紫外探測(cè)器的輻射定標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)傳遞

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)

1 引 言

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］。

2 紫外探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)建立

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。

3 紫外探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞

3.1 傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器—陷阱探測(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。

3.2 傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器—熱電探測(cè)器

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。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)傳遞過(guò)程

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。

4 結(jié) 論

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.