低溫輻射計吸收腔研制

俞 兵袁林光張 燈范紀(jì)紅董再天李 燕尤 越

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，國防科技工業(yè)光學(xué)一級計量站，西安710065）

1 引 言

低溫輻射計具備在低功率水平下測量光輻射功率的能力，其應(yīng)用方向覆蓋多個研究學(xué)科，如光輻射計量學(xué)、輻射測量學(xué)和天體物理學(xué)等，在光輻射計量領(lǐng)域，低溫輻射計已經(jīng)成為國際公認(rèn)的光輻射基準(zhǔn)。 美國NIST、英國NPL、德國PTB 等國外計量技術(shù)機(jī)構(gòu)已基本完成基于低溫輻射計的高準(zhǔn)確度光輻射量傳體系的建立，通過低溫輻射計量傳到光電陷阱探測器，開展由光電陷阱探測器向光度、光譜輻射度量傳，向激光功率能量標(biāo)準(zhǔn)量傳，向紅外輻射標(biāo)準(zhǔn)量傳的研究，使光輻射計量標(biāo)準(zhǔn)的測量不確定度大大提高。

低溫輻射計中包含一重要模塊-吸收腔，該模塊的作用在于將外部輸入的光輻射接收，并通過將光輻射在內(nèi)部多次反射的物理過程使光輻射幾乎完全被裝置限制，即對光形成光陷阱。 常見的吸收腔分為兩種-圓錐腔與圓柱腔，均設(shè)計成斜底面，并在入口處設(shè)計一光闌，通過優(yōu)化調(diào)節(jié)光闌參數(shù)提高吸收腔對光輻射的吸收率。

針對低溫輻射計國產(chǎn)化研制需求，研制了一種高吸收率吸收腔，采用基于橢球面光闌的多次反射結(jié)構(gòu)，有效形成光陷阱；內(nèi)壁噴涂高吸收率碳納米管涂層，使入射到腔中的輻射經(jīng)過多次反射后被近似完全吸收。 通過搭建測量裝置測量了吸收腔在典型激光波長476.2nm，488.0nm，514.5nm，632.8nm 處的吸收率，實驗結(jié)果表明，吸收率大于0.999 7。

2 吸收腔結(jié)構(gòu)設(shè)計加工

吸收腔分為三部分，一側(cè)是橢球面光闌，另一側(cè)是斜底面，主體結(jié)構(gòu)為斜口-斜底圓柱腔，組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 其整體加工材料均使用0.1mm厚電解銅。

圖1 吸收腔組成結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of absorption cavity

橢球面光闌設(shè)計結(jié)構(gòu)與實物如圖2 所示，設(shè)計思路為在一橢球面內(nèi)部的特定位置切開一圓孔，其孔徑中心軸與圓柱軸線重合，外圈通過法蘭固定在圓柱腔上，橢球面切面與斜口面重合。 主要制備參數(shù)如下，圓孔直徑3mm，圓環(huán)寬1mm，切面方向長軸20mm，短軸10mm。

圖2 橢球面光闌結(jié)構(gòu)及實物圖Fig.2 Structure and physical image of ellipsoidal diaphragm

吸收腔主體部分斜口-斜底圓柱腔通過圓柱腔線切割方式進(jìn)行制作，在兩側(cè)的口部和底部外圈設(shè)計加工橢圓形法蘭接口。 設(shè)計制備參數(shù)為，內(nèi)腔主體長度為40mm、直徑10mm、加工壁厚0.1mm，圓環(huán)寬度同光闌部分為1mm；斜口面與斜底面分別與圓柱軸線夾角30°和60°。 第三部分包括一斜底面，同樣為橢圓形狀，設(shè)計參數(shù)為長軸14.14mm，短軸10mm，壁厚0.1mm，與圓柱腔主體接口處重合。

選取與母材相近的AgCu28 釬料作為填充金屬，通過使用擴(kuò)散釬焊的工藝手段，分別對吸收腔的三部分的接口處進(jìn)行焊接，使光闌的環(huán)狀法蘭和圓柱腔斜口環(huán)狀法蘭、圓柱腔斜口環(huán)狀法蘭和斜底面法蘭完美銜接。 同時，在不破壞內(nèi)壁涂層的前提下，實現(xiàn)吸收腔成形。

吸收腔實物圖如圖3 所示，設(shè)計采用的橢球面光闌，通過調(diào)節(jié)角度參數(shù)，使光闌和吸收腔主體構(gòu)成的斜口面與圓柱腔軸線的夾角與斜底面與圓柱腔軸線的夾角成互余關(guān)系，形成能夠使光輻射在其中多次反射的結(jié)構(gòu)，大大減少了光輻射在吸收腔內(nèi)的鏡面反射與漫反射造成的輻射外溢。 此模塊將近乎全部的光輻射限制在內(nèi)進(jìn)而吸收后，能夠達(dá)到比圓環(huán)狀光闌吸收腔更高的吸收率。

圖3 吸收腔實物圖Fig.3 Physical image of absorption cavity

3 高吸收涂層制備及光學(xué)性能測試

為了保證入射的光輻射全部被吸收腔吸收而產(chǎn)生溫升，在研制吸收腔的過程中需要注意多個因素，腔的形狀、尺寸能夠在光學(xué)傳播方式上對光輻射進(jìn)行限制，同樣，內(nèi)壁涂層自身特性也非常重要，包括吸收率、表面光學(xué)性質(zhì)等參數(shù)對限制在內(nèi)的光輻射的衰減質(zhì)量具有決定性的作用。

3.1 高吸收涂層制備

目前，低溫輻射計吸收腔中常用的涂層材料有Chemglaze Z302、NiP 黑、石墨烯和碳納米管。 借鑒前期在高發(fā)射率黑體研制中使用的具備寬波段范圍的無光譜選擇性的碳納米管材料，針對低溫輻射輻射計應(yīng)用場景，采用化學(xué)氣相沉積法，制備以碳納米材料為吸收劑、高分子材料為基體的功能性復(fù)合涂層材料。 該涂層具有“微米-納米”跨尺度的多孔結(jié)構(gòu)，基于“陷光效應(yīng)”原理，實現(xiàn)寬波段的光學(xué)吸收。 為便于涂層光學(xué)性能測試，在如圖4 所示的不銹鋼基底上噴涂陣列結(jié)構(gòu)碳納米管涂層，采用掃描電鏡（SEM）對該涂層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征：具有連續(xù)的多孔結(jié)構(gòu)。

圖4 噴涂在不銹鋼基底的碳納米管涂層實物圖Fig.4 Photos of Carbon nanotube coating sprayed on stainless steel substrate and SEM

對于吸收腔內(nèi)部噴涂，由于腔體口徑較小，采用噴涂為主，刷涂和旋涂為輔的工藝，使用特殊的0.23mm 口徑的微型噴筆進(jìn)行噴涂，實現(xiàn)高長徑比的腔體內(nèi)壁噴涂，并保證涂層的均勻性分布。

3.2 涂層光學(xué)性能測試

使用紫外-可見-近紅外分光光度計測試涂層在（250～2 500）nm 波長范圍內(nèi)的鏡面反射率（入射角度分別為30°）和漫反射率，測試結(jié)果如圖5 所示。 從測量結(jié)果可得涂層在紫外到短波紅外波段范圍內(nèi)無明顯鏡面反射（小于0.1%），漫反射率均在3.5%以內(nèi)。

圖5 （250～2500）nm 涂層光譜反射率測量結(jié)果圖Fig.5 Results of （250～2500）nm coating spectral reflectance measurement

使用光譜反射比標(biāo)準(zhǔn)裝置測試涂層在（2.5～15）μm 波長范圍內(nèi)的光譜反射率，測試結(jié)果如圖6所示。 從測量結(jié)果可得涂層在紅外波段范圍內(nèi)光譜反射率均在3.5%以下。

圖6 （2.5～15）μm 涂層光譜反射率測量結(jié)果圖Fig.6 Results of （2.5～15）μm coating spectral reflectance measurement

使用低溫狀態(tài)下材料光譜發(fā)射率測量裝置對涂層在室溫條件下（6～14）μm 波長范圍內(nèi)的光譜發(fā)射率進(jìn)行測試。 測試結(jié)果如表1 所示，由基爾霍夫定律可得涂層光譜吸收率＞96.5%。

表1 涂層光譜發(fā)射率測量結(jié)果Tab.1 Measurement results of coating spectral emissivity measurement results

使用便攜式紅外發(fā)射率測試儀測試涂層在室溫條件下的積分發(fā)射率，（3～5）μm 波段發(fā)射率為0.966；（8～14）μm 波段發(fā)射率為0.966。

涂層光學(xué)性能測試結(jié)果表明，在室溫條件下，碳納米管復(fù)合涂層材料吸收率優(yōu)于0.965。

4 吸收腔吸收率測量

基于積分球法搭建了吸收率測量裝置，其測量原理如圖7 所示，實物如圖8 所示。 He-Ne 激光器發(fā)出的激光經(jīng)過反射鏡1 反射，進(jìn)入穩(wěn)功率儀后，由空間濾波器濾波后經(jīng)過反射鏡2 反射，進(jìn)入分束鏡；分束鏡反射的激光進(jìn)入穩(wěn)功率反饋光電探測器為穩(wěn)功率儀提供穩(wěn)功率信號，優(yōu)于0.05%，透過分束鏡的光經(jīng)過衰減器衰減到合適的光功率后，經(jīng)過積分球入口分別直接照射在標(biāo)準(zhǔn)板和吸收腔上，由積分球上的探測器在與入射光成90°角的位置上分別接收標(biāo)準(zhǔn)板和吸收腔的反射光信號，由于標(biāo)準(zhǔn)板反射率已知，通過式（1）計算得到吸收腔反射率

圖7 吸收腔吸收率測量原理圖Fig.7 Schematic diagram of the absorption rate measurement of the absorption cavity

圖8 吸收腔吸收率測量實驗圖Fig.8 Experimental diagram of absorption rate measurement of the absorption cavity

式中：ρ——吸收腔反射率；ρ——標(biāo)準(zhǔn)板反射率；V——吸收腔放置在積分球出口時積分球上探測器輸出的電信號；V——標(biāo)準(zhǔn)板放置在積分球出口時積分球上探測器輸出的電信號。

將如圖7 所示的He-Ne 激光器換為Ar+Kr+激光器，測量吸收腔在476.2nm，488.0nm，514.5nm，647.1nm 波長處的光譜吸收率，測量結(jié)果如表2 所示。

表2 吸收腔吸收率測量結(jié)果Tab.2 Measurement results of absorption rate measurement of the absorption cavity

5 結(jié)束語

本文研制了一種吸收率優(yōu)于0.999 7 的低溫輻射計吸收腔，設(shè)計基于橢球面光闌的多次反射結(jié)構(gòu)，具備將外部輸入的光輻射接收，并通過將光輻射在內(nèi)部多次反射的物理過程使光輻射幾乎完全被限制的能力，對光形成光陷阱，內(nèi)壁噴涂吸收率優(yōu)于0.965 的碳納米管涂層，對于入射到腔內(nèi)的光輻射，涂層對其的傳輸能力造成極大的影響，能量衰減迅速，最終被近似完全吸收，采用擴(kuò)散焊工藝實現(xiàn)吸收腔焊接成形。 通過搭建測量裝置測量了吸收腔在476.2nm，488.0nm，514.5nm，632.8nm 和647.1nm 典型激光波長處的吸收率。