专利名称：一种辐亮度定标方法及激光光源、黑体辐射源定标系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学辐射度学技术领域，尤其是一种利用参量放大技术进行辐亮度定 标的方法及系统，具体为一种辐亮度定标方法及激光光源、黑体辐射源定标系统。
背景技术：
辐亮度作为辐射度学中的一个基本物理量，在光学计量领域有着重要的地位。按 照初级标准的不同，可以将辐亮度定标分为两类基于标准辐射源和基于标准探测器。NIST 曾做过两种方法辐亮度定标结果的比对，其一致性达到了 0. 5 %以内。基于探测器定标方法 是伴随着低温辐射计和标准探测器而发展起来的，它的出现缩短了标准传递链。另外低温 绝对辐射计的测量精度目前也是公认为最高的。因此，基于探测器的辐亮度定标方法比基 于辐射源的定标方法有更高精度。上面介绍的两种辐亮度定标方法有几个共同点一、都存在一个初级标准，基于辐 射源方法的初级标准是金点黑体，基于探测器方法的是低温辐射计。这两种初级标准源的 精度直接对后面的定标精度有决定性的影响。二、都需要标准传递链，即将初级标准进行逐 级的传递。每级传递链的引入都会使传递的不确定度增大。此外，在基于探测器的测量方 法中，还需要对孔径面积进行测量，这一步骤也不可避免的会带来不确定度。因此，从二十 世纪六、七十年代开始，就开始建立一种不依赖于初级标准和传递链的绝对定标方法。这种 方法的基本原理是随着参量下转换在光辐射计量领域中的应用不断发展起来的，目前还正 处于积极研究当中。参量放大技术用于辐亮度定标的实验研究开始于上个世纪九十年代。1998年， 美国OTST研究小组进行了氩弧灯的辐亮度测量，并将测量结果与传统的辐亮度测量结果 进行比对，结果表明两种方法的一致性达到了 3%以内，从而验证了此种方案的可行性；随 后，意大利的IEN研究小组利用该技术测量了激光的单色辐亮度，但没有报道测量的不确定度。目前辐亮度定标过程中一般采用通道式辐亮度计作为标准传递探测器，将最高精 度的标准传递给用户传感器，需要将低温辐射计功率标准传递到亮度标准，即需要对通道 式辐亮度计的绝对功率响应度和限制其视场的几何因子进行高精度测量。在红外波段，红 外探测器是限制辐亮度测量精度有效提高的主要因素，主要在于(1)由于受工作环境温 度的影响，通常情况下红外探测器的探测率低于可见探测器，这就造成较差的等效噪声功 率；(2)由于红外器件的结构非均勻性、光敏面的不完整性、非线性等原因，器件之间的个 别差异明显，影响了标准量值传递的可靠性；(3)红外探测器往往需要配置复杂和昂贵的 制冷器件，这显著限制了它们在不同工作平台的应用可行性。
发明内容
本发明的目的是提供一种辐亮度定标方法及激光光源、黑体辐射源定标系统，以 解决传统的定标方法和定标系统需要配备制冷器件，体积较大，功耗较高，且定标不准确的问题。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为一种辐亮度定标方法，其特征在于采用固体钛宝石激光器作为发射信号光的泵 浦光源，采用非线性参量介质作为对入射光放大并受激产生受激光的转换介质，采用光子 计数型探测器接收转换介质的受激光，光子计数型探测器电连接有计数器；首先泵浦光源的信号光入射至非线性参量介质，非线性参量介质对信号光放大并 产生受激光，光子计数型探测器接收受激光，计数器对入射至光子计数型探测器的受激光 产生的光子进行计数；然后引入待定标光源，待定标光源的出射光和信号光合为一路入射 至转换介质，转换介质对待定标光源的出射光和信号光放大并产生受激光，光子计数型探 测器接收受激光，计数器对入射至光子计数型探测器的受激光产生的光子进行计数；将引 入待定标光源时的光子数比上未引入待定标光源时的光子数，得到的比值可作为待定标光 源的定标值。所述的一种辐亮度定标方法，其特征在于所述非线性参量介质为BB0晶体或 LiNb03晶体；所述光子计数型探测器为光子计数型雪崩二极管或光子计数型光电倍增管， 所述计数器为994计数器。 一种黑体辐射源定标系统，其特征在于包括有待定标的黑体辐射源，开有入光口 的暗箱，所述黑体辐射源的出射光光路上依次设置有快门、滤光片、反射面朝向暗箱入光口 的二向色镜，所述黑体辐射源的出射光依次经过快门、滤光片并透射过所述二向色镜后入 射至暗箱入光口 ；还包括有泵浦光源，所述泵浦光源的出射光光路前方设置有反射镜，反射 镜的反射光路上设置有反射面朝向所述二向色镜的毛玻璃片，毛玻璃片和二向色镜之间的 光路上依次设置有衰减器、起偏器、激光功率控制器、半波片，泵浦光源出射光经过反射镜、 毛玻璃片两次反射后，依次经过所述衰减器、起偏器、激光功率控制器、半波片后，入射至所 述二向色镜的反射面，并被二向色镜反射，反射光与黑体辐射源透射过二向色镜的透射光 合为一路入射至暗箱入光口 ；所述暗箱中设置有LiNb03晶体，所述LiNb03晶体受激面朝向 暗箱入光口接收入射至暗箱入光口的入射光，位于LiNb03晶体受激光出射光路上设置有多 个窄带滤光片、位于相邻窄带滤光片之间的截止滤光片，暗箱中还设置有光电计数型探测 器，以及接入光电计数型探测器的光纤，所述光纤的光接收端设置有耦合透镜，所述光电计 数型探测器与暗箱外部的计数器电连接，LiNb03晶体产生的受激光依次经过所述窄带滤光 片、相邻窄带滤光片之间的截止滤光片后，入射至耦合透镜进入光纤，通过光纤传送至光电 计数型探测器。所述的一种黑体辐射源定标系统，其特征在于所述泵浦光源采用532nm的固体 钛宝石激光器，所述光电计数型探测器采用光子计数型雪崩二极管，所述计数器为994计 数器。一种激光光源定标系统，其特征在于包括有待定标的激光光源，开有入光口的暗 箱，所述激光光源出射光路上依次设置有衰减片、激光功率控制器、半波片、快门、分束镜， 所述分束镜反射面朝向暗箱入光口，激光光源的出射光依次经过衰减片、激光功率控制器、 半波片、快门后入射至分束镜的反射面，被分束镜反射至暗箱入光口 ；还包括有泵浦光源， 所述分束镜位于泵浦光源出射光路上，泵浦光源和分束镜之间的泵浦光源光路上依次设置 有毛玻璃片、半波片，泵浦光源的出射光依次透射过毛玻璃片、半波片，再透射过所述分束
5镜后与激光光源被分束镜反射的反射光合为一路入射至暗箱入光口 ；所述暗箱中设置有 BB0晶体，所述BBP晶体受激面朝向暗箱入光口接收入射至暗箱入光口的入射光，位于BB0 晶体受激光出射光路上设置有截止滤光片、反射面朝向截止滤光片的二向色镜，暗箱中还 设置有与暗箱外部的计数器电连接的光电计数型探测器，所述光电计数型探测器位于二向 色镜的反射光路上，二向色镜和光电计数型探测器之间依次设置有窄带干涉滤光片，BB0晶 体产生的受激光经过所述截止滤光片后，入射至二向色镜并被二向色镜反射，反射光经过 窄带干涉滤光片后被光电计数型探测器接收。所述的一种激光光源定标系统，其特征在于所述毛玻璃片反射面一侧设置有监 视探测器，泵浦光源的出射光一部分被毛玻璃片反射至监视探测器。所述的一种激光光源定标系统，其特征在于所述暗箱中位于二向色镜透射光路 上设置有光吸收池，透射过所述二向色镜的透射光入射至光吸收池。所述的一种激光光源定标系统，其特征在于所述泵浦光源采用355nm的固体钛 宝石激光器，所述光电计数型探测器采用光子计数型光电倍增管，所述计数器为994计数
o本发明利用固体钛宝石激光器作为泵浦光源(355nm、532nm)，选用BBO、LiNb03 作为非线性参量转换介质，选用光子计数型光电倍增管(R2949)、雪崩光电二极管 (SPCM-AQRH-15)作为探测设备，选用994计数器作为自发和受激情况下的计数器。分别用 于测量激光光源和中高温黑体辐射源的单色辐亮度，报道的定标不确定度优于5. 5%。本发明采用钛宝石激光器倍频后输出的355nm激光器作为光源，泵浦非线性BB0 晶体，产生532nm和1064nm的相关光子对，并采用了截止滤光片、二向色镜和窄带滤光片的 组合方式实现了 532nm的信号光和355nm泵浦光的分离，定标了 1064nm单波长激光器的辐 亮度，获得了优于5. 5%的定标不确定度，利用晶体的角度调谐技术可以实现1…3 y m的光 源的单色辐亮度的连续定标。本发明采用大功率的532nm激光器作为光源，泵浦非线性LiNb03晶体，产生633nm 和3340nm的相关光子对，利用中温黑体辐射源在1250°C作为激励源，并采用窄带滤光片、 截止滤光片和窄带滤光片的组合方式实现633nm信号光和532nm泵浦光的分离，定标黑体 辐射源在3340nm的单色辐亮度，获得了优于2. 2 %的定标不确定度，利用晶体的角度调谐 技术可以实现3…5 y m的光源的单色辐亮度的连续定标。本发明采用宽带通窄带干涉滤光片(lOnm)、长通滤光片、窄带通干涉滤光片 (3nm)组合方式来获得高噪声抑制(< 10_9)的信号探测效果。本发明采用的BB0晶体和LiNb03晶体的自发参量下转换效率分别达到了 10_9和 10_12量级。本发明利用自发参量下转换过程形成的相关光子的高度相关特性，在其中一个相 关光子(如信号光子)上注入波长、角度和偏振方向相一致的待测辐射源，就可以在另一个 相关光子(如空闲光子)上产生受激放大的空闲光子，通过待测辐射源注入前后，空闲光子 的受激辐射通量与自发辐射通量的比率即可获得与信号波段相匹配的单位模式光子数，即 容易推算待测辐射源的单色辐亮度值，这种新型定标技术不需要建立高精度的初级标准以 及标准传递链，不需要对探测器进行高精度定标，只要在受激辐射测量和自发辐射测量过 程中探测器是线性即可，由于采用可见光探测器取代传统的红外探测器，因此探测器在常温下即可工作，另外它不需要定标几何因子，减小了红外定标系统的体积、功耗等。本发明可以实现对一定范围内的激光光源和连续光源的单色辐亮度进行定标，从 目前的定标结果来看，其定标精度优于5. 5%，满足用户遥感器在1…3 y m和3…5 y m波 段的定标需求。本发明成功实现了对1064nm的激光光源的单色辐亮度定标，并报道了优 于5. 5%的定标不确定度。本发明也成功实现了对中温黑体辐射源(温度为1250°C )、在 3340nm波段的单色辐亮度的绝对定标，并报道了优于2. 2%的定标不确定度。
图1为一种黑体辐射源定标系统光路示意图。图2为一种激光光源定标系统光路示意图。
具体实施例方式如图1所示。一种黑体辐射源定标系统，包括有待定标的黑体辐射源1，开有入光 口的暗箱2，黑体辐射源1的出射光光路上依次设置有快门3、滤光片4、反射面朝向暗箱1 入光口的二向色镜5，黑体辐射源1的出射光依次经过快门3、滤光片4并透射过二向色镜 5后入射至暗箱2入光口 ；还包括有泵浦光源6，泵浦光源6采用532nm的固体钛宝石激光 器，泵浦光源6的出射光光路前方设置有反射镜7，反射镜7的反射光路上设置有反射面朝 向二向色镜5的毛玻璃片8，毛玻璃片8和二向色镜5之间的光路上依次设置有衰减器9、 起偏器10、激光功率控制器11、半波片12，泵浦光源6出射光经过反射镜7、毛玻璃片8两 次反射后，依次经过衰减器9、起偏器10、激光功率控制器11、半波片12后，入射至二向色 镜5的反射面，并被二向色镜5反射，反射光与黑体辐射源透射过二向色镜的透射光合为一 路入射至暗箱2入光口 ；暗箱2中设置有LiNb03晶体13，LiNb03晶体13受激面朝向暗箱 2入光口接收入射至暗箱2入光口的入射光，位于LiNb03晶体13受激光出射光路上设置有 两个窄带滤光片14、14-1、位于相邻窄带滤光片14、14-1之间的截止滤光片15，暗箱2中还 设置有光电计数型探测器16，以及接入光电计数型探测器16的光纤17，光电计数型探测器 16采用光子计数型雪崩二极管，光纤17的光接收端设置有耦合透镜18，光电计数型探测器 16与暗箱2外部的计数器19电连接，计数器19为994计数器，LiNb03晶体13产生的受激 光依次经过窄带滤光片14、14-1、相邻窄带滤光片14、14-1之间的截止滤光片15后，入射至 耦合透镜18进入光纤17，通过光纤17传送至光电计数型探测器16。选用532nm的激光光源作为泵浦源，经衰减、起偏、功率稳定后入射到LiNb03晶体 的前端面，黑体辐射源经带通滤光片后与泵浦光源共线入射到晶体的前端面，经窄带滤波、 截止滤波、窄带滤波后耦合到光纤中，并最终用光子计数型雪崩二极管进行探测，选用994 计数器累积光子计数器输出的光电子脉冲。如图2所示。一种激光光源定标系统，包括有待定标的激光光源20，开有入光口 的暗箱21，激光光源20出射光路上依次设置有衰减片22、激光功率控制器23、半波片24、 快门25、分束镜26，分束镜26反射面朝向暗箱21入光口，激光光源20的出射光依次经过 衰减片22、激光功率控制器23、半波片24、快门25后入射至分束镜26的反射面，被分束镜 26反射至暗箱21入光口 ；还包括有泵浦光源27，泵浦光源27采用355nm的固体钛宝石激 光器，分束镜26位于泵浦光源27出射光路上，泵浦光源27和分束镜26之间的泵浦光源26
7光路上依次设置有毛玻璃片28、半波片29，泵浦光源27的出射光依次透射过毛玻璃片28、 半波片29，再透射过分束镜26后与激光光源20被分束镜26反射的反射光合为一路入射至 暗箱21入光口 ；暗箱21中设置有BB0晶体30，BBP晶体30受激面朝向暗箱21入光口接收 入射至暗箱21入光口的入射光，位于BB0晶体30受激光出射光路上设置有截止滤光片31、 反射面朝向截止滤光片31的二向色镜32，暗箱21中还设置有与暗箱21外部的计数器33 电连接的光电计数型探测器34，光电计数型探测器34采用光子计数型光电倍增管，计数器 33为994计数器。光电计数型探测器34位于二向色镜32的反射光路上，二向色镜32和光 电计数型探测器34之间依次设置有窄带干涉滤光片35，BB0晶体30产生的受激光经过截 止滤光片31后，入射至二向色镜32并被二向色镜32反射，反射光经过窄带干涉滤光片35 后被光电计数型探测器34接收。毛玻璃片28反射面一侧设置有监视探测器36，泵浦光源27的出射光一部分被毛 玻璃片28反射至监视探测器36。暗箱21中位于二向色镜32透射光路上设置有光吸收池 37，透射过二向色镜32的透射光入射至光吸收池37。选用355nm的可调谐激光器作为泵浦光源，经半波片后入射到晶体的前端面， 1064nm的激光光源经衰减、激光功率控制后共线入射到BB0晶体的前端面，经晶体的参量 转换后，产生受激放大的532nm的可见参量下转换光子，经截止滤光片、二向色镜以及窄带 干涉滤光片滤波后入射到光子计数型光电倍增管上，选用994计数器累积光子计数器输出 的光电子脉冲。
权利要求
一种辐亮度定标方法，其特征在于采用固体钛宝石激光器作为发射信号光的泵浦光源，采用非线性参量介质作为对入射光放大并受激产生受激光的转换介质，采用光子计数型探测器接收转换介质的受激光，光子计数型探测器电连接有计数器；首先泵浦光源的信号光入射至非线性参量介质，非线性参量介质对信号光放大并产生受激光，光子计数型探测器接收受激光，计数器对入射至光子计数型探测器的受激光产生的光子进行计数；然后引入待定标光源，待定标光源的出射光和信号光合为一路入射至转换介质，转换介质对待定标光源的出射光和信号光放大并产生受激光，光子计数型探测器接收受激光，计数器对入射至光子计数型探测器的受激光产生的光子进行计数；将引入待定标光源时的光子数比上未引入待定标光源时的光子数，得到的比值可作为待定标光源的定标值。
2.根据权利要求1所述的一种辐亮度定标方法，其特征在于所述非线性参量介质为 BB0晶体或LiNb03晶体；所述光子计数型探测器为光子计数型雪崩二极管或光子计数型光 电倍增管，所述计数器为994计数器。
3.—种黑体辐射源定标系统，其特征在于包括有待定标的黑体辐射源，开有入光口 的暗箱，所述黑体辐射源的出射光光路上依次设置有快门、滤光片、反射面朝向暗箱入光口 的二向色镜，所述黑体辐射源的出射光依次经过快门、滤光片并透射过所述二向色镜后入 射至暗箱入光口 ；还包括有泵浦光源，所述泵浦光源的出射光光路前方设置有反射镜，反射 镜的反射光路上设置有反射面朝向所述二向色镜的毛玻璃片，毛玻璃片和二向色镜之间的 光路上依次设置有衰减器、起偏器、激光功率控制器、半波片，泵浦光源出射光经过反射镜、 毛玻璃片两次反射后，依次经过所述衰减器、起偏器、激光功率控制器、半波片后，入射至所 述二向色镜的反射面，并被二向色镜反射，反射光与黑体辐射源透射过二向色镜的透射光 合为一路入射至暗箱入光口 ；所述暗箱中设置有LiNb03晶体，所述LiNb03晶体受激面朝向 暗箱入光口接收入射至暗箱入光口的入射光，位于LiNb03晶体受激光出射光路上设置有多 个窄带滤光片、位于相邻窄带滤光片之间的截止滤光片，暗箱中还设置有光电计数型探测 器，以及接入光电计数型探测器的光纤，所述光纤的光接收端设置有耦合透镜，所述光电计 数型探测器与暗箱外部的计数器电连接，LiNb03晶体产生的受激光依次经过所述窄带滤光 片、相邻窄带滤光片之间的截止滤光片后，入射至耦合透镜进入光纤，通过光纤传送至光电 计数型探测器。
4.根据权利要求3所述的一种黑体辐射源定标系统，其特征在于所述泵浦光源采用 532nm的固体钛宝石激光器，所述光电计数型探测器采用光子计数型雪崩二极管，所述计数 器为994计数器。
5.一种激光光源定标系统，其特征在于包括有待定标的激光光源，开有入光口的暗 箱，所述激光光源出射光路上依次设置有衰减片、激光功率控制器、半波片、快门、分束镜， 所述分束镜反射面朝向暗箱入光口，激光光源的出射光依次经过衰减片、激光功率控制器、 半波片、快门后入射至分束镜的反射面，被分束镜反射至暗箱入光口 ；还包括有泵浦光源， 所述分束镜位于泵浦光源出射光路上，泵浦光源和分束镜之间的泵浦光源光路上依次设置 有毛玻璃片、半波片，泵浦光源的出射光依次透射过毛玻璃片、半波片，再透射过所述分束 镜后与激光光源被分束镜反射的反射光合为一路入射至暗箱入光口 ；所述暗箱中设置有 BB0晶体，所述BBP晶体受激面朝向暗箱入光口接收入射至暗箱入光口的入射光，位于BB0晶体受激光出射光路上设置有截止滤光片、反射面朝向截止滤光片的二向色镜，暗箱中还 设置有与暗箱外部的计数器电连接的光电计数型探测器，所述光电计数型探测器位于二向 色镜的反射光路上，二向色镜和光电计数型探测器之间依次设置有窄带干涉滤光片，BB0晶 体产生的受激光经过所述截止滤光片后，入射至二向色镜并被二向色镜反射，反射光经过 窄带干涉滤光片后被光电计数型探测器接收。
6.根据权利要求5所述的一种激光光源定标系统，其特征在于所述毛玻璃片反射面 一侧设置有监视探测器，泵浦光源的出射光一部分被毛玻璃片反射至监视探测器。
7.根据权利要求5所述的一种激光光源定标系统，其特征在于所述暗箱中位于二向 色镜透射光路上设置有光吸收池，透射过所述二向色镜的透射光入射至光吸收池。
8.根据权利要求5所述的一种激光光源定标系统，其特征在于所述泵浦光源采用 355nm的固体钛宝石激光器，所述光电计数型探测器采用光子计数型光电倍增管，所述计数 器为994计数器。
全文摘要
本发明公开一种辐亮度定标方法及激光光源、黑体辐射源定标系统。利用新型的参量放大技术，实现对激光光源和其他红外光源在1∽5μm波段、输入亮度范围在(108-1017)W/(m3.sr)内的光谱单色辐亮度的绝对连续定标，报道了优于5.5％的定标不确定度。由于参量过程的高度相关特性，决定了新型定标技术是一种“无标准传递”的定标过程，另外新型定标技术可以实现用可见探测器“探测”红外光谱辐亮度。
文档编号G01J5/54GK101979971SQ20101028068
公开日2011年2月23日 申请日期2010年9月10日 优先权日2010年9月10日
发明者卢云君, 张伟, 李健军, 李凯, 薛香群, 郑小兵 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所