1、第八章第八章 課后習題及答案課后習題及答案8.1 8.1 什么叫外光電效應？由愛因斯坦光電效應方程什么叫外光電效應？由愛因斯坦光電效應方程式得出的兩個基本概念是什么？式得出的兩個基本概念是什么？lP230 l答：答：1. 1. 光線照射在某些物體上，使物體內的電子光線照射在某些物體上，使物體內的電子逸出物體表面的現象稱為外光電效應。逸出物體表面的現象稱為外光電效應。 2.1 2.1 光的波長越短，也就是頻率越高，光子的光的波長越短，也就是頻率越高，光子的能量也越大；能量也越大； 2.2 2.2 光的波長越長，其光子的能量也就越小。光的波長越長，其光子的能量也就越小。8.2 8.2 什么叫內光電

2、效應？什么叫內光電導效應和光什么叫內光電效應？什么叫內光電導效應和光生伏特效應？生伏特效應？lP231l答：答：1. 1. 當光照射在物體上，使物體的電阻率發生當光照射在物體上，使物體的電阻率發生變化，或產生光電動勢的現象稱為內光電效應。變化，或產生光電動勢的現象稱為內光電效應。 2. 2. 在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態過渡到自由狀態，而引起材料電阻率的變化，態過渡到自由狀態，而引起材料電阻率的變化，這種現象稱為光電導效應。這種現象稱為光電導效應。 3. 3. 在光線作用下能夠使物體產生一定方向電動在光線作用下能夠使物體產生一定方向電動勢的現象

3、叫光生伏特效應。勢的現象叫光生伏特效應。8.3 8.3 試述光電管的簡單結構及其光譜特性、伏安特試述光電管的簡單結構及其光譜特性、伏安特性、光電特性和暗電流的特點。性、光電特性和暗電流的特點。lP232l答：答：1. 1. 首先光電管有真空光電管和充氣光電管兩首先光電管有真空光電管和充氣光電管兩類，兩者結構類似。就真空光電管來說它是一個類，兩者結構類似。就真空光電管來說它是一個真空玻璃泡內裝有兩個電極：光電陰極和陽極。真空玻璃泡內裝有兩個電極：光電陰極和陽極。 2. 2. 光譜特性：一般對于光電陰極材料不同的光光譜特性：一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們具有不同的紅限頻率電管，它們具有不同

4、的紅限頻率v v0 0，因此它們可用，因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率上的入射光的頻率高于紅限頻率v v0 0，并且強度相同，并且強度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發射的光電子數量隨著入射光頻率的不同，陰極發射的光電子數量還會不同。即同一光電管對于不同頻率的光的靈還會不同。即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。敏度不同，這就是光電管的光譜特性。l3. 3. 伏安特性：當入射光的頻譜及光通量一定時，伏安特性：當入射光的頻譜及光通量一定時，陽極電壓與陽極電流之間的關系稱為伏安特

5、性。陽極電壓與陽極電流之間的關系稱為伏安特性。 4. 4. 光電特性：當光電管陽極與陰極間所加電壓和光電特性：當光電管陽極與陰極間所加電壓和入射光頻譜一定時，陽極電流入射光頻譜一定時，陽極電流I I與入射光在光電陰與入射光在光電陰極上的光通量極上的光通量之間的關系。之間的關系。 5. 5. 暗電流的特點：沒有光信號輸入時，加上電壓暗電流的特點：沒有光信號輸入時，加上電壓后陽極仍有電流。后陽極仍有電流。8.4 8.4 試述光電倍增管的結構和工作原理與光電管的異同點。試述光電倍增管的結構和工作原理與光電管的異同點。若入射光子為若入射光子為103103個（個（1 1個光子等效于個光子等效于1 1個電

6、子電量）。光個電子電量）。光電倍增管共有電倍增管共有1616個倍增極，輸出陽極電流為個倍增極，輸出陽極電流為20A20A，且，且1616個個倍增極二次發射電子數按自然數的平方遞增，試求光電倍倍增極二次發射電子數按自然數的平方遞增，試求光電倍增管的電流放大倍數和倍增系數。增管的電流放大倍數和倍增系數。lP234l答：答：1. 1. 它由光電陰極，若干倍增極和陽極三部分組成。它由光電陰極，若干倍增極和陽極三部分組成。 2. 2. 工作原理：入射光在光電陰極上激發出光電子，由于各工作原理：入射光在光電陰極上激發出光電子，由于各極間有電場存在，所以陰極激發出的光電子被加速后轟擊第一極間有電場存在，所以

7、陰極激發出的光電子被加速后轟擊第一倍增極，第一倍增極受到一定能量的電子轟擊后，能放出更多倍增極，第一倍增極受到一定能量的電子轟擊后，能放出更多的電子，稱為的電子，稱為“二次電子二次電子”，每個極都能接受前一極的二次電，每個極都能接受前一極的二次電子，而在各個倍增極上順序加上越來越高的正電壓。子，而在各個倍增極上順序加上越來越高的正電壓。l這樣如果在光電陰極上由于入射光的作用發射出一個光電這樣如果在光電陰極上由于入射光的作用發射出一個光電子，這個電子被第一倍增極的正電壓所加速而轟擊第一倍子，這個電子被第一倍增極的正電壓所加速而轟擊第一倍增極，設第一倍增極有增極，設第一倍增極有個二次電子發出，這個

8、二次電子發出，這個電子又被個電子又被第二倍增極加速后轟擊第二倍增極，而產生的二次電子又第二倍增極加速后轟擊第二倍增極，而產生的二次電子又增加增加倍，由此經過倍，由此經過n n個倍增極后，原先的一個光電子將變個倍增極后，原先的一個光電子將變為為n n個電子，這些電子最后被陽極所收集而在外電路形成個電子，這些電子最后被陽極所收集而在外電路形成電流。電流。l3. 3.解：解：=I/i=I/il =20/1000 =20/1000* *1.61.6* *1010-19-19l =1.25 =1.25* *1010-17-17l =1=12 2+2+22 2+3+32 2+.+16+.+162 2 =1

9、.496=1.496* *10103 3161i2iM8.5 8.5 試比較光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏試比較光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏三極管的性能差異，給出什么情況下應選用哪種三極管的性能差異，給出什么情況下應選用哪種器件最為合適的評述。器件最為合適的評述。l答：答：1. 1. 光敏電阻的光電流和電壓成線性關系。不同的光照度光敏電阻的光電流和電壓成線性關系。不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明電阻值隨光照度發生變化。可以得到不同的伏安特性，表明電阻值隨光照度發生變化。光照度不變的情況下，電壓越高，光電流也越大，而且沒有光照度不變的情況下，電壓越高，光電流也越大，而且沒有飽和

10、現象。由于光敏電阻的光照特性是非線性的，因此不適飽和現象。由于光敏電阻的光照特性是非線性的，因此不適宜作線性敏感元件宜作線性敏感元件 ，這是光敏電，這是光敏電 阻的缺點之一。所以在自阻的缺點之一。所以在自動控制中光敏電阻常用作開關量的光電傳感器動控制中光敏電阻常用作開關量的光電傳感器 。l 2. 2. 光電池的特點是工作時不需要外加偏壓，接收面積小，光電池的特點是工作時不需要外加偏壓，接收面積小，使用方便。缺點是響應時間長。光電池的光照特性為開路電使用方便。缺點是響應時間長。光電池的光照特性為開路電壓與光照度之間為對數關系，因而具有飽和性。因此，把硅壓與光照度之間為對數關系，因而具有飽和性。因

11、此，把硅光電池作為敏感元件時，應該把它當作電流源的形式使用，光電池作為敏感元件時，應該把它當作電流源的形式使用，即利用短路電流與光照度成線性的特點，這是硅光電池的主即利用短路電流與光照度成線性的特點，這是硅光電池的主要優點。要優點。 l3. 3. 光敏二極管的光照特性亦呈良好線性，這是由于它的電光敏二極管的光照特性亦呈良好線性，這是由于它的電流靈敏度一般為常數。而光敏三極管在弱光時靈敏度低些，流靈敏度一般為常數。而光敏三極管在弱光時靈敏度低些，在強光時則有飽和現象，這是由于電流放大倍數的非線性在強光時則有飽和現象，這是由于電流放大倍數的非線性所至，對弱信號的檢測不利。故一般在作線性檢測元件時，

12、所至，對弱信號的檢測不利。故一般在作線性檢測元件時，可選擇光敏二極管而不能用光敏三極管。可選擇光敏二極管而不能用光敏三極管。 l4. 4. 光敏三極管的光電流比同類型的光敏二極管大好幾十倍，光敏三極管的光電流比同類型的光敏二極管大好幾十倍，零偏壓時，光敏二極管有光電流輸出，而光敏三極管則無零偏壓時，光敏二極管有光電流輸出，而光敏三極管則無光電流輸出。原因是它們都能產生光生電動勢，只因光電光電流輸出。原因是它們都能產生光生電動勢，只因光電三極管的集電結在無反向偏壓時沒有放大作用，所以此時三極管的集電結在無反向偏壓時沒有放大作用，所以此時沒有電流輸出（或僅有很小的漏電流）。沒有電流輸出（或僅有很小

13、的漏電流）。8.6 8.6 光電效應器件中哪種響應快？比較內光電效應光電效應器件中哪種響應快？比較內光電效應器件的頻率特性。器件的頻率特性。l答：答：1. 1. 光伏效應中，與光照相聯系的是少數載流光伏效應中，與光照相聯系的是少數載流子的行為，因為少數載流子的壽命通常很短，所子的行為，因為少數載流子的壽命通常很短，所以以光伏效應為基礎的檢測器件比以光電導效應以以光伏效應為基礎的檢測器件比以光電導效應為基礎的檢測器件有更快的響應速度。為基礎的檢測器件有更快的響應速度。l2. 2. 光敏電阻：其頻率特性與材料有關光敏電阻：其頻率特性與材料有關l 光敏管：具有一定頻率的調制光照射光敏管時，光敏管：具

14、有一定頻率的調制光照射光敏管時，光敏管輸出的光電流（或負載上的電壓）隨調制光敏管輸出的光電流（或負載上的電壓）隨調制頻率而變化。其頻率響應與其自身的物理結構、頻率而變化。其頻率響應與其自身的物理結構、工作狀態、負載以及入射光波長等因素有關。工作狀態、負載以及入射光波長等因素有關。l 光電池：其頻率特性是輸出電流隨調制光頻率光電池：其頻率特性是輸出電流隨調制光頻率變化的關系。變化的關系。 8.7 8.7 當采用波長為當采用波長為800-900nm800-900nm的紅外光源時，宜采的紅外光源時，宜采用哪幾種光電器件作為測量元件？為什么？用哪幾種光電器件作為測量元件？為什么？l答：答：硅光電池，鍺

15、管等硅光電池，鍺管等l硅光電池的光譜響應范圍在硅光電池的光譜響應范圍在400-1200nm400-1200nm范圍，用范圍，用紅外光進行探測時鍺管較為適宜。紅外光進行探測時鍺管較為適宜。8.8 8.8 試分別使用光敏電阻、光電池、光敏二極管和試分別使用光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏三極管設計一個適合光敏三極管設計一個適合TTLTTL電平輸出的光電開電平輸出的光電開關電路，并敘述其工作原理。關電路，并敘述其工作原理。l使用開關量來控制，串聯光敏電阻、光電池、光使用開關量來控制，串聯光敏電阻、光電池、光敏二極管作為開關。三極管注意極性，敏二極管作為開關。三極管注意極性，e接地，接地，b為接受光

16、源端，為接受光源端，c接電源接電源+。8.9 8.9 假如打算設計一種光電傳感器，用于控制路燈假如打算設計一種光電傳感器，用于控制路燈的自動亮滅（天黑自動點亮，天明自動熄滅）。的自動亮滅（天黑自動點亮，天明自動熄滅）。試問可以選擇哪種光電器件？這里利用該光電器試問可以選擇哪種光電器件？這里利用該光電器件什么特性？件什么特性？8.10 8.10 光電轉速傳感器的測量原理是將被測軸的轉光電轉速傳感器的測量原理是將被測軸的轉速變換成相應頻率的脈沖信號，然后，測出脈沖速變換成相應頻率的脈沖信號，然后，測出脈沖頻率即可測得轉速的數值。試根據這一思路畫出頻率即可測得轉速的數值。試根據這一思路畫出光電轉速傳

17、感器的檢測變換部分的工作原理示意光電轉速傳感器的檢測變換部分的工作原理示意圖，圖中的光電轉換元件選用哪種光電器件比較圖，圖中的光電轉換元件選用哪種光電器件比較合適？為什么？合適？為什么？8.11 8.11 利用光敏三極管和利用光敏三極管和NPNNPN硅三極管實現圖硅三極管實現圖8-388-38的的控制電路，并敘述其工作過程。控制電路，并敘述其工作過程。8.12 8.12 簡述發光二極管的工作原理及其光譜特性。簡述發光二極管的工作原理及其光譜特性。l在某些半導體材料的PN結中，電子與空穴(電洞)復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。l課件有課件有8.13 8.13 光

18、電耦合器的基本結構是什么？它有哪些優光電耦合器的基本結構是什么？它有哪些優點？點？l發光器件與光敏元件集成發光器件與光敏元件集成l優點優點(1) 能夠有效抑制接地回路的噪聲能夠有效抑制接地回路的噪聲,消除地干擾消除地干擾,使信號使信號現場與主控制端在電氣上完全隔離現場與主控制端在電氣上完全隔離,避免了主控制系統受到避免了主控制系統受到意外損壞意外損壞.l(2) 可以在不同電位和不同阻抗之間傳輸電信號可以在不同電位和不同阻抗之間傳輸電信號,且對且對信號具有放大和整形等功能信號具有放大和整形等功能,使得實際電路設計大為簡化使得實際電路設計大為簡化.l(3) 開關速度快開關速度快,高速光電耦合器的響

19、應速度到達高速光電耦合器的響應速度到達ns數數量級量級,極大的拓展了光電耦合器在數字信號處理中的應用極大的拓展了光電耦合器在數字信號處理中的應用.l(4) 體積小體積小,器件多采用雙列直插封裝器件多采用雙列直插封裝,具有單通道、雙具有單通道、雙通道以及多達八通道等多種結構通道以及多達八通道等多種結構,使用十分方便使用十分方便.l (5) 可替代變壓器隔離可替代變壓器隔離,不會因觸點跳動而產生尖峰噪聲不會因觸點跳動而產生尖峰噪聲,且抗震動和抗沖擊能力強且抗震動和抗沖擊能力強.l(6) 高線性型光電耦合器除了用于電源監測等高線性型光電耦合器除了用于電源監測等,還被用于還被用于醫用設備醫用設備,能有

20、效地保護病人的人生安全能有效地保護病人的人生安全.l具有體積小、使用壽命長、工作溫度范圍寬、抗干擾性具有體積小、使用壽命長、工作溫度范圍寬、抗干擾性能強無觸點且輸入與輸出在電氣上完全隔離等。能強無觸點且輸入與輸出在電氣上完全隔離等。8.14 8.14 試敘述光纖傳感器所用光纖的結構和傳光原試敘述光纖傳感器所用光纖的結構和傳光原理。理。l課件有l光導纖維工作的基礎是光的全內反射，當射入的光線的入射角大于纖維包層間的臨界角時，就會在光纖的接口上產生全內反射，并在光纖內部以后的角度反復逐次反射，直至傳遞到另一端面。8.15 8.15 什么是單模光纖和多模光纖？并敘述駐波和什么是單模光纖和多模光纖？并

21、敘述駐波和模的關系。模的關系。l答：答：單模光纖單模光纖(Single Mode Fiber)：中心纖芯很細：中心纖芯很細(芯徑一芯徑一般為般為9或或10m)，只能傳一種模式的光。因此，其模間色，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠程通訊，但還存在著材料色散和波導散很小，適用于遠程通訊，但還存在著材料色散和波導色散，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩定性有較高的要色散，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩定性要好。求，即譜寬要窄，穩定性要好。l多模光纖多模光纖(Multi Mode Fiber) 芯較粗芯較粗(50或或62.5m)，可，可傳多種模式的光。但其模間

22、色散較大，這就限制了傳輸傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重。因此，數字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重。因此，多模光纖傳輸的距離就比較近，一般只有幾公里。多模光纖傳輸的距離就比較近，一般只有幾公里。8.16 8.16 在自由空間，波長在自由空間，波長0 0=500=500m m的光從真空進入金剛石的光從真空進入金剛石（n nd d=2.4=2.4）。在通常情況下當光通過不同物質時頻率是不）。在通常情況下當光通過不同物質時頻率是不變的，試計算金剛石中該光波的速度和波長。變的，試計算金剛石中該光波的速度和波長。l解：解： v=c/nd

23、=c/2.4=0.4167c ，c為光速；為光速； l =0 / nd =0 /2.4=0.41670 =208.3m ， 0 為光速為光速 8.17 8.17 利用利用SnellSnell定律推導出臨界角定律推導出臨界角c c的表達式。計算的表達式。計算水與空氣分界面（水與空氣分界面（n n水水=1.33=1.33）的）的c c值。值。l解：解：n水水sinc =n0 sin/2=n0 l sinc= n0 / n水水 l c =arcsin1/1.33=48.768.18 8.18 求光纖求光纖n n1 1=1.46=1.46，n n2 2=1.45=1.45的的NANA值；如果外部的值；

24、如果外部的n n0 0=1=1，求光纖的臨界入射角。，求光纖的臨界入射角。l解：解：當當n0 =1時時 lNA= = =0.1706所以所以， c =sin-1 NA =9.822122nn1.451.4622-8.19 8.19 一邁克爾遜干涉儀用平均波長為一邁克爾遜干涉儀用平均波長為634.8nm634.8nm、線寬、線寬0.0013nm0.0013nm的鎘紅光源，初始位置時光成差為零，然后，慢的鎘紅光源，初始位置時光成差為零，然后，慢慢移動圖慢移動圖8-528-52所示系統中的可移動四面體所示系統中的可移動四面體5 5，直到條紋再消，直到條紋再消失。求該鏡子必須移動多少距離？它相當于多少

25、個波長？失。求該鏡子必須移動多少距離？它相當于多少個波長？8.20 8.20 光纖傳感器有哪兩大類型？它們之間有何區光纖傳感器有哪兩大類型？它們之間有何區別？別？光纖傳感器可以分為兩大類：一類是功能型（傳光纖傳感器可以分為兩大類：一類是功能型（傳感型）傳感器；另一類是非功能型（傳光型）傳感型）傳感器；另一類是非功能型（傳光型）傳感器。感器。功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內傳輸的光進行調制，為敏感元件，被測量對光纖內傳輸的光進行調制，使傳輸的光的強度、相位、頻率或偏振態等特性使傳輸的光的強度、相位、頻率或偏振態等特性發生變

26、化，再通過對被調制過的信號進行解調，發生變化，再通過對被調制過的信號進行解調，從而得出被測信號。從而得出被測信號。非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質。量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質。 8.21 8.21 相位調制型光纖傳感器的基本檢測方法是什相位調制型光纖傳感器的基本檢測方法是什么？該類傳感器的主要技術難點是什么？么？該類傳感器的主要技術難點是什么？l試說明相位調制傳感器的工作原理、應用及特點。 l352答：其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或變化，而導致光的相位變化，然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測對象的信息。通常有：利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用Sagnac效應的旋轉角速度傳感器(光纖陀螺)等。這類傳感器的靈敏度很高，但由于需用特殊光纖及高精度檢測系統，因此成本高。8.22 8.22 根據頻率調制原理，設計一個用光纖傳感器根據頻率調制原理，設