从表 1 的数值举例中看出， 在强光信号下， 外差探测并没有多少好处， 在微弱光信号下， 外差探测器表现出十分高的转换增益。例如，在
也 就是说，外差探测的灵敏度比直接探测将高
量级时， 量级，所以我们可以
说，光外差探测方式具有天然的探测微弱信号的能力。
2、原理和工作过程：光源 1 发出的光经单色器 2 后成为单色光，该单色光的波长应选为待 测溶液的峰值吸收波长。将该光线用分束器 BS 分成两束，分别通过待测溶液 S2 和参比溶液 S1，并用两个性能一致的光电探测器接收。由于参比溶液对工作波长的光不产生吸收，而待测溶液对该波长的光有较强的吸收， 因此， 探测器 PD1 接收到的光强度 I1 即为入射光强度 I0， 而探测器 PD2 接收到的光强度 I2 取决于待测溶液的浓度。 系统输出电压为：
式中，C0 为比例常数； I φ 1 为 PD1 上产生的光电流； I φ 2 为 PD2 上产生的光电流；K1、K2 为 PD1 和 PD2 的灵敏度， φ1 、 φ 2 为到达 PD1 和 PD2 上的光通量。若 PD1 和 PD2 性能一致，则 K1＝K2， 故上式可变为：
由于在忽略反射和散射的情况下，I 1=I 2,故
可见，最后输出电压即为溶液的吸光度值，亦即反映了溶液的浓度。 （5 分）
二零零七 至二零零 八 学年第 一 学期期 末 考试
光电检测技术 课程考试题 A 卷 （120 分钟） 考试形式：开卷 考试日期 2009 年6 月 12 日
课程成绩构成：平时 20 分， 期中 分， 实验 分， 期末 80 分
一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 合计 一、填空题（每空一分，共15分）
1、光具有的一个基本性质是（ ）。
2、光电检测技术研究的主要内容是（ ）（ ）。
3、光源调制通常分为（ ）和（ ）。
4、激光的形成必须满足（ ）（ ）（ ）。 5、为了提高光电二极管的响应频率，应适当加大（ ）。 6、光敏电阻受（ ）影响大，通常工作在（ ）环境下。 7、光电检测技术是（ ）与（ ）相结合而产生的一门新兴检测技术，它是利用（ ）进行检测。
8、假设调制盘的转速为N转/分，得到调制光的频率为f，则调制盘的孔数为（ ）。
二、判断题（每题一分，共1０分）
1、相干长度只与光波单色性有关，而与其波长无关。 （ ） 2、温度越高，热辐射的波长就越短。 （ ） 3、雪崩管的工作偏压一般不超过10V。 （ ） 4、光电探测器件输出的信号只有比噪声大时，测量才能进行。 （ ） 5、光电探测器件的1/f噪声是一种低频噪声。 （ ） 6、光电池的频率特性很差。 （ ） 7、光电三极管的增益比光电二极管大，但其线性范围比光电二极管小。 （ ） 8、对光源进行调制即可消除光源波动及背景光干扰的影响。 （ ） 9、补偿法测量比差动法响应慢，但通常精度更高。 （ ）
10、倒置望远镜系统对激光束发散角有缩小的作用。 （ ）
三、简答：（每小题6分，共30分）
1、简述半导体激光器的工作原理，它有哪些特点？对工作电源有什么要求？
2、光源选择的基本要求有哪些?
3、光电倍增管的供电电路分为负高压供电与正高压供电，试说明这两种供电电
路的特点，举例说明它们分别适用于哪种情况?
4、在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度有什么特点，？为什么要把光
敏电阻制造成蛇形？
5、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在那种偏置状态？为什么？
四、论述题（45分）
1、论述光电检测系统的基本构成，并说明各部分的功能。（10分）
2、在“反向偏置”电路中，有两种取得输出电压U0的方法：一种是从负载电阻RL上取得电压U0，另一种是从二极管两端取得电压U0。叙述两种方法的特点及它们之间的联系。（10分） 3、如果硅光电池的负载为RL，画出它的等效电路图，写出流过负载IL的电流方程及Uoc、Isc的表达式，说明其含义（图中标出电流方向）。（12分） 4、阐述用补偿法检测溶液浓度的工作原理及工作过程。（13分）
答案：
一、填空题
1、光具有的性质（波粒二象性） 2、光电检测技术研究的内容（信息变换技术）、（电信号处理技术） 3、光源调制通常分为（机械调制）和（电调制或内调制）和（外调制） 4、激光的形成必须满足（粒子数反转）、（谐振腔共振）、（阈值条件） 5、为了提高光电二极管的响应频率，应适当加大（反向偏压） 6、光敏电阻受（温度）影响大、通常工作在（低温）环境下
7、光电技术是（光学）和（电子技术）相结合而产生的一门新兴检测技术、它是利用（光电子技术对光信息）进行检测 8、假设调制盘的转速是N转/分，得到调制光的频率为f，则调制盘的孔数是（60f/N）
二、判断题
相干长度只与光波但色性有关，与其波长无关（×） 1，（√）2（√）3（√）4（√）5（×）6（√）7（×）8（√） 倒置望远镜系统对激光束发射角有缩小的作用（√）
三、简答
1、简述半导体的工作原理，它有哪些特点？对工作电源有什么要求？
半导体激光器（LD）工作原理：半导体材料是LD的激活物质，在半导体的两个端面精细加工磨成解理面而构成谐振腔。半导体p-n结在内建电场下达到平衡；当外加正偏压时，外加电压削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强，构成少数载流子的注入，从而在p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合，复合产生能量释放，部分以光的形式释放出来，由于解理面谐振腔的共振放大作用实现受激反馈，实现定向发射而输出激光。 特点：体积小、重量轻、寿命长、具有高的转换效率，从紫外到红外均可发光，输出功率从几mw到几百mw，在脉冲输出时，可达数W，单色性比He-Ne激光器差。 对工作电源的要求是稳定
2、光源选择的基本要求有那些？
①源发光的光谱特性必须满足检测系统的要求。按检测的任务不同，要求的光谱范围也有所不同，如可见光区、紫外光区、红外光区等等。有时要求连续光谱，有时又要求特定的光谱段。系统对光谱范围的要求都应在选择光源时加以满足。 ②光对光源发光强度的要求。为确保光电测试系统的正常工作，对系统采用的光源的发光强度应有一定的要求。光源强度过低，系统获得信号过小，以至无法正常测试，光源强度过高，又会导致系统工作的非线性，有时还可能损坏系统、待测物或光电探测器，同时还会导致不必要的能源消耗而造成浪费。因此在设计时，必须对探测器所需获得的最大、最小光适量进行正确估计，并按估计来选择光源。 ③对光源稳定性的要求。不同的光电测试系统对光源的稳定性有着不同的要求。通常依不同的测试量来确定。稳定光源发光的方法很多，一般要求时，可采用稳压电源供电。当要求较高时，可采用稳流电源供电。所用的光源应该预先进行月化处理。当有更高要求时，可对发出光进行采样，然后再反馈控制光源的输出。
④对光源其他方面的要求。光电测试中光源除以上几条基本要求外；还有一些具体的要求。如灯丝的结构和形状；发光面积的大小和构成；灯泡玻壳的形状和均匀性；光源发光效率和空间分布等等，这些方面都应该根据测试系统的要求给以满足。
3、光电倍增管的供电电路分为负高压供电和正高压供电，说明两种电路各有什么特点？ 采用阳极接地，负高压供电。这样阳极输出不需要隔直电容，可以直流输出，一般阳极分布参数也较小。可是在这种情况下，必须保证作为光屏蔽和电磁屏蔽的金属筒距离管壳至少要有10～20mm，否则由于屏蔽筒的影响，可能相当大地增加阳极暗电流和噪声。如果靠近管壳处再加一个屏蔽罩，并将它连接到阴极电位上，则要注意安全。
采用正高压电源就失去了采用负高压电源的优点，这时在阳极上需接上耐高压、噪声小的隔直电容，因此只能得到交变信号输出。可是，它可获得比较低和稳定的暗电流和噪声。 4、在微弱辐射作用下，光电导材料的灵敏度有什么特点？为什么把光敏电阻制成蛇形？ 在微弱辐射下，光电导材料的光电灵敏度是定值，光电流与入射光通量成正比，即保持线性关系。
因为产生高增益系数的光敏电阻电极间距需很小（即tdr小），同时光敏电阻集光面积如果太小而不实用，因此把光敏电阻制造成蛇形，既增大了受光面积，又减小了极间距。 5、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在哪种偏置状态？为什么？
因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有光照时，光电效应不明显。
p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生，这是因为p-n结在反偏电压下产生的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光生电流就会明显增加。
四、论述题
