相關光子自校準光譜輻照度測量不確定度分析

李健軍,胡友勃,丁 蕾,翟文超,夏茂鵬,鄭小兵

(中國科學院安徽光學精密機械研究所,通用光學定標與表征技術重點實驗室,合肥 230031)

1 引言

近年來,人類對于氣候研究日益增多。太陽作為地球輻射收支平衡的主要能量來源,在氣候演變過程中發揮著重要作用。目前對于太陽光譜輻射研究,主要有太陽總輻照度和光譜輻照度兩種監測方式,以美國為首的發達國家發射了多種太陽觀測載荷,對太陽光譜開展了持續40 多年的輻射觀測,太陽總輻射能量變化不超過0.3 %,為了對太陽微幅變化進行長期觀測,需要研制高精度高穩定的太陽輻射觀測儀器。例如2003 年美國發射的SORCE 衛星攜帶了太陽光譜輻照度觀測儀器(SIM),設計指標達到0.1 %,在軌運行的實際觀測精度達到2 %[1]。

目前,在軌衛星光學載荷主要采用星上定標器和場地替代定標方法,定期開展輻射定標和校正,如美國中分辨率成像光譜儀(MODIS)搭載星上漫反射板開展太陽反射波段(380～2 500) nm 輻射定標。常用的星上定標器主要有常溫電替代輻射計(ESR)、比值輻射計、漫反射板、黑體等。這些儀器響應變化監測也依賴于實驗室校準結果,在軌運行期間定標器自身衰變難以精確評估[2]。

為了實現對太陽光譜輻射變化的長期穩定監測,安徽光機所提出一種太陽光譜輻照度監測方案,利用相關光子作為輻射定標光源,將自校準和輻射觀測模式集成一體,對太陽反射波段的光譜輻照度進行精確測量,預期達到0.3 %測量不確定度的科學目標[3]。相關光子輻射定標光源的優越性已經在多篇論文中進行了報道,可應用于單光子探測器的量子效率和紅外光源的光譜輻亮度測量[4-6],將其集成到傳統的輻射觀測儀器,可周期性地校正儀器響應度變化[7-9]。

介紹了自校準光譜輻照度測量原理和測量裝置,建立了“通道量子效率→光譜光子數率→光譜輻射功率響應度→光譜輻照度”量值傳遞鏈路和輻射測量模型。利用488 nm 單色光源導入積分球、平行光管形成準直的光譜輻照度光源,測量了光源的光譜輻照度,并與參考輻照度計測量結果進行了比對,分析和評估了兩種定標方法的測量不確定度,驗證相關光子自校準光譜輻照度測量的原理可行性。

2 光譜輻照度測量原理

2.1 相關光子自校準光譜輻照度測量

相關光子自校準光譜輻照度測量儀具有2 種工作模式:自校準模式和觀測模式,自校準模式定標通道的絕對功率響應度,觀測模式測量得到目標光源的絕對光譜輻照度。2 種工作模式的差異僅在于掃描鏡的指向,所有其它光路傳輸路徑保持完全一致,可以最大程度地保證二者的等效性。兩種工作模式交替運行,實現自校準的絕對光譜輻照度測量。

目標觀測模式下,測量系統的工作體制與目前多光譜空間遙感器基本相同。其輸出信號脈沖數率與有效接受輻射通量的關系可以表示為:

參考輻照度計由3 片反射式的硅陷阱探測器和直徑為5 mm 的精密孔徑光闌構成,絕對光譜輻照度響應度在488 nm 波長點溯源至中國計量科學研究院,參考輻照度計接收相同光譜輻照度單色光源的光通量為:

聯合式(1)至式(3),模擬探測器的通道絕對功率響應度可以表示為:

式中:Mc——符合計數;MCA——意外符合計數;MA——有效觸發計數;MAB——背景有效觸發;α——符合丟失校正因子;β——線性修正因子;τ——晶體的光學損耗。

模擬探測器接收的光通量可以表示為:

同時，在國家現代林業湖北東寶森工科技產業園基礎之上，當地新增了住房和城鄉建設部綠色建筑建材產業園，順應了國家產業政策導向，增強了產業發展帶動功能。2016年，東寶區綠色建筑建材家具產業成為湖北省重點成長型產業集群。

式中:V0——自校準模式輸出的電壓值;Rc——模擬探測器觀測相關光子的增益阻抗;RΦ——模擬探測器的通道響應度。

在自校準的模式下,校準后的待定標的通道量子效率為:

另一方面，由于科研人員意識不夠、建設隨意性強，而項目過程監管又不到位，經常出現國產進口隨意改、指標配置隨意變、數量價格任意調，導致與項目批復大相徑庭，給項目的執行、審計和驗收帶來了許多麻煩。

在輻射觀測模式下,模擬探測器的絕對光譜輻照度響應度可以表示為:

后脈沖概率處理方法如式(13)所示:

原理樣機接收的絕對光譜輻照度可以表示為:

165 Effect of antiosteoporotic active fraction from Er-Xian Decoction on retinoic acid-induced bone loss in rats

傳遞過程中兩者的光子計數率相同,死時間對非線性影響可以忽略。因此,式(11)可以簡化為:

聯合式(2)、式(4)和式(6),可以獲得被測光源的光譜輻照度為:

2.2 參考輻照度計光譜輻照度測量

式中:M——光子計數器輸出的脈沖數率;Φ0——有效接收的輻射通量;λ——入射光波長;ηDUT——待定標通道的量子效率;h——普朗克常數;c——光速。

式中:Ir——參考輻照度計采集電流值;Rr——參考輻照度計的絕對功率響應度。

利用參考輻照度計觀測單色光源的光譜輻照度為:

式中:Ar——參考輻照度計孔徑光闌的有效面積。

3 光譜輻照度比對測量實驗

3.1 相關光子自校準光譜輻照度測量系統

相關光子自校準光譜輻照度測量儀包括2 種工作模式,自校準和觀測模式,自校準模式。自校準模式,266 nm 泵浦激光依次通過格蘭泰勒棱鏡、λ/2 波片和焦距為75 mm 透鏡后,分別聚焦至7 塊非共線BBO 晶體(5×5×2) mm 中心,晶體的相位匹配角為41.7 °,42.45 °,43.26 °,44.14 °,45.17 °,46.3 °,47.63 °,產生(380～1 000) nm 寬波段相位匹配的相關光子對,如圖1 所示。用掃描鏡切換相關光子定標光源和目標光源,自校準模式產生時間、空間上相互關聯的寬波段相關光子[10],利用分色片進行光譜分離,入射至(350～550) nm,(500～1 000) nm 兩路Offner 色散模塊,每路光子經1 ∶9的分束器,分別聚焦至硅單光子探測器和模擬探測器,單光子探測器接收自校準的相關光子輻射源,模擬探測器分別接收相關光子和目標光源,實現相關光子自校準和輻射觀測,相關光子自校準光譜輻照度測量系統示意圖如圖2 所示。

圖1 利用7 塊非線性晶體制備(380～1 000)nm波段相關光子的角度分布圖Fig.1 Angle distribution of correlated photons in(380～1 000) nm prepared by seven nonlinear crystals

圖2 相關光子自校準光譜輻照度測量系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of correlated photon self-calibration spectral irradiance measurement system

信息處理箱采集單光子探測器以及模擬探測器信號,驅動控制箱對各功能模塊進行供電以及電機驅動控制,上位機軟件實現對各模塊的軟件調用,完成相關光子自校準太陽光譜輻照度儀的自校準,以及輻射觀測模式的自動測量功能[11]。

3.2 參考輻照度計

參考輻照度計由中國計量科學研究院研制,由3 片反射式硅陷阱探測器和5 mm 精密孔徑光闌組成,主要有2 個方面的考慮:

1)增加量子效率,入射光經過5 次反射后,反射率僅為單個光電二級管反射率的1 %;

2)第1、2 個硅光電二級管的入射面相互垂直,入射角相等,第3 個光電二級管正入射,保證探測器對入射光偏振狀態非敏感[12]。

參考輻照度計內置光電探測器在488 nm 波長的絕對功率響應度溯源至低溫絕對輻射計,聯合精密孔徑光闌面積測量,可以獲得絕對光譜輻照度響應度。

3.3 比對測量裝置

相關光子自校準光譜輻照度比對測量實驗裝置如圖3 所示,488 nm 激光經穩定控制后導入到直徑為40 mm、出光口為4 mm 的輻照度積分球內,積分球出光口對準焦距550 mm、直徑50 mm 平行光管的焦點位置,形成準直、均勻穩定的單色輻照度光源。在距離平行光管出口約500 mm 位置處,依次將自校準光譜輻照度儀和參考輻照度計平移切入至測量光路,采集兩種測量儀器的信號值和背景值。

圖3 相關光子自校準光譜輻照度比對測量示意圖Fig.3 Schematic diagram of correlation photon self-calibration spectral irradiance comparison measurement

4 測量結果及分析

4.1 通道量子效率測量

自校準模式下,以266 nm 激光器作為泵浦光源,通過自發參量下轉換方法制備488 nm 和585 nm相關光子對,其中585 nm 作為觸發通道,488 nm 作為待定標通道,分別用硅單光子探測器進行探測,將兩路信號接入時間數字轉換器(TDC)記錄兩路同時到達的觸發計數和符合事件。將泵浦光偏振方向旋轉90 °,關閉自發參量下轉換過程,測量觸發背景計數和意外符合計數。設置待定標端的延遲為10 ns,測量10 次,每次測量60 s,測量結果如表1所示。

透射式GaN光電陰極的入射光光路是先經過襯底材料,再透過緩沖層,最后才能作用于GaN光電發射層(參見圖4)[20]。如果緩沖層-發射層界面處缺陷較多,在此處被復合的光電子也會增多,造成陰極的光電發射性能變差,所以透射式GaN陰極光電發射效率的高低會受到緩沖層-發射層界面質量的影響。

表1 通道量子效率測量結果@488 nmTab.1 Measurement results of channel quantum efficiency@488 nm

由表1 可知,符合計數和觸發計數值較大,相對標準偏差較小;觸發背景計數和意外符合計數值較小,相對標準偏差較大。符合計數與意外符合計數的比率約為3,觸發計數與意外觸發背景計數的比率約為50。符合計數和意外符合計數為同時測量,泵浦光源波動對符合測量精度的影響較小,觸發計數和觸發背景計數不是同時測量,泵浦光源波動對有效觸發計數測量有一定的影響。量子效率10 次測量均值為0.004 15,重復性約為3.5 %,主要由泵浦光源的非穩定性和測量系統較低的符合計數引起的,通過更換更高穩定性的泵浦激光器、增加測量時間等方法,可有效提升量子效率測量的穩定性和重復性[13]。

（二）主產區分布情況 出以巷口鎮、火爐鎮、白馬鎮和長壩鎮等鄉鎮為代表的部分鄉鎮雖然肉牛養殖的絕對數量不低，但是單位面積或者單位農業人口的產出量很少，而以文復鄉、桐梓鎮、接龍鄉、后坪鄉和雙河鄉等鄉鎮不僅絕對數量較高，其平均產出量同樣很高，究其原因有二：其一這些鄉鎮的大部分地區海拔高度高于800米，適宜肉牛生長，其二飼草飼料資源比較豐富。山羊的分布同樣如此。

蒙古諺語《智慧集》中有關于長生天最高神主為霍爾穆斯塔的說法。《智慧集》成書于十六世紀前，那么這種說法或許比成書時期更早。烏其拉圖在對蒙古史詩《江格爾》研究時指出，《江格爾》中有這樣的詩句：

4.2 修正因子

通道量子效率測量過程中,使用單光子探測器、時間數字轉換器等測量儀器,在光子探測、計數過程中存在死時間和后脈沖影響,符合計數測量值出現丟失或增加等實際情況。需要對單光子探測器的死時間、后脈沖以及符合丟失等信號采集和處理過程的測量數據進行修正[14,15]。

1)符合丟失

《2017年中國大學生創業報告》數據顯示，大學生創業中遇到的最大困難是資金問題，任何群體創業，籌融資困難是創業者遇到的最大難題。而且大學生創業的資金有75%是自有資金，即自己、家人還有創業合作伙伴，充分表明大學生群體融資渠道窄。作為學生群體，沒有充足的資金支持是完不成創業項目，因為學生相當于社會的“弱勢群體”，籌融資時信用度低，不能取得外部融資的支持，對于家庭條件不太好的學生，由于籌融資困難的問題，一些很優秀的項目被迫終止，大學生創業遇到相應的挑戰。

（3）同時考慮外界溫度的影響，將混凝土的外界溫度設置為變量 T2（其范圍為5℃-25℃），而澆筑溫度 12.7℃保持不變，其余條件如（1）設置。

符合丟失的修正因子為:

式中:NDUT——待定標通道的光子計數率;tdelay——兩個通道的延遲時間。

2)單光子探測器非線性

單光子探測器的非線性是后脈沖和死時間造成的,非線性修正因子為:

（1）登船手續簡便安全高效。旅客抵達郵輪始發港碼頭后，可先憑船票寄托大件行李，將行李交碼頭工人，按照預先分配的房號，系上行李貼條的大件行李會在開船前送至指定船艙房間門外。這樣，旅客只要攜帶隨身物品小件即可登船。

3)晶體后端面的損耗

式中:Tdead——單光子探測器的死時間;pa——后脈沖概率;NDUTSC——自校準模式待定標通道光子計數率;NDUTO——標準傳遞時的光子計數率。

式中:V1——觀測目標光源的輸出電壓值;Ro——觀測目標光源的增益阻抗。

后脈沖測量裝置采用的是連續模式的激光光源,通過分析單光子探測器脈沖的統計分布,測量得到不同光子計數率下單光子探測器的后脈沖概率。此時光子計數率2×105s-1,測量10 次,每次測量100 s,得到的后脈沖曲線如圖4 所示。

圖4 后脈沖概率測量曲線圖Fig.4 The curve of after-pulsing probability

式中:As——孔徑狹縫的有效面積。

式中:MTotal——總的時間間隔計數;n——測量的時間間隔數;u500——500 ns 后的時間間隔計數的均值;N——光子計數。

不同的成因對物質組成和結構產生不同的影響，成分和結構又影響土的物理力學性質。紅粘土作為特殊土，并且在貴州省分布范圍廣泛，是貴州主要城市所在地分布的主要土類，與當地人們生活密切相關，在對紅粘土有關問題進行研究時要注意它復雜而有別于其他土類的特殊性的成因，從其所具有的特殊性的本質了解紅粘土有助于工程實踐應用。

測量得到的待定標通道的后脈沖概率如表2所示。

表2 10 次測量的后脈沖概率Tab.2 After-pulsing probability for 10 measurements

由表2 可知,待定標通道的單光子探測器10 次測量的后脈沖概率的平均值為0.144 058 2,相對標準偏差約為0.8 %,后脈沖概率對通道量子效率測量不確定度影響約為0.1 %,將測量結果代入式(12),計算得到非線性修正因子β值為0.874 1。

最出人意料的是，工作隊員身為公安干警的特殊身份也助力了曼來村的扶貧工作。其中，打拐英雄李鋒強的駐村就安定了很多村民的心。過去，村里婦女被拐賣的案件時有發生，男人們怕老婆被拐農閑時也不敢出門打工，這是村民無業致貧的一個主要原因。現在，駐村工作隊里有了打拐英雄，村里的男人們都開玩笑地說，“這回去打工再也不怕老婆被拐跑了”。

晶體光學損耗包括晶體吸收和晶體反射端面損耗。理論上相關光子等效發光點在晶體的中心位置,相關光子只穿過晶體內部和后端面。高精度實驗測量得到光學損耗的難度較大,且理論計算和實際測量的結果相差極小。計算晶體在488 nm 的吸收損耗、反射損耗和透射損耗,3 種損耗的乘積即為晶體后端面的光學損耗,晶體后端面的光學損耗為0.984。

4.3 標準傳遞

利用相關光子光源開展量值傳遞過程中,將相關光子同時導入到自校準和輻射觀測模式中,采集光子計數值和模擬探測器的電壓值,利用光子計數值和通道探測效率,可以獲得相關光子光源的光譜光子速率;利用模擬探測器測量相關光子光源,獲得絕對功率響應度。聯合孔徑光闌面積,獲得觀測通道的絕對光譜輻照度響應度。

為了減小光源的波動對標準傳遞精度影響,待定標通道單光子探測器和模擬探測器同時接收相關光子,光子計數器記錄脈沖值,模擬探測器測量電壓值,測量時間為100 s,放大器增益選擇1013Ω,采集頻率為0.1 Hz,每組測量20 個數據。半波片旋轉45°,關閉自發參量下轉換過程,測量背景信號值。將測量結果代入式(4)和式(5),獲得絕對功率響應度和絕對光譜輻照度響應度。將原理樣機掃描鏡切換到圖3 所示的均勻輻照度光源,測量輸出電壓值,代入式(7)可得光源的輻照度值。

4.4 測量不確定度分析

分析原理樣機光譜輻照度測量的各項不確定度來源,包括光譜光子數率、絕對功率響應度、絕對光譜輻照度測量引入的不確定度分量,如表3 所示。其中光譜光子速率測量不確定度包括通道量子效率、修正因子(符合丟失、后脈沖概率、后端面光學損耗)、單光子探測器脈沖計數值,光譜光子數率的測量不確定度約為3.5 %。由表1 可知,紫外泵浦光源的非穩定性約為3 %,導致通道量子效率、單光子探測器記錄光脈沖數以及模擬探測器電壓測量值的不確定度變大。絕對光譜輻照度測量不確定度由模擬探測器的輸出電壓、太陽狹縫面積決定,太陽狹縫面積采用通量比較法進行比對測量,標準孔由中國計量科學研究院進行校準,太陽狹縫面積測量不確定度約為0.5 %,主要由標準孔、太陽狹縫與積分球光源的距離差異、輻照度模擬光源非均勻性等因素引入的。相關光子方法測量單色光源的光譜輻照度合成不確定度約為3.8 %。

表3 相關光子方法測量單色光源的光譜輻照度@488nmTab.3 Spectral irradiance measurement of monochromatic light sources based on correlated photons method@488 nm

標準傳遞探測器測量光譜輻照度測量不確定度主要由電流輸出值、絕對功率響應度、孔徑光闌面積3 種因素引入的,如表4 所示,合成不確定度為0.18 %。經初步比較,2 種方法測量結果的相對偏差約為4.2 %。

表4 標準傳遞探測器方法測量單色光源的光譜輻照度@488 nmTab.4 Spectral irradiance measurement of monochromatic light sources based on standard transfer detectors method@488 nm

降低相關光子方法測量不確定度有以下技術路徑:

1)采用國外商用泵浦激光器,經功率穩定后的穩定性可達0.15 %,可將通道量子效率、單光子探測器記錄光脈沖數、模擬探測器測量相關光子光子數率的測量不確定度均降至0.2 %以內;

2)太陽狹縫卸下再校準,重新裝調,太陽狹縫面積測量不確定度降至0.05 %。

城南污水廠工程由上海院和油田院共同設計，項目部編制施工作業方案時充分落實設計意圖，聽取施工技術人員建議，并報請有關專家審核把關，根據方案確定可行的技術手段和管理方法后，對施工所有人員進行現場技術安全交底。如在樁基施工過程中，將洛陽鏟式掏樁器改進為螺旋切割式掏樁器，工作效率提高了300%。研制了多縫式自流平管養護器，在夏季實施混凝土養護，減輕了養護人員的作業負荷，并降低了在高空作業時的風險。工程建設過程中，不斷地完善特殊環境下的安全管理制度和操作規程，以控制工程施工過程中設施、人員、過程（工藝）和環境等永久性或暫時性的變化［8］，提高人機系統的“安全、經濟、高效”綜合效能。

經過上述系統優化后的光譜輻照度測量不確定度可達0.39 %。

5 結束語

針對氣候觀測對太陽光譜輻照度觀測的高精度定量需求,提出一種相關光子自校準的光譜輻照度測量方案,介紹了光譜輻照度測量原理和系統組成,開展了相關光子光源的標準傳遞實驗,獲得488 nm 波長絕對光譜輻照度響應度,搭建了高精度比對實驗裝置。與低溫輻射計校準過的參考輻照度計進行了初步比對,2 種定標方法得到光源的光譜輻照度相對偏差低于4.2 %,驗證了相關光子定標方法用于光譜輻照度響應度量值傳遞的有效性。開展了相關光子自校準光譜輻照度測量不確定度分析,光譜光子速率測量是主要的不確定度來源,降低測量不確定度有2 種方法:

1.2.3 培訓方式 ①基本操作技能培訓:按計劃每個月集中培訓1項操作，主要采取帶教老師赴上級醫院觀摩培訓的方式，組織護士觀看操作視頻，老師操作演示，現場指導，護士分組進行訓練。②社區護理服務培訓:主要包括健康人群與高危人群的健康管理，社區居家護理，急、危重病人的院前急救與轉診，社區傳染性疾病的護理及消毒隔離指導，健康教育指導及如何建立健康信息檔案等。③院前急救培訓:重點對門診及社區站點護士，每個月1次進行心肺復蘇、簡易呼吸機操作訓練、綠色通道及猝死急救演練等，熟練掌握及時轉診的流程。

1)用功率穩定的266 nm 泵浦激光器制備相關光子輻射定標光源,減小自校準和輻射觀測模式量值傳遞過程的不確定度;

2)優化太陽狹縫面積測量裝置,降低太陽狹縫面積測量不確定度。有望將光譜輻照度測量不確定度降低至0.39 %以內,將在未來的量子坎德拉復現、空間輻射基準、軍工計量等領域具有重要的應用前景。