陳 健 ,王偉國(guó),高慧斌,劉廷霞,吉桐伯,于洪君
(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長(zhǎng)春130033;2.中國(guó)科學(xué)院 研究生院,北京100039)
近年來(lái),隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,紫外光學(xué)在空間科學(xué)、材料、生物物理和等離子物理等領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景,尤其是國(guó)內(nèi)外空間紫外光學(xué)遙感領(lǐng)域的發(fā)展,使得針對(duì)紫外空間遙感方向的研究顯得尤為重要[1-5]。
隨著定量化遙感研究的深入及測(cè)量精度的不斷提高,用紫外波段的高精度標(biāo)準(zhǔn)來(lái)標(biāo)定各類(lèi)傳感器,評(píng)估其測(cè)量精度、穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)可比較性十分必要。從理論上講,實(shí)現(xiàn)絕對(duì)光譜輻射定標(biāo)的途徑有兩個(gè):一是基于輻射光源的標(biāo)準(zhǔn)光源定標(biāo)法,二是基于輻射探測(cè)器的標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器定標(biāo)法。目前,在紫外輻射定標(biāo)領(lǐng)域,標(biāo)準(zhǔn)光源定標(biāo)方法被廣泛采用,但由于其標(biāo)準(zhǔn)源不確定度較高( 2%) ,且定標(biāo)過(guò)程中引入了較多不確定因素,使得定標(biāo)精度無(wú)法進(jìn)一步提升。而采用標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器定標(biāo)方法一方面降低了標(biāo)準(zhǔn)源的不確定度( 1.2%) ,同時(shí)所采用的定標(biāo)原理更為合理,消除了部分不確定因素,因此該方法是提高紫外波段輻射定標(biāo)精度的最有效手段。本文圍繞紫外探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)的建立及量值傳遞過(guò)程展開(kāi)討論,對(duì)探測(cè)器定標(biāo)方法的研究和定標(biāo)精度的提升有著重要意義[6-10]。
美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究院( NIST) 的高精度低溫輻射計(jì)( HACR) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1 所示。以無(wú)氧銅為材質(zhì)的圓柱型斜底腔作為接收腔,其內(nèi)壁鍍有 Ni-P 涂層,腔體吸收率>0.999 9。Rh-Fe 電阻溫度傳感器和薄膜加熱器置于腔體底部,腔體與5 K 的熱沉相連,熱沉與液氦儲(chǔ)藏池相連。整個(gè)輻射計(jì)內(nèi)真空度<133.3 ×10-5Pa,使液氮持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間,并消除了熱對(duì)流。55 K 的屏蔽套位于吸收腔外用于阻擋熱輻射,而接收腔與外界沒(méi)有熱傳導(dǎo),基本處于絕熱狀態(tài)。溫度為77 K 的保溫液氮儲(chǔ)藏池位于液氦儲(chǔ)藏池外側(cè),用于減小液氦的消耗。輻射計(jì)入射窗( Brewster) 對(duì)線偏振光的透射比可達(dá)0.999 7。當(dāng)接收腔接收光輻射后,將光能轉(zhuǎn)化為熱能,腔體溫度逐漸升高,溫度值由溫度傳感器記錄;然后關(guān)掉光源,用位于腔體底部的薄面加熱器對(duì)腔體進(jìn)行加熱至相同溫度,此時(shí)記錄下加熱電壓和電流,計(jì)算出光功率,即可得出入射光的光功率[12-16]。
圖1 NIST 高精度低溫輻射計(jì)Fig.1 High accuracy cryogenic radiometer in NIST
低溫輻射計(jì)的基本原理[17]為:采用溫度傳感器測(cè)量探測(cè)器接收面相對(duì)于溫度恒定熱沉的溫升,達(dá)到穩(wěn)態(tài)后測(cè)量探測(cè)器的溫升;然后屏蔽入射光,調(diào)節(jié)探測(cè)器加熱功率。當(dāng)穩(wěn)態(tài)條件下探測(cè)器的溫升與光加熱的溫升相同時(shí),測(cè)量加熱探測(cè)器的電功率,如此等效于測(cè)量入射到探測(cè)器的光功率。
對(duì)于低溫輻射計(jì)腔體,由于吸收熱輻射量與溫度變化呈嚴(yán)格的線性關(guān)系,在實(shí)際測(cè)量中,須施加一個(gè)高加熱功率和一個(gè)低加熱功率,使平衡溫度位于光加熱平衡溫度的兩側(cè),然后通過(guò)線性插值求得光功率的大小。光功率的測(cè)量由1 次光加熱和2 次電替代加熱組成,如圖2 所示。對(duì)于光功率測(cè)量有:
式中:Plaser為光加熱功率值,PL為低電壓替代加熱功率值,PH為高電壓替代加熱功率值,Tlaser為光加熱平衡時(shí)的溫度值,TL為低電壓替代平衡時(shí)的溫度值;TH為高電壓替代平衡時(shí)的溫度值。
圖2 電代替法測(cè)量原理Fig.2 Measurement principle of electricity substitution method
1,4 為光功率加熱,溫度平衡至Tlaser;2,5 為低電功率加熱,溫度平衡至TL;3,6 為高電功率加熱,溫度平衡至TH。
利用電替代方法測(cè)量光功率,必須要得到準(zhǔn)確的施加電功率值。由于通過(guò)高穩(wěn)定度的直流電壓源發(fā)送的電功率并不是全部提供給吸收腔的加熱電阻[17-18],還有部分被標(biāo)準(zhǔn)電阻、傳輸導(dǎo)線等負(fù)載所分擔(dān),所以在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,利用數(shù)字電壓表實(shí)時(shí)地對(duì)加熱電阻和標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓進(jìn)行測(cè)量,最終結(jié)果由式(3) 求得:
式中:Pheat為電代替功率,Vsr為標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端電壓;Rsr為標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值,Vhr為加熱電阻兩端電壓。
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,當(dāng)獲得1 組高電壓替代加熱的溫度和功率值,以及1 組低電壓替代加熱的功率和溫度值之后,可以利用線性插值法獲得當(dāng)前光功率值。最終的光功率由式(4) 求得:
式中:Pcorr為校正后的光功率,T為窗口透射率,Pe為電替代線性插值求得的光功率,A為腔體吸收率,S為由低溫輻射計(jì)內(nèi)部的四象限硅光電二極管測(cè)得的進(jìn)入低溫輻射的雜散光。
在以上校正因子中,只有腔體吸收率較為固定,而窗口透射率與入射光線的偏振度、布魯斯特窗的角度調(diào)節(jié)及其潔凈度等因素有關(guān)。因此有必要在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前測(cè)量; 雜散光可通過(guò)電壓表對(duì)四象限硅光電二極管測(cè)量獲得。
通過(guò)以上過(guò)程建立了低溫輻射計(jì)標(biāo)準(zhǔn),但直接利用低溫輻射計(jì)對(duì)待測(cè)探測(cè)器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)傳遞是難以實(shí)現(xiàn)的,主要有以下幾點(diǎn)原因:
(1) 由于低溫輻射計(jì)的自身工作特性,它所能測(cè)量的光源只能為激光光源。
(2) 安裝并測(cè)量低溫輻射計(jì)花費(fèi)的時(shí)間特別長(zhǎng),通常一個(gè)波長(zhǎng)要幾天時(shí)間。
(3) 測(cè)量波段也局限在可利用的激光,一般適用于高精度低溫輻射計(jì)( HACR) 高精度測(cè)量的光輻射能量約為0.8 mW,明顯高于正常光輻射應(yīng)用的值。
因此,需要將高精度低溫輻射計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)傳遞給其他便于應(yīng)用的探測(cè)器。
圖3 陷阱探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Configuration of trap detector
鑒于低溫輻射計(jì)在實(shí)際定標(biāo)應(yīng)用中的缺陷,找到一個(gè)適合的探測(cè)器來(lái)攜帶低溫輻射計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)傳遞就成為了關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)多年研究,陷阱探測(cè)器被公認(rèn)為目前最好的傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器。比起單片式的光電二極管,陷阱探測(cè)器具有低反射率,低溫度系數(shù),較好的空間和角度均勻性等優(yōu)點(diǎn)[19],其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
第1,2 個(gè)硅管的入射面相互垂直,入射角相等,第3 個(gè)硅管正入射,反射光束沿原路返回,3 個(gè)光電二極管在光路上并聯(lián)。這種設(shè)計(jì)有如下優(yōu)點(diǎn):
(1) 通過(guò)多次反射,總反射率大為降低;
(2) 第1,2 個(gè)硅管的入射面相互垂直,入射角相等,第3 個(gè)硅管正入射,保證了探測(cè)器對(duì)入射光的偏振態(tài)是非常敏感的;
(3) 多次吸收提高了光電轉(zhuǎn)換效率和靈敏度。
由于陷阱探測(cè)器工作波段有限,無(wú)法實(shí)現(xiàn)紫外波段的標(biāo)準(zhǔn)傳遞,因此需要采用熱電探測(cè)器作為另一個(gè)傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器,進(jìn)行紫外波段的標(biāo)準(zhǔn)傳遞。
熱電探測(cè)器的性能取決于其金黑材料的吸收比[20],根據(jù)能量守恒定律: 其吸收比αp( λ) 可表示為:
式中,ρ( λ) 為反射率。因此,其光譜響應(yīng)度Rp( λ) 可表示為:
式中:τw( λ) 為熱電探測(cè)器窗口透射率,CFp為定標(biāo)因子,由輸出信號(hào)和接收光強(qiáng)之比決定,這個(gè)因子可通過(guò)與陷阱探測(cè)器的對(duì)比定標(biāo)給出。而熱電探測(cè)器反射率可由Lambda-19 分光光度計(jì)測(cè)得[21]。窗口透射率可由NIST 透射率測(cè)量裝置測(cè)得。
本文以NIST 的紫外探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)傳遞過(guò)程為例,介紹紫外探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)的傳遞過(guò)程。
整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)傳遞過(guò)程如圖4 所示,以高精度低溫輻射計(jì)( HACR) 作為絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器,以陷阱探測(cè)器作為傳遞探測(cè)器。首先用HACR 對(duì)陷阱探測(cè)器進(jìn)行定標(biāo),并利用定標(biāo)后的陷阱探測(cè)器對(duì)待測(cè)光電管探測(cè)器在可見(jiàn)光波段上進(jìn)行標(biāo)定,再利用陷阱探測(cè)器對(duì)熱電探測(cè)器進(jìn)行標(biāo)定,然后用標(biāo)定好的熱電探測(cè)器對(duì)硅探測(cè)器在紫外波段上進(jìn)行擴(kuò)展定標(biāo),最終完成待測(cè)硅探測(cè)器紫外波段的定標(biāo)工作。
圖4 NIST 探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)傳遞過(guò)程Fig.4 Procedure of standard transmission for NIST detector
由低溫輻射計(jì)對(duì)陷阱探測(cè)器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)傳遞的裝置如圖5 所示,在406 ~920 nm 上選取9 個(gè)激光波長(zhǎng)進(jìn)行定標(biāo)。采用替代法,用HACR 給出陷阱探測(cè)器的量子效率,其不確定度為0.05%[18]。
圖5 HACR-陷阱探測(cè)器的標(biāo)準(zhǔn)傳遞過(guò)程及定標(biāo)后的陷阱探測(cè)器量子效率Fig.5 Standard transferring procedure from HACR to trap detector and the calibrated quantum efficiency of trap detector
利用定標(biāo)過(guò)的陷阱探測(cè)器作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器,對(duì)待測(cè)的硅探測(cè)器進(jìn)行可見(jiàn)光波段的定標(biāo)。之后就要把其定標(biāo)波段擴(kuò)展到紫外波段。這里應(yīng)用熱電探測(cè)器作為第二級(jí)的傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器。用陷阱探測(cè)器對(duì)熱電探測(cè)器進(jìn)行可見(jiàn)光波段標(biāo)定,給出其響應(yīng)度。由于熱電探測(cè)器響應(yīng)度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān),因此,可以在紫外波段(200 ~400 nm) 用標(biāo)定后的熱電探測(cè)器對(duì)待測(cè)的硅探測(cè)器進(jìn)行定標(biāo)。
圖6 NIST 紫外探測(cè)器定標(biāo)裝置Fig.6 Calibration instrument of NIST UV detector
由陷阱探測(cè)器及熱電探測(cè)器對(duì)待測(cè)硅探測(cè)器的定標(biāo)裝置如圖6 所示,它由氬弧光源、光柵雙單色儀、前置光線系統(tǒng)、后置光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器轉(zhuǎn)臺(tái)組成。將熱電探測(cè)器及待測(cè)硅探測(cè)器置于轉(zhuǎn)臺(tái)上,在計(jì)算機(jī)控制下交替移入光路,隨著光柵轉(zhuǎn)動(dòng),不同波長(zhǎng)單色光照射在探測(cè)器接收面上,分別用熱電探測(cè)器及待測(cè)硅探測(cè)器進(jìn)行信號(hào)采集。標(biāo)定時(shí)以5 nm為間隔,定標(biāo)波段為200 ~400 nm。
在熱電探測(cè)器響應(yīng)度已知的情況下,可對(duì)待測(cè)硅探測(cè)器進(jìn)行紫外波段的響應(yīng)度定標(biāo),同樣采用替代法,待測(cè)硅探測(cè)器的響應(yīng)度Rx可表示為:
式中:Rp( λ) 為熱電探測(cè)器的響應(yīng)度;Bx( λ) 為待測(cè)硅探測(cè)器與監(jiān)視探測(cè)器信號(hào)的比值;Bp( λ) 為熱電探測(cè)器與監(jiān)視探測(cè)器信號(hào)的比值。
通過(guò)以上方法完成了對(duì)待測(cè)硅探測(cè)器紫外波段的定標(biāo)。該探測(cè)器結(jié)構(gòu)緊湊,性能穩(wěn)定,便于在實(shí)際定標(biāo)工作中的應(yīng)用。在所選取的紫外波段220 ~400 nm,其不確定度為0.38% ~1.2%。利用這種攜帶紫外探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)的硅探測(cè)器可實(shí)現(xiàn)在輻射定標(biāo)具體研究工作中的應(yīng)用。
本文深入探討了紫外探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)的建立及發(fā)達(dá)國(guó)家建立探測(cè)器基準(zhǔn)的發(fā)展現(xiàn)狀,并詳細(xì)介紹了其標(biāo)準(zhǔn)傳遞過(guò)程,以便加深對(duì)紫外探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識(shí),促進(jìn)紫外探測(cè)器定標(biāo)方法的使用和完善,研究結(jié)果對(duì)探測(cè)器定標(biāo)方法的研究和紫外輻射定標(biāo)精度的提高有著重要意義。
[1] HEATH D F,KRUEGER A J,ROEDER H A,et al.. The solar backscatter ultraviolet and total ozone mapping spectrometer( SBUV/TOMS) for NIMBUSG[J].Opt. Eng.,1975,14(4) :323-331.
[2] 劉建卓,王學(xué)進(jìn),黃劍波.三波段電暈檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].光學(xué) 精密工程,2011,19(6) :1228-1234.LIU J ZH,WANG X J,HUANG J B. Design of three-band optical system used in corona detection[J].Opt. Precision Eng.,2011,19(6) :1228-1234.( in Chinese)
[3] 黎海文,郝鵬,吳一輝.微硅狹縫紫外-可見(jiàn)光譜儀雜散光的產(chǎn)生與抑制[J].光學(xué) 精密工程,2011,19(4) :737-742.LI H W,HAO P,WU Y H. Generation and suppression of stray light in UV-vis spectrometer based on micro-silicon-slit[J].Opt. Precision Eng.,2011,19(4) :737-742.( in Chinese)
[4] QUINN T J. Primary methods of measurement and primary standards[J].Metrologia,1997,34(1) :61-65.
[5] LOSEV V,ALEKSEEV S,IVANOV N,et al.. Development of hybrid( solid/gas state) ultra-high power femtosecond laser system on the basis of XeF( C-A) amplifier[J].Opt. Precision Eng.,2011,19(2) :252-259.
[6] TARASENKO V F,BAKSHTE K H,BURACHENKO A G,et al.. Formation of superpower volume discharges and their applications[J].Opt. Precision Eng.,2011,19(2) :273-283.
[7] GENTILE T R,HOUSTON J M,HARDIS J E,et al.. National institute of standards and technology high-accuracy cryogenic radiometer[J].Appl. Opt.,1996,35(7) :1056-1068.
[8] 張永生 鄭國(guó)鑫.500 fs 紫外激光系統(tǒng)及其在閃爍體熒光特性測(cè)試中的應(yīng)用[J].光學(xué) 精密工程,2011,19(2) :475-481.ZHANG Y SH,ZHENG G X. 500 fs UV laser system and its application to fluorescence test of thin film scintillators[J].Opt. Precision Eng.,2011,19(2) :475-481.( in Chinese)
[9] 趙陽(yáng),鞏巖.深紫外光刻照明系統(tǒng)光束整形單元的設(shè)計(jì)[J].光學(xué) 精密工程,2011,19(1) :29-34.ZHAO Y,GONG Y. Design of beam shaping unit for deep ultraviolet lithographic illumination system[J].Opt. Precision Eng.,2011,19(1) :29-34.( in Chinese)
[10] STOCK K D,HOFER H. Present state of the PTB primary standard for radiant power based on cryogenic radiometry[J].Metrologia,1993,30(4) :291-296.
[11] 呂亮.低溫輻射計(jì)計(jì)量特性、測(cè)量裝置及量值傳遞方法的研究[D].北京:中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院,2005.Lü L. Study on cryogenic radiometer measurement characteristics,measuring devices and delivery method[D]. Beijing:National Institute of Metrology,2005.( in Chinese)
[12] 吳禮剛,何文榮,胡晉蓀,等.日盲紫外-可見(jiàn)光雙光譜照相機(jī)系統(tǒng)[J].光學(xué) 精密工程,2010,18(7) :1529-1535.WU L G,HE W R,HU J S,et al.. Solar blind UV and visible dual-spectral camera[J].Opt. Precision Eng.,2010,18(7) :1529-1535.( in Chinese)
[13] 王淑榮,李福田,宋克非,等.地外太陽(yáng)紫外光譜測(cè)量[J].光學(xué) 精密工程,2010,18(6) :1271-1277.WANG SH R,LI F T,SONG K F,et al.. Measurement of extraterrestrial solar ultraviolet spectrum[J].Opt. Precision Eng.,2010,18(6) :1271-1277 ( in Chinese)
[14] MARTIN J E,F(xiàn)OX N P,KEY P J. A cryogenic radiometer for absolute radiometric measurements[J].Metrologia,1985,21(3) :147-155.
[15] 王玉恒,趙學(xué)慶,譚曉莉,等.脈沖紫外激光和X 射線輻照Al 靶沖量耦合的異同性[J].光學(xué) 精密工程,2011,19(2) :463-469.WANG Y H,ZHAO X Q,TAN X L. Similarity and distinction between impulse coupling with aluminum by pulsed ultraviolet laser and by X-ray[J].Opt. Precision Eng.,2011,19(2) :463-469.( in Chinese)
[16] 何飛,陳波,張效信.月基觀測(cè)地球等離子體層極紫外輻射特性[J].光學(xué) 精密工程,2010,18(12) :2564-2573.HE F,CHEN B,ZHANG X X. Moon-based imaging of earth plasmaspheric extreme ultraviolet radiation[J].Opt. Precision Eng.,2010,18(12) :2564-2573.( in Chinese)
[17] KOHLER R,GOEBEL R,PELLP R. Experimental procedures for the comparison of cryogenic radiometer at highest accuracy[J].Metrologia,1996,33(6) :549-554.
[18] DATLA R U,STOCK K. Characterization of an absolute cryogenic radiometer as a standard detector for radiant-power measurements[J].Appl. Opt.,1992,1(34) :7219-7225.
[19] GOEBEL R,YILMAZ S,PELLO R. Polarization dependence of trap detector[J].Metrologia,1996,33(3) :455-460.
[20] ZALEWSKI E F.The NBS Photodetector Spectral Response Calibration Transfer Program[M]. Gaithersburg,Maryland:US Dept. of Commerce,National Bureau of Standards,National Measurement Laboratory,Center for Radiation Research,1988.
[21] SCHWINGER J. Electron radiation in high energy accelerators[J].Phys. Rev.,1946,70:798-798.