吳志峰，代彩紅，趙偉強(qiáng)，徐 楠，李 玲，王彥飛，林延?xùn)|

中國計(jì)量科學(xué)研究院光學(xué)與激光計(jì)量科學(xué)研究所，北京 100029

引 言

1900年普朗克解釋了黑體的光譜輻射定律，標(biāo)志著量子力學(xué)的開始； 同時(shí)也是新的光譜輻射度開端，黑體被廣泛應(yīng)用于光譜輻射測量。我國的光譜輻射亮度和光譜輻射照度溯源至國家基準(zhǔn)光源高溫黑體BB3500M，通常采用鎢帶燈保存250～2 500 nm的光譜輻射亮度，采用1 000 W溴鎢燈和氘燈分別保存250～2 500和200～350 nm的光譜輻射照度[1-2]。20世紀(jì)50年代，同步輻射的發(fā)現(xiàn)使得同步輻射源成為重要的光譜輻射源。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院和德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院都開展了基于同步輻射的輻射度計(jì)量研究[3-5]。黑體和同步輻射都采用光源保存量值，開展量值傳遞。20世紀(jì)低溫輻射計(jì)和陷阱探測器的發(fā)明，使得以探測器保存量值成為可能。20世紀(jì)90年代以來，波長可調(diào)諧商用激光器的問世大大擴(kuò)展了激光的光譜覆蓋范圍，可調(diào)諧激光器和低溫輻射計(jì)的結(jié)合帶來了輻射度測量的新變革。

傳統(tǒng)的探測器光譜響應(yīng)度定標(biāo)通常采用連續(xù)光源經(jīng)單色儀分光后形成單色輻射源測量。而黑體輻射源、溴鎢燈、氘燈等光源分光后的單色輻射功率較低，遠(yuǎn)低于單波長激光的功率。單色儀分光方法測量的動(dòng)態(tài)范圍受到限制，測量不確定度較大。采用激光光源，可以將量值溯源至低溫輻射計(jì)系統(tǒng)。英國國家物理實(shí)驗(yàn)室與世界輻射中心開展了多次的太陽輻射照度量值比對。英國國家物理實(shí)驗(yàn)室將太陽輻射計(jì)的量值通過陷阱探測器溯源至低溫輻射計(jì)，測量不確定度顯著優(yōu)于世界輻射中心結(jié)果[6-7]。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院和德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院分別建立了基于激光器的輻射照度響應(yīng)度和輻射亮度響應(yīng)度的測量裝置[8-11]。根據(jù)被測探測器和標(biāo)準(zhǔn)探測器在激光輻射測量系統(tǒng)下的信號比值，標(biāo)定被測探測器的響應(yīng)度?，F(xiàn)有激光器技術(shù)使得激光波長可以提供寬范圍的光譜輸出，未來基于可調(diào)諧激光的光譜測量在大量值、高準(zhǔn)確度測量方面具有很大的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

圖1給出了基于可調(diào)諧激光器的光譜輻射照度響應(yīng)度測量裝置的示意圖。裝置由可調(diào)諧激光器、探測器和信號采集測試系統(tǒng)共同組成?？烧{(diào)諧激光器可以輸出210～2 400 nm激光，脈沖寬度約5 ns，重復(fù)頻率1 000 Hz。激光通過光纖耦合輸出模塊實(shí)現(xiàn)光纖輸出，激光光纖采用SMA接口連接至直徑50 mm的積分球。為避免激光的干涉效應(yīng)，光纖放入超聲池中振蕩消除干涉。激光積分球出光口直徑10 mm。經(jīng)積分球勻光后，形成均勻的單色激光輻射亮度源。標(biāo)準(zhǔn)探測器和被測探測器同時(shí)安裝在二維電控位移平臺上。通過自動(dòng)化控制，使得積分球出光口出射的光輻射先后正入射在標(biāo)準(zhǔn)探測器和被測探測器接收平面中心。監(jiān)視探測器用于監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)探測器和被測探測器Detector under test(DUT)數(shù)據(jù)采集時(shí)激光功率的起伏。信號采集時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)探測器或被測探測器和積分球出光口距離500 mm。探測器正前方放置直徑5 mm圓形光闌，光闌尺寸小于探測器有效接收尺寸。標(biāo)準(zhǔn)探測器的光譜響應(yīng)度直接溯源至低溫輻射計(jì)，結(jié)合光闌有效通光面積，采用式(1)計(jì)算，可以得到標(biāo)準(zhǔn)探測器的光譜輻射照度響應(yīng)度。

RIrradiance(λ)=Rpower(λ)Saperture

(1)

其中，Rpower(λ)是探測器的光譜功率響應(yīng)度，Saperture是光闌有效通光面積，RIrradiance(λ)是探測器的光譜輻射照度響應(yīng)度。根據(jù)相同條件下被測探測器和標(biāo)準(zhǔn)探測器的信號比值，可以測得被測探測器的光譜輻射照度響應(yīng)度。

圖1 光譜輻射照度響應(yīng)度測量裝置示意圖Fig.1 Diagram of spectral irradiance responsivitymeasurement facility

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)探測器標(biāo)定

標(biāo)準(zhǔn)探測器和被測探測器都采用陷阱探測器結(jié)構(gòu)[12]，由三片式18 mm×18 mm的無窗硅光電探測器組成。第一、二片硅探測器平面與入射光方向呈45°角，第三片硅探測器垂直入射光路方向，有效工作面積183 mm2。對于三片式陷阱探測器，入射光經(jīng)歷5次硅探測器吸收，剩余的反射光沿原光路返回，陷阱探測器吸收的量子效率由式(2)給出

QE(λ)=1-(1-ρ(λ))5

(2)

其中，ρ(λ)是探測器在波長λ處的吸收率，QE(λ)是探測器在波長λ處的量子效率。

圖2給出了標(biāo)準(zhǔn)探測器在10個(gè)波長的功率響應(yīng)度和量子效率。其中，左側(cè)縱坐標(biāo)對應(yīng)功率響應(yīng)度，右側(cè)縱坐標(biāo)對應(yīng)量子效率。標(biāo)準(zhǔn)探測器的功率響應(yīng)度近似為直線，量子效率曲線在400～500 nm波長范圍內(nèi)變化幅度稍大，波長大于500 nm后，量子效率曲線變得較為平坦。由于標(biāo)準(zhǔn)探測器的功率響應(yīng)度僅在特定波長溯源至低溫輻射計(jì)，400～900 nm范圍其他波長的功率響應(yīng)度必須通過數(shù)學(xué)插值計(jì)算。為評估數(shù)據(jù)插值可能引入的偏差，將數(shù)據(jù)插值結(jié)果同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)上采用溴鎢燈結(jié)合雙單色儀測量了標(biāo)準(zhǔn)探測器同型號單片硅探測器的響應(yīng)度，測量波長間隔5 nm； 然后選取了圖2中10個(gè)波長下的光譜功率響應(yīng)度，采用3次樣條法插值成5 nm間隔。最后根據(jù)光譜響應(yīng)度測量和數(shù)據(jù)插值得到的光譜響應(yīng)度，分別計(jì)算各自對應(yīng)的光譜吸收率，并采用式(2)計(jì)算相應(yīng)的量子效率。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)探測器的功率響應(yīng)度和量子效率Fig.2 Power responsivity and quantumefficiency of standard detector

圖3給出了兩種方法得到的量子效率之差。從圖3可以看出，在400～450 nm數(shù)據(jù)插值結(jié)果較光譜響應(yīng)度測量偏差較大，最高可達(dá)0.074%； 在450～900 nm兩種方法的最大偏差明顯變小，最大為-0.027%。對比圖2，探測器在400～450 nm量子效率上升較明顯、變化大，插值引入的偏差略

圖3 光譜響應(yīng)度測量和數(shù)據(jù)插值計(jì)算的量子效率差異Fig.3 The quantum efficiency difference betweenexperiment and numerical interpolation

大； 而探測器在450～900 nm量子效率曲線逐漸平坦，插值引入的偏差更小。采用插值法進(jìn)行陷阱探測器光譜功率響應(yīng)度的計(jì)算原理上可行，在450～900 nm插值計(jì)算引入的誤差小于萬分之三。

2.2 測量重復(fù)性

實(shí)驗(yàn)采用的激光脈沖頻率1 000 Hz，無法采用功率穩(wěn)定器穩(wěn)定。為解決由于激光穩(wěn)定性帶來的影響，采用Zong提出的電荷積分法測量[9]。采用電子快門，控制探測器接收的激光照射時(shí)間。靜電計(jì)信號采集通過電壓反饋電路設(shè)置精密電容實(shí)現(xiàn)測量，實(shí)驗(yàn)測量的時(shí)間控制在2～10 s，靜電計(jì)測量的電荷數(shù)在0.1～1 μC。實(shí)驗(yàn)共采用3塊靜電計(jì)，分別記錄標(biāo)準(zhǔn)探測器、被測探測器和監(jiān)視探測器采集的電荷。

Q∝?R(λ)E(λ)dSdt

(3)

(4)

表1給出了不同激光波長下測量重復(fù)性帶來的相對實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差。當(dāng)波長小于405 nm時(shí)，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.10%； 當(dāng)波長處于405～900 nm波段，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差<0.01%。由于可調(diào)諧激光器在405 nm以下波長通過倍頻實(shí)現(xiàn)，激光功率明顯偏小，測量的信噪比較差。

表1 重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 1 Standard deviation of repetition

2.3 探測器非線性測量

標(biāo)準(zhǔn)陷阱探測器直接溯源至低溫輻射計(jì)，定標(biāo)時(shí)激光功率約為0.4 mW。氦氖激光照射下，電流信號約為0.2 mA。而光譜輻射照度響應(yīng)度測量裝置將激光導(dǎo)入積分球后測量，探測器的平均電流信號約為10～100 nA，涉及4個(gè)數(shù)量級的變化。如果直接使用低溫輻射計(jì)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)探測器量傳，必須考察標(biāo)準(zhǔn)探測器線性帶來的測量不確定度。實(shí)驗(yàn)采用激光雙光路法，根據(jù)國際照明協(xié)會(huì)推薦的式(5)計(jì)算非線性系數(shù)。

(5)

其中，I1和I2是兩路光分別照射探測器時(shí)的信號，I1+2是兩路光同時(shí)照射探測器時(shí)的信號。

實(shí)驗(yàn)測量了450，632.8和850 nm波長下探測器的非線性系數(shù)。首先采用激光功率穩(wěn)定器將激光穩(wěn)定在優(yōu)于0.01%的水平，然后采用兩個(gè)格蘭棱鏡調(diào)節(jié)激光功率。非線性測量裝置可以實(shí)現(xiàn)6個(gè)量級的激光功率變化。最后采用兩個(gè)半透半反鏡進(jìn)行激光分光和合束[13]。非線性系數(shù)測量按照雙光路電流0.2,0.1,0.05 mA，…測量，直至約6 nA。圖4給出了氦氖激光波長632.8 nm照射下測量得到的探測器非線性系數(shù)，近5個(gè)量級的非線性系數(shù)都小于0.01%。

標(biāo)準(zhǔn)探測器溯源至低溫輻射計(jì)時(shí)電流約為0.2 mA，非線性修正系數(shù)初始修正值為1。對于其他電流下的非線性修正，由式(6)給出[14]

(6)

圖4 探測器非線性系數(shù)Fig.4 The nonlinear coefficient of detector

低溫輻射計(jì)標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)探測器時(shí)采用的是連續(xù)波激光，而輻射照度響應(yīng)度量值傳遞采用的是脈沖激光。實(shí)驗(yàn)采用450，632.8和850 nm激光進(jìn)行光譜輻射照度響應(yīng)度驗(yàn)證試驗(yàn)，與采用可調(diào)諧脈沖激光標(biāo)定的差異小于0.02%。結(jié)果表明對于新建裝置中使用的標(biāo)準(zhǔn)探測器，連續(xù)波激光非線性實(shí)驗(yàn)適用于脈沖激光的光譜非線性評價(jià)。

2.4 探測器均勻性

低溫輻射計(jì)標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)探測器時(shí)采用功率模式，標(biāo)準(zhǔn)探測器進(jìn)行光譜輻射照度響應(yīng)度量傳時(shí)，探測器的接收模式為照度模式。標(biāo)準(zhǔn)探測器功率模式和照度模式下的電流信號分別由式(7)和式(8)描述。

iP=PER(x0,y0)

(7)

(8)

其中，iP是探測器在功率模式下的電流，iE是探測器在照度模式下的電流，PE是探測器測量的激光功率，R(x0,y0)是探測器在位置(x0,y0)的功率響應(yīng)度，E(x,y)是探測器在位置(x,y)的輻射照度，R(x,y)是探測器在位置(x,y)的功率響應(yīng)度。R(x,y)在接收面積內(nèi)的一致性對于量值傳遞至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)分別測量了探測器在450，632.8和850 nm下的均勻性。將探測器固定在二維電控位移平臺，經(jīng)激光功率穩(wěn)定器穩(wěn)定后的激光照射在探測器上，掃描探測器在5 mm×5 mm面積內(nèi)的信號，步進(jìn)間隔0.5 mm。圖5給出了632.8 nm下標(biāo)準(zhǔn)探測器的面均勻性?？梢钥吹?，正方形面積內(nèi)的最大偏差小于0.03%。而光譜輻射照度響應(yīng)度測量裝置在探測器前放置直徑5 mm圓形光闌，探測器中心直徑5 mm內(nèi)響應(yīng)度的最大偏差小于0.03%。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)探測器響應(yīng)度面均勻性Fig.5 Responsivity uniformity of standard detector

2.5 測量不確定度評定

測量不確定度來源包括： 探測器量值溯源，探測器非線性，探測器均勻性，激光波長，測量重復(fù)性，電流表讀數(shù)等。表2給出了輻射照度響應(yīng)度校準(zhǔn)的測量不確定度。

為了檢驗(yàn)激光光譜輻照度響應(yīng)度測量裝置的適用性，采用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)燈-單色儀光譜響應(yīng)度測量裝置進(jìn)行比對實(shí)驗(yàn)。選取兩種不同型號的探測器A和探測器B，400～900 nm波長范圍內(nèi)兩個(gè)探測器的光譜功率響應(yīng)度比值從0.5變化到1.31。首先，利用探測器A和傳統(tǒng)光譜響應(yīng)度裝置去標(biāo)定探測器B的光譜功率響應(yīng)度。然后，采用探測器A和激光光譜輻射照度響應(yīng)度測量裝置去標(biāo)定探測器B的光譜功率響應(yīng)度。在450～900 nm波長范圍內(nèi)，兩種方法標(biāo)定的偏差普遍位于0.30%～0.65%； 在400～450 nm波長范圍，偏差位于0.60%～0.95%。兩者之間的整體差異可能源于傳統(tǒng)光譜響應(yīng)度測量裝置的測量水平。另一方面，實(shí)驗(yàn)使用的激光為1 000 Hz脈沖激光，而標(biāo)準(zhǔn)燈光源為連續(xù)光源，兩種光源特性的不同也可能對測量偏差有影響。從結(jié)果來看，兩種方法測量的整體偏差全部位于傳統(tǒng)光譜響應(yīng)度裝置的測量不確定度內(nèi)，證實(shí)了兩種方法的一致性。

表2 光譜輻射照度響應(yīng)度校準(zhǔn)測量不確定度Table 2 The uncertainty of spectral irradianceresponsivity calibration

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)建立了一套基于可調(diào)諧激光器的輻照度響應(yīng)度測量裝置，將量值溯源至低溫輻射計(jì)系統(tǒng)，可以大大降低輻射照度響應(yīng)度的測量不確定度。采用可調(diào)諧激光器結(jié)合積分球形成均勻的單色輻射源，通過對比標(biāo)準(zhǔn)探測器和被測探測器的光譜響應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)被測探測器的光譜輻射照度響應(yīng)度的量值標(biāo)定。如果將激光導(dǎo)入較大尺寸的積分球作為輻射亮度源，并設(shè)置探測器的接收立體角，該裝置可以實(shí)現(xiàn)光譜輻射亮度響應(yīng)度標(biāo)定。激光光譜輻射照(亮)度響應(yīng)度裝置可以廣泛應(yīng)用于探測器的高精度輻射定標(biāo)，支撐高精度光學(xué)遙感輻射測量。