基于可调谐激光的光谱辐射照度响应度定标

吴志峰，代彩红，赵伟强，徐 楠，李 玲，王彦飞，林延东

中国计量科学研究院光学与激光计量科学研究所，北京 100029

引 言

1900年普朗克解释了黑体的光谱辐射定律，标志着量子力学的开始； 同时也是新的光谱辐射度开端，黑体被广泛应用于光谱辐射测量。我国的光谱辐射亮度和光谱辐射照度溯源至国家基准光源高温黑体BB3500M，通常采用钨带灯保存250～2 500 nm的光谱辐射亮度，采用1 000 W溴钨灯和氘灯分别保存250～2 500和200～350 nm的光谱辐射照度[1-2]。20世纪50年代，同步辐射的发现使得同步辐射源成为重要的光谱辐射源。美国国家标准与技术研究院和德国联邦物理技术研究院都开展了基于同步辐射的辐射度计量研究[3-5]。黑体和同步辐射都采用光源保存量值，开展量值传递。20世纪低温辐射计和陷阱探测器的发明，使得以探测器保存量值成为可能。20世纪90年代以来，波长可调谐商用激光器的问世大大扩展了激光的光谱覆盖范围，可调谐激光器和低温辐射计的结合带来了辐射度测量的新变革。

传统的探测器光谱响应度定标通常采用连续光源经单色仪分光后形成单色辐射源测量。而黑体辐射源、溴钨灯、氘灯等光源分光后的单色辐射功率较低，远低于单波长激光的功率。单色仪分光方法测量的动态范围受到限制，测量不确定度较大。采用激光光源，可以将量值溯源至低温辐射计系统。英国国家物理实验室与世界辐射中心开展了多次的太阳辐射照度量值比对。英国国家物理实验室将太阳辐射计的量值通过陷阱探测器溯源至低温辐射计，测量不确定度显著优于世界辐射中心结果[6-7]。美国国家标准与技术研究院和德国联邦物理技术研究院分别建立了基于激光器的辐射照度响应度和辐射亮度响应度的测量装置[8-11]。根据被测探测器和标准探测器在激光辐射测量系统下的信号比值，标定被测探测器的响应度。现有激光器技术使得激光波长可以提供宽范围的光谱输出，未来基于可调谐激光的光谱测量在大量值、高准确度测量方面具有很大的应用前景。

1 实验部分

图1给出了基于可调谐激光器的光谱辐射照度响应度测量装置的示意图。装置由可调谐激光器、探测器和信号采集测试系统共同组成。可调谐激光器可以输出210～2 400 nm激光，脉冲宽度约5 ns，重复频率1 000 Hz。激光通过光纤耦合输出模块实现光纤输出，激光光纤采用SMA接口连接至直径50 mm的积分球。为避免激光的干涉效应，光纤放入超声池中振荡消除干涉。激光积分球出光口直径10 mm。经积分球匀光后，形成均匀的单色激光辐射亮度源。标准探测器和被测探测器同时安装在二维电控位移平台上。通过自动化控制，使得积分球出光口出射的光辐射先后正入射在标准探测器和被测探测器接收平面中心。监视探测器用于监控标准探测器和被测探测器Detector under test(DUT)数据采集时激光功率的起伏。信号采集时，标准探测器或被测探测器和积分球出光口距离500 mm。探测器正前方放置直径5 mm圆形光阑，光阑尺寸小于探测器有效接收尺寸。标准探测器的光谱响应度直接溯源至低温辐射计，结合光阑有效通光面积，采用式(1)计算，可以得到标准探测器的光谱辐射照度响应度。

RIrradiance(λ)=Rpower(λ)Saperture

(1)

其中，Rpower(λ)是探测器的光谱功率响应度，Saperture是光阑有效通光面积，RIrradiance(λ)是探测器的光谱辐射照度响应度。根据相同条件下被测探测器和标准探测器的信号比值，可以测得被测探测器的光谱辐射照度响应度。

图1 光谱辐射照度响应度测量装置示意图Fig.1 Diagram of spectral irradiance responsivitymeasurement facility

2 结果与讨论

2.1 标准探测器标定

标准探测器和被测探测器都采用陷阱探测器结构[12]，由三片式18 mm×18 mm的无窗硅光电探测器组成。第一、二片硅探测器平面与入射光方向呈45°角，第三片硅探测器垂直入射光路方向，有效工作面积183 mm2。对于三片式陷阱探测器，入射光经历5次硅探测器吸收，剩余的反射光沿原光路返回，陷阱探测器吸收的量子效率由式(2)给出

QE(λ)=1-(1-ρ(λ))5

(2)

其中，ρ(λ)是探测器在波长λ处的吸收率，QE(λ)是探测器在波长λ处的量子效率。

图2给出了标准探测器在10个波长的功率响应度和量子效率。其中，左侧纵坐标对应功率响应度，右侧纵坐标对应量子效率。标准探测器的功率响应度近似为直线，量子效率曲线在400～500 nm波长范围内变化幅度稍大，波长大于500 nm后，量子效率曲线变得较为平坦。由于标准探测器的功率响应度仅在特定波长溯源至低温辐射计，400～900 nm范围其他波长的功率响应度必须通过数学插值计算。为评估数据插值可能引入的偏差，将数据插值结果同实验数据进行对比。实验上采用溴钨灯结合双单色仪测量了标准探测器同型号单片硅探测器的响应度，测量波长间隔5 nm； 然后选取了图2中10个波长下的光谱功率响应度，采用3次样条法插值成5 nm间隔。最后根据光谱响应度测量和数据插值得到的光谱响应度，分别计算各自对应的光谱吸收率，并采用式(2)计算相应的量子效率。

图2 标准探测器的功率响应度和量子效率Fig.2 Power responsivity and quantumefficiency of standard detector

图3给出了两种方法得到的量子效率之差。从图3可以看出，在400～450 nm数据插值结果较光谱响应度测量偏差较大，最高可达0.074%； 在450～900 nm两种方法的最大偏差明显变小，最大为-0.027%。对比图2，探测器在400～450 nm量子效率上升较明显、变化大，插值引入的偏差略

图3 光谱响应度测量和数据插值计算的量子效率差异Fig.3 The quantum efficiency difference betweenexperiment and numerical interpolation

大； 而探测器在450～900 nm量子效率曲线逐渐平坦，插值引入的偏差更小。采用插值法进行陷阱探测器光谱功率响应度的计算原理上可行，在450～900 nm插值计算引入的误差小于万分之三。

2.2 测量重复性

实验采用的激光脉冲频率1 000 Hz，无法采用功率稳定器稳定。为解决由于激光稳定性带来的影响，采用Zong提出的电荷积分法测量[9]。采用电子快门，控制探测器接收的激光照射时间。静电计信号采集通过电压反馈电路设置精密电容实现测量，实验测量的时间控制在2～10 s，静电计测量的电荷数在0.1～1 μC。实验共采用3块静电计，分别记录标准探测器、被测探测器和监视探测器采集的电荷。

Q∝∬R(λ)E(λ)dSdt

(3)

(4)

表1给出了不同激光波长下测量重复性带来的相对实验标准偏差。当波长小于405 nm时，相对标准偏差为0.10%； 当波长处于405～900 nm波段，相对标准偏差<0.01%。由于可调谐激光器在405 nm以下波长通过倍频实现，激光功率明显偏小，测量的信噪比较差。

表1 重复性标准偏差Table 1 Standard deviation of repetition

2.3 探测器非线性测量

标准陷阱探测器直接溯源至低温辐射计，定标时激光功率约为0.4 mW。氦氖激光照射下，电流信号约为0.2 mA。而光谱辐射照度响应度测量装置将激光导入积分球后测量，探测器的平均电流信号约为10～100 nA，涉及4个数量级的变化。如果直接使用低温辐射计标定的标准探测器量传，必须考察标准探测器线性带来的测量不确定度。实验采用激光双光路法，根据国际照明协会推荐的式(5)计算非线性系数。

(5)

其中，I1和I2是两路光分别照射探测器时的信号，I1+2是两路光同时照射探测器时的信号。

实验测量了450，632.8和850 nm波长下探测器的非线性系数。首先采用激光功率稳定器将激光稳定在优于0.01%的水平，然后采用两个格兰棱镜调节激光功率。非线性测量装置可以实现6个量级的激光功率变化。最后采用两个半透半反镜进行激光分光和合束[13]。非线性系数测量按照双光路电流0.2,0.1,0.05 mA，…测量，直至约6 nA。图4给出了氦氖激光波长632.8 nm照射下测量得到的探测器非线性系数，近5个量级的非线性系数都小于0.01%。

标准探测器溯源至低温辐射计时电流约为0.2 mA，非线性修正系数初始修正值为1。对于其他电流下的非线性修正，由式(6)给出[14]

(6)

图4 探测器非线性系数Fig.4 The nonlinear coefficient of detector

低温辐射计标定标准探测器时采用的是连续波激光，而辐射照度响应度量值传递采用的是脉冲激光。实验采用450，632.8和850 nm激光进行光谱辐射照度响应度验证试验，与采用可调谐脉冲激光标定的差异小于0.02%。结果表明对于新建装置中使用的标准探测器，连续波激光非线性实验适用于脉冲激光的光谱非线性评价。

2.4 探测器均匀性

低温辐射计标定标准探测器时采用功率模式，标准探测器进行光谱辐射照度响应度量传时，探测器的接收模式为照度模式。标准探测器功率模式和照度模式下的电流信号分别由式(7)和式(8)描述。

iP=PER(x0,y0)

(7)

(8)

其中，iP是探测器在功率模式下的电流，iE是探测器在照度模式下的电流，PE是探测器测量的激光功率，R(x0,y0)是探测器在位置(x0,y0)的功率响应度，E(x,y)是探测器在位置(x,y)的辐射照度，R(x,y)是探测器在位置(x,y)的功率响应度。R(x,y)在接收面积内的一致性对于量值传递至关重要。实验分别测量了探测器在450，632.8和850 nm下的均匀性。将探测器固定在二维电控位移平台，经激光功率稳定器稳定后的激光照射在探测器上，扫描探测器在5 mm×5 mm面积内的信号，步进间隔0.5 mm。图5给出了632.8 nm下标准探测器的面均匀性。可以看到，正方形面积内的最大偏差小于0.03%。而光谱辐射照度响应度测量装置在探测器前放置直径5 mm圆形光阑，探测器中心直径5 mm内响应度的最大偏差小于0.03%。

图5 标准探测器响应度面均匀性Fig.5 Responsivity uniformity of standard detector

2.5 测量不确定度评定

测量不确定度来源包括： 探测器量值溯源，探测器非线性，探测器均匀性，激光波长，测量重复性，电流表读数等。表2给出了辐射照度响应度校准的测量不确定度。

为了检验激光光谱辐照度响应度测量装置的适用性，采用传统标准灯-单色仪光谱响应度测量装置进行比对实验。选取两种不同型号的探测器A和探测器B，400～900 nm波长范围内两个探测器的光谱功率响应度比值从0.5变化到1.31。首先，利用探测器A和传统光谱响应度装置去标定探测器B的光谱功率响应度。然后，采用探测器A和激光光谱辐射照度响应度测量装置去标定探测器B的光谱功率响应度。在450～900 nm波长范围内，两种方法标定的偏差普遍位于0.30%～0.65%； 在400～450 nm波长范围，偏差位于0.60%～0.95%。两者之间的整体差异可能源于传统光谱响应度测量装置的测量水平。另一方面，实验使用的激光为1 000 Hz脉冲激光，而标准灯光源为连续光源，两种光源特性的不同也可能对测量偏差有影响。从结果来看，两种方法测量的整体偏差全部位于传统光谱响应度装置的测量不确定度内，证实了两种方法的一致性。

表2 光谱辐射照度响应度校准测量不确定度Table 2 The uncertainty of spectral irradianceresponsivity calibration

3 结 论

实验建立了一套基于可调谐激光器的辐照度响应度测量装置，将量值溯源至低温辐射计系统，可以大大降低辐射照度响应度的测量不确定度。采用可调谐激光器结合积分球形成均匀的单色辐射源，通过对比标准探测器和被测探测器的光谱响应，可以实现被测探测器的光谱辐射照度响应度的量值标定。如果将激光导入较大尺寸的积分球作为辐射亮度源，并设置探测器的接收立体角，该装置可以实现光谱辐射亮度响应度标定。激光光谱辐射照(亮)度响应度装置可以广泛应用于探测器的高精度辐射定标，支撑高精度光学遥感辐射测量。