基于可調諧激光的光譜輻射照度響應度定標

吳志峰，代彩紅，趙偉強，徐 楠，李 玲，王彥飛，林延東

中國計量科學研究院光學與激光計量科學研究所，北京 100029

引 言

1900年普朗克解釋了黑體的光譜輻射定律，標志著量子力學的開始； 同時也是新的光譜輻射度開端，黑體被廣泛應用于光譜輻射測量。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50年代，同步輻射的發現使得同步輻射源成為重要的光譜輻射源。美國國家標準與技術研究院和德國聯邦物理技術研究院都開展了基于同步輻射的輻射度計量研究[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世紀低溫輻射計和陷阱探測器的發明，使得以探測器保存量值成為可能。20世紀90年代以來，波長可調諧商用激光器的問世大大擴展了激光的光譜覆蓋范圍，可調諧激光器和低溫輻射計的結合帶來了輻射度測量的新變革。

傳統的探測器光譜響應度定標通常采用連續光源經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，遠低于單波長激光的功率。單色儀分光方法測量的動態范圍受到限制，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系統。英國國家物理實驗室與世界輻射中心開展了多次的太陽輻射照度量值比對。英國國家物理實驗室將太陽輻射計的量值通過陷阱探測器溯源至低溫輻射計，測量不確定度顯著優于世界輻射中心結果[6-7]。美國國家標準與技術研究院和德國聯邦物理技術研究院分別建立了基于激光器的輻射照度響應度和輻射亮度響應度的測量裝置[8-11]。根據被測探測器和標準探測器在激光輻射測量系統下的信號比值，標定被測探測器的響應度。現有激光器技術使得激光波長可以提供寬范圍的光譜輸出，未來基于可調諧激光的光譜測量在大量值、高準確度測量方面具有很大的應用前景。

1 實驗部分

圖1給出了基于可調諧激光器的光譜輻射照度響應度測量裝置的示意圖。裝置由可調諧激光器、探測器和信號采集測試系統共同組成。可調諧激光器可以輸出210～2 400 nm激光，脈沖寬度約5 ns，重復頻率1 000 Hz。激光通過光纖耦合輸出模塊實現光纖輸出，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，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。經積分球勻光后，形成均勻的單色激光輻射亮度源。標準探測器和被測探測器同時安裝在二維電控位移平臺上。通過自動化控制，使得積分球出光口出射的光輻射先后正入射在標準探測器和被測探測器接收平面中心。監視探測器用于監控標準探測器和被測探測器Detector under test(DUT)數據采集時激光功率的起伏。信號采集時，標準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。標準探測器的光譜響應度直接溯源至低溫輻射計，結合光闌有效通光面積，采用式(1)計算，可以得到標準探測器的光譜輻射照度響應度。

RIrradiance(λ)=Rpower(λ)Saperture

(1)

其中，Rpower(λ)是探測器的光譜功率響應度，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度。根據相同條件下被測探測器和標準探測器的信號比值，可以測得被測探測器的光譜輻射照度響應度。

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

2 結果與討論

2.1 標準探測器標定

標準探測器和被測探測器都采用陷阱探測器結構[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給出了標準探測器在10個波長的功率響應度和量子效率。其中，左側縱坐標對應功率響應度，右側縱坐標對應量子效率。標準探測器的功率響應度近似為直線，量子效率曲線在400～500 nm波長范圍內變化幅度稍大，波長大于500 nm后，量子效率曲線變得較為平坦。由于標準探測器的功率響應度僅在特定波長溯源至低溫輻射計，400～900 nm范圍其他波長的功率響應度必須通過數學插值計算。為評估數據插值可能引入的偏差，將數據插值結果同實驗數據進行對比。實驗上采用溴鎢燈結合雙單色儀測量了標準探測器同型號單片硅探測器的響應度，測量波長間隔5 nm； 然后選取了圖2中10個波長下的光譜功率響應度，采用3次樣條法插值成5 nm間隔。最后根據光譜響應度測量和數據插值得到的光譜響應度，分別計算各自對應的光譜吸收率，并采用式(2)計算相應的量子效率。

圖2 標準探測器的功率響應度和量子效率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數據插值結果較光譜響應度測量偏差較大，最高可達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 光譜響應度測量和數據插值計算的量子效率差異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。采用插值法進行陷阱探測器光譜功率響應度的計算原理上可行，在450～900 nm插值計算引入的誤差小于萬分之三。

2.2 測量重復性

實驗采用的激光脈沖頻率1 000 Hz，無法采用功率穩定器穩定。為解決由于激光穩定性帶來的影響，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間。靜電計信號采集通過電壓反饋電路設置精密電容實現測量，實驗測量的時間控制在2～10 s，靜電計測量的電荷數在0.1～1 μC。實驗共采用3塊靜電計，分別記錄標準探測器、被測探測器和監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性帶來的相對實驗標準偏差。當波長小于405 nm時，相對標準偏差為0.10%； 當波長處于405～900 nm波段，相對標準偏差<0.01%。由于可調諧激光器在405 nm以下波長通過倍頻實現，激光功率明顯偏小，測量的信噪比較差。

表1 重復性標準偏差Table 1 Standard deviation of repetition

2.3 探測器非線性測量

標準陷阱探測器直接溯源至低溫輻射計，定標時激光功率約為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度測量裝置將激光導入積分球后測量，探測器的平均電流信號約為10～100 nA，涉及4個數量級的變化。如果直接使用低溫輻射計標定的標準探測器量傳，必須考察標準探測器線性帶來的測量不確定度。實驗采用激光雙光路法，根據國際照明協會推薦的式(5)計算非線性系數。

(5)

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

實驗測量了450，632.8和850 nm波長下探測器的非線性系數。首先采用激光功率穩定器將激光穩定在優于0.01%的水平，然后采用兩個格蘭棱鏡調節激光功率。非線性測量裝置可以實現6個量級的激光功率變化。最后采用兩個半透半反鏡進行激光分光和合束[13]。非線性系數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，近5個量級的非線性系數都小于0.01%。

標準探測器溯源至低溫輻射計時電流約為0.2 mA，非線性修正系數初始修正值為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Fig.4 The nonlinear coefficient of detector

低溫輻射計標定標準探測器時采用的是連續波激光，而輻射照度響應度量值傳遞采用的是脈沖激光。實驗采用450，632.8和850 nm激光進行光譜輻射照度響應度驗證試驗，與采用可調諧脈沖激光標定的差異小于0.02%。結果表明對于新建裝置中使用的標準探測器，連續波激光非線性實驗適用于脈沖激光的光譜非線性評價。

2.4 探測器均勻性

低溫輻射計標定標準探測器時采用功率模式，標準探測器進行光譜輻射照度響應度量傳時，探測器的接收模式為照度模式。標準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)的功率響應度。R(x,y)在接收面積內的一致性對于量值傳遞至關重要。實驗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，經激光功率穩定器穩定后的激光照射在探測器上，掃描探測器在5 mm×5 mm面積內的信號，步進間隔0.5 mm。圖5給出了632.8 nm下標準探測器的面均勻性。可以看到，正方形面積內的最大偏差小于0.03%。而光譜輻射照度響應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內響應度的最大偏差小于0.03%。

圖5 標準探測器響應度面均勻性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，測量重復性，電流表讀數等。表2給出了輻射照度響應度校準的測量不確定度。

為了檢驗激光光譜輻照度響應度測量裝置的適用性，采用傳統標準燈-單色儀光譜響應度測量裝置進行比對實驗。選取兩種不同型號的探測器A和探測器B，400～900 nm波長范圍內兩個探測器的光譜功率響應度比值從0.5變化到1.31。首先，利用探測器A和傳統光譜響應度裝置去標定探測器B的光譜功率響應度。然后，采用探測器A和激光光譜輻射照度響應度測量裝置去標定探測器B的光譜功率響應度。在450～900 nm波長范圍內，兩種方法標定的偏差普遍位于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光譜響應度測量裝置的測量水平。另一方面，實驗使用的激光為1 000 Hz脈沖激光，而標準燈光源為連續光源，兩種光源特性的不同也可能對測量偏差有影響。從結果來看，兩種方法測量的整體偏差全部位于傳統光譜響應度裝置的測量不確定度內，證實了兩種方法的一致性。

表2 光譜輻射照度響應度校準測量不確定度Table 2 The uncertainty of spectral irradianceresponsivity calibration

3 結 論

實驗建立了一套基于可調諧激光器的輻照度響應度測量裝置，將量值溯源至低溫輻射計系統，可以大大降低輻射照度響應度的測量不確定度。采用可調諧激光器結合積分球形成均勻的單色輻射源，通過對比標準探測器和被測探測器的光譜響應，可以實現被測探測器的光譜輻射照度響應度的量值標定。如果將激光導入較大尺寸的積分球作為輻射亮度源，并設置探測器的接收立體角，該裝置可以實現光譜輻射亮度響應度標定。激光光譜輻射照(亮)度響應度裝置可以廣泛應用于探測器的高精度輻射定標，支撐高精度光學遙感輻射測量。