低溫輻射計不同結(jié)構(gòu)黑體腔吸收率仿真與實(shí)驗測量

劉紅波， 史學(xué)舜， 莊新港， 張鵬舉， 劉長明， 王恒飛

中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所， 山東 青島 266555

引 言

低溫輻射計采用先進(jìn)的低溫、 真空和超導(dǎo)技術(shù)， 利用電替代原理， 將光輻射參數(shù)溯源到可以精確測量的電參數(shù)測量， 得到光輻射的絕對功率值， 其測量不確定度可達(dá)到10-5， 在高準(zhǔn)確度的光電載荷輻射校準(zhǔn)、 定量遙感以及光輻射量值溯源等領(lǐng)域具有不可替代的作用[1-3]。 黑體腔吸收率是影響低溫輻射計高準(zhǔn)確測量的主要因素之一， 需要具有光譜吸收平坦、 0.999以上的超高吸收比， 因此， 為實(shí)現(xiàn)低溫輻射計寬光譜、 高準(zhǔn)確度測量要求， 需要研制高吸收率黑體腔并準(zhǔn)確測量其吸收率。

國內(nèi)外很多學(xué)者開展了大量的理論和實(shí)驗研究。 國外方面， 2004年美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)， Alexander V Prokhorov等推導(dǎo)了黑體腔有效發(fā)射率的數(shù)學(xué)模型， 通過蒙特卡羅法仿真了腔體結(jié)構(gòu)、 腔內(nèi)涂層材料等影響黑體腔吸收率的因素[4]。 2005年， 德國物理技術(shù)研究所(PTB)， Marco López等開展了黑體腔在可見及近紅外波段的測試實(shí)驗， 測得腔體在632.8 nm處吸收率為0.999 879±1.0×10-5(k=1)， 在近紅外波段吸收率為0.999 777±0.000 014(k=1)[5]。 國內(nèi)方面， 中國計量科學(xué)研究院白山， 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所方茜茜、 衣小龍等[6-7]分別利用蒙特卡羅法仿真、 替代法測量了黑體腔的吸收比， 為腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計、 涂層材料選擇提供了一定的數(shù)據(jù)支持。 2018年光電子一級站莊新港等， 仿真了光束不同入射位置對腔體吸收率的影響[10]。

目前， 上述都是關(guān)于黑體腔吸收率的理論仿真和單一結(jié)構(gòu)下黑體腔吸收率的測量， 但針對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)黑體腔體吸收率的仿真與實(shí)驗測量的比對研究鮮有報道。 本文對研制的四種不同結(jié)構(gòu)腔體的吸收率進(jìn)行仿真與實(shí)驗測量對比研究， 分析了不同腔體結(jié)構(gòu)對吸收率的影響因素， 為設(shè)計和研制低溫輻射計黑體腔提供了實(shí)際的參考。

1 黑體腔結(jié)構(gòu)及吸收率仿真

根據(jù)Prokhorov等的理論仿真結(jié)果[4]， 高吸收率主要來源于光線在腔內(nèi)多次反射被吸收的結(jié)果， 因此， 腔體內(nèi)表面的吸收特性、 腔體結(jié)構(gòu)是影響腔體吸收的主要因素。 在我們的前期研究工作中， 利用蒙特卡羅光線追跡方法重點(diǎn)研究了光譜波長、 腔體長度、 黑材料漫反射系數(shù)、 黑材料吸收率和入射角度、 光空間位置等對斜底黑體腔光譜吸收率的影響[10]。 為研制寬光譜范圍、 超高吸收率的黑體腔， 研制了四種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的黑體腔， 分別為1#， 2#， 3#和4#， 其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示， 對應(yīng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

表1 黑體腔結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 黑體腔結(jié)構(gòu)示意圖(1#， 2#， 3#， 4#)

黑體腔研制所用材質(zhì)為高電導(dǎo)無氧銅(OFHC)， 壁厚0.1 mm， 內(nèi)表面高度拋光處理[8]。 黑體腔內(nèi)壁所選用鎳磷黑(NiP)涂層具有吸收率高、 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定， 抗氧化能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)， 適于作為光輻射吸收材料。 為驗證不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對黑體腔吸收率的影響， 利用TracePro軟件， 采用蒙特卡羅光學(xué)追跡法分別對上述四種結(jié)構(gòu)黑體腔吸收率進(jìn)行光學(xué)仿真。 根據(jù)實(shí)際情況完成對黑體腔吸收涂層光學(xué)特性、 光線特性參數(shù)設(shè)定， 當(dāng)追跡光線反射出腔外或功率衰減到10-7， 即終止追跡， 具體如表2所示。

表2 黑體腔吸收率仿真參數(shù)設(shè)置

2 黑體腔吸收率測量原理

黑體腔吸收率通常采用替代法進(jìn)行測量[5, 9]， 激光水平入射積分球入光口， 垂直照射樣品區(qū)域， 探測器放置于積分球頂端。 首先， 將黑體腔放置于樣品區(qū)域， 白板放置于積分球底部出光口， 探測器輸出感應(yīng)電壓信號UC； 其次， 將標(biāo)準(zhǔn)白板放置于樣品區(qū)， 黑體腔交換放置于底部出光口， 探測器輸出感應(yīng)電壓信號US； 最后， 將標(biāo)準(zhǔn)白板移除， 激光從樣品區(qū)出射， 探測器輸出背景光的感應(yīng)電壓信號UB。

根據(jù)測量原理得到黑體腔反射率的比例關(guān)系

(1)

由式(1)得到黑體腔吸收率的計算公式

(2)

式(2)中，αC為黑體腔吸收率，ρC為黑體腔反射率，ρS為標(biāo)準(zhǔn)白板在該波長下反射率。 其中δ為兩次測量時幾何位置變化的修正系數(shù)， 因本次測量時沒發(fā)生變化， 修正系數(shù)取δ=1。

3 實(shí)驗部分

黑體腔吸收率測量裝置原理框圖如圖2所示。 使用波長633 nm的He-Ne激光器作為光源， 激光經(jīng)空間濾波器、 起偏器和功率穩(wěn)定系統(tǒng)， 利用檢偏器控制到達(dá)積分球的激光功率。 探測器輸出電壓信號經(jīng)放大后輸出， 經(jīng)數(shù)字多用表采集200個數(shù)據(jù)點(diǎn)， 采樣頻率1 Hz， 取其平均值； 激光器選用美國CVI公司， 25-LHP-828-230系列產(chǎn)品， 功率穩(wěn)定性達(dá)到0.1%·h-1； 激光功率穩(wěn)定系統(tǒng)選用美國BEOC公司， LPC-VIS系列， 通過電光調(diào)制器和反饋控制單元實(shí)現(xiàn)激光功率的穩(wěn)定度達(dá)到0.005%(40 min)。 探測器選用德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)研制的硅陷阱探測器， 經(jīng)PTB進(jìn)行溯源校準(zhǔn)， 測量不確定度達(dá)到：U=0.007 3%(k=2)@632.8 nm。 選用KEITHLEY公司， 2000型六位半數(shù)字多用表采集硅陷阱探測器的響應(yīng)電壓。 測試用標(biāo)準(zhǔn)白板D50， 經(jīng)中國計量科學(xué)研究院校準(zhǔn)(校準(zhǔn)證書編號GXcl2018-5597)， 在633 nm的反射率為0.983， 測量不確定度為U=1.0%(k=2)， 采用上述裝置對黑體腔吸收率進(jìn)行測量。

圖2 黑體腔吸收率測量裝置

4 結(jié)果與討論

4.1 黑體腔吸收率仿真結(jié)果

利用TracePro光學(xué)仿真軟件， 根據(jù)表2參數(shù)設(shè)置， 對四種不同結(jié)構(gòu)黑體腔吸收率進(jìn)行仿真， 得到黑體腔每個面輻照度分布的詳細(xì)信息， 統(tǒng)計黑體腔每個面的輻照度結(jié)果， 如表3所示。 仿真結(jié)果表明： 斜底柱腔的吸收率比圓錐柱腔的吸收率高； 不同結(jié)構(gòu)黑體腔吸收率均達(dá)到0.999以上。 兩種典型結(jié)構(gòu)黑體腔(圓錐柱腔1#， 斜底柱腔2#)的輻照度分布圖， 如圖3所示。

表3 黑體腔吸收率仿真結(jié)果

圖3 黑體腔輻照度分布圖(1#， 2#)

4.2 黑體腔吸收率測量結(jié)果

通過圖2所示測量裝置， 首先， 對激光功率的穩(wěn)定性進(jìn)行測試， 采集頻率1 Hz， 測試結(jié)果如圖4(a)所示， 激光功率穩(wěn)定性達(dá)到0.006%(70 min)， 功率標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.23×10-4V； 然后， 分別對不同結(jié)構(gòu)1#， 2#， 3#和4#黑體腔進(jìn)行吸收率測量， 依次交替測量樣品區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)白板、 黑體腔、 背景時探測器的響應(yīng)電壓， 測量時間為200 s， 采集頻率1 Hz， 每個腔連續(xù)測量3組。 激光感應(yīng)電壓的標(biāo)準(zhǔn)差均在0.01%以內(nèi)， 測量結(jié)果如圖4所示。

圖4 激光功率穩(wěn)定性測量結(jié)果

根據(jù)測量數(shù)據(jù)， 利用式(2)依次計算黑體腔的吸收率， 取3組的平均值， 如表4所示。 結(jié)果表明， 上述四種結(jié)構(gòu)黑體腔的吸收率均在0.999以上， 但因黑體腔結(jié)構(gòu)不同， 導(dǎo)致測量結(jié)果有較大差異。

表4 黑體腔吸收率測量結(jié)果

4.3 黑體腔吸收率仿真結(jié)果與測量結(jié)果比對分析

(1)黑體腔吸收率測量數(shù)據(jù)可靠

不同結(jié)構(gòu)黑體腔吸收率仿真結(jié)果與測量結(jié)果如圖5所示。 結(jié)果表明： 黑體腔吸收率的仿真結(jié)果與實(shí)驗測量結(jié)果保持了較好的一致性； 驗證測量方法的有效性， 測量數(shù)據(jù)的可靠性。 后續(xù)利用TracePro軟件進(jìn)行仿真時， 表2列出的仿真參數(shù)設(shè)置符合黑體腔光輻射吸收特性。

圖5 不同結(jié)構(gòu)黑體腔仿真結(jié)果與測量結(jié)果比較圖

(2)斜底圓柱腔吸收性能優(yōu)于圓錐柱腔

通過對比圓錐柱腔(1#)與其他三種腔的測試結(jié)果， 表明斜底柱腔的吸收性能優(yōu)于圓錐柱腔， 吸收率由0.999 568提高到0.999 962。 分析原因， 斜底圓柱腔的30°傾角斜底面結(jié)構(gòu)設(shè)計， 使得光束沿黑體腔軸線水平入射時， 入射光束可在腔內(nèi)鏡面反射至少5次， 提高了黑體腔的吸收率； 而圓錐柱腔的錐角處基本為平面， 光束沿黑體腔軸線水平入射至錐角頂點(diǎn)， 未被吸收的部分光束將被反射出腔外， 而該區(qū)域恰為高斯光束的峰值功率密度區(qū)， 降低了黑體腔的吸收率。

(3)腔體內(nèi)表面積對黑體腔吸收率的影響

通過對比斜底圓柱腔(2#)與斜底螺紋柱腔(3#)的測試結(jié)果， 通過增加螺紋結(jié)構(gòu)增加腔體表面積， 并沒有提高吸收率。 分析原因， 根據(jù)光束在斜底腔內(nèi)的反射特性， 光輻射的吸收主要集中在斜底面區(qū)域， 圓柱腔其他區(qū)域主要吸收光輻射的漫反射光。 因此， 當(dāng)黑體腔的腔長L/半徑R比固定時， 通過增加螺紋結(jié)構(gòu)來增加腔內(nèi)表面積并沒有提高腔體吸收率。

(4)腔體錐口設(shè)計對黑體腔吸收率的影響。

通過對比斜底圓柱腔(2#)與斜底錐口腔(4#)測試結(jié)果， 發(fā)現(xiàn)通過設(shè)計圓錐口來類比光闌， 增加光束在內(nèi)表面的反射次數(shù)， 吸收率并沒有明顯提高。 分析原因， 斜底錐口腔對光束的吸收主要集中在斜底面區(qū)域， 而圓錐面主要對漫反射光進(jìn)行反射和吸收。 鎳磷黑(NiP)涂層的單次吸收率高、 鏡面特性明顯， 導(dǎo)致漫反射光占比較少。 因此， 通過設(shè)計圓錐口來類比光闌并沒有提高腔體吸收率。

5 結(jié) 論

黑體腔是低溫輻射計的核心部件， 本文建立了不同結(jié)構(gòu)黑體腔的三維結(jié)構(gòu)模型， 并研制了該結(jié)構(gòu)參數(shù)的黑體腔實(shí)物， 系統(tǒng)分析了結(jié)構(gòu)對黑體腔吸收率的影響因素。 采用蒙特卡羅光線追跡法， 對不同結(jié)構(gòu)的黑體腔吸收率進(jìn)行了仿真； 采用替代法對不同結(jié)構(gòu)黑體腔的吸收率進(jìn)行測量。 結(jié)果表明， (1)黑體腔吸收率的仿真結(jié)果與測量結(jié)果保持了較好的一致性， 驗證測量方法的有效性和測量數(shù)據(jù)的可靠性； (2)在黑體腔長度/口徑相同的情況下， 斜底面30°傾角圓柱腔的吸收性能優(yōu)于圓錐30°頂角圓柱腔， 斜底圓柱腔(2#)在波長632.8 nm處吸收率達(dá)到(0.999 962±0.000 005)， 滿足低溫輻射計使用要求； (3)在腔體長度、 口徑和斜底面傾角相同的情況下， 通過設(shè)計螺紋結(jié)構(gòu)增加腔內(nèi)面積、 設(shè)計圓錐口徑類比光闌并沒有提高腔體吸收率。 以上結(jié)論對于低溫輻射計黑體腔結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇具有一定的指導(dǎo)作用。