1、光源選擇的基本要求有哪些答源發(fā)光的光譜特性必須滿足檢測系統(tǒng)的要求。按檢測的任務不同，要求的光譜范圍也有所不同，如可見光區(qū)、紫外光區(qū)、紅外光區(qū)等等。有時要求連續(xù)光譜，有時又要求特定的光譜段。系統(tǒng)對光譜范圍的要求都應在選擇光源時加以滿足。光對光源發(fā)光強度的要求。為確保光電測試系統(tǒng)的正常工作，對系統(tǒng)采用的光源的發(fā)光強度應有一定的要求。光源強度過低，系統(tǒng)獲得信號過小，以至無法正常測試，光源強度過高，又會導致系統(tǒng)工作的非線性，有時還可能損壞系統(tǒng)、待測物或光電探測器，同時還會導致不必要的能源消耗而造成浪費。因此在設計時，必須對探測器所需獲得的最大、最小光適量進行正確估計，并按估計來選擇光源。對光源穩(wěn)定性的要求。不同的光電測試系統(tǒng)對光源的穩(wěn)定性有著不同的要求。通常依不同的測試量來確定。穩(wěn)定光源發(fā)光的方法很多，一般要求時，可采用穩(wěn)壓電源供電。當要求較高時，可采用穩(wěn)流電源供電。所用的光源應該預先進行月化處理。當有更高要求時，可對發(fā)出光進行采樣，然后再反饋控制光源的輸出。對光源其他方面的要求。光電測試中光源除以上幾條基本要求外；還有一些具體的要求。如燈絲的結構和形狀；發(fā)光面積的大小和構成；燈泡玻殼的形狀和均勻性；光源發(fā)光效率和空間分布等等，這些方面都應該根據(jù)測試系統(tǒng)的要求給以滿足2、光電倍增管的供電電路分為負高壓供電與正高壓供電，試說明這兩種供電電路的特點，舉例說明它們分別適用于哪種情況答采用陽極接地，負高壓供電。這樣陽極輸出不需要隔直電容，可以直流輸出，一般陽極分布參數(shù)也較小?？墒窃谶@種情況下，必須保證作為光屏蔽和電磁屏蔽的金屬筒距離管殼至少要有1020MM，否則由于屏蔽筒的影響，可能相當大地增加陽極暗電流和噪聲。如果靠近管殼處再加一個屏蔽罩，并將它連接到陰極電位上，則要注意安全。采用正高壓電源就失去了采用負高壓電源的優(yōu)點，這時在陽極上需接上耐高壓、噪聲小的隔直電容，因此只能得到交變信號輸出?？墒牵色@得比較低和穩(wěn)定的暗電流和噪聲3、在微弱輻射作用下，光電導材料的光電靈敏度有什么特點，為什么要把光敏電阻制造成蛇形答在微弱輻射下，光電導材料的光電靈敏度是定值，光電流與入射光通量成正比，即保持線性關系。因為產生高增益系數(shù)的光敏電阻電極間距需很?。碩DR?。?，同時光敏電阻集光面積如果太小而不實用，因此把光敏電阻制造成蛇形，既增大了受光面積，又減小了極間距。4、為什么結型光電器件在正向偏置時，沒有明顯的光電效應它必須在那種偏置狀態(tài)為什么答因為PN結在外加正向偏壓時，即使沒有光照，電流也隨著電壓指數(shù)級在增加，所以有光照時，光電效應不明顯。PN結必須在反向偏壓的狀態(tài)下，有明顯的光電效應產生，這是因為PN結在反偏電壓下產生的電流要飽和，所以光照增加時，得到的光生電流就會明顯增加。二論述光電檢測系統(tǒng)的基本構成，并說明各部分的功能。1、下面是一個光電檢測系統(tǒng)的基本構成框圖（1）光源和照明光學系統(tǒng)是光電檢測系統(tǒng)中必不可少的一部分。在許多系統(tǒng)中按需要選擇一定輻射功率、一定光譜范圍和一定發(fā)光空間、分布的光源，以此發(fā)出的光束作為載體攜帶被測信息。（2）被測對象及光學變換這里所指的是上述光源所發(fā)出的光束在通過這一環(huán)節(jié)時，利用各種光學效應，如反射、吸收、折射、干涉、衍射、偏振等，使光束攜帶上被檢測對象的特征信息，形成待檢測的光信號。光學變換通常是用各種光學元件和光學系統(tǒng)來實現(xiàn)的，實現(xiàn)將被測量轉換為光參量（振幅、頻率、相位、偏振態(tài)、傳播方向變化等）。3）光信號的匹配處理這一工作環(huán)節(jié)的位置可以設置在被檢測對象前面，也可設在光學變換后面，應按實際要求來決定。光信號匹配處理的主要目的是為了更好地獲得待測量的信息，以滿足光電轉換的需要。（4）光電轉換該環(huán)節(jié)是實現(xiàn)光電檢測的核心部分。其主要作用是以光信號為媒質，以光電探測器為手段，將各種經待測量調制的光信號轉換成電信號（電流、電壓或頻率），以利于采用目前最為成熟的電子技術進行信號的放大、處理、測量和控制等。（5）電信號的放大與處理這一部分主要是由各種電子線路所組成。光電檢測系統(tǒng)中處理電路的任務主要是解決兩個問題實現(xiàn)對微弱信號的檢測；實現(xiàn)光源的穩(wěn)定化。（6）存儲、顯示與控制系統(tǒng)許多光電檢測系統(tǒng)只要求給出待測量的具體值，即將處理好的待測量電信號直接經顯示系統(tǒng)顯示。2、在“反向偏置”電路中，有兩種取得輸出電壓U0的方法一種是從負載電阻RL上取得電壓U0，另一種是從二極管兩端取得電壓U0。敘述兩種方法的特點及它們之間的聯(lián)系。（10分）1對于圖A）所示的電路，光電信號是直接取出的，即U0ILRL，而對于B）圖，光電信號是間接取出的，U0UCILRL；2兩種電路輸出的光電信號電壓的幅值相等，但相位是相反的；3這兩種方法只適合照射到PN結上的光強變化緩慢和恒定光的情況，這時光電二極管的結電容不起作用，二極管本身的串聯(lián)電阻很小，實際上可以略去不計。4當二極管的光電流與暗電流接近時，光電信號難以取出，因此，運用反偏法檢測微弱的恒定光時不利的。3、如果硅光電池的負載為RL，畫出它的等效電路圖，寫出流過負載IL的電流方程及UOC、ISC的表達式，說明其含義（圖中標出電流方向）。（12分硅光電池的工作原理和等效電路為下圖（A）光電池工作原理圖（B）光電池等效電路圖（C）進一步簡化從圖（B）中可以得到流過負載RL的電流方程為（1）11/0/0KTQVSEKTQVSPDPEISEIII其中，SE為光電池的光電靈敏度，E為入射光照度，IS0是反向飽和電流，是光電池加反向偏壓后出現(xiàn)的暗電流。當I0時，RL（開路），此時曲線與電壓軸交點的電壓通常稱為光電池開路時兩端的開路電壓，以VOC表示，由式（1）解得（2）（4分）1LN0IQKTVPOC當IPIO時，/LN/0IQPOC當RL0（即特性曲線與電流軸的交點）時所得的電流稱為光電流短路電流，以ISC表示，所以ISCIPSEE（3）（4分）從式（2）和（3）可知，光電池的短路光電流ISC與入射光照度成正比，而開路電壓VOC與光照度的對數(shù)成正比。1、為什么發(fā)光二極管的PN結要加正向電壓才能發(fā)光而光電二極管要零偏或反偏才能有光生伏特效應答1PN結在外加正向偏壓時,外加電壓削弱內建電場,使空間電荷區(qū)變窄,載流子的擴散運動加強,構成少數(shù)載流子的注入,從而在PN結附近產生導帶電子和價帶空穴的復合。一個電子和一個空穴的一次復合將釋放出與材料性質有關的一定復合能量，這些能量會以熱能、光能或部分熱能和部分光能的形式輻射出來，產生電致發(fā)光現(xiàn)象，這就是LED的發(fā)光機理。因為PN結在外加正向偏壓時，即使沒有光照，電流也隨著電壓指數(shù)級在增加，所以有光照時，光電效應不明顯。PN結必須在反向偏壓的狀態(tài)下，有明顯的光電效應產生，這是因為PN結在反偏電壓下產生的電流要飽和，所以光照增加時，得到的光生電流就會明顯增加。2、簡述三種主要光電效應的基本工作原理答當半導體材料受光照時，由于對光子的吸收引起載流子濃度增大，因而導致材料電導率增大，這種現(xiàn)象稱為光電導效應，是一種內光電效應。材料對光的吸收有本征型和非本征型，所以光電導效應也有本征型和非本征型兩種。當光照射PN結時，只要入射光子能量大于材料禁帶寬度，就會在結區(qū)產生電子空穴對。光生電子空穴對就被內建電場分離開來，空穴留在P區(qū)，電子通過擴散流向N區(qū),這種光照零偏PN結產生開路電壓的效應，稱為光伏效應當光照射到某種物質時，若入射的光子能量足夠大，那么它和物質中的電子相互作用，可致使電H子逸出物質表面，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應，又稱為外光電效應。3、光電探測器與熱電探測器在工作原理、性能上有什么區(qū)別答所謂光電效應是指，光輻射入射到光電材料上時，光電材料發(fā)射電子，或者其電導率發(fā)生變化，或者產生感生電動勢的現(xiàn)象。光電效應實質上是入射光輻射與物質中束縛于晶格的電子或自由電子的相互作用所引起的。光電效應就對光波頻率（或波長）表現(xiàn)出選擇性。在光子直接與電子相互作用的情況下，其響應速度一般比較快。按照是否發(fā)射電子，光電效應又分為內光電效應和外光電效應。具體有光電子發(fā)射效應、光電導效應、光生伏特效應、光子牽引效應和光電磁效應等。光熱效應的實質是探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能量，引起探測元件溫度上升，溫度上升的結果又使探測元件與溫度有關的電學性質或其他物理性質發(fā)生變化。原則上，光熱效應對光波頻率（或波長）沒有選擇性，因而物質溫度的變化僅決定于光功率（或其變化率），而與入射光輻射的光譜成分無關。因為溫度升高是熱積累的作用，所以光熱效應的響應速度一般比較慢，而且容易受環(huán)境溫度變化的影響。光熱效應包括熱釋電效應、溫差電效應和測熱輻射計效應等4、簡述光電探測器的選用原則答1光電檢測器件必須和輻射信號源及光學系統(tǒng)在光譜特性上匹配。2光電檢測器件的光電轉換特性必須和入射輻射能量相匹配。3光電檢測器件的響應特性必須和光信號的調制形式、信號頻率及波形相匹配，以保證得到沒有頻率失真和良好的時間響應。4光電檢測器件必須和輸入電路以及后續(xù)電路在電特性上相互匹配，以保證最大的轉換系數(shù)、線性范圍、信噪比以及快速的動態(tài)響應等。5、簡述光電池、光電二極管的工作原理及區(qū)別答光電池和光電二極管都是基于光伏特效應的原理進行工作,只不過光電池可以工作在零偏狀態(tài)下,是光伏工作模式,器件內阻遠低于負載電阻,相當于一個恒壓源而光電二極管必須在反偏電壓下才能工作,是光電導工作模式,器件內阻遠大于負載電阻,此時器件相當于一個恒流源1、敘述光電池低輸入阻抗和高輸入阻抗放大電路的特點和區(qū)別，各應用于什么場合10分答當光電池后接低輸入阻抗放大電路時，其工作在短路或線性電流放大狀態(tài)，這是一種電流變換狀態(tài)，要求硅光電池送給負載電阻RL（這時RLRM且RL，要求光電池應通過高輸入阻抗變換器與后續(xù)放大電路連接，相當于輸出開路。2、光敏電阻工作電路的三種偏置方法有什么特點10分答1恒功率偏置輸出電壓并不隨負載電阻線性變化，要使USUIULPGBLL22最大，須將式對RL微分，有LU3LPGBLRD當負載RL與光敏電阻RP相等時，即RLRP，表示負載匹配，0，則最大。此時探測器的輸出功率DL最大，即PLILULUB2/4RL則稱為匹配狀態(tài)。2恒流偏置在基本偏置電路中，若負載電阻RL比光敏電阻RP大得多，即RLRP，則負載電流IL簡化為ILUB/RL這表明負載電流與光敏電阻值無關，并且近似保持常數(shù)，這種電路稱為恒流偏置電路。隨輸入光通量的變化，負載電流的變化IL變?yōu)镮LSGUBRP/RL2上式表明輸出信號電流取決于光敏電阻和負載電阻的比值，與偏置電壓成正比。還可以證明恒流偏置的電壓信噪比較高，因此適用于高靈敏度測量。但由于RL很大，使光敏電阻正常工作的偏置電壓則需很高（100V以上），這給使用帶來不便。為了降低電源電壓，通常采用晶體管作為恒流器件來代替RL。3當負載電阻RL比光敏電阻RP小得多，即RLRP時，負載電阻兩端的電壓為UL0此時，光敏電阻上的電壓近似與電源電壓相等。這種光敏電阻上的電壓保持不變的偏置稱為恒壓偏置，信號電壓變?yōu)閁LSGUBRL式中，SGG是光敏電阻的電導變化量，是引起信號輸出的原因。從上式中看出，恒壓偏置的輸出信號與光敏電阻無關，僅取決于電導的相對變化。所以，當檢測電路更換光敏電阻值時，恒壓偏置電路初始狀態(tài)受到的影響不大，這是這種電路的一大優(yōu)點。3、敘述實現(xiàn)光外差檢測必須滿足的條件。12分答信號光波和本振光波的波前在整個光混頻面上必須保持相同的相位關系。光外差檢測只有在下列條件下才可能得到滿足信號光波和本征光波必須具有相同的模式結構，這意味著所用激光器應該單頻基模運轉。信號光和本振光束在光混頻面上必須相互重合，為了提供最大信噪比，它們的光斑直徑最好相等，因為不重合的部分對中頻信號無貢獻，只貢獻噪聲。信號光波和本振光波的能流矢量必須盡可能保持同一方向，這意味著兩束光必須保持空間上的角準直。在角準直，即傳播方向一致的情況下，兩束光的波前面還必須曲率匹配，即或者是平面，或者有相同曲率的曲面。在上述條件都得到滿足時，有效的光混頻還要求兩光波必須同偏振，因為在光混頻面上它們是矢量相加。總之,要滿足時間,空間條件外,還有滿足頻率條件和偏振條件4、對直接檢測系統(tǒng)來說，如何提高輸入信噪比12分答對于光電檢測系統(tǒng)來說，其噪聲主要有三類（1）光子噪聲包括A信號輻射產生的噪聲；B背景輻射產生的噪聲。（2）探測器噪聲包括熱噪聲；散粒噪聲；產生復合噪聲；1/F噪聲；溫度噪聲。（3）信號放大及處理電路噪聲在實際的光電探測器中，由于光電轉換機理不同，各種噪聲的作用大小亦各不相同。若綜合上述各種噪聲源，其功率譜分布可用下圖表示。由圖可見在頻率很低時，1/F噪聲起主導作用；當頻率達到中間范圍頻率時，產生復合噪聲比較顯著；當頻率較高，甚至于截至頻率時，只有白噪聲占主導地位，其它噪聲影響很小。很明顯，探測器應當工作在1/F噪聲小、產生復合噪聲為主要噪聲的頻段上。因此，對于直接探測系統(tǒng)，提高輸入信噪比的措施有（1）利用信號調制及選頻技術可抑制噪聲的引入白噪聲的大小與電路的頻帶寬度成正比，因此放大器應采用帶寬盡可能窄的選頻放大器或鎖相放大器。（2）將器件制冷，減小熱發(fā)射，降低產生復合噪聲。采用半導體制冷、杜瓦瓶液態(tài)氣體制冷或專用制冷機制冷。（3）采用最佳條件下的偏置電路，使信噪比（S/N）最大圖光電探測器噪聲功率譜分布示意圖5、敘述激光干涉測長的原理。16分答如圖所示是雙縱模雙頻激光干涉儀的原理示意圖。圖雙縱模雙頻激光干涉儀原理示意圖由長度為206MM的全內腔HENE激光管發(fā)出一對互相垂直的雙縱模線偏振光，模間隔為（式中NLC2/C為光速，L為諧振腔長，N為空氣折射率，其值約728MHZ），經布儒特窗取出穩(wěn)頻信號，進行熱穩(wěn)頻。其余光束再經析光鏡反射及透射，反射的一對正交線偏振光作為參考信號，經透鏡、偏振片產生拍頻信號，為光電接收器接收。透射光經光擴展器準直擴束后，為偏振分光鏡分光，水平分量射向測量角錐鏡，垂直分量射向固定角錐鏡，兩路光返回后經透鏡、偏振片產生拍頻。當測量鏡在時間T內以速度V移動一距離時，因多普勒效應而引起頻差變化，這樣被測長度信息載于返回光束中，并為光電接收器接收。F可得測量鏡運動距離與相位差變化的關系式41L根據(jù)測量鏡運動引起的多普勒效應與相位的關系有FF2因而FL21NDTT101可見在忽略了測量過程中系統(tǒng)不穩(wěn)定性影響及高斯光束干涉附加項的變化影響的情況下，只要對測量鏡運動過程中測量信號與參考信號的相位差變化的周期數(shù)，即可獲得所需測量長度結果。4、闡述用補償法檢測溶液濃度的工作原理及工作過程。（13分）穩(wěn)頻信號布儒斯特窗