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
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
刘长明 1,1,2,2史学舜 1,1,2,2,*张鹏举 1,1,2,2庄新港 1,1,2,2刘红博 1,1,2,2
1 中国电子科技集团公司第四十一研究所, 山东 青岛 266555
2 国防科技工业光电子一级计量站, 山东 青岛 266555
针对硅单光子雪崩探测器探测效率高准确度测量的需要，建立了一套溯源至标准探测器的硅单光子探测器探测效率测量装置.首先通过大动态范围高精度衰减产生光子数已知的准单光子源来校准探测器的探测效率，其次对影响探测效率测量的后脉冲概率和死时间进行了分析与测量，最后系统分析了各测量不确定度的来源，实现了硅单光子雪崩探测器在632.8nm波长处探测效率测量不确定度达到0.6%（k=2）.该装置采用超连续谱光源与单色仪组合输出单色光源，结合标准探测器，可根据需要实现硅单光子雪崩探测器宽波段内的探测效率自动化测量.
硅单光子雪崩探测器 探测效率 后脉冲 死时间 标准探测器 Silicon single-photon avalanche detector Detection efficiency Afterpulsing Dead time Standard detector 光子学报
2019, 48(12): 1248006
1 中国电子科技集团公司第四十一研究所, 山东 青岛 266555
2 国防科技工业光电子一级计量站, 山东 青岛 266555
低温辐射计是目前国际上光辐射功率计量中准确度最高的测量系统, 其光辐射测量不确定度可达10-5量级, 目前国内仅有少数研究机构从国外引进低温辐射计开展计量研究, 亟待发展国产低温辐射计替代进口产品。 由于低温辐射计采用低温超导状态下的电替代测量原理进行光辐射功率测量, 发展低温辐射计的难点之一在于研制黑体吸收腔这一核心光辐射接收器件, 并要求黑体腔在各波长下的吸收率都要达到0.999 9以上。 为研制超高光谱吸收率的黑体吸收腔, 系统性分析了各影响黑体腔光谱吸收率因素, 在此基础上利用蒙特卡罗光线追迹方法重点研究了光谱波长、 腔体长度、 黑材料漫反射系数、 黑材料吸收率和入射光空间位置等对斜底黑体腔光谱吸收率的影响。 研究结果表明： 在300～1 100 nm波长范围内黑体腔吸收率与其内壁涂黑材料的吸收率呈正相关, 且在300～1 000 nm范围内的吸收率都达到了0.999 9以上, 其中在700 nm处的吸收率取得最大值0.999 941 5, 表明采用该类型黑材料的黑体腔只在300～1 000 nm范围内满足低温辐射计设计要求, 后续需要根据仿真和测试结果对低温辐射计在不同波长下的光电不等效性进行修正; 在黑体腔结构和口径确定的情况下, 黑体腔吸收率将随腔长增加而逐渐升高, 在40 mm后变化趋缓, 并在65 mm后逐渐趋于平衡, 考虑到低温辐射计低温舱对腔体尺寸的限制, 认为腔体长度与口径之比为6.5时较为合适; 黑体腔吸收率还受黑材料的漫反射系数影响, 随着黑材料漫反射系数的提高, 腔体吸收率呈现近似线性下降, 所以在选择黑体腔涂黑材料时, 在吸收率等指标相同的情况下应尽量选择镜面吸收黑; 黑材料吸收率从0.8到1的变化过程中, 腔体吸收率提升了0.05个百分点, 且黑材料吸收率为0.92时腔体吸收率可达到0.999 9以上, 表明黑材料在其有效工作波长范围内任一点的光谱吸收率都要大于0.92; 腔体吸收率还受入射光投射的空间位置影响, 光线位置越靠近斜底腔顶点处, 腔体吸收率越高, 但整体吸收率变化不明显, 光线位置对腔体吸收率影响只有不到0.004个百分点, 几乎可以忽略, 认为斜底腔不同位置处的吸收率是均匀的。 研究结果对低温辐射计黑体腔研制有一定参考价值。
低温辐射计 黑体腔 吸收率 光线追迹方法 Cryogenic radiometer Blackbody cavity Absorptance Ray tracing method 光谱学与光谱分析
2019, 39(7): 2018
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 合肥 230031
2 上海航天控制技术研究所, 上海 201109
3 中国电子科技集团公司第四十一研究所 国防科技工业光电子一级计量站, 山东 青岛 266555
4 中国科学技术大学, 合肥 230031
为在相关光子定标技术工程化过程中选择合适的泵浦机制及相位匹配模式, 开展了基于连续和脉冲激光的相关光子比对实验.采用355 nm连续激光泵浦偏硼酸钡晶体产生相关光子对, 对晶体吸收、透射损耗以及光学元件透过率进行测量和修正, 同时使用基于时间幅度转换的符合测量方法,得到单光子探测器量子效率为59.15%.利用518 nm脉冲激光泵浦周期极化磷酸钛氧钾晶体, 采用准相位匹配技术获取相同波段的相关光子, 基于时间幅度转换的符合测量方法得到单光子探测器量子效率为59%.比对实验结果, 两套定标装置方法的测量结果之差在0.25%以内, 主要误差来源于单光子探测器的响应非线性、光路透过率修正误差和单光子探测量子效率面非均匀性.实验结果验证了相关光子定标技术可随时随地复现的优点, 以及相关光子定标结果不受泵浦机制差异和实验装置差异的影响, 可为相关光子技术工程化中的激光器工作模式和相位匹配方式的选择提供参考依据.
辐射定标 自发参量下转换 相关光子 单光子探测器 量子效率 Radiometric calibration Spontaneous parametric down conversion Correlated photon Single photon detector Quantum efficiency
1 中国电子科技集团公司第四十一研究所 国防科技工业光电子一级计量站, 山东 青岛 266555
2 山东大学 光学高等研究中心, 山东 济南 250100
3 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室, 上海 200083
介绍了一种工作于1355~1555 nm的新型多通道短波红外光谱组件, 并以理论和实验相结合的方式定量研究了入射角度对光谱组件各通道中心波长的影响.实验结果表明, 在0~10°斜入射条件下光谱组件各通道中心波长呈现不同程度的短波方向偏移现象, 偏移程度与入射角度呈正相关.分别绘制出理论和实验中心波长偏移曲线, 实验发现在入射角为5°和10°时中心波长平均偏移幅度约为5.7 nm和18.67 nm.此外, 参照实验得出的角度偏移曲线对两次不同入射角度条件下的光谱进行插值整合, 成功地将光谱组件分辨率从7.5 nm提高到3 nm; 在此实验基础上提出了通过改变入射角度发展一种多通道角度调谐光谱组件, 进而利用此方法提高光谱组件的测试分辨率.该结论对后续设计光谱组件入射光学系统和提高光谱组件测试分辨率具有一定指导意义.
光谱组件 入射角度 短波红外 多通道分光器 角度调谐 spectrum assembly incidence angle short wave infrared multichannel optical splitter angle tunable
1 中国电子科技集团公司第四十一研究所, 山东 青岛 266555
2 电子测试技术重点实验室, 山东 青岛 266555
为满足长波红外探测器绝对光谱响应度参数的高准确度测量要求, 提高长波红外激光的功率稳定性, 优化激光光束质量, 研制了一套长波红外激光源。针对CdTe晶体的电光效应设计了一套提高长波红外激光功率稳定性的实验系统。利用激光光束传输原理设计了长波红外波段空间滤波器, 并分析了其各项参数的计算方法。实验结果表明: 长波红外激光的光功率不稳定度提升至0.1%以上, 长波红外激光的光束质量也得到显著提升, 满足了长波红外探测器绝对光谱响应度高准确度测量对光源的性能要求。
长波红外 绝对光谱响应度 功率稳定性 光束质量 低温辐射计 long-wave infrared absolute spectral responsivity power stability beam quality cryogenic radiometer 红外与激光工程
2017, 46(12): 1205002
1 中国电子科技集团公司第四十一研究所, 山东 青岛 266555
2 电子测试技术重点实验室, 山东 青岛 266555
为准确测量近红外波段单光子探测器量子效率, 搭建了基于自发参量下转换效应的测量系统.系统利用中心波长为518 nm的脉冲激光泵浦周期极化磷酸氧钛钾晶体, 通过自发参量下转换过程产生相关光子对, 分别测量了Si和InGaAs雪崩光电二极管单光子探测器在778 nm和1 550 nm波长点的量子效率, 并对测量不确定度进行了分析.实验表明, 该装置可以测量近红外单光子探测器量子效率参量, 测量不确定度均优于1%.
量子光学 量子效率测量 自发参量下转换 相关光子 单光子探测器 Quantum optics Quantum efficiency measurement Spontaneous parametric down-conversion Correlated photons Single-photon detector
1 华东师范大学,精密光谱科学与技术国家重点实验室,上海 200062
2 中国电子科技集团公司第四十一研究所,山东 青岛 266555
探测器的光子数分辨能力是精确描述多光子态的突破口,近年来受到广泛的关注。光子数可分辨探测器有望被进一步应用于量子光学基础研究、量子成像、量子计算、量子通讯以及远距离激光测距等领域。基于空间复用原理的多像素光子计数器具有常温下稳定高效的光子数可分辨探测能力,加上尺寸和成本上的优势使得它成为光子数可分辨探测应用的首选。针对多像素光子计数器,我们通过建模给出了能描述探测器量子特性的标准矫正方法,系统地考虑了探测器量子效率、噪声、各像素点感光面的光子入射效率对量子特性的影响,给出了不同光子数态的正定算子估值测量和魏格纳函数。
光子数可分辨探测 多光子态 多像素光子计数器 探测器标定 photon number resolving detection multi-photon state multi-pixel photon counter detector calibration
