低溫輻射計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案設(shè)計

龐偉偉，鄭小兵，李健軍，吳浩宇，史學(xué)舜

（1.中國科學(xué)院 通用光學(xué)定標與表征技術(shù)重點實驗室，安徽 合肥230031；2.中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東 青島266555）

引言

當(dāng)前使用的輻射初級標準源主要有3種，分別是黑體、同步輻射光源及低溫輻射計。黑體是最早使用、也是最為廣泛使用的輻射初級標準，由初級黑體輻射源經(jīng)過傳遞鏈路傳遞至各級傳遞標準。在這個標準傳遞的過程中，初級標準的不確定度為0.6%～4%，經(jīng)過各級標準后傳遞至測量儀器時的不確定度約為5%～10%，已經(jīng)不能滿足定量化遙感的需求［1］。同步輻射源可以最為真實地模擬出自然界中的輻射情況，最近幾年也越來越受到國際計量機構(gòu)和標準化組織的的青睞，開始作為輻射基準源［2］。

低溫絕對輻射計是高精度光學(xué)計量在二十世紀末的重要進展。其采用的低溫超導(dǎo)下的電替代測量技術(shù)顯著地提高了光輻射測量的能力［3］，相比較傳統(tǒng)輻射基準黑體而言，其對光輻射功率的測量不確定度已經(jīng)達到0.05%～0.02%，已經(jīng)成為國際計量機構(gòu)建立光度學(xué)及熱力學(xué)的基準［4－5］。許多國家的標準化研究所，例如美國的國家標準和 技 術(shù) 研 究 所 NIST［6－7］、英 國 國 家 物 理 研 究 所NPL［8］、德國聯(lián)邦物理研究院 PTB［9］等正致力于低溫輻射計的高精度輻射標準研究。低溫輻射計結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運行條件苛刻、維護困難，大多數(shù)實驗室中把低溫輻射計用作實驗室中的初級標準。目前，通過低溫輻射計對傳遞探測器進行絕對光譜定標，已經(jīng)形成溯源于低溫輻射計的高精度傳遞鏈路［10－11］，把低溫輻射計的高精度傳遞標準鏈路逐步傳遞至用戶產(chǎn)品級。

在3種初級標準各自的傳遞鏈路中，低溫輻射計的傳遞標準精度最高，測量不確定度最低，最能適應(yīng)定量化遙感的高精度要求，但是與黑體輻射源相比，低溫輻射計操作繁雜、運行條件苛刻。在使用低溫輻射計進行傳遞探測器的絕對定標過程中，尚存在可以改進的方面。文中首先闡述低溫輻射計進行標準傳遞探測器絕對響應(yīng)率定標的過程，分析定標過程中存在的問題。在此基礎(chǔ)上提出低溫輻射計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案設(shè)計，并對比分析2種低溫輻射計結(jié)構(gòu)在標準傳遞過程中的不確定度。

1 傳統(tǒng)低溫輻射計傳統(tǒng)定標方法

以激光作為光源，使用低溫輻射計對標準傳遞探測器進行絕對響應(yīng)率定標，可實現(xiàn)由輻射初級標準到傳遞標準的標準傳遞，該定標方法成熟使用于各國機構(gòu)的輻射基準實驗室中［12－13］。低溫輻射計工作時，對工作環(huán)境的要求極為苛刻，為獲得電替代加熱與光加熱的高度等效性、倉體內(nèi)部的各接觸部件之間的零電阻狀態(tài)，低溫輻射計需要在絕對低溫超導(dǎo)狀態(tài)下工作，通常是使用4.2K的液氦直接制冷，或者是使用機械制冷至20K左右。為維持低溫狀態(tài)，需使用分子泵真空機組把低溫輻射計內(nèi)部抽至10－7Torr的高真空環(huán)境。

圖1 低溫輻射計測量激光原理Fig.1 Laser power measurement based on cryogenic radiometer

圖2 傳統(tǒng)標準傳遞絕對定標Fig.2 Absolute calibration of transfer detector

圖1所示即為低溫輻射計的工作原理，低溫輻射計的布儒斯特窗口用于隔絕大氣環(huán)境與低溫輻射計內(nèi)部倉體。根據(jù)低溫輻射計的測量原理，其狀態(tài)方程可以用如下方程表示：

式中：PL是待測量的入射激光功率；T是輻射計窗口透過率；a是接收腔的吸收率，值由NIST定標報告給出；N是光加熱和電加熱等效性因子；Ph是電加熱功率，低溫輻射計的直接輸出值；PS是窗口表面反射和內(nèi)部散射的損耗功率。

傳統(tǒng)使用激光作為光源來定標標準傳遞探測器時，使用的是如圖2所示的定標方法。首先，定標之前需要對低溫輻射計前面的定標光路進行優(yōu)化，減小光路帶來的不確定度，獲取光斑大小基本恒定功率數(shù)小時內(nèi)穩(wěn)定的定標光源。然后，在低溫輻射計的前面安置待定標的標準探測器，標準傳遞探測器通常以3～4個為一組，安置在垂直于定標光路的平移導(dǎo)軌上。定標時首先使得入射光進入低溫輻射計，低溫輻射計可以測得進入其接收腔內(nèi)部的激光功率Ph，然后移動傳遞探測器切入定標光路，使得定標光路入射進入傳遞探測器中，探測器接受入射功率為PL的激光輻射輸出電壓值V0。

在低溫輻射計對傳遞探測器進行絕對響應(yīng)率定標時，探測器接收到的是入射激光功率PL。低溫輻射計直接讀數(shù)是Ph，為計算出入射激光功率PL，需要測量布儒斯特窗口透過率T、窗口損耗功率PS及非線性N，然后將各項的數(shù)值帶入（1）式中計算出入射到探測器中的激光功率，換句話說，低溫輻射計定標時測量的輻射通量與探測器接受到的輻射通量并不相同，低溫輻射計需要根據(jù)狀態(tài)方程計算進入傳遞探測器中的輻射通量。

2 傳統(tǒng)定標過程中布儒斯特窗口復(fù)現(xiàn)帶來的問題

通過上述的標準傳遞過程可以看出，低溫輻射計測得的激光功率與探測器直接探測的激光功率并不相同。低溫輻射計測量的是透過布儒斯特窗口進入低溫輻射計內(nèi)部接收腔的激光功率，而探測器接收到的是進入布儒斯特窗口之前的激光功率，雖然在理論上布儒斯特窗口對p方向的偏振光具有100%的透過率，但是在實際光路調(diào)節(jié)時很難實現(xiàn)。布儒斯特窗口狀態(tài)復(fù)現(xiàn)在標準傳遞探測器絕對響應(yīng)率定標過程中存在以下幾個方面的問題。

1）窗口透過率測量的人為影響

在對低溫輻射計的光路進行調(diào)整時，光路調(diào)整到布儒斯特窗口時，會在窗口的下面放置一個白色的靶標，通過人眼觀察窗口反射到白色靶標上的光的亮度來判斷定標光源是否完全穿過布儒斯特窗口，進入低溫輻射計的接收腔。在實際操作時，定標激光光源不可能完全透過去，必然會有部分能量被窗口反射出去而不被人眼感知。同時，在透過布儒斯特窗口時，會有部分被窗體吸收或者是散射出去。

為此，標準傳遞工作人員為降低布儒斯特窗口在標準傳遞過程中引入的誤差，在使用低溫輻射計對入射激光進行絕對測量之后，需要把布儒斯特窗口拆卸下來，然后復(fù)現(xiàn)布儒斯特窗口在標準傳遞時的工作狀態(tài)，測量其透過率及能量損耗。在窗口復(fù)現(xiàn)過程中，也在窗口的下面放置一個白色的靶標，通過人眼觀察窗口反射到白色靶標上的光的亮度來判斷定標光源是否完全穿過布儒斯特窗口。人眼對光束的感知能力會隨著周圍環(huán)境的變化而變化，這個感知變化在高精度輻射定標時帶來的影響是不可忽略的。其結(jié)果就是對相同波段光束的透過率測量的不確定度不同，如表1［12］和表2［11］所示。

表1 低溫輻射計光功率測量不確定度／10－4Table 1 Uncertainty for measuring laser power of cryogenic radiometer／10－4

表2 低溫輻射計光功率測量不確定度 10－4Table 2 Uncertainty for measuring laser power of cryogenic radiometer

上述2張表分別摘錄于參考文獻［10］和文獻［11］中，2個文獻中使用的是相同的低溫輻射計和相同的布儒斯特窗口。2張表格對比可以看出，窗口透過率的測量不確定度在相同波長下差距依然較大，特別是在633nm的可見波段，兩次測量不確定度約有10倍的差距，而且文獻［10］中對窗口的測量不確定度普遍較大?？梢钥闯鲇捎谌搜郾旧淼南拗?，在對窗口透過率測量中引入的不確定度很難穩(wěn)定。

2）定標光路的拆卸引入的不確定度

低溫輻射計運行條件苛刻，每次低溫輻射計實驗，定標人員都想在盡可能多的波段上進行標準傳遞［14］。使用的激光光源一般分為兩種：一種是使用多個單波長激光器，另外一種就是使用調(diào)諧激光器，無論使用哪種激光光源，最終搭建的定標光源必須穩(wěn)定。因此，會在定標光路中插入激光功率控制器LPC，空間濾波器等元件，這些部件的插入有助于定標光源的穩(wěn)定，但是這些部件都是有波長選擇性。

在可見波段對傳遞標準探測器定標結(jié)束后，如果需要定標紅外波段，就必須拆除原先的定標光路，重新搭建紅外波段的定標光路，光路的拆卸對窗口透過率的測量十分不利。低溫輻射計的定標光路元器件較多，任一部件的位置、角度的改變對于整條光路的質(zhì)量都是有較大影響的。根據(jù)調(diào)光路的經(jīng)驗，可以確定不可能調(diào)節(jié)出兩條一模一樣的光路，因此定標結(jié)束后復(fù)現(xiàn)出定標光路，然后復(fù)現(xiàn)窗口狀態(tài)，再對窗口透過率測量，該過程引入的不確定度較大。

3）寬譜段定標的影響

布儒斯特窗口使低溫輻射計實際上具有偏振選擇性，即嚴格要求入射光束必須是p方向上的線偏振光，否則將破壞全透射的前提，這是窗口帶來的一個實驗技術(shù)問題。在利用寬調(diào)諧激光器實現(xiàn)寬波段的定標時，激光波長的調(diào)諧往往伴隨著出射光偏振狀態(tài)的變化，意味著定標過程中需要重復(fù)地進行不同波長的光束偏振狀態(tài)精密測試和調(diào)整，才能確認滿足入射偏振要求。

在文獻［13］中作者對Si陷阱傳感器進行24個波段的絕對響應(yīng)率定標。理論上每個窗口的狀態(tài)都要記錄，在絕對定標結(jié)束之后，首先要恢復(fù)各個波段的光路，然后恢復(fù)每個窗口的狀態(tài)，測量其透過率和相應(yīng)的不確定度。但作者只恢復(fù)測量488nm的窗口透過率，然后使用插值的方法計算剩余波長點的透過率，暫且撇開插值計算的誤差不說。單從使用插值的這種方法上就可以看出，在寬譜段定標時每個窗口狀態(tài)透過率測量基本不可能實現(xiàn)。即便在理論上精確記錄每個窗口的狀態(tài)，然后復(fù)現(xiàn)時測量每個窗口狀態(tài)的透過率，但是定標光源已經(jīng)變化，定標狀態(tài)已經(jīng)改變?？梢妼τ趯挷ǘ蔚臏y量來說，這些調(diào)整在帶來巨大工作量的同時，可能還會引入其他的誤差。

4）非可見波段復(fù)現(xiàn)困難

低溫輻射計原則上可以在200nm～50μm的寬譜段上測量入射光束的絕對功率值。目前，溯源于低溫輻射計的可見波段傳遞標準探測器較為成熟。在紫外及紅外波段，由于擁有極好的應(yīng)用空間，必然需要溯源至低溫輻射計的高精度傳遞標準。

在紫外及紅外波段上，由于并不是人眼直接響應(yīng)波段，如果使用傳統(tǒng)的光路調(diào)節(jié)手段，對定標后的狀態(tài)恢復(fù)測量基本不可靠。雖然已經(jīng)使用光纖耦合的辦法來實現(xiàn)可見調(diào)節(jié)紅外的手段［15－16］，但是這種手段對布儒斯特窗口的調(diào)節(jié)是無效的。更不用說把紅外光路拆卸后，再復(fù)現(xiàn)光路與窗口狀態(tài)來測量窗口透過率的準確性。

通過以上的分析可以看出，低溫輻射計的布儒斯特窗口在狀態(tài)復(fù)現(xiàn)的過程中確實存在較大的不確定性，影響定標的精度，不利于高精度輻射標準的傳遞。

3 低溫輻射計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案設(shè)計

為消除布儒斯特窗口在標準傳遞過程中引入的不確定度及繁瑣而復(fù)雜的狀態(tài)復(fù)現(xiàn)過程。針對定標過程中所面臨的窗口不確定度難題，提出如圖3所示的新型測量光路設(shè)計方案，其中采用了真空倉內(nèi)定標傳遞探測器的這一重要改進。傳遞探測器將安裝在真空定標倉內(nèi)，可以與低溫輻射計一起沿弧形軌道滑行，使得入射激光交替進入低溫輻射計和待定標的傳遞探測器，實現(xiàn)傳遞探測器相對于低溫輻射計的絕對定標。兩者的切換動作將由精密電機完成，將保證足夠的復(fù)位精度。

圖3 低溫輻射計的新型結(jié)構(gòu)方案Fig.3 Novel structure of cryogenic radiometer

圖3所示的新型光路在原理上可以完全解決以往測試光路存在的窗口透過率難題。由于傳遞探測器和低溫輻射計接收到的是相同的激光束通量，窗口透過率隨入射光波長、光偏振狀態(tài)和測試環(huán)境所發(fā)生的任何變化對二者影響完全相同。定標過程中窗口無須拆除，窗口角度原則上無需精確控制，一次調(diào)試完成后即可便捷地完成寬波段的定標工作，在保證測試光路重復(fù)性的同時，大大減少了光路調(diào)整的工作量。

在優(yōu)化后的低溫輻射計結(jié)構(gòu)中，低溫輻射計和傳遞探測器可沿著弧形軌道移動到相同位置，入射布儒斯特窗口成為光源的一部分。采用這種方法對窗口透過率的測量是不需要的，而且由于在傳遞標準探測器的前端安裝有直徑6mm的光闌（此光闌筒與低溫輻射計內(nèi)接收腔的入口直徑相同），雜散光的影響也可以消除。最終入射進低溫輻射計和標準探測器內(nèi)的激光功率相同，其數(shù)值可以用P′L來表示：

此時，只需要測量低溫輻射計的非線性N，A值由NIST定標報告給出，為低溫輻射計的輸出值。原則上真正實現(xiàn)了同一光束光分時進入輻射基準和傳遞標準探測器，減小了標準傳遞時的不確定度。

4 兩種結(jié)構(gòu)的測量不確定度分析

傳統(tǒng)低溫輻射計測量激光功率時，依據(jù)其狀態(tài)方程，測量不確定度的來源主要有4項，分別為：1）布儒斯特窗口等效透過率測量不確定度uT；2）接收腔電加熱和光加熱等效因子測量不確定度uN；3）低溫輻射計接收腔腔體吸收率測量不確定度ua；4）電加熱功率測量不確定度uPh。依據(jù)不確定度傳遞定律［17］，對低溫輻射計測量激光絕對功率的不確定度進行聯(lián)合分析。

測量聯(lián)合不確定度的平方：

相對聯(lián)合不確定度：

在改進的低溫輻射計優(yōu)化結(jié)構(gòu)中，低溫輻射計測量激光絕對功率時，激光功率P′L的不確定度來源主要有3項，分別是：1）等效電加熱不確定度uN，2）腔體吸收不確定度ua；3）電加熱功率測量不確定度uPh。按照相同的計算方法，低溫輻射計測量激光絕對功率的聯(lián)合不確定度可以進行如下計算。

聯(lián)合不確定度的平方：

相對不確定度：

低溫輻射計對激光絕對功率的測量不確定度是由相對不確定度來表示。對比分析傳統(tǒng)激光功率測量的不確定度計算方程（4）和結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后的不確定度計算方程（6），可以看出，在對激光的聯(lián)合不確定度合成中，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的低溫輻射計不確定度合成項中少了一項不確定度u2rT，該項不確定度正是由于布儒斯特窗口狀態(tài)復(fù)現(xiàn)引入的。引用參考文獻［10］中的低溫輻射計光功率測量不確定度進行對比驗算，計算結(jié)果如表3所示。

表3 低溫輻射計光功率測量不確定對比計算 10－4Table 3 Uncertainty for measuring laser power of cryogenic radiometer

從表3中可以看出，優(yōu)化結(jié)構(gòu)之后的低溫輻射計將在激光功率測量時的不確定度較傳統(tǒng)測量方法的不確定度有明顯的改善。傳統(tǒng)低溫輻射計測量激光功率時因為布儒斯特窗口的復(fù)現(xiàn)引入的不確定度占總不確定度的84%～98%，為激光絕對功率測量不確定度的主要部分，該項不利于高精度標準傳遞。優(yōu)化結(jié)構(gòu)之后的低溫輻射計避免了對窗口透過率的測量，消除該主要不確定度因子，降低標準傳遞的不確定度，提高探測器響應(yīng)率計算精度。量的是定標光源透過布儒斯特窗口后的輻射值，傳遞探測器測量的也是定標光源透過布儒斯特窗口后的輻射值，布儒斯特窗口的狀態(tài)對二者是相同的，無需定標結(jié)束后重新復(fù)現(xiàn)窗口定標時的狀態(tài)，測量窗口透過率等繁瑣復(fù)雜的過程。這種改進方法不僅在實際定標時大大減少工作量，在理論分析上更是可以消除激光功率測量不確定度的主要合成項，提高絕對定標的精度，特別是在紅外波段的絕對定標會發(fā)揮積極的作用，可以進一步降低輻射定標溯源基準的不確定度，我們將會在中國國內(nèi)首次實施對該套系統(tǒng)的升級改造。

5 結(jié)論

低溫輻射計初級輻射標準源定標精度高，傳遞的不確定度低，當(dāng)前以低溫輻射計為源頭形成的輻射標準傳遞系統(tǒng)存在可以改進的地方，文中大膽提出低溫輻射計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。在低溫輻射計優(yōu)化結(jié)構(gòu)中，布儒斯特窗口成為光源的一部分，低溫輻射計和傳遞探測器安置在可控的同心弧形軌道上，分時切入定標光路。低溫輻射計測

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