基于可調(diào)諧OPO激光器的光度探頭定標(biāo)技術(shù)

趙偉強(qiáng)，劉 慧，閆勁云，蘇 穎

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院 光學(xué)與激光計(jì)量科學(xué)研究所，北京 100029)

引言

探測(cè)器光譜靈敏度的準(zhǔn)確測(cè)量屬于光輻射測(cè)量的基礎(chǔ)性工作，是提高光輻射測(cè)量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素[1,2]。光度探測(cè)器匹配為與標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者的光譜光視效率函數(shù)V(λ)接近的光譜響應(yīng)度，在可見光譜的藍(lán)端和紅端響應(yīng)度較低。在實(shí)際使用過(guò)程中，尤其是在非A光源的條件下，需要依據(jù)探測(cè)器的光譜響應(yīng)度計(jì)算光譜失配修正因數(shù)。目前可見波段的探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)度測(cè)量中一般使用寬光譜光源如鹵素?zé)艚?jīng)雙單色儀分光得到單色光，作為參考光源。該方法的明顯缺點(diǎn)是短波長(zhǎng)區(qū)的輻射功率小，測(cè)量時(shí)探測(cè)器的信噪比低，測(cè)量誤差大。

本文基于光學(xué)參量振蕩器(optical parametric oscillator，OPO)可調(diào)諧激光器作為單色參考光源，使用電流積分法和電壓積分法，進(jìn)行光度探頭的光譜響應(yīng)度的標(biāo)定。由于OPO可調(diào)諧激光具有自動(dòng)化，波長(zhǎng)可調(diào)整范圍大能覆蓋近紫外至近紅外區(qū)域，波長(zhǎng)準(zhǔn)確度高、功率高等特點(diǎn)，同傳統(tǒng)的單色儀分光法相比藍(lán)端功率可以提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，藍(lán)端的信噪比得到顯著改善。

一些國(guó)家的計(jì)量院如美國(guó)NIST、英國(guó)NPL和韓國(guó)KRISS均開展了將OPO激光應(yīng)用于探測(cè)器光譜響應(yīng)度標(biāo)定的研究工作[3-5]。OPO可調(diào)諧脈沖激光在探測(cè)器上產(chǎn)生的光電流是納秒數(shù)量級(jí)的脈沖電流，用示波器做高精度捕捉存在困難。NIST采用靜電計(jì)對(duì)電流積分獲得電荷量的方法，測(cè)量硅光電二極管的光譜響應(yīng)度，測(cè)量不確定度達(dá)到了連續(xù)激光器法的水平Urel=0.07%(k=2)。但該方法仍存在一定的局限，只能應(yīng)用于硅光電光二極管的測(cè)量，不能用于帶有電流電壓(I/V)轉(zhuǎn)化器的集成光度探測(cè)器的測(cè)量[6]。本文提出采用電壓積分法來(lái)展寬脈沖信號(hào)寬度，以降低信號(hào)采集時(shí)對(duì)熱噪聲水平要求的方法，實(shí)現(xiàn)基于可調(diào)諧OPO激光器的帶有I/V轉(zhuǎn)換器的光度探頭光譜響應(yīng)度的標(biāo)定。

1 電流積分法與電壓積分法

電流積分法是在固定的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，對(duì)探測(cè)器產(chǎn)生的脈沖電流進(jìn)行積分，計(jì)算得出電荷量，如式(1)所示：

(1)

測(cè)量原理是脈沖電流i(t)對(duì)靜電計(jì)的電容C充電，通過(guò)測(cè)量充電電容的電壓V，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電荷量Q，從而得到探測(cè)器的響應(yīng)值。實(shí)驗(yàn)中所用的OPO可調(diào)諧激光器頻率為1 kHz，每個(gè)脈沖的脈寬約5 ns。

電壓積分法是脈沖電流經(jīng)過(guò)I/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，測(cè)量該電壓信號(hào)的時(shí)間積分值。當(dāng)短脈沖的電流輸入到慢速的I/V轉(zhuǎn)換器時(shí)，由于轉(zhuǎn)換器內(nèi)部固有的延遲效應(yīng)，使得輸出脈沖信號(hào)被展寬成寬脈沖電壓信號(hào)，測(cè)量電壓信號(hào)對(duì)時(shí)間的積分值，作為探測(cè)器的響應(yīng)值。圖1為實(shí)測(cè)的電壓信號(hào)電壓波形，波形寬度約1 ms。

圖1 實(shí)測(cè)脈沖電流經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換后電壓的波形圖Fig.1 The waveform of the voltage out of the I/V converter

2 測(cè)量裝置

基于可調(diào)諧OPO激光器的光度探頭光譜響應(yīng)度測(cè)量系統(tǒng)的示意圖見圖2。 裝置利用激光器的出射單色激光作為參比光源，在同一位置先后放置標(biāo)準(zhǔn)探頭(STD)和被校準(zhǔn)探頭(DUT)，用替代法比較被測(cè)探頭和標(biāo)準(zhǔn)探頭在特定波長(zhǎng)單色光的響應(yīng)值。

圖2 基于OPO可調(diào)諧激光源光度探頭光譜響應(yīng)度測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic for the photohead spectral response measurement based on OPO laser

可調(diào)諧OPO激光器產(chǎn)生單色激光，導(dǎo)入多模光纖，經(jīng)過(guò)超聲振動(dòng)器后，入射到積分球內(nèi)。積分球直徑為5 cm，光出射口的直徑約為0.5 cm，背面有光陷阱阻擋雜散光。單色激光在積分球內(nèi)部混光后，通過(guò)出射口，在探頭的工作面形成均勻的脈沖光照?qǐng)?。工作面附近有一個(gè)與工作光路垂直的直線位移臺(tái)。該位移臺(tái)使用步進(jìn)電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)被測(cè)探頭和標(biāo)準(zhǔn)探頭的切換，使得測(cè)量時(shí)，兩探頭交替移動(dòng)至同一測(cè)量位置。在光路一則約45°位置上有一監(jiān)控探頭(MD)，用于監(jiān)測(cè)測(cè)量過(guò)程中OPO激光的穩(wěn)定性，并進(jìn)行穩(wěn)定性修正。當(dāng)測(cè)量硅光電二極管時(shí)，探頭直接連接至靜電計(jì)采用電流積分法進(jìn)行測(cè)量；當(dāng)測(cè)量集成有I/V轉(zhuǎn)換器的光度頭時(shí)，用高速電壓采集儀(數(shù)字轉(zhuǎn)換儀)測(cè)量經(jīng)I/V轉(zhuǎn)化后的電壓。在LABVIEW 環(huán)境下開發(fā)了專門的軟件，控制OPO可調(diào)諧激光光源的波長(zhǎng)切換、快門(光開關(guān))的開啟/關(guān)閉、標(biāo)準(zhǔn)/被測(cè)探測(cè)器的位置切換、靜電計(jì)和電壓采集儀的數(shù)據(jù)采集。

在測(cè)量過(guò)程中尤其要注意光開關(guān)與光電信號(hào)采集儀的時(shí)序匹配，如圖3所示。確保在每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，先觸發(fā)靜電計(jì)/電壓采集儀開始測(cè)量(積分開始)，然后打開光開關(guān)，光源照射在標(biāo)準(zhǔn)/被測(cè)探測(cè)器上，經(jīng)過(guò)設(shè)定的采樣時(shí)間后關(guān)閉光開關(guān),最后觸發(fā)靜電計(jì)/電壓采集儀停止采樣(積分結(jié)束)。即確保光開關(guān)打開時(shí)靜電計(jì)/電壓采集儀一直處于采樣工作模式。

圖3 靜電計(jì)/電壓采集儀表和光開關(guān)的動(dòng)作時(shí)序關(guān)系Fig.3 Timeline for electrometer/voltage digitizer and the shutter

依據(jù)替代比較法，當(dāng)設(shè)定OPO的輸出激光的峰值波長(zhǎng)位置在λnm時(shí)，被測(cè)探頭相對(duì)響應(yīng)度為

(2)

由于被測(cè)探頭是光度探頭，在555 nm對(duì)響應(yīng)值進(jìn)行歸一，此波長(zhǎng)的相對(duì)響應(yīng)度為1。歸一化系數(shù)k的計(jì)算表達(dá)式為

(3)

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)所用的標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器為S1337型陷阱探測(cè)器，溯源至PQED(量子可預(yù)測(cè)探測(cè)器)，標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的光譜響應(yīng)度相對(duì)不確定度為0.05%(k=1)。被測(cè)探頭是某商業(yè)公司生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)室級(jí)光度探頭，標(biāo)準(zhǔn)陷阱探測(cè)器和被測(cè)探頭分別使用電流積分法和電壓積分法進(jìn)行信號(hào)采集。測(cè)量的光譜范圍為405～780 nm，每一個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)重復(fù)測(cè)量5次，相對(duì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差見圖4。

圖4 每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)5次測(cè)量的相對(duì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig.4 Experimental standard deviation of 5 readings

從圖4中可以看出，在波長(zhǎng)405～440 nm范圍內(nèi)，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.2%～0.1%；在波長(zhǎng)450～610 nm范圍內(nèi)，相對(duì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.1%； 在波長(zhǎng)620～680 nm 范圍內(nèi)，相對(duì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.13%～2.9%；波長(zhǎng)690～780 nm 范圍內(nèi), 相對(duì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差大于3%。在光譜的藍(lán)端和紅端由于光度探頭的響應(yīng)度低產(chǎn)生的光電流非常小，因此電子噪聲較大，測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)較大，相對(duì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯增大。

圖5 被測(cè)光度探頭的相對(duì)光譜響應(yīng)度Fig.5 The spectral response of a photohead under test

對(duì)上述測(cè)量結(jié)果進(jìn)行初步的不確定度分析，在波長(zhǎng)450～610 nm范圍內(nèi)，光度探測(cè)器的光譜響應(yīng)度相對(duì)測(cè)量不確定度達(dá)到Urel=0.2%(k=2)，見表1。

表1 光譜響應(yīng)度相對(duì)測(cè)量不確定度的評(píng)估

4 結(jié)語(yǔ)

基于OPO可調(diào)諧激光器的光度探頭定標(biāo)技術(shù)，為準(zhǔn)確地進(jìn)行探測(cè)器光譜失配誤差的修正、減小LED 測(cè)量結(jié)果的偏差、開展基于LED 的發(fā)光強(qiáng)度單位量值的復(fù)現(xiàn)提供了支撐，同時(shí)給出了提高光度輻射探測(cè)器光譜響應(yīng)度測(cè)量可靠性的新技術(shù)路徑，通過(guò)選擇不同的激光源可拓展至紫外、紅外波段，促進(jìn)光輻射測(cè)量技術(shù)的革新，該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。