1 北京理工大学 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
2 西安应用光学研究所，陕西 西安 710065
3 北京东方计量测试研究所，北京 100029
当前，工作在液氦温度的低温辐射计可以有效规避电路系统中非自发加热带来的误差，是国际上精度最高的光功率计量设备。理想低温辐射计在工作过程中，其核心器件-吸收腔对相同的热功率与电功率应当表现出相同的温升。然而对于实际情况，由于吸收腔涂层中复杂的光-物质相互作用，系统的光-电加热路径难以重合，黑体腔热传导分布的梯度差异导致误差的产生。当前国际上对光电不等效性产生的影响仍缺乏直观清晰的认知。在此，利用蒙特卡洛光线追迹方法，文中对低温辐射计吸收腔辐照度的空间分布进行了仿真。计算表明：当吸收腔斜底角控制在60°，涂层吸收率达到0.95时，系统在激光进入的第一次与第二次反射中分别吸收了98%与1.9%的能量，比例约为51.2∶1。通过在吸收腔斜底板和下侧面同时布置加热器，可实现光加热、电加热路径的耦合。进一步地，通过分别计算单加热器与双加热器布置下系统温度随时间的变化，文中证明了加热路径的不同将引入约为0.005%的光电不等效性。
低温辐射计 光电不等效性 加热器布置 光线追迹法 吸收腔 cryogenic radiometer optical-electrical non-equivalency heater arrangement ray-tracing method absorption chamber 红外与激光工程
2022, 51(8): 20210918
1 北京理工大学 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
2 西安应用光学研究所，陕西 西安 710065
3 中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆 710699
为了实现低温辐射计工作温度4 K条件下吸收腔吸收率的测量，研究了变温条件下吸收腔吸收率的测量方法。通过在低温辐射计布儒斯特窗口前设计反射监测组件，并控制低温辐射计工作在10−6 Pa的真空环境下，调节低温辐射计制冷温度，分别测量室温条件和不同温度条件下低温辐射计吸收腔在632.8 nm处的反射信号，结合利用传统积分球法在室温条件下低温辐射计吸收腔632.8 nm处反射率的测量结果，通过计算可精确得到不同温度条件下低温辐射计吸收腔的吸收率。实验测量吸收腔在室温条件和4 K温度条件下的吸收率，分别为0.99976和0.99971，对4 K条件下低温辐射计吸收腔吸收率的测量不确定度进行评定，得到的结果显示其相对扩展不确定度为0.005%（k=2）。
低温辐射计 吸收腔 反射率 吸收率 cryogenic radiometer absorbing cavity reflectivity absorptivity 红外与激光工程
2022, 51(9): 20210984
中国电子科技集团公司第四十一研究所, 山东 青岛 266555
目前, 国际最高光辐射功率基准为低温辐射计, 其可探测光谱范围覆盖真空紫外到太赫兹波段(115 nm~THz), 利用真空低温超导条件下的电替代测量原理, 将光辐射功率参数溯源到可以精确测量的电参数进行高精度测量, 实现超宽光谱范围的光辐射绝对功率测量, 其测量不确定度达到10-5量级, 尤其在****和光辐射计量领域, 光电有效载荷、 定量遥感、 超高光谱成像以及光辐射量值溯源等应用领域具有不可替代的作用。 低温辐射计黑体腔作为光辐射吸收的核心器件, 具有光谱吸收平坦、 0.999以上的超高吸收比, 其吸收率参数是影响低温辐射计高准确测量的主要因素之一。 目前, 针对低温辐射计黑体腔不同结构及涂层参数开展了很多的理论及仿真工作, 但针对不同结构参数黑体腔吸收率的实验测量及比对工作还未见报道。 因此, 为实现低温辐射计宽光谱、 高精度测量要求, 光电子一级站开展了适用于低温辐射计的黑体腔研制及吸收率测量的研究工作。 课题组研制了四种不同结构参数, 以高电导无氧铜(OFHC)为材质, 壁厚0.1 mm, 内壁电镀镍磷黑(NiP)涂层的超高吸收率黑体腔; 采用蒙特卡罗光线追迹算法分别对四种结构黑体腔吸收率进行了光学仿真, 得到不同结构参数之间的吸收率差异; 采用替代法测量吸收率, 搭建了以高稳定光源、 积分球系统组合的黑体腔吸收率测量装置, 通过将标准白板与黑体腔之间切换, 准确测量黑体腔吸收率, 并分析了黑体腔吸收率的影响因素。 实验结果表明: (1)通过比对仿真数据与实验测量结果, 验证测量方法的有效性和测量数据的可靠性; (2)研制的黑体腔实现了(0.999 962±0.000 005)@632.8 nm的超高光谱吸收率, 满足了低温辐射计的高精度测量要求; (3)斜底圆柱腔的吸收性能优于圆锥柱腔; (4)通过设计螺纹结构增加腔内表面积、 设计圆锥口径类比光阑结构形式并没有明显增加黑体体吸收率。
低温辐射计 黑体腔 吸收率 结构 Cryogenic radiometer Cavity Absorption coefficient Black paint
中国计量科学研究院光学与激光计量科学研究所, 北京 100029
开展了绝对辐射计溯源至低温辐射计的计量技术研究。选用激光作为光源,采用光斑非全覆盖绝对辐射计接收面的辐射功率模式进行校准实验。利用溯源至低温辐射计的陷阱探测器作为标准器定标激光器功率,然后通过替代法将量值传递至绝对辐射计。通过绝对辐射计光阑面积校准,实现激光功率与绝对辐射计测量辐照度的转化。通过对陷阱探测器的校准、绝对辐射计锥腔不同位置空间响应均匀性、锥腔的波长选择性等特性的分析,对实验所用绝对辐射计校准不确定度进行了详细评估,得到的校准不确定度为0.86%(包含因子k=2)。
测量 绝对辐射计 低温辐射计 量值溯源 测量不确定度
中国计量科学研究院光学与激光计量科学研究所, 北京 100029
探测器的光谱辐射照(亮)度响应度是辐射定标中最重要的参数之一。 传统的光谱辐射定标采用宽谱段光源和单色仪装置测量, 新建的激光辐射测量装置采用激光和探测器测量, 可以大大降低测量的不确定度。 该装置首先将可调谐激光耦合进入积分球生成均匀的朗伯体单色光源, 然后采用低温辐射计量传的标准陷阱探测器和面积已知的光阑, 进行400～900 nm探测器的光谱辐射照度响应度标定。 研究主要集中在四个方面: (1) 低温辐射计仅在某些分立激光波长定标标准探测器, 其他激光波长下的光谱响应度必须进行插值, 通过对比光谱响应度直接测量方法推导的陷阱探测器量子吸收效率, 可以计算插值在其他波长带来的光谱响应度偏差, 结果表明400～900 nm数据插值算法的总体偏差小于0.074%; (2) 实验采用电荷积分法测量标准探测器和被测探测器的电荷信号, 并采用监视探测器消除激光功率起伏以降低激光功率稳定性的影响, 测量重复性优于0.1%; (3) 针对标准探测器在向低温辐射计溯源和进行光谱辐射照度响应度量传时的激光功率差异, 采用激光双光路叠加法测量探测器不同波长下的非线性系数, 分析标准探测器光谱非线性带来的测量不确定度, 在450, 632.8和850 nm波长下, 当探测器电流从0.2 mA变到3 nA时的非线性修正小于1.000 25; (4) 针对标准探测器定标时的功率模式和量传时的辐射照度模式差异, 采用二维电控位移平台测量探测器的均匀性并进行修正, 测量得到的标准探测器中心直径5 mm的非均匀性小于0.03%。 最终采用可调谐激光辐射照度响应度测量装置, 可以实现400～900 nm辐射照度响应度测量不确定度0.14%～0.074%(k=1)。 实验对比了激光辐照度响应度装置和标准灯-单色仪装置两种方法测量的探测器的光谱辐射照度响应度。 测量结果表明两种装置在400～900 nm的响应度标定近似等价, 测量偏差全部位于标准灯-单色仪装置的测量不确定度范围内, 验证了激光辐照度响应度测量装置的实用性。
低温辐射计 光谱辐射照度响应度 电荷积分法 Cryogenic radiometer Spectral irradiance responsivity Integrated charge method
长波红外光谱(8~14 μm)是介于中红外和太赫兹波之间的重要电磁辐射, 对应着地球表面常温目标物体的光谱辐射波段和地球“第三大气窗口”, 相对于短波和中波光谱辐射, 长波红外辐射受大气散射影响较小。 因此, 长波红外光电探测器在红外光谱成像、 红外侦察、 光谱探测等领域得到广泛使用。 绝对光谱响应率作为表征探测器响应能力的主要参数之一, 对其高精度标定的需求亟待解决。 现在传统方法, 即基于标准辐射源的定标方法已无法满足诸多高精度绝对光谱响应率的应用需求。 目前, 国内还没有建立基于激光光源和低温辐射计的长波红外绝对光谱响应率校准装置, 主要原因是缺少光功率稳定、 光束质量高的激光光源, 以及性能稳定的长波红外传递标准探测器。 针对此问题, 开展了以激光为光源, 以低温辐射计为光功率测量基准的长波红外绝对光谱响应率量值溯源技术研究。 课题组选用可调谐CO2稳频激光器作为光源, 以低温辐射计作为光功率测量基准; 采用CdTe晶体电光调制器搭建了激光功率稳定控制系统; 根据光束传输理论, 搭建长波红外空间滤波器以优化光束质量; 采用积分球与HgCdTe探测器组合, 研制了性能稳定可靠的标准传递探测器, 建立了长波红外探测器绝对光谱响应率高准确度校准装置, 实现长波红外光谱范围(9.2~10.8 μm)探测器绝对光谱响应率的高准确度校准测量。 选择可调谐激光器输出的波长值9.62和10.60 μm分别对积分球型HgCdTe探测器进行了测量。 实验结果表明, (1)利用低温辐射计准确测量光功率, 光功率测量不确定度优于0.30%~0.42%(k=2); (2)探测器绝对光谱响应率测量不确定度优于0.80%~1.02%(k=2), 其他波长点可参考分析。 该工作实现了基于激光光源的长波红外探测器绝对光谱响应率的高准确度校准。
长波红外光谱 长波红外探测器 绝对光谱响应率 低温辐射计 Long-wave infrared spectrum Absolute spectral responsivity Infrared detector Cryogenic radiometer 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3680
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为满足空间遥感器在轨辐射定标精度和溯源性的需求, 中科院长春光机所研制了空间低温绝对辐射计。本文介绍了实验室辐射基准的低温辐射计的发展现状, 并着重介绍了我们研制的空间低温绝对辐射计的设计方案。空间低温绝对辐射计采用斯特林机械制冷机提供20 K工作环境, 通过优化吸收腔结构和热连接, 设计出响应度0.2 K/mW和1 K/mW的总腔和光谱腔。采用闭环高精度温度控制和两次电定标的电替代测量方式, 利用探测器材料在低温下的优异热性能, 实现总腔0.02%精度水平的光功率测量, 建立辐射基准。并采用温度比对的方式, 将辐射基准传递给光谱腔, 实现溯源至国际单位制基本单位的光谱辐射测量, 为遥感器在轨可溯源的光谱辐射定标提供重要的技术储备。
辐射基准 辐射定标 可溯源 低温辐射计 radiance benchmark radiance calibration traceability cryogenic radiometer
