基于低溫輻射計的長波紅外絕對光譜響應(yīng)率測量

劉紅博，史學(xué)舜，徐文斌，劉長明，劉紅元，王恒飛

1. 中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東 青島 266555 2. 北京環(huán)境特性研究所光學(xué)輻射重點實驗室，北京 100854

引 言

長波紅外光譜(8～14 μm)是介于中紅外波段和太赫茲波之間的重要電磁輻射，對應(yīng)著地球表面常溫目標物體的輻射波段和地球“第三大氣窗口”，相對于短波和中波紅外輻射，長波紅外輻射受大氣散射影響較小。 因此，長波紅外輻射在紅外夜視、資源探測、精確制導(dǎo)、安防報警等科研及國防領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用，為國家綜合實力的重要體現(xiàn)[1-5]。

為實現(xiàn)長波紅外探測器絕對光譜響應(yīng)率的測量，需要對探測器的入射光功率和響應(yīng)電壓或電流分別進行準確測量。 目前，對電學(xué)參數(shù)的測量可以達到很高的精度； 對光功率的測量，公認是溯源到低溫輻射計。 英國的國家物理實驗室(NPL)、美國的國家標準技術(shù)研究院(NIST)等計量機構(gòu)均建立了基于低溫輻射計的絕對光譜響應(yīng)率校準裝置[6-9]。 在長波紅外波段，以CO2激光器作為光源，NPL在9.2～10.8 μm波段內(nèi)對HgCdTe探測器的絕對光譜響應(yīng)率進行校準，測量不確定度達到0.25%[10]。 NIST在10.6 μm波長點對熱釋電探測器進行絕對光譜響應(yīng)率校準，測量不確定度達到1%[11]，實現(xiàn)長波紅外探測器絕對光譜響應(yīng)率的高準確度測量。

目前，國內(nèi)中國計量院、光電子一級計量站、中科院安徽光機所等均開展了基于低溫輻射計的絕對光譜響應(yīng)率的高準確度測量及校準工作，但應(yīng)用范圍主要局限在可見到近紅外波段。 中科院上海技術(shù)物理研究所等單位在HgCdTe等合金材料領(lǐng)域取得系統(tǒng)性成果，并將其成功應(yīng)用于我國的國防、航天和民生等領(lǐng)域[12-13]。 本文主要描述建立的長波紅外探測器絕對光譜響應(yīng)率校準裝置，實現(xiàn)長波紅外波段(9.2～10.8 μm)探測器絕對光譜響應(yīng)率的高準確度測量。

1 實驗部分

長波紅外探測器絕對光譜響應(yīng)率校準裝置的原理圖如圖1所示。 校準裝置主要由長波紅外功率穩(wěn)定激光源、空間濾波器、低溫輻射計、傳遞標準探測器和控制系統(tǒng)等組成。

光電探測器的絕對光譜響應(yīng)率是表征光電探測器性能的基本參數(shù)，即波長為λ0的光輻射入射到光電探測器上，探測器輸出的電信號V(λ0)(電壓或電流)與入射光輻射功率Ps(λ0)的比值，用R表示。

(1)

圖1 長波紅外探測器絕對光譜響應(yīng)率校準裝置原理圖AF： 衰減片； M1，M2，M3，M4，M5，M6： 金鏡； BS1，BS2： 分光片； HW： 半波片； P0, P1, P2, P3, P4： 偏振片； F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4： 透鏡； CP： 斬波器； EOM： 電光調(diào)制器； PH： 針孔； AP1，AP2： 光闌； DM： 雙色片； S： 光閘Fig.1 Diagram of the absolute spectral responsivity calibration facility of Long-wave infrared detectorAF: Attenuator; M1, M2, M3, M4, M5, M6: Gold steering mirrors; BS1, BS2: Beam splitters; HW: Half-wave plate; P0, P1, P2, P3, P4: Polarizers; F1, F2, F3, F4: Lenses; CP: Chopper; EOM: Electro-optic modulator; PH: Pinhole; AP1, AP2: Aperture; DM: Dichroic mirror; S: Shutter

1.1 長波紅外功率穩(wěn)定激光源

校準裝置使用可調(diào)諧CO2穩(wěn)頻激光器(PL2-M，Edinburgh Instrument)作光源，其可調(diào)諧輸出譜線共60條，對應(yīng)的波長范圍覆蓋9.2～10.8 μm，最大輸出功率為12.4 W，滿足長波紅外探測器絕對光譜響應(yīng)率測量要求。 激光器輸出激光光束直徑4.8 mm，光束發(fā)散角6 mrad，功率穩(wěn)定性1%·h-1，波長穩(wěn)定性1 MHz/10 min。 通過調(diào)節(jié)激光器尾部螺旋測微旋鈕改變諧振腔腔長，實現(xiàn)對應(yīng)波長的選擇。

首先，如圖1所示，由于可調(diào)諧CO2激光器輸出激光功率較高，激光經(jīng)過衰減片AF衰減之后，利用鍍金反射鏡M1和M2組成的爬高鏡，將光束抬升到與光電探測器位置相一致的高度，入射進入由半波片HW和偏振片P0、P1組成的激光功率可調(diào)衰減鏡組合，實現(xiàn)激光功率的連續(xù)可調(diào)并提高激光光束的豎直偏振方向； 隨后進入望遠鏡縮束系統(tǒng)，將激光光束縮束到直徑2 mm。

其次，激光經(jīng)過由電光調(diào)制器EOM、偏振片P2、反饋探測器、鎖相放大器、比較器和高壓放大器等組成的長波紅外激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)。 實驗用電光調(diào)制器由兩塊CdTe晶體組成，雙面鍍增透膜，在10.6 μm波長點透過率為99%，并且其電光張量大，調(diào)制頻率高，可實現(xiàn)較大功率調(diào)制輸出。 反饋探測器選用液氮制冷的HgCdTe探測器，在其前端設(shè)計了直徑為兩英寸的鍍金積分球，用以提高入射到HgCdTe探測器光敏面的均勻性。 通過實驗驗證，如圖2所示，1 h內(nèi)激光功率不穩(wěn)定度控制在0.1%以內(nèi)，滿足長波紅外絕對光譜響應(yīng)率測量要求。

圖2 長波紅外激光功率穩(wěn)定測試結(jié)果Fig.2 The test results of long wave infraredlaser power stability

第三，激光入射到由兩個透鏡和一個針孔組成的空間濾波系統(tǒng)，利用傅里葉變換濾除激光光束中高頻分量和雜散光，優(yōu)化激光光束質(zhì)量。 激光光束經(jīng)ZnSe透鏡F3會聚到針孔PH，由針孔攔截光束的高頻分量，輸出衍射艾利斑，之后光束通過與透鏡F3焦距相同的ZnSe透鏡F4實現(xiàn)光束的準直。 利用光闌孔AP1選擇主光束的一級最大衍射光斑，實現(xiàn)激光光束的空間濾波。 利用長波紅外光斑輪廓分析儀(型號： WinCamD-FIR2-16-HR，DataRay Inc)，分別測量空間濾波前(a)和空間濾波后(b)光斑形狀，激光波長10.6 μm，光斑直徑2 mm，測量結(jié)果如圖3所示。 在我們前期的研究工作中，參考文獻[14]詳細介紹了長波紅外探測器絕對光譜響應(yīng)率測量激光源的組成及工作原理。

圖3 空間濾波器前后長波紅外10.6 μm激光光斑形狀(a)： 空間濾波前； (b)： 空間濾波后Fig.3 Beam profiles of the long-wave laser at 10.6 μmbefore (a) and after (b) the spatial filter

1.2 低溫輻射計的光束對準

校準裝置測量長波紅外激光的光功率使用NPL和Oxford Instruments Ltd聯(lián)合研制的低溫輻射計。 針對長波紅外光譜的特殊性，低溫輻射計設(shè)計了窗口厚度5 mm的ZnSe材料，按照ZnSe材料的布儒斯特角傾斜。 根據(jù)折射率公式，可以計算出10.6 μm的入射激光布儒斯特角為64.7°。 窗口設(shè)計了可上下、左右平移和角度微調(diào)的旋鈕，實現(xiàn)對不同波長的長波紅外激光進行角度微調(diào)。 布儒斯特窗口與低溫輻射計主腔體之間通過長15 cm的真空波紋管連接，如圖1所示。 在測量布儒斯特窗口透過率時，為避免窗口的拆卸和復(fù)原，采用將布儒斯特窗的位置固定，低溫輻射計主腔體平移出主光路的實驗方案，提高了窗口透過率測量的準確度。

由于長波紅外激光不可見，而且低溫輻射計內(nèi)四象限探測器對長波紅外不響應(yīng)，為了讓長波紅外激光完全準直入射進入低溫輻射計吸收腔，引入633 nm的He-Ne激光作為引導(dǎo)光輔助調(diào)節(jié)，如圖1所示。 首先，633 nm的激光光束過空間濾波器進行光束質(zhì)量優(yōu)化后，經(jīng)過反射鏡M6入射到雙色片DM。 雙色片DM前表面鍍有可見光高反膜，前后表面鍍有長波紅外光增透膜，實現(xiàn)對可見光高反，對長波紅外激光高透，該鏡片在調(diào)節(jié)兩束激光共線時必不可少。 第二，通過調(diào)節(jié)反射鏡M4，M5和M6，實現(xiàn)長波紅外激光與可見引導(dǎo)光共線，在此過程，使用長波紅外光斑輪廓分析儀進行輔助調(diào)節(jié)，直至光束準直入射進低溫輻射計黑體腔。 第三，關(guān)閉引導(dǎo)光，使用低溫輻射計對長波紅外光功率進行準確測量。 經(jīng)過計算，長波紅外激光和可見激光以64.7°的入射角入射進厚度5 mm的ZnSe窗口時，由于光的折射作用導(dǎo)致兩束光平移量的差值約70 μm，對共線調(diào)節(jié)影響很小，可以忽略不計。

如圖1所示，在入射進低溫輻射計前，長波紅外激光通過偏振片P4對豎直偏振方向進行優(yōu)化。 光閘S的開關(guān)由計算機控制，實現(xiàn)低溫輻射計電加熱過程中遮擋入射激光，小孔光闌AP2的直徑大小為5 mm，用以遮擋進入低溫輻射計的散射光。

1.3 傳遞標準探測器

為了提高絕對光譜響應(yīng)率量值傳遞過程的準確度，采用鍍金積分球和液氮制冷的HgCdTe探測器組合作為長波紅外傳遞標準探測器。 選用美國Judson Technologies公司的J15D12型液氮制冷HgCdTe探測器，該探測器采用液氮杜瓦瓶降溫，為了減小外界環(huán)境的影響，將光電二極管密封在真空杜瓦瓶中。 在相同溫度下HgCdTe材料熱激發(fā)載流子產(chǎn)生的暗電流最小，適合作為傳遞標準探測器使用。

圖4 傳遞標準探測器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Diagram of transfer standard detector structure

傳遞標準探測器結(jié)構(gòu)原理，如圖4所示。 在積分球中心垂直兩端面開口，一端作為傳遞標準探測器的入射端口，另一端與液氮制冷的HgCdTe探測器相連，積分球開口中心與探測器中心保持一致。 積分球直徑約5.1 cm(2英寸)，激光入射孔徑為20 mm。 該設(shè)計的優(yōu)點是： (1)引入積分球，使得輻射到探測器光敏面的光束空間均勻性大幅提高； (2)由于探測器光電二極管密閉在真空內(nèi)，積分球可減小入射方向等因素對探測器響應(yīng)的影響。 (3)測量可知，在10.6 μm的最高入射功率2 mW，積分球?qū)馐纳⑸浼八p，可以提高探測器的響應(yīng)非線性指標到0.01%[10]。

課題組開展了傳遞標準探測器空間均勻性的測試，傳遞標準探測器的輸出信號經(jīng)過前置放大器放大后輸出，放大器用12 V直流穩(wěn)壓電源供電。 通過對探測器入射孔徑中心12 mm×12 mm的區(qū)域進行掃描，步進為0.5 mm。 探測器的響應(yīng)率空間均勻性具有空間對稱結(jié)構(gòu)，如圖5所示。 當功率為2.5 mW的激光入射到傳遞標準探測器時，探測器的空間響應(yīng)均勻性小于0.2%。 由于激光光束的直徑約為2 mm，則由探測器空間響應(yīng)均勻性引入的不確定度符合均勻分布，即不確定度優(yōu)于0.12%。

圖5 HgCdTe探測器在10.6 μm響應(yīng)的空間均勻性Fig.5 The spatial uniformity of the response ofthe HgCdTe detector at 10.6 μm

2 結(jié)果與討論

利用校準裝置對積分球型/HgCdTe傳遞標準探測器開展了的長波紅外絕對光譜響應(yīng)率校準實驗。 如圖1所示，傳遞標準探測器置于電動平移臺上，通過計算機和控制軟件進行精確控制。 將探測器移入光路，完成探測器在該激光輻射下響應(yīng)電壓的測量； 將探測器移出光路，利用低溫輻射計完成該激光輻射下光功率的測量。 完整的測量周期約需要用時40 min，得到1組響應(yīng)電壓值和光功率值，實驗在每個波長點分別測量了6組數(shù)據(jù)。 校準裝置所用CO2激光器的可調(diào)諧波長范圍為9.2～10.8 μm，激光器連續(xù)可調(diào)，長波紅外激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)以及空間濾波系統(tǒng)均可在該波段內(nèi)正常運行，因此校準裝置可以實現(xiàn)9.2～10.8 μm整個波段范圍內(nèi)探測器的絕對光譜響應(yīng)率校準。 校準實驗選取了9.62和10.60 μm兩個常用典型波長點進行了探測器絕對光譜響應(yīng)率校準。

表1為探測器在9.62 μm的絕對光譜響應(yīng)率測量結(jié)果，探測器的平均絕對光譜響應(yīng)率為619.50 V·W-1。

表2為探測器在10.60 μm的絕對光譜響應(yīng)率測量結(jié)果，探測器的平均絕對光譜響應(yīng)率為743.31 V·W-1。

表3為低溫輻射計測量長波紅外光功率的相對標準不確定度分量，主要包括黑體腔吸收率、布儒斯特窗透過率、低溫輻射計靈敏度、低溫輻射計的電功率測量和重復(fù)性等引入的分量。 課題組開展了數(shù)次激光功率測量的重復(fù)性實驗，由重復(fù)性引入的測量不確定度分量為0.071%～0.166%，合成標準不確定度為0.15%～0.21%，擴展不確定度為0.30%～0.42%(k=2)。

表1 9.62 μm波長點探測器絕對光譜響應(yīng)率校準實驗結(jié)果Table 1 Absolute spectral responsivity of the transferstandard detector at 9.62 μm

表2 10.60 μm波長點探測器絕對光譜響應(yīng)率校準實驗結(jié)果Table 2 Absolute spectral responsivity of the transferstandard detector at 10.60 μm

表3 長波紅外光功率測量不確定度分量

表4 探測器絕對光譜響應(yīng)率校準不確定度分量

表4為在長波紅外波段測量積分球型HgCdTe探測器的絕對光譜響應(yīng)率的相對標準不確定度分量，主要包括光功率測量、響應(yīng)電壓的測量、鎖相放大器穩(wěn)定性、斬波器穩(wěn)定性、探測器響應(yīng)均勻性、溫度波動和測量重復(fù)性等引入的不確定度分量。 在本文1.3節(jié)描述了探測器響應(yīng)的線性和空間均勻性對準確測量的影響。 綜上，探測器絕對光譜響應(yīng)率的合成標準不確定度為0.40%～0.51%，擴展不確定度為0.80%～1.02%(k=2)。

3 結(jié) 論

詳細描述了基于低溫輻射計的長波紅外探測器絕對光譜響應(yīng)率校準裝置，以功率穩(wěn)定的寬光譜可調(diào)諧激光源為光源，以鍍金積分球和液氮制冷HgCdTe探測器的組合作為傳遞標準探測器。 實驗結(jié)果表明，利用低溫輻射計分別在9.62和10.60 μm波長點測量光功率，光功率測量不確定度優(yōu)于0.30%～0.42%(k=2)； 傳遞標準探測器的絕對光譜響應(yīng)率測量不確定度優(yōu)于0.80%～1.02%(k=2)，其他波長點可參考分析。 本研究實現(xiàn)了基于低溫輻射計的長波紅外測器絕對光譜響應(yīng)率的高準確度校準。