大得多，即RL>>RP，则负载电流IL简化为

IL=Ub/RL

这表明负载电流与光敏电阻值无关，并且近似保持常数，这种电路称为恒流偏置电路。随输入光通量ΔΦ的变化，负载电流的变化ΔIL变为 IL=SgUb(RP/RL) Φ 上式表明输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与偏置电压成正比。还可以证明恒流偏置的电压信噪比较高，因此适用于高灵敏度测量。但由于RL很大，使光敏电阻正常工作的偏置电压则需很高（100V以上），这给使用带来不便。为了降低电源电压，通常采用晶体管作为恒流器件来代替RL。

(3) 当负载电阻RL比光敏电阻RP小得多，即RL<<RP时，负载电阻两端的电压为 UL ≈ 0

此时，光敏电阻上的电压近似与电源电压相等。这种光敏电阻上的电压保持不变的偏置

称为恒压偏置，信号电压变为 UL=SgUbRL Φ

式中，SgΔΦ＝ΔG是光敏电阻的电导变化量，是引起信号输出的原因。

从上式中看出，恒压偏置的输出信号与光敏电阻无关，仅取决于电导的相对变化。所

以，当检测电路更换光敏电阻值时，恒压偏置电路初始状态受到的影响不大，这是这种电路的一大优点。 2

3、叙述实现光外差检测必须满足的条件。(12分)

答：信号光波和本振光波的波前在整个光混频面上必须保持相同的相位关系。光外差检测只有在下列条件下才可能得到满足：①信号光波和本征光波必须具有相同的模式结构，这意味着所用激光器应该单频基模运转。

②信号光和本振光束在光混频面上必须相互重合，为了提供最大信噪比，它们的光斑直径最好相等，因为不重合的部分对中频信号无贡献，只贡献噪声。

③信号光波和本振光波的能流矢量必须尽可能保持同一方向，这意味着两束光必须保持空间上的角准直。

④在角准直，即传播方向一致的情况下，两束光的波前面还必须曲率匹配，即或者是平面，或者有相同曲率的曲面。

⑤在上述条件都得到满足时，有效的光混频还要求两光波必须同偏振，因为在光混频面上它们是矢量相加。

总之,要满足时间,空间条件外,还有满足频率条件和偏振条件.

4、对直接检测系统来说，如何提高输入信噪比？ (12分)

答：对于光电检测系统来说，其噪声主要有三类：

（1）光子噪声 包括：A.信号辐射产生的噪声；B.背景辐射产生的噪声。

（2）探测器噪声 包括：热噪声；散粒噪声；产生—复合噪声； 1/f 噪声；温度噪声。

（3）信号放大及处理电路噪声

在实际的光电探测器中，由于光电转换机理不同，各种噪声的作用大小亦各不相同。若

综合上述各种噪声源，其功率谱分布可用下图表示。由图可见：在频率很低时，1/f噪声起