低溫輻射計紫外探測器光譜響應(yīng)度測試技術(shù)研究

李 燕，范紀(jì)紅，俞 兵，袁林光，孫宇楠，秦 艷，馬 力

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

低溫輻射計已逐漸成為光度、光譜光度、光譜輻射度和激光功率、能量計量的基準(zhǔn)，被許多國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室作為光度學(xué)和輻射度學(xué)的最高標(biāo)準(zhǔn)[1]。低溫輻射計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)條件要求高，且移動不便，因此以低溫輻射計為基準(zhǔn)的量值傳遞是通過標(biāo)定探測器絕對光譜響應(yīng)度實(shí)現(xiàn)的[2-4]。同時隨著紫外探測技術(shù)的發(fā)展，對紫外探測器的要求越來越高，因此精確測量紫外探測器的絕對光譜響應(yīng)度[5-10]是非常必要的。

目前探測器絕對光譜響應(yīng)度標(biāo)定方法主要有兩種，其一是用低溫輻射計標(biāo)定出探測器在某個特定波長的絕對光譜響應(yīng)[11-14]，然后在相對光譜響應(yīng)裝置上標(biāo)定探測器全波段的相對光譜響應(yīng)，這樣可以根據(jù)已知一點(diǎn)的絕對光譜響應(yīng)和探測器的相對光譜響應(yīng)求得探測器的絕對光譜響應(yīng)度；其二是在多個激光波長上用低溫輻射計標(biāo)定出探測器的絕對光譜響應(yīng)，然后其它波長的絕對光譜響應(yīng)度可以內(nèi)插得到[15]。這兩種測量方法均受激光波長的限制，在115 nm～200 nm 無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)波長條件下探測器絕對光譜響應(yīng)度的測量，在200 nm～400 nm 目前中國計量科學(xué)研究院探測器絕對光譜響應(yīng)度測量不確定度為18%～1.2%。隨著低溫輻射計靈敏度的提高，出現(xiàn)直接使用單色儀出射的單色光作為光源實(shí)現(xiàn)低溫輻射計標(biāo)定探測器絕對光譜響應(yīng)度的方法，但該方法不能消除布儒斯特窗口對測量結(jié)果的影響，無法同時實(shí)現(xiàn)偏振光和非偏振光條件下探測器絕對光譜響應(yīng)度的標(biāo)定。

為解決以上問題，本文對現(xiàn)有低溫輻射計進(jìn)行性能提升，設(shè)計了真空多光路切換系統(tǒng)，同時采用Y 型真空比較通道，消除了布儒斯特窗口對測量結(jié)果的影響，在保證真空艙內(nèi)超高真空環(huán)境不被破壞的前提下，實(shí)現(xiàn)偏振光和非偏振光條件下探測器絕對光譜響應(yīng)度的標(biāo)定。該方法拓展了光譜適用范圍及偏振態(tài)適用范圍，實(shí)現(xiàn)了115 nm～400 nm連續(xù)波長條件下紫外探測器絕對光譜響應(yīng)度的準(zhǔn)確標(biāo)定。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

1.1 工作原理

利用低溫輻射計接收紫外單色輻射的功率，然后通過弧形軌道使紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)硅陷阱探測器接收紫外單色輻射得到輸出信號，則紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)硅陷阱探測器的絕對光譜響應(yīng)度由（1）式給出：

式中：S(λ)為紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)硅陷阱探測器的絕對光譜響應(yīng)度；P(λ)為低溫輻射計接收的紫外單色輻射的功率；i(λ)為紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)硅陷阱探測器輸出信號。

采用替代法，在保持標(biāo)準(zhǔn)裝置中單色輻射不變的情況下，由紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)硅陷阱探測器和紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)硅探測器分別接收單色輻射，則紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)硅探測器的絕對光譜響應(yīng)度由（2）式給出：

式中：St(λ)為紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)硅探測器的絕對光譜響應(yīng)度；i(λ)為紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)硅陷阱探測器輸出信號；it(λ)為紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)硅探測器輸出信號；S(λ)為紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)硅陷阱探測器的絕對光譜響應(yīng)度。該比較法同樣適用于紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)硅探測器對被測紫外探測器絕對光譜響應(yīng)度的校準(zhǔn)。

1.2 系統(tǒng)組成

基于低溫輻射計的紫外波段絕對光譜響應(yīng)度標(biāo)準(zhǔn)裝置組成如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)裝置安裝在光學(xué)平臺上，主要由真空紫外連續(xù)可調(diào)單色輻射源、激光驅(qū)動紫外可調(diào)單色輻射源、系列激光源、真空多光路切換組件、Y 型真空比較通道、探測器真空艙、低溫輻射計、傳遞標(biāo)準(zhǔn)紫外增強(qiáng)硅陷阱探測器等組成。

在115 nm～230 nm 波段，采用基于單色儀分光的真空紫外連續(xù)可調(diào)單色輻射源作為紫外光源，在230 nm～400 nm 波段，采用激光驅(qū)動紫外可調(diào)單色輻射源作為紫外光源。真空紫外連續(xù)可調(diào)單色輻射源或激光驅(qū)動紫外可調(diào)單色輻射源出射的紫外單色輻射入射到低溫輻射計吸收腔內(nèi)，低溫輻射計測量輻射功率，然后通過Y 型真空比較通道旋轉(zhuǎn)將傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測器或被校準(zhǔn)探測器切換進(jìn)入光路，由傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測器或被校準(zhǔn)探測器測量，傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測器或被校準(zhǔn)探測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，電壓表測量得到電信號的電壓，從而得到傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測器或被校準(zhǔn)探測器的光譜響應(yīng)度。

2 分系統(tǒng)設(shè)計

2.1 紫外單色光源系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 真空紫外連續(xù)可調(diào)單色輻射源系統(tǒng)

在工作波長小于230 nm 時，使用真空紫外連續(xù)可調(diào)單色輻射源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低溫輻射計對紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)陷阱探測器標(biāo)定、紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)陷阱探測器對紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)硅探測器的標(biāo)定以及紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測器對被測探測器的標(biāo)定。真空紫外連續(xù)可調(diào)單色輻射源系統(tǒng)由光源系統(tǒng)、輸入光學(xué)系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、輸出光學(xué)系統(tǒng)組成，如圖2所示。真空紫外連續(xù)可調(diào)單色輻射源系統(tǒng)中各系統(tǒng)均安裝在各自的真空室內(nèi)，各真空室之間通過法蘭等結(jié)構(gòu)件連接，真空度可達(dá)10?6Torr。

2.1.2 系列激光光源系統(tǒng)

系列激光光源系統(tǒng)主要由476 nm 激光器及激光穩(wěn)功率系統(tǒng)、488 nm 激光器及激光穩(wěn)功率系統(tǒng)、532 nm 激光器及激光穩(wěn)功率系統(tǒng)組成，激光器經(jīng)過激光穩(wěn)功率系統(tǒng)后功率穩(wěn)定性優(yōu)于0.05%。激光穩(wěn)功率系統(tǒng)由激光穩(wěn)功儀和空間濾波系統(tǒng)組成，如圖3所示。其中激光穩(wěn)功儀主要由外置的起偏器、電光調(diào)制器、內(nèi)置的檢偏器、分束鏡、反饋探測器和伺服放大系統(tǒng)組成。穩(wěn)功儀經(jīng)過分束鏡對輸出激光進(jìn)行取樣，大約3%的輸出激光提供給反饋探測器，激光穩(wěn)功率控制器將其輸出與需穩(wěn)定的信號比較，經(jīng)差分放大后控制電光調(diào)制器，維持激光功率的穩(wěn)定性。輸出的激光再經(jīng)過空間濾波器和2～3 個精密孔徑光闌成為功率穩(wěn)定、光束質(zhì)量優(yōu)良的激光。

2.1.3 激光驅(qū)動紫外可調(diào)單色輻射源系統(tǒng)

在工作波長大于230 nm 時，使用激光驅(qū)動紫外可調(diào)單色輻射源實(shí)現(xiàn)低溫輻射計對紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)陷阱探測器標(biāo)定、紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)陷阱探測器對紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)硅探測器的標(biāo)定以及紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)硅探測器對被測探測器的標(biāo)定。激光驅(qū)動紫外可調(diào)單色輻射源由激光驅(qū)動寬光譜光源系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)組成，如圖4所示。

2.2 真空多光路切換系統(tǒng)

真空多光路切換系統(tǒng)如圖5所示，由布儒斯特真空窗口、法蘭真空窗口、平板玻璃真空窗口及光路切換機(jī)構(gòu)組成。布儒斯特真空窗口用于入射激光組輸出的激光，布儒斯特窗口是經(jīng)過磨、拋光后形成相互平行的2 個表面的光學(xué)玻璃片，選用石英布儒斯特窗口；法蘭真空窗口通過法蘭直接與真空紫外-紫外單色儀連接，用于入射真空紫外-紫外單色光；平板玻璃真空窗口用于入射紫外單色光；光路切換機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)入控制臺、平面旋轉(zhuǎn)控制臺、超高真空穿艙結(jié)構(gòu)和平面反射鏡組成，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)入控制臺控制平面反射鏡上升或下降，平面旋轉(zhuǎn)控制臺控制平面反射鏡進(jìn)行左右旋轉(zhuǎn)，超高真空穿艙結(jié)構(gòu)保證旋轉(zhuǎn)導(dǎo)入控制臺、平面旋轉(zhuǎn)控制臺在外界的連接器不會產(chǎn)生漏氣，光路切換機(jī)構(gòu)通過對平面反射鏡的角度和高度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)真空環(huán)境下3 個光路的快速切換。

2.3 Y 型比較通道

Y 型真空倉的一字端與真空紫外-紫外單色輻射源系統(tǒng)連接，Y 型真空倉的分支分別與低溫輻射計和探測器真空倉連接。Y 型真空倉主要是由Y 型真空腔、真空機(jī)組、探測器真空倉、運(yùn)動控制部件組成，如圖6所示。真空倉有機(jī)械泵和分子泵兩級抽真空機(jī)組，使倉的真空度達(dá)到10?6Torr，提供低溫輻射計和探測器工作的高真空環(huán)境；探測器真空倉中裝有待校準(zhǔn)的傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測器，通過磁流體電機(jī)控制其平移；運(yùn)動控制部分通過精密電機(jī)控制低溫輻射計和傳遞探測器分時切入校準(zhǔn)光路，實(shí)現(xiàn)傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測器相對于低溫輻射計的絕對定標(biāo)。Y 型真空倉的設(shè)計使得低溫輻射計校準(zhǔn)傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測器時，校準(zhǔn)光路消除了低溫輻射計窗口反射損耗引入的不確定性。

2.4 探測器系統(tǒng)設(shè)計

探測器系統(tǒng)由斬波器、監(jiān)視探測器、紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測器組及其支架、被校準(zhǔn)探測器及其支架、一維電動平移臺等組成，斬波器、監(jiān)視探測器、紫外傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測器組、一維電動平移臺均安裝在探測器真空倉中，如圖7所示。根據(jù)測量探測器需要由計算機(jī)控制磁流體電機(jī)控制一維移動平臺移動將所需探測器移入測量光路。

3 測量結(jié)果及不確定度分析

3.1 測量結(jié)果

采用本文所述基于低溫輻射計的紫外波段絕對光譜響應(yīng)度標(biāo)準(zhǔn)裝置對美國McPherson 紫外硅增強(qiáng)型探測器在115 nm～230 nm 絕對光譜響應(yīng)度進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。

表1 紫外硅增強(qiáng)型探測器115 nm～230 nm 絕對光譜響應(yīng)度測試結(jié)果Table 1 Absolute spectral responsivity test results of UVenhanced silicon detector from 115 nm to 230 nm

對美國NIST 紫外硅增強(qiáng)型探測器在230 nm～400 nm 絕對光譜響應(yīng)度進(jìn)行測試，結(jié)果如表2所示。

表2 紫外硅增強(qiáng)型探測器230 nm～400 nm 絕對光譜響應(yīng)度測試結(jié)果Table 2 Absolute spectral responsivity test results of UVenhanced silicon detector from 230nm to 400 nm

3.2 不確定度分析

本裝置設(shè)計了多光源切換系統(tǒng)，在115 nm～230 nm 和230 nm～400 nm 波段，分別采用基于單色儀分光的真空紫外連續(xù)可調(diào)單色輻射源和激光驅(qū)動紫外可調(diào)單色輻射源作為紫外光源，二者引入的不確定度存在差異，因此需要分別評定。

傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測器量傳引入的不確定度評定數(shù)學(xué)模型見公式（1），根據(jù)不確定度傳播率，各輸入量彼此不相關(guān)，，靈敏系數(shù)均為1。

被測探測器光譜響應(yīng)度測量引入的不確定度評定數(shù)學(xué)模型見公式（2），根據(jù)不確定度傳播率，各輸入量彼此不相關(guān)時，；令則St(λ)=q(λ)·S(λ)，由于it(λ)與i(λ)是使用同一電流放大器和數(shù)字多用表測量得到，兩者為正強(qiáng)相關(guān)，靈敏系數(shù)均為1，得到uq(λ)=ui(λ)+uit(λ)，因此紫外探測器光譜響應(yīng)度測量不確定度評定結(jié)果如表3所示。

表3 紫外探測器絕對光譜響應(yīng)度測量不確定度評定一覽表Table 3 Measurement uncertainty of absolute spectral responsivity of ultraviolet detector

4 結(jié)論

本裝置在低溫輻射計基礎(chǔ)上，通過設(shè)計真空多光路切換系統(tǒng)、Y 型真空比較通道，實(shí)現(xiàn)了紫外探測器在115 nm～400 nm 范圍內(nèi)連續(xù)波長條件下絕對光譜響應(yīng)度的測量，使量限向真空紫外波段擴(kuò)展，測量不確定度得到改善。