宽波段太赫兹源辐射功率校准装置及校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学计量技术领域，主要涉及一种太赫兹源辐射功率校准装置，具体 为一种宽波段太赫兹源辐射功率校准装置及校准方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，太赫兹技术是国内外重点研宄的交叉性前沿高新技术，在安检、反恐、深 空探测、末端通信、医学、物质检测等领域有巨大的应用前景。其中太赫兹辐射源研制技术 列入国家重点基础研宄计划。太赫兹源的辐射功率的准确测量成为制约太赫兹源研制、生 产和应用中的关键难题。太赫兹源主要包括：太赫兹黑体、肖特基放大倍频太赫兹源、返波 管、太赫兹参量振荡器、太赫兹量子级联激光器（QCL)、耿氏振荡器、光电导脉冲太赫兹源 等。这几种太赫兹源覆盖了整个太赫兹波段（0. 1~10) THz，即（30~3000) ym、光束发散 角大于1.732°、辐射功率量值覆盖范围很宽。因此，在各种太赫兹源的研制、生产和应用过 程中，需要对各种太赫兹源的辐射功率参数进行校准，为太赫兹源研制中的辐射特性分析 及应用提供量值计量保障。
[0003] 目前，太赫兹源的辐射功率校准方法只有德国国家计量研宄所（PTB)进行了研 宄，研制了太赫兹源辐射功率校准系统。该系统由两套装置组成：第一套装置采用黑体作为 太赫兹辐射源，黑体发出的辐射经斩波器调制成周期性变化的方波，经过太赫兹光谱滤光 片入射到太赫兹探测器上，测量出太赫兹热释电探测器的响应度值。第二套装置包括太赫 兹量子级联太赫兹激光器、透镜和太赫兹热释电探测器；采用经过光谱响应度标定后的热 释电探测器对2. 5THz的QCL辐射源的辐射功率进行了测量，测量不确定度为14. 6% (k = 2)。该功率值由透镜的视场、透过率、热释电探测器的太赫兹响应度计算得到。
[0004] 但是该系统在室内环境下测量，红外杂散背景辐射对测量造成干扰，降低了太赫 兹辐射功率测量准确度，此外由于热释电探测器在太赫兹波段的响应度本身比较低，所以 该系统不能实现弱太赫兹源辐射功率参数的校准。
【发明内容】
[0005] 为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种宽波段太赫兹源辐射功率校准装 置及校准方法。采用标准太赫兹源和待测太赫兹源的辐射参数比对测量方法，使用工作在 4. 2K温度下的Bolometer太赫兹探测器和其光锥耦合光学系统，提高了对各种宽波段大动 态范围太赫兹源的辐射功率测量准确度，且在测量时采用真空低背景通道屏蔽杂散辐射， 采用光学系统会聚太赫兹辐射，相比于德国PTB的装置在常温环境中测量提高了测量信噪 比。
[0006]本发明的技术方案为：
[0007]所述一种宽波段太赫兹源辐射功率校准装置，其特征在于：包括光源系统、光学系 统、探测系统和数据处理模块；所述光源系统包括标准太赫兹辐射源、低温辐射黑体、标定 黑体、待测太赫兹源；所述光学系统包括可旋转升降的平面反射镜、用于将太赫兹辐射调 制成周期性变化方波的斩光片、卡塞格林系统、太赫兹窄带光谱滤光片转轮、真空低背景通 道；所述探测系统包括参考太赫兹探测器、锁相放大器；
[0008] 旋转升降的平面反射镜、用于将太赫兹辐射调制成周期性变化方波的斩光片、卡 塞格林系统、太赫兹窄带光谱滤光片转轮、参考太赫兹探测器处于真空低背景通道中；平面 反射镜处于光源系统与卡塞格林系统之间的光路中，能够根据需要控制标准太赫兹辐射源 或待测太赫兹源或标定黑体进入光路；标准太赫兹辐射源、低温辐射黑体、标定黑体、待测 太赫兹源均位于卡塞格林系统的物平面上；斩光片处于光源系统与卡塞格林系统之间的光 路中，斩光片按照设定频率旋转，将标准太赫兹源辐射信号、待测太赫兹源辐射信号、标定 黑体辐射信号中的某一辐射信号与低温辐射黑体辐射参考信号交替引入光路；卡塞格林系 统将汇聚的光斑透过太赫兹窄带光谱滤光片转轮后进入参考太赫兹探测器，参考太赫兹探 测器的输出信号经锁相放大器输入给数据处理模块。
[0009] 根据上述技术方案的第一优选方案，所述一种宽波段太赫兹源辐射功率校准装 置，其特征在于：标定黑体包括镓熔点黑体和铟凝固点黑体，镓熔点黑体辐射信号和铟凝固 点黑体辐射信号能够受控单独进入光路。
[0010] 根据上述第一优选方案的第二优选方案，所述一种宽波段太赫兹源辐射功率校准 装置，其特征在于：标准太赫兹辐射源分为用于提供弱太赫兹辐射的太赫兹变温黑体和用 于提供强太赫兹辐射的太赫兹肖特基放大倍频源；参考太赫兹探测器分为Bolometer探测 器和Thomas热探测器；当标准太赫兹源采用太赫兹变温黑体时，参考太赫兹探测器采用 Bolometer探测器，标准太赫兹源采用太赫兹肖特基放大倍频源时，参考太赫兹探测器采用 Thomas热探测器；光学系统中还包括Bolometer光锥親合系统，Bolometer光锥親合系统 包括球面反射镜、抛物面反射镜，Bolometer光锥耦合系统将接收的卡塞格林系统会聚的光 斑，变为平行光入射到Bolometer探测器内部的光锥前端面上；Bolometer光锥耦合系统处 于真空低背景通道中。
[0011] 根据上述第一优选方案的第三优选方案，所述一种宽波段太赫兹源辐射功率校准 装置，其特征在于：标准太赫兹辐射源分为用于提供弱太赫兹辐射的太赫兹变温黑体和用 于提供强太赫兹辐射的太赫兹肖特基放大倍频源；参考太赫兹探测器分为Golay探测器和 Thomas热探测器；当标准太赫兹源采用太赫兹变温黑体时，参考太赫兹探测器采用Golay 探测器，标准太赫兹源采用太赫兹肖特基放大倍频源时，参考太赫兹探测器采用Thomas热 探测器。
[0012] 根据上述第二优选方案或第三优选方案的第四优选方案，所述一种宽波段太赫兹 源辐射功率校准装置，其特征在于：太赫兹肖特基放大倍频源和待测太赫兹源处于前置密 封罐中，前置密封罐通过太赫兹透射窗口与真空低背景通道连通，太赫兹肖特基放大倍频 源辐射信号和待测太赫兹源辐射信号能够受控单独进入光路。
[0013] 第五优选方案，所述一种宽波段太赫兹源辐射功率校准装置，其特征在于：低温辐 射黑体采用液氮制冷黑体，真空低温背景通道壳体分为两层，壳体内外层之间通过注入液 氮制冷，真空低温背景通道真空度至少达到l〇_ 4mbar。
[0014] 所述一种利用上述第二优选方案的一种宽波段太赫兹源辐射功率校准方法，其特 征在于：包括以下步骤：
[0015] 步骤1 :根据待测太赫兹源的辐射功率选择采用太赫兹变温黑体作为标准太赫兹 辐射源或采用太赫兹肖特基放大倍频源作为标准太赫兹辐射源；若采用太赫兹变温黑体作 为标准太赫兹辐射源，则进入以下步骤2,若采用太赫兹肖特基放大倍频源作为标准太赫兹 辐射源，则进入以下步骤3;
[0016] 步骤2:弱太赫兹辐射源辐射功率校准：
[0017] 步骤2. 1:利用标定黑体对太赫兹变温黑体温度进行标定：
[0018] 步骤2. 1. 1 :关闭标准太赫兹辐射源、标定黑体、待测太赫兹源，斩光片以设定频 率将真空低温背景通道的背景辐射和低温辐射黑体的辐射交替引入光路，光路中的太赫兹 窄带光谱滤光片转轮选择为通孔，并由Bolometer探测器接收，Bolometer探测器的输出信 号经锁相放大器后得到背景辐射电压信号m = 1，2,…，M，M为测量次数；
[0019] 步骤2. 1.2:打开第一标定黑体，并将第一标定黑体辐射信号引入光路，斩光片以 设定频率将第一标定黑体辐射信号和低温辐射黑体的辐射信号交替引入光路，光路中的太 赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为通孔，并由Bolometer探测器接收，Bolometer探测器的输 出信号经锁相放大器后得到电压信号V lV所述第一标定黑体为镓熔点黑体或铟凝固点黑 体；
[0020] 步骤2. 1. 3 :打开第二标定黑体，并将第二标定黑体辐射信号引入光路，斩光片以 设定频率将第二标定黑体辐射信号和低温辐射黑体的辐射信号交替引入光路，光路中的太 赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为通孔，并由Bolometer探测器接收，Bolometer探测器的输 出信号经锁相放大器后得到电压信号'^所述第二标定黑体为镓熔点黑体或铟凝固点黑 体，且第二标定黑体不同于第一标定黑体；
[0021] 步骤2. 1.4 :打开太赫兹变温黑体，将太赫兹变温黑体温度调整为，并将太赫兹 变温黑体辐射信号引入光路；
[0022] 步骤2. 1. 5 :斩光片以设定频率将太赫兹变温黑体辐射信号和低温辐射黑体的辐 射信号交替引入光路，光路中的太赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为通孔，并由Bolometer 探测器接收，Bolometer探测器的输出信号经锁相放大器后得到电压信号；
[0023] 步骤2. 1. 6 :改变太赫兹变温黑体温度，重复步骤2. 1. 5,得到Bolometer探测器的 输出信号经锁相放大器后的电压信号￥。_，"1〇\)，i = 1，2,…，Y;Y为选用的太赫兹变温黑 体的温度点数；
[0024] 步骤2. 1. 7 :根据以下公式得到太赫兹变温黑体温度为时的标定温度T/:
【主权项】
1. 一种宽波段太赫兹源辐射功率校准装置，其特征在于：包括光源系统、光学系统、探 测系统和数据处理模块；所述光源系统包括标准太赫兹辐射源、低温辐射黑体、标定黑体、 待测太赫兹源；所述光学系统包括可旋转升降的平面反射镜、用于将太赫兹辐射调制成周 期性变化方波的斩光片、卡塞格林系统、太赫兹窄带光谱滤光片转轮、真空低背景通道；所 述探测系统包括参考太赫兹探测器、锁相放大器； 旋转升降的平面反射镜、用于将太赫兹辐射调制成周期性变化方波的斩光片、卡塞格 林系统、太赫兹窄带光谱滤光片转轮、参考太赫兹探测器处于真空低背景通道中；平面反射 镜处于光源系统与卡塞格林系统之间的光路中，能够根据需要控制标准太赫兹辐射源或待 测太赫兹源或标定黑体进入光路；标准太赫兹福射源、低温福射黑体、标定黑体、待测太赫 兹源均位于卡塞格林系统的物平面上；斩光片处于光源系统与卡塞格林系统之间的光路 中，斩光片按照设定频率旋转，将标准太赫兹源辐射信号、待测太赫兹源辐射信号、标定黑 体辐射信号中的某一辐射信号与低温辐射黑体辐射参考信号交替引入光路；卡塞格林系统 将汇聚的光斑透过太赫兹窄带光谱滤光片转轮后进入参考太赫兹探测器，参考太赫兹探测 器的输出信号经锁相放大器输入给数据处理模块。
2. 根据权利要求1所述一种宽波段太赫兹源辐射功率校准装置，其特