王雪蓮，吳志峰，宋貴才，盧小豐，代彩紅

(1.長春理工大學(xué) 理學(xué)院，吉林 長春 130022；2.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029)

引言

光電探測器是光譜輻射度研究的核心器件，其響應(yīng)度特性直接影響到光輻射測量的準(zhǔn)確與否[1-3]。當(dāng)光電探測器定標(biāo)光源和測量光源的光譜輻射量值相當(dāng)時，可忽略探測器的線性影響。若被測光源功率遠(yuǎn)低于定標(biāo)光源，尤其是測量微弱輻射信號時，探測器的輻射響應(yīng)度是否不變則變得至關(guān)重要。太陽是研究最多的輻射源，太陽總輻射通常采用PMO-6型絕對輻射計采集。而太陽的光譜輻射照度，則需要通過單色儀分光后采用光電探測器測量。地表太陽光譜輻射從320 nm～290 nm，光譜輻射照度陡然降低5個量級以上，太陽光譜的準(zhǔn)確測量對探測器線性要求極高。近年來，激光輻射照度響應(yīng)度得到大量關(guān)注。激光輻射照度測量通常選用陷阱探測器進(jìn)行量傳，將量值直接溯源至低溫輻射計。而低溫輻射計量值傳遞的激光功率通常約為1 mW量級。激光輻射照度測量需將激光導(dǎo)入積分球形成均勻輻射場，探測器接收的激光功率通常約在nW量級。從1 mW～1 nW，在如此大動態(tài)范圍變化下，探測器的光譜響應(yīng)度參數(shù)是否是常數(shù)必須予以考慮。

探測器的線性是保證測量準(zhǔn)確性的前提，確認(rèn)探測器的線性工作范圍至關(guān)重要。疊加法是線性測量中最重要的方式，常用雙光路法開展實驗[4-5]。采用兩路光分別照射探測器，將探測器的測量信號記錄為I1，I2。然后兩路光同時照射探測器，將探測器的測量信號記錄為I1+2。根據(jù)國際照明協(xié)會CIE推薦的公式(1)，可以計算探測器的非線性系數(shù)：

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探測器線性測量使用最多的為寬譜段光源。鹵鎢燈被用于光度計的線性測量，鎢帶燈和能斯特光源被用于光導(dǎo)式和光壓式HgCdTe的線性測量[6-7]。然而，采用寬譜段光源，探測器的非線性系數(shù)是描述探測器對于光源整個譜段光輻射響應(yīng)的性質(zhì)。探測器對于每一個波長光輻射的線性響應(yīng)不完全一致[8-9]。寬譜段光源結(jié)合單色儀可以實現(xiàn)單波長下的非線性測量[10]。隨著激光技術(shù)的進(jìn)步，采用激光開展線性研究變得日益增多。單色激光最早被用于硅光電探測器的線性研究[11-14]。原則上，采用OPO可調(diào)諧激光，可以在探測器的所有波長覆蓋范圍測量其非線性系數(shù)，從而得到探測器的全光譜的非線性系數(shù)，應(yīng)用于所有的光譜輻射測量實驗。

1 實驗裝置及工作原理

1.1 實驗裝置

圖1給出了激光線性測量光路圖。實驗裝置整體位于暗室，暗室四周采用發(fā)黑處理，避免因背景輻射影響測量的準(zhǔn)確性。裝置主要由He-Ne激光器，激光功率穩(wěn)定器，雙光路和探測器共同組成。激光功率穩(wěn)定器后依次放置兩塊格蘭棱鏡。經(jīng)格蘭棱鏡后，激光在第一個分束鏡處分成兩路光，光路1沿直線傳輸，光路2經(jīng)2個反射鏡后與第一路光在第二個分束鏡處匯合，共同照射在被測探測器上。光路1和光路2分別安裝電子快門。兩路激光和被測探測器前都設(shè)置光闌，避免經(jīng)分束鏡帶來的雜光。2個分束鏡都按照45°放置。探測器設(shè)置在電流模式下測量，電流顯示位數(shù)至少為5位有效數(shù)字。電流讀數(shù)通過數(shù)據(jù)采集卡連接至電腦實現(xiàn)自動化控制。

圖1 激光線性測量光路圖

圖1中，在探測器和第2個分束鏡間移出或放置一個內(nèi)徑40 mm、出光口徑4 mm的積分球[12]。當(dāng)移出積分球測量時，激光直接照射在探測器表面上。激光光斑小于探測器感光面積，裝置采用激光功率模式測量探測器線性。當(dāng)放置積分球測量時，激光導(dǎo)入積分球后變成均勻的輻射亮度源。激光光斑充滿探測器感光面積，裝置采用激光輻射照度[13]模式測量探測器線性。

1.2 實驗工作原理

(2)

2 實驗結(jié)果

2.1 激光功率模式

先將光路1和光路2的激光功率分別調(diào)至約0.2 mW(對應(yīng)電約0.1 mA)，然后開始雙光路法測量，計算非線性系數(shù)。然后依次減半測量，將雙光路激光功率降至0.1 mW，0.05 mW，……，直至降至約0.2 nW，共計21組數(shù)據(jù)，覆蓋6個量級的激光功率變化。為保證激光功率調(diào)節(jié)過程中光路1和光路2的激光功率比例接近1∶1，圖1中的第2格蘭棱鏡不改變角度。激光功率的變化通過第1格蘭棱鏡進(jìn)行調(diào)節(jié)。格蘭棱鏡的消光比優(yōu)于200 000∶1。同時激光功率穩(wěn)定器可以實現(xiàn)10倍以上的功率調(diào)節(jié)。激光線性測量裝置可以在功率模式下實現(xiàn)2 000 000的調(diào)節(jié)。同時，光路1和光路2中分別設(shè)置偏振片，使得兩路光的偏振相位相差90°，避免探測器表面發(fā)生干涉。

對于探測器非線性測量，測量必須扣除暗背景的影響，尤其在激光功率較弱時。實驗采集光路1和光路2同時關(guān)閉條件下電流表的顯示值，將顯示值帶入公式(2)計算非線性系數(shù)。

圖2 激光功率模式線性測量

圖2給出了激光功率模式下探測器的非線性系數(shù)。橫坐標(biāo)是光路1和光路2同時開啟時探測器的電流值；縱坐標(biāo)是非線性系數(shù)。從圖2中可以看出，當(dāng)探測器的電流從0.2 mA變化至0.2 nA，探測器非線性系數(shù)全部位于(-1.2～1.0)×10-4區(qū)間。當(dāng)電流大于1×10-5mA時，探測器的非線性幾乎都在5/100 000以內(nèi)的水平。隨著電流趨于1×10-6mA，電流表測量的信噪比變差，非線性系數(shù)震蕩變大?？紤]到測量的非線性系數(shù)有正有負(fù)，S1337探測器在He-Ne激光照射下，探測器響應(yīng)的非線性幾乎可以忽略。

2.2 激光照度模式

調(diào)整積分球和探測器的距離，使得光路1和光路2照射下探測器接收的激光功率約為0.2 mW。采用激光非線性裝置測量輻照度模式下的非線性系數(shù)。然后依次減小探測器接收的激光功率，直至降至0.2 nW，覆蓋3個量級。對于激光照度模式，由于光斑全部充滿探測器。為減小探測器表面的反射的影響，在積分球和探測器間設(shè)置多個光闌。

圖3 激光照度模式線性測量

圖3給出了激光照度模式下線性測量結(jié)果。從圖3可以看出，在電流大于1×10-6mA時，探測器的非線性全部位于(-0.5～0.5)×10-4區(qū)間。同時，全量程的非線性因子絕對值仍然小于0.02%。非線性系數(shù)的變大與測量時電流信號較弱、系統(tǒng)的信噪比變差有關(guān)。

理論上，當(dāng)積分球和探測器距離固定，照度模式同樣可以實現(xiàn)6個數(shù)量級的線性測量。另一方面，激光積分球光源可以近似看成點光源。當(dāng)積分球和探測器距離從50 mm增大到500 mm時，探測器表面接收的激光功率改變約100倍，可以實現(xiàn)更微弱量級的探測器線性測量。隨著測量信號的變?nèi)?，?dāng)探測器電流小于0.1 nA，非線性系數(shù)的測量發(fā)散性變大。

3 測量不確定度評定

激光線性測量不確定度參照《實用測量不確定度評定》[15]，來源包括：激光功率穩(wěn)定性帶來的測量不確定度，測量重復(fù)性帶來的測量不確定度，電流表讀數(shù)測量不確定度，以及其他不確定度來源。其中，激光功率穩(wěn)定性和測量重復(fù)性是根據(jù)測量數(shù)據(jù)得到其測量不確定度，屬于A類不確定度來源。電流表是實驗室送校驗的儀器，電流表讀數(shù)屬于B類不確定度來源。假設(shè)各不確定度來源之間互不相關(guān)，則不確定度計算公式可表示為

(3)

3.1 激光功率穩(wěn)定性

在激光功率和照度兩種模式下的線性測量中，經(jīng)激光功率穩(wěn)定器輸出的激光功率變化不超過5倍，激光功率的變化主要由2個格蘭棱鏡控制。激光功率穩(wěn)定性在激光功率模式下測量。測量時移出圖1中第2個格蘭棱鏡和2個分束鏡，將激光功率穩(wěn)定在約0.2 mW。為避免探測器的疲勞響應(yīng)，探測器每次照射不超過10 s，然后關(guān)閉光路中的電子快門。半分鐘后打開快門，重復(fù)測量，共計測量30 min。

選取測量數(shù)據(jù)的平均值作為參考零點。圖4給出不同時間探測器測量的激光功率與平均值的偏差。可以看出，經(jīng)激光功率穩(wěn)定后，激光在半小時的穩(wěn)定性優(yōu)于±0.01%。

圖4 激光功率半小時內(nèi)的穩(wěn)定性

實驗中一個激光功率下非線性測量時間小于5 min，結(jié)合真實測量和圖4中測量得到的數(shù)據(jù)，分析得到激光功率穩(wěn)定性帶來的測量不確定度小于0.004%。

3.2 激光功率模式

激光功率穩(wěn)定性和電流表讀數(shù)帶來的測量不確定度在全量程不變。測量重復(fù)性帶來的測量不確定度與線性測量的探測器電流相關(guān)。隨著探測器電流變小，測量裝置的信噪比變差，測量重復(fù)性帶來的測量不確定度變大。測量重復(fù)性的測量不確定度采用貝塞爾公式(4)和公式(5)計算:

(4)

(5)

表1給出了激光功率模式的測量不確定度。當(dāng)探測器電流≥10-5mA，測量重復(fù)性引起的測量不確定為0.008%；當(dāng)探測器電流<10-5mA，測量重復(fù)性引起的測量不確定度為0.015%。

表1 激光功率模式測量不確定度評定

3.3 激光照度模式

激光照度模式與激光功率模式類似，測量不確定度取決于測量的信噪比。

表2給出了激光照度模式下的測量不確定度。激光照度模式的測量不確定與激光功率模式的測量不確定度相同。

表2 激光照度模式測量不確定度評定

4 結(jié)論

本文利用激光線性測量裝置分別在功率模式和照度模式下測量了光電探測器的非線性系數(shù)。測量結(jié)果表明，功率模式和照度模式下探測器非線性系數(shù)優(yōu)于±2×10-4。該裝置測量方便，可廣泛應(yīng)用各種類型的光電探測器線性度測量。同時，激光線性測量裝置可以應(yīng)用于6個量程以上的測量，且激光測量探測器線性可以避免寬譜段光源不同波長間的相互影響。