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1、光电测试技术光电测试技术第第1 1章章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识1.熟悉辐射度量与光度量参量的意义。熟悉辐射度量与光度量参量的意义。立体角：立体角：以锥体的基点为球心作一球表面，锥体在球以锥体的基点为球心作一球表面，锥体在球表面上所截取部分的表面积表面上所截取部分的表面积dA和球半径和球半径r平方之比平方之比。(sr，球面度，球面度)光度量只在可见光区（光度量只在可见光区（380780nm)才有意义。才有意义。朗伯源：朗伯源：对于某些自身发射辐射的辐射源，其辐亮度与方对于某些自身发射辐射的辐射源，其辐亮度与方向无关，即辐射源各方向的辐亮度不变，这类辐射源称为向无关，即辐
2、射源各方向的辐亮度不变，这类辐射源称为朗伯源，又称为朗伯源，又称为余弦辐射体余弦辐射体。朗伯余弦定律：朗伯余弦定律：朗伯源向空间规定方向单位立体角内辐射的朗伯源向空间规定方向单位立体角内辐射的通量和该方向与源表面法线方向的夹角通量和该方向与源表面法线方向的夹角的余弦成正比。的余弦成正比。朗伯源辐射出射度与辐亮度的关系：朗伯源辐射出射度与辐亮度的关系：点光源在传输方向上某点的照度与点光源在传输方向上某点的照度与该点到点光源距离的平方成反比。该点到点光源距离的平方成反比。照度与距离平方反比定律：照度与距离平方反比定律：2.熟悉光电检测器件的物理基础；熟悉光电检测器件的物理基础；N型半导体：型半导体
3、：自由电子自由电子P型半导体：型半导体：空穴空穴长波限：长波限：绝对黑体：绝对黑体：在任意温度条件下，对任何波长的入射辐射能在任意温度条件下，对任何波长的入射辐射能的吸收比等于的吸收比等于1的物体叫做绝对黑体，或简称黑体。的物体叫做绝对黑体，或简称黑体。3.掌握光电检测中的基本定律；掌握光电检测中的基本定律；基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：任何物体的单色辐出度和单色吸收比之任何物体的单色辐出度和单色吸收比之比等于同一温度时绝对黑体的单色辐出度。比等于同一温度时绝对黑体的单色辐出度。普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：黑体在绝对温度为黑体在绝对温度为T时、波长时、波长处的光处的光谱辐射出射度：谱辐射出射
4、度：维恩位移定律：维恩位移定律：斯忒藩斯忒藩玻尔兹曼定律：玻尔兹曼定律：斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数，5.6710-5Wm-2K-4物体的光谱发射率：物体的光谱发射率：辐射体的光谱辐射出射度与处于相辐射体的光谱辐射出射度与处于相同温度的黑体的光谱辐射出射度之比。同温度的黑体的光谱辐射出射度之比。结论：物体的光谱发射率总等于其光谱吸收比。即强结论：物体的光谱发射率总等于其光谱吸收比。即强吸收体必然是强发射体。吸收体必然是强发射体。光电效应：光电效应：光照射到物体表面上使物体发射光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，
5、这种因光照而引起物体电学特性发生改等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变的现象统称为光电效应。变的现象统称为光电效应。光电效应：光电效应：发射电子发射电子 导电率发生变化导电率发生变化 产生光电动势产生光电动势外光电效应外光电效应光电导效应光电导效应光生伏特效应光生伏特效应内光电效应内光电效应作业：作业：1-1、1-2、1-34.了解噪声的类型，熟悉光电探测器的特性参数。了解噪声的类型，熟悉光电探测器的特性参数。噪声的类型：噪声的类型：热噪声、散粒噪声、产生热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声、复合噪声、1/f噪声、温度噪声噪声、温度噪声光电探测器的特性参数：光电探测器的特性参数：响应率（灵敏度
6、）响应率（灵敏度）噪声等效功率噪声等效功率 NEP探测率与比探测率探测率与比探测率白噪声：功率谱密度与频率无关白噪声：功率谱密度与频率无关1/f噪声：功率谱密度与频率成反比噪声：功率谱密度与频率成反比第第2 2章章 光电检测中的常用光源光电检测中的常用光源2.熟悉常见光源的原理，学会选择光电检测用光源。熟悉常见光源的原理，学会选择光电检测用光源。光源：通常把发出可见光为主的物体。光源：通常把发出可见光为主的物体。辐射源：把以发非可见光为主的物体。辐射源：把以发非可见光为主的物体。l辐射光源：辐射光源：利用物体升温产生辐射的原理制成的光源。利用物体升温产生辐射的原理制成的光源。太阳、黑体太阳、黑
7、体和和白炽灯白炽灯一、辐射光源一、辐射光源1.熟悉光源的特性参数；熟悉光源的特性参数；光源的特性参数：光源的特性参数：辐射效率、发光效率、光谱功率分布、辐射效率、发光效率、光谱功率分布、空间光强分布、颜色、色温空间光强分布、颜色、色温白炽灯：白炽灯：灯丝（钨丝）在电源供电下炽热发光的器件。灯丝（钨丝）在电源供电下炽热发光的器件。-连续光谱连续光谱。白炽灯的分类：白炽灯的分类：真空白炽灯真空白炽灯、充气白炽灯充气白炽灯和和卤钨白炽灯卤钨白炽灯。卤钨循环：卤钨循环：蒸发的钨和玻璃壳附近的卤素合成卤钨化合物，蒸发的钨和玻璃壳附近的卤素合成卤钨化合物，该卤钨化合物扩散到温度较高的灯丝周围时又分解成卤素
8、该卤钨化合物扩散到温度较高的灯丝周围时又分解成卤素和钨，这样，钨重新沉积在灯丝上，卤素被扩散到温度较和钨，这样，钨重新沉积在灯丝上，卤素被扩散到温度较低的灯泡壁区域，再继续与钨化合。低的灯泡壁区域，再继续与钨化合。充气白炽灯充气白炽灯-氩、氮或氩和氮的混合气体氩、氮或氩和氮的混合气体二、气体放电光源二、气体放电光源气体放电光源：利用气体放电原理制成的光源。气体放电光源：利用气体放电原理制成的光源。气体放电原理气体放电原理：制作时在灯中充入发光用的气体，如氦、：制作时在灯中充入发光用的气体，如氦、氖、氙、氪，或金属蒸汽（汞、钠、铊、镝），这些元素氖、氙、氪，或金属蒸汽（汞、钠、铊、镝），这些元素
9、的原子在电场作用下电离出电子和离子。当离子向阴极、的原子在电场作用下电离出电子和离子。当离子向阴极、电子向阳极运动时，从电场中得到加速，当它们与气体原电子向阳极运动时，从电场中得到加速，当它们与气体原子或分子高速碰撞时会激励出新的电子和离子。在碰撞过子或分子高速碰撞时会激励出新的电子和离子。在碰撞过程中有些电子会跃迁到高能级，引起原子的激发。受激电程中有些电子会跃迁到高能级，引起原子的激发。受激电子回到低能级时会发射出相应的辐射，如此不断进行，实子回到低能级时会发射出相应的辐射，如此不断进行，实现气体持续放电、发光。现气体持续放电、发光。气体灯：脉冲灯、原子光谱灯、汞灯气体灯：脉冲灯、原子光谱
10、灯、汞灯气体放电光源的特点：气体放电光源的特点：（1）发光效率高，比白炽灯高）发光效率高，比白炽灯高210倍倍（2）结构紧凑，耐震、耐冲击）结构紧凑，耐震、耐冲击（3）寿命长，是白炽灯的）寿命长，是白炽灯的210倍倍（4）光色范围大，如高压汞灯发光波长）光色范围大，如高压汞灯发光波长400500nm，低，低压汞灯为紫外灯，钠灯呈黄色（压汞灯为紫外灯，钠灯呈黄色（589nm）三、固体发光光源三、固体发光光源利用电致发光现象制成的发光器件。利用电致发光现象制成的发光器件。场致发光屏、发光二极管场致发光屏、发光二极管发光二极管的工作原理：发光二极管的工作原理：u P型半导体与型半导体与N型半导体接触
11、时，由于载流子的型半导体接触时，由于载流子的扩散扩散运动和由此产生内电场作用下的运动和由此产生内电场作用下的漂移漂移运动达到平衡而运动达到平衡而形成形成PN结。结。u在在PN结上加正向电压，则促进了扩散运动的进行，结上加正向电压，则促进了扩散运动的进行，即从即从N区流向区流向P区的电子和从区的电子和从P区流向区流向N区的空穴增多，区的空穴增多，于是有大量的电子和空穴在于是有大量的电子和空穴在PN结中相遇复合，产生光结中相遇复合，产生光子，光子朝各个方向运动，这就形成了结型发光。子，光子朝各个方向运动，这就形成了结型发光。发光二极管的优点：发光二极管的优点：(1)属于低电压、小电流器件，在室温下
12、即可得到足够属于低电压、小电流器件，在室温下即可得到足够的亮度，一般为的亮度，一般为3000cd/m2以上以上(2)发光响应速度极快，时间常数约为发光响应速度极快，时间常数约为l0-610-9s(3)性能稳定，寿命长性能稳定，寿命长(4)驱动简单，易于和集成电路匹配驱动简单，易于和集成电路匹配(5)单色性好，发光脉冲的半宽度为几十纳米单色性好，发光脉冲的半宽度为几十纳米(6)重量轻，体积小，耐冲击重量轻，体积小，耐冲击四、激光器四、激光器特点：特点：(1)极小的光束发散角，即方向性好或准直性好；极小的光束发散角，即方向性好或准直性好；(2)激光的单色性好，或相干性好；激光的单色性好，或相干性好
13、；(3)激光的输出功率密度很高，即亮度高激光的输出功率密度很高，即亮度高 受激辐射受激辐射：激光是受激辐射的光放大。：激光是受激辐射的光放大。激光产生的必要条件：激光产生的必要条件：粒子数反转、光泵、谐振腔粒子数反转、光泵、谐振腔激发源激发源激活介质激活介质激光器的组成：激光器的组成：工作物质、谐振腔和泵浦源工作物质、谐振腔和泵浦源。全反镜全反镜半反镜半反镜分类：分类：(1)气体激光器气体激光器(2)固体激光器固体激光器(3)染料激光器染料激光器(4)半导体激光器半导体激光器u原子（氦氖）激光器原子（氦氖）激光器u离子（氩，氪，金属蒸汽）激光器离子（氩，氪，金属蒸汽）激光器u分子（分子（CO2
14、,CO,准分子准分子)激光器。激光器。红宝石激光器：红宝石激光器：发现最早，用途最广发现最早，用途最广的晶体激光器的晶体激光器激光二极管：激光二极管：当自发辐射所产生的光子通过半导体时，当自发辐射所产生的光子通过半导体时，经过已发生过辐射的电子经过已发生过辐射的电子-空穴对附近，就能激励二者复空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子（受激辐射）。如果注入电流足够大，合，产生新光子（受激辐射）。如果注入电流足够大，则会形成粒子数反转，以法布里则会形成粒子数反转，以法布里-珀罗腔或分布布拉格光珀罗腔或分布布拉格光栅为谐振腔，进行受激辐射光的放大，从而发出激光。栅为谐振腔，进行受激辐射光的放大，从而
15、发出激光。作业：作业：2-2、2-4、2-6掌握结型光电器件的原理及特性，学会在系统掌握结型光电器件的原理及特性，学会在系统中如何选择。中如何选择。一、结型光电器件的工作原理一、结型光电器件的工作原理当有外界光辐射照射在结区及其附近时，当有外界光辐射照射在结区及其附近时，入射光子入射光子能能量量=h禁带宽度禁带宽度Eg，激发产生电子，激发产生电子-空穴对：光生电子、空穴对：光生电子、光生空穴。在内建电场的作用下光生电子被拉向光生空穴。在内建电场的作用下光生电子被拉向N区，区，光生空穴被拉向光生空穴被拉向P区，相当于区，相当于PN结上加一个正电压，即结上加一个正电压，即半导体内部产生光生电动势，
16、当连接外电路时，将有光半导体内部产生光生电动势，当连接外电路时，将有光生电流通过。生电流通过。流过负载流过负载RL的电流：的电流：第第3 3章章 结型光电器件结型光电器件光伏工作模式：光伏工作模式：工作在工作在零偏置零偏置状态，状态，PN结型光电器件产生结型光电器件产生光生伏特效应。光生伏特效应。-光电池光电池光电导工作模式：光电导工作模式：工作在工作在反偏反偏状态，无光照时结电阻很大，状态，无光照时结电阻很大，电流很小；有光照时，结电阻变小，电流变大，而且流过电流很小；有光照时，结电阻变小，电流变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。它的光电流随照度变化而变化。-光敏二极管、光敏三极管光敏
17、二极管、光敏三极管光伏器件的伏安特性曲线光伏器件的伏安特性曲线l无光照时，无光照时，光电流光电流Ip=0，等，等效电路只起一个二极管的作用效电路只起一个二极管的作用l有光照时有光照时，光电流，光电流Ip0，外电，外电路电流为路电流为 I=ID-Ip，伏安特性下，伏安特性下降降开路电压开路电压：I0时时短路电流短路电流：U0时时二、光电池二、光电池开路电压输出：非线性，灵敏度高开路电压输出：非线性，灵敏度高短路电流输出：线性好，灵敏度低短路电流输出：线性好，灵敏度低用途：用途：开关测量（开路电压输出）；开关测量（开路电压输出）；线性检测（短路电流输出）。线性检测（短路电流输出）。恒压源恒压源三、
18、光电二极管三、光电二极管l 光电二极管工作于反向偏置条件下光电二极管工作于反向偏置条件下PIN光电二极管：光电二极管：PN结间距增大，结电容减小，响结间距增大，结电容减小，响应时间变短，频带展宽。应时间变短，频带展宽。雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）：高反向偏压）：高反向偏压（100200V），），使其接近击穿电压。灵敏度高；响应速度快。使其接近击穿电压。灵敏度高；响应速度快。目前响应最目前响应最快的一种光电二极管。快的一种光电二极管。恒流源恒流源集电结反偏，发射结正偏集电结反偏，发射结正偏光电转换：光电转换：当光照在集电结的基极区时当光照在集电结的基极区时产生电子产生电子-空穴对，光
19、生电子在内电场作空穴对，光生电子在内电场作用下漂移到集电极，形成光生电流用下漂移到集电极，形成光生电流Ip=ESE。-类似光电二极管类似光电二极管光电流放大：光电流放大：在基极留下空穴，促使基在基极留下空穴，促使基极对发射极的电位升高，更有利于发射极对发射极的电位升高，更有利于发射极中的电子经过基极而流向集电极，从极中的电子经过基极而流向集电极，从而形成光电流而形成光电流Ic=Ip=ESE。随着光照增加，光电流也随之增加。随着光照增加，光电流也随之增加。工作过程：工作过程：光电转换光电转换光电流放大光电流放大四、光电三极管四、光电三极管作业：作业：3-2、3-5、3-6光电耦合器件是光电耦合器
20、件是发光器件发光器件与与接收器件接收器件组合的一种元件，组合的一种元件，以光作媒介把输入端的电信号耦合到输出端以光作媒介把输入端的电信号耦合到输出端光电耦合光电耦合器。器。发光器件：发光二极管发光器件：发光二极管接收器件：光电二极管、光电三极管及光集成电路等。接收器件：光电二极管、光电三极管及光集成电路等。五、光电耦合器件五、光电耦合器件第第4 4章章 光电导器件光电导器件1、掌握光敏电阻的原理及特性；、掌握光敏电阻的原理及特性；半导体受光照后，内部产生光生载流子，半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象的现象叫做光电导
21、效应。叫做光电导效应。-光敏电阻光敏电阻符号符号暗电阻暗电阻：光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时：光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值。间测量的电阻值。暗电流暗电流：此时流过电阻的电流为暗电流。：此时流过电阻的电流为暗电流。亮电阻亮电阻：光敏电阻在一定照度下的电阻值。：光敏电阻在一定照度下的电阻值。亮电流亮电流：此时流过电阻的电流为亮电流。：此时流过电阻的电流为亮电流。2、熟悉光敏电阻的偏置电路和应用。、熟悉光敏电阻的偏置电路和应用。（1）简单输入电路）简单输入电路恒功率偏置电路恒功率偏置电路（2）恒流偏置电路）恒流偏置电路（3）恒压偏置电路）恒压偏置电路 光电流光电流
22、：亮电流和暗电流之差。：亮电流和暗电流之差。Photo current 光电导：光电导：光电导灵敏度：光电导灵敏度：RpRLUbULI特点：特点：(1)光谱响应范围宽，尤其对红光和红外辐射光谱响应范围宽，尤其对红光和红外辐射有较高的响应度；有较高的响应度；(2)偏置电压低，工作电流大；偏置电压低，工作电流大；(3)动态范围宽，即可测强光，也可测弱光；动态范围宽，即可测强光，也可测弱光；(4)光电导增益大，灵敏度高；光电导增益大，灵敏度高；(5)光敏电阻无极性，使用方便。光敏电阻无极性，使用方便。作业：作业：4-1、4-4分类：分类：反射型、透射型（半透明光电阴极）。反射型、透射型（半透明光电阴
23、极）。能够产生光电发射效应的物体称为能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体光电发射体，光电发射，光电发射体在光电器件中常作为阴极，故又称为体在光电器件中常作为阴极，故又称为光电阴极光电阴极。掌握光电管与光电倍增管的原理及特性掌握光电管与光电倍增管的原理及特性第第5 5章章 真空光电器件真空光电器件材料：材料：Ag-O-Cs、单碱锑化物、多碱锑化物、单碱锑化物、多碱锑化物(Sb-Na-K-Cs)、负电子亲合势光电阴极负电子亲合势光电阴极(NEA)、紫外光电阴极材料。、紫外光电阴极材料。真空型真空型：在光线的照射下，光电阴极发射光电子，在光线的照射下，光电阴极发射光电子，光电子在电场的作用下被加
24、速，并被阳极收集。光电子在电场的作用下被加速，并被阳极收集。充气型充气型：在光线的照射下，光电阴极发射光电在光线的照射下，光电阴极发射光电子，光电子在加速向阳极运动中与气体原子碰子，光电子在加速向阳极运动中与气体原子碰撞，而使后者发生电离，电离产生的新电子数撞，而使后者发生电离，电离产生的新电子数倍于原光电子。倍于原光电子。光窗光窗一、光电管一、光电管二、光电倍增管二、光电倍增管侧窗式侧窗式：反射式光电阴极，采用鼠笼式：反射式光电阴极，采用鼠笼式倍增极结构；倍增极结构；端窗式端窗式：透射式光电阴极（半透明），：透射式光电阴极（半透明），沉积在入射窗的内侧面。沉积在入射窗的内侧面。入射窗口：入射
25、窗口：电子光学系统：电子光学系统：使光电阴极发射的光电子尽可能全部汇聚到第一倍增极使光电阴极发射的光电子尽可能全部汇聚到第一倍增极上。上。使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中渡越时使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中渡越时间尽可能相等。间尽可能相等。电子倍增系统电子倍增系统(二次发射极二次发射极D)：提供大的电子提供大的电子增益；电子聚焦。决定灵敏度最关键的部分。增益；电子聚焦。决定灵敏度最关键的部分。阳极：阳极：收集光电子。收集光电子。管内电压最高的地方。管内电压最高的地方。二次电子发射过程三个阶段：二次电子发射过程三个阶段：材料吸收材料吸收一次电子一次电子的能量，激发体内电子到
26、高能态，的能量，激发体内电子到高能态，这些受激电子称为这些受激电子称为内二次电子内二次电子；内二次电子中初速指向表面的那一部分向表面运动；内二次电子中初速指向表面的那一部分向表面运动；到达界面的内二次电子中能量大于表面势垒的电子发到达界面的内二次电子中能量大于表面势垒的电子发射到真空中，成为射到真空中，成为二次电子二次电子。二次发射系数二次发射系数（倍增系数）（倍增系数）：二次发射的：二次发射的电子数电子数N2与入射的一次电子数与入射的一次电子数Nl的比值。的比值。三、微通道板光电倍增管（三、微通道板光电倍增管（MCP）尺寸小，电流增益高，暗电流小，时间响应快尺寸小，电流增益高，暗电流小，时间
27、响应快作业：作业：5-2、5-7光电倍增管的工作原理：光电倍增管的工作原理：光子透过入射窗口入射在光电阴极光子透过入射窗口入射在光电阴极K上；上；光电阴极受光照激发，表面发射光电子；光电阴极受光照激发，表面发射光电子；光电子被电子光学系统加速和聚焦后入射到第一倍增极光电子被电子光学系统加速和聚焦后入射到第一倍增极D1上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子。上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经入射电子经N级倍增极倍增后，光电子数就放大级倍增极倍增后，光电子数就放大N次。次。经过倍增后的二次电子由阳极经过倍增后的二次电子由阳极P收集起来，形成阳极光电收集起来，形成阳极
28、光电流流Ip，在负载，在负载RL上产生信号电压上产生信号电压U0。一、一、CCD图像传感器图像传感器CCD：电荷耦合器件：电荷耦合器件(Charge Coupled Device)第第7 7章章 固体成像器件固体成像器件当当UUth时，半导体与时，半导体与SiO2界面上的界面上的电势变得非常高，将半导体内的电子电势变得非常高，将半导体内的电子(少子少子)吸引到表面，形成一层极薄但电吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层荷浓度很高的反型层电子浓度超过电子浓度超过空穴浓度，半导体由型变为型。空穴浓度，半导体由型变为型。UG0时，空穴被排斥到远离栅极的一时，空穴被排斥到远离栅极的一端，在端，
29、在Si表面留下一层不可移动的受主表面留下一层不可移动的受主离子，称为多数载流子的离子，称为多数载流子的“耗尽状态耗尽状态”。偏压增加，耗尽区向内延伸。偏压增加，耗尽区向内延伸。1.MOS 光敏元的工作原理光敏元的工作原理CCD中电荷的存储和传输是通过改变各电极上所加电压中电荷的存储和传输是通过改变各电极上所加电压实现的。如果不断改变电极上的电压，就能使电荷可控地实现的。如果不断改变电极上的电压，就能使电荷可控地一位一位按顺序传输，即一位一位按顺序传输，即电荷耦合电荷耦合。2.CCD的基本功能是的基本功能是电荷的存储电荷的存储和和电荷的传输电荷的传输。3.CCD的组成：的组成：信号输入部分信号输
30、入部分、电荷转移部分电荷转移部分、信号输出信号输出部分部分。信号输入部分信号输入部分作用：将信号电荷引入到作用：将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的第一个转移栅下的势阱中。的势阱中。引入方式：引入方式：电注入电注入、光注入光注入。信号转移部分：信号转移部分：由一串紧密排列的由一串紧密排列的MOS电容器构成。电容器构成。移位移位寄存器寄存器信号输出部分信号输出部分作用：将作用：将CCD最后一个转移栅下势阱中的信号最后一个转移栅下势阱中的信号电荷引出。电荷引出。4.性能参数性能参数转移效率：转移效率：转移损失率：转移损失率：当信号电荷转移当信号电荷转移n个电极后的电荷为个电极后的电荷为Qn时，
31、总转移效率为：时，总转移效率为：作业：作业：7-1、7-3、7-4电荷存储工作方式：电荷存储工作方式：(a)准备过程准备过程(b)曝光过程曝光过程(c)再充电过程再充电过程光电流信号的存储是在第（光电流信号的存储是在第（b）步中完成的。输出信号是）步中完成的。输出信号是在第（在第（c）步再充电过程中取出的。）步再充电过程中取出的。输出的光电流：输出的光电流：二、自扫描光电二极管阵列二、自扫描光电二极管阵列SSPDSelf Scanned Photodiode Array第第9 9章章 光导纤维与光纤传感器光导纤维与光纤传感器1、了解光纤传感检测技术的原理和应用、了解光纤传感检测技术的原理和应用
32、光纤的传光原理：光纤的传光原理：当入射角当入射角 时，光线不再进入包层，时，光线不再进入包层，而是在光纤内不断反射并向前传播，直至从光纤另一端而是在光纤内不断反射并向前传播，直至从光纤另一端射出。射出。临界角：临界角：纤芯、包层、外套纤芯、包层、外套纤芯的折射率纤芯的折射率n1包层的折射率包层的折射率n2外套的折射率外套的折射率n3包层的折射率包层的折射率n2。纤芯纤芯nl包层包层n2空气空气n0孔径角孔径角：光束入射到光纤端面的临界角光束入射到光纤端面的临界角0。当当0 时，光纤不满足全反射条件。时，光纤不满足全反射条件。数值孔径数值孔径NA(Numerical Aperture)：光纤孔径
33、角的正光纤孔径角的正弦与所处介质折射率的乘积。弦与所处介质折射率的乘积。数值孔径只决定于光纤的折射率，与光纤的尺寸无关。数值孔径只决定于光纤的折射率，与光纤的尺寸无关。NA越大，光纤的集光能力越强。越大，光纤的集光能力越强。2、掌握光纤的光波调制技术。、掌握光纤的光波调制技术。光纤传感器光纤传感器：通过被测量对光纤内传输光进行调制，使通过被测量对光纤内传输光进行调制，使传输光的强度（振幅）、相位、频率或偏振等特性发生传输光的强度（振幅）、相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调制过的光信号进行检测，从而得出变化，再通过对被调制过的光信号进行检测，从而得出相应被测量。相应被测量。功能性传感器
34、功能性传感器：光纤作为敏感元件，既感知信息又传：光纤作为敏感元件，既感知信息又传输信息。输信息。传感型传感型 非功能性传感器非功能性传感器：光纤只是信息传输介质，传感器要：光纤只是信息传输介质，传感器要采用其它元件。采用其它元件。传光型传光型调制类型：调制类型：光强型、相位型和偏振态型光强型、相位型和偏振态型光纤传感器的基本组成光纤传感器的基本组成：光纤、光源、光电元件：光纤、光源、光电元件相位型：调制的原理相位型：调制的原理：利用外界因素变化引起光纤中利用外界因素变化引起光纤中传导光的相位变化，通过测定相位差，获得待测物理量的传导光的相位变化，通过测定相位差，获得待测物理量的信息。信息。波长
35、为波长为光入射到光入射到长度为长度为L、纤芯折射率为、纤芯折射率为n1的单模光纤的单模光纤中中，相对于输入端来说，输出光的相角为：相对于输入端来说，输出光的相角为：光强型：光强型：光纤微弯传感器：光纤微弯传感器：利用改变光纤的微弯状态，利用改变光纤的微弯状态，产生弯曲损耗的原理，实现对光强的调制。产生弯曲损耗的原理，实现对光强的调制。偏振态型：偏振态型：利用某些外界物理量的变化，引起光纤中传利用某些外界物理量的变化，引起光纤中传输的偏振光的偏振态变化的原理所构成。输的偏振光的偏振态变化的原理所构成。作业：作业：9-1、9-3f1f2光源光源运动物体运动物体观察者所处的位置观察者所处的位置光学多
36、普勒效应：光学多普勒效应：P的运动速度为的运动速度为v，P的运动方向的运动方向与与PS的夹角为的夹角为1，P的运动方向的运动方向与与PQ的夹角为的夹角为2。根据多普勒原理可得：根据多普勒原理可得：知道了发射频率和接收频率，知道了发射频率和接收频率，即可求得物体的运动速度即可求得物体的运动速度假若发射机与接收机之间的位置在不断变化，则接收机收假若发射机与接收机之间的位置在不断变化，则接收机收到的信号与发射机发射的信号频率就不同，这一现象为到的信号与发射机发射的信号频率就不同，这一现象为多多普勒效应普勒效应。信噪比（信噪比（SNR）：）：噪声系数噪声系数(F)：多级放大器的噪声系数：多级放大器的噪
37、声系数：结论：等效输入噪声电压的均方值等于输入噪声源电压结论：等效输入噪声电压的均方值等于输入噪声源电压的平方和。的平方和。前置放大器的噪声：前置放大器的噪声：补充补充 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术1、了解光电检测电路的噪声、了解光电检测电路的噪声2、掌握光调制技术、掌握光调制技术光调制：将信息加载到光载波上，并使光的参量（振幅、光调制：将信息加载到光载波上，并使光的参量（振幅、频率、相位等）发生变化的过程。频率、相位等）发生变化的过程。调制盘：调制盘：调幅型：初生太阳式、棋盘式（空间滤波作用）调幅型：初生太阳式、棋盘式（空间滤波作用）调频型：由频率确定偏离量，由初相角确定
38、目标所偏离调频型：由频率确定偏离量，由初相角确定目标所偏离的方位角。的方位角。调相型：不能反映偏离的方位角调相型：不能反映偏离的方位角最佳源电阻最佳源电阻噪声匹配：噪声匹配：物理光学原理：物理光学原理：利用干涉现象实现光调制利用干涉现象实现光调制 旋光现象：电场产生旋光、法拉第旋光旋光现象：电场产生旋光、法拉第旋光 双折射双折射 声光效应声光效应克尔效应（二次电光效应）：克尔效应（二次电光效应）：折射率的变化与外电场折射率的变化与外电场强度的平方成正比强度的平方成正比泡克耳效应（一次电光效应）：泡克耳效应（一次电光效应）：折射率的变化与外电折射率的变化与外电场强度的一次方成正比场强度的一次方成正比旋光现象：旋光现象：偏振光通过某些晶体或物质的溶液时，其振偏振光通过某些晶体或物质的溶液时，其振动面以光的传播方向为轴线发生旋转的现象，即偏振方动面以光的传播方向为轴线发生旋转的现象，即偏振方向发生旋转。向发生旋转。2、熟悉光电检测中各种常用电路的组成原理。、熟悉光电检测中各种常用电路的组成原理。选频放大器：选频放大器：LC、RC相敏检波器相敏检波器相位检测器（鉴相器）相位检测器（鉴相器）鉴频器鉴频器 脉宽鉴别器脉宽鉴别器 积分、微分运算器积分、微分运算器锁相环及锁相放大器锁相环及锁相放大器