CN103983293B - 一种THz光电探测器绝对光谱响应率校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种THz光电探测器绝对光谱响应率校准装置及方法。本发明通过CO₂泵浦气体THz激光器、汇聚透镜、衰减器、主标准电替代辐射计、电控位移导轨系统、隔离罩、电测仪表和数据采集与控制系统实现，可实现THz光电探测器在THz波段内多频率点的绝对光谱响应率校准，从而解决THz功率的高精度测量问题，为重大工程的顺利开展和THz器件及设备的研制提供有力保障。

Description

一种THz光电探测器绝对光谱响应率校准装置及方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种THz光电探测器绝对光谱响应率校准装置，还涉及一种THz光电探测器绝对光谱响应率校准方法。

背景技术

绝对光谱响应率是指探测器输出的光电流(或电压)与入射光功率的比值，表征光电转换的能力，对THz光电探测器的绝对光谱响应率进行校准是用其进行高精度THz功率测量的前提。THz技术在诸多领域的应用均产生了对THz光电探测器的绝对光谱响应率参数进行校准的需求，具体体现在：标定和比较THz光源；标定和比较THz探测器；在主动安检系统及医疗方面确定人体可接受的辐射照度上限；校准THz遥感和深空探测设备。对THz光电探测器的绝对光谱响应率进行高精度校准是一个亟待解决的问题，国内外还没有高精度的THz光电探测器绝对光谱响应率校准方案，无法实现工作探测器的高精度校准，不能满足重大工程及科研生产应用中THz器件及设备的高精度校准需要。

多家研究机构均开展了THz光电探测器绝对光谱响应率的校准研究工作。自2008年起，德国国家计量机构PTB开展了基于低温辐射计的THz探测器绝对光谱响应率校准研究，PTB研究人员用低温辐射计测量了工作频率为2.5THz的量子级联激光器的出射功率，然后此为主标准对热释电探测器的绝对光谱响应率参数进行校准。经校准后的热释电探测器便可作为标准探测器对THz功率进行测量或对其它THz探测器的绝对光谱响应进行校准。

德国PTB虽然建立了基于低温辐射计的THz光功率溯源及探测器校准装置，并开展了THz探测器绝对光谱响应率校准服务，但由于低温辐射计腔体对THz波的吸收存在7％的不确定度，校准装置本身的测量精度难以得到保证，显然，对于测量精度要求较高的场合，这种装置的校准效果并不能满足需求。此外，他们采用量子级联激光器作为THz光源，激光器只能在2.5THz频率点附近实现输出，因此校准频率点单一，其它频率处的校准精度更加难以得到保证；在校准中要求光源的功率稳定性达到一定指标，但未见他们进行量子级联激光器输出功率稳定性指标的确切说明；量子级联激光器需要在低温环境运行，因此致冷设施也导致校准装置体积较大，使用维护比较困难。

截止到目前，国内外还缺乏高精度的THz光电探测器绝对光谱响应率校准方法，无法实现THz光电探测器的高精度校准，导致不同探测器对THz功率的测量存在量值的不统一，不能够满足重大工程及科研生产应用中对THz器件及设备的高精度测试需要，严重限制着THz器件、系统在深空探测、遥感及空间通信等重大工程及科研专项中的应用。

因此，对THz光电探测器的绝对光谱响应率进行高精度校准是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明提出一种高精度THz光电探测器绝对光谱响应率校准装置及方法，可实现THz光电探测器在THz波段内多频率点的绝对光谱响应率校准，从而解决THz功率的高精度测量问题，为重大工程的顺利开展和THz器件及设备的研制提供有力保障。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种THz光电探测器绝对光谱响应率校准装置，包括：CO₂泵浦气体THz激光器、汇聚透镜、衰减器、电替代辐射计、电控位移导轨系统、隔离罩、电测仪表和数据采集与控制系统；

所述CO₂泵浦气体THz激光器为THz源，在其出射口设置汇聚透镜；

所述衰减器设置在电替代辐射计前面，对THz波进行衰减；

所述电替代辐射计为主标准探测器，所述电控位移导轨系统移动被测探测器到主标准探测器的位置，使两探测器的入射孔位置等同；

所述隔离罩包裹电替代辐射计和被测探测器；

所述数据采集与控制系统控制电控位移导轨系统，并将电测仪表采集到的信号进行数据分析处理，输出被测探测器的绝对光谱响应曲线；

所述电替代辐射计包括辐射吸收元件、电热丝和温度敏感元件，电替代辐射计外面还加设有用隔热材料制作的热屏蔽罩；所述辐射吸收元件采用平面吸收层结构，且在吸收层表面设置一个顶端开有圆孔的半球状反射罩，所述吸收层与热电堆相连接，电压表检测热电堆输出的热电势；电源、开关和设置在所述吸收层接收面上的电热丝构成闭合回路。

可选地，所述汇聚透镜材料采用Tsurupica。

可选地，所述衰减器由多只硅片组成，调节硅片的数量对THz波进行定量衰减。

可选地，所述电替代辐射计吸收层的吸收材料为纳米颗粒与超材料复合结构。

本发明还提供一种THz光电探测器绝对光谱响应率校准方法，包括以下步骤：

步骤(a)，从CO₂泵浦气体THz激光器发出的单色THz波束经透镜聚焦后入射到电替代辐射计中，由电替代辐射计测得入射THz波的绝对功率P；

步骤(b)，通过电控位移导轨系统将被测THz探测器切入光路，使被测THz探测器的入射孔位置与移动前电替代辐射计的入射孔位置等同并保证两个探测器的入射孔尺寸相同，用电测仪器测得被测THz探测器的输出电信号U；

步骤(c)，根据R＝U/P计算出被测THz探测器的绝对光谱响应率R。

可选地，调节所述CO₂泵浦气体THz激光器，使其输出不同频率的THz波，再重复上述校准过程就可实现一系列分离频率点上被测探测器的绝对光谱响应率校准。

可选地，由电替代辐射计测得入射THz波的绝对功率P的步骤具体包括：

被测THz波经辐射计窗口入射到辐射计吸收层上，被吸收层吸收后产生温升，从而使与其相连的热电堆产生一热电势输出，并通过电压表探测出其具体数值；

然后，切断辐射束，合上加热电路开关，通过电加热使热电堆产生相同的热电势输出；

测量加热丝两端的电压值和电流值，从而计算出电功率，然后经过光电不等效修正得到入射THz波的功率。

本发明的有益效果是：

(1)采用电替代辐射计作为主标准，该电替代辐射计对THz波的吸收率高达99.6％，且其THz功率测量不确定度为3％，而德国PTB采用的低温辐射计对THz波的测量不确定度为7.3％，因此本发明中的主标准器对THz波功率测量的不确定度较德国PTB大为改善，从而有效提高了校准精度；

(2)采用CO₂泵浦气体THz激光器作为光源，能够在THz波段实现多频率点输出，因此本发明可实现对THz光电探测器多频率点的校准；

(3)在校准过程中，本发明采用的CO₂泵浦气体THz激光器的功率稳定性能够控制在±1％以内，因此对THz光电探测器绝对光谱响应率进行校准的精度能够得到保证，而且CO₂泵浦气体THz激光器的运行不需要低温致冷，因此使用维护比较方便；

(4)CO₂泵浦气体THz激光器在某些频率点上的输出功率较小，加上光路中会聚透镜对THz波的衰减作用，可能导致从激光器发出的THz波无法被探测器有效探测到，本发明在对THz波束进行会聚时采用Tsurupica材料的透镜，其在THz波段的透过率高于目前广泛采用的聚乙烯材料的THz透镜，这在一定程度上避免了上述情况的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的THz光电探测器绝对光谱响应率校准原理图；

图2为图1所示电替代辐射计的结构示意图；

图3为本发明的THz光电探测器绝对光谱响应率校准方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明通过CO₂泵浦气体THz激光器、汇聚透镜、衰减器、主标准电替代辐射计、电控位移导轨系统、隔离罩、电测仪表和数据采集与控制系统实现，可实现THz光电探测器在THz波段内多频率点的绝对光谱响应率校准，从而解决THz功率的高精度测量问题，为重大工程的顺利开展和THz器件及设备的研制提供有力保障。

本发明用替代法对THz光电探测器的绝对光谱响应率进行校准。THz光电探测器的输出电压与入射THz波功率的比值即为探测器的绝对光谱响应率，即R＝U/P，其中R为探测器的响应率，U为探测器输出电压，P为入射THz波功率。

如图1所示，本发明的THz光电探测器绝对光谱响应率校准装置包括：CO₂泵浦气体THz激光器、汇聚透镜、衰减器、电替代辐射计、电控位移导轨系统、隔离罩、电测仪表和数据采集与控制系统。

本发明将CO₂泵浦气体THz激光器作为THz源，能够在THz波段实现多频率点输出，选择不同的输出频率，相应的输出功率也不同，该激光器可在0.84THz、1.63THz、2.52THz、4.25THz等点上实现数毫瓦至上百毫瓦的能量输出；并且配以稳功率模块可以实现在测量过程中把THz辐射功率稳定性控制在±1％以内。从THz激光器发出的THz波波束比较发散，因此需要在THz激光器出射口加一块具有良好透过特性的THz汇聚透镜，透镜材料采用Tsurupica，这种材料在THz波段的透过性优于目前广泛采用的聚乙烯材料的THz透镜。

THz激光器在某些频率点的输出功率高达上百毫瓦，为了保护器件需要在探测器前放置衰减器对THz波进行衰减，该衰减器由10只硅片组成，每只硅片厚度为3mm，可通过调节衰减器上硅片的数量实现对THz波的定量衰减，该衰减器对入射THz波的衰减范围为0～99.92％。

电替代辐射计为主标准探测器，电控位移导轨系统用于实现替代校准，具体来说就是把被测探测器移动到主标准探测器的位置，使两探测器的入射孔位置等同，只有这样才能保证光路等效性。电替代辐射计的吸收层采用新型复合结构微纳材料，使电替代辐射计对入射THz波的吸收率高达99.6％，该辐射计对THz波功率测量的不确定度为3.0％。

隔离罩包裹电替代辐射计和被测探测器，隔离罩有两方面作用，一方面可以降低环境温度扰动对校准过程的影响，另一方面用干燥氮气对罩内进行吹扫后可以有效减弱水汽对THz波的吸收，从而提高校准精度。

电测仪表用于测量电替代辐射计与被测探测器的电输出信号。数据采集与控制系统一方面用于控制电控位移导轨系统，另一方面用于对采集到的信号进行数据分析处理，并最终获得被测探测器的绝对光谱响应曲线。

上述校准装置的校准原理如下：从CO₂泵浦气体THz激光器发出的单色THz波束经透镜聚焦后入射到电替代辐射计中，由电替代辐射计测得入射THz波的绝对功率P；然后通过电控位移导轨将被测THz探测器切入光路，使探测器的入射孔位置与移动前电替代辐射计的入射孔位置等同并保证两个探测器的入射孔尺寸相同，用电测仪器测得被测探测器的输出电信号U；最后根据R＝U/P就可计算出被测探测器的绝对光谱响应率R。调节THz激光器，使其输出不同频率的THz波，再重复上述校准过程就可实现一系列分离频率点上被测探测器的绝对光谱响应率校准。

电替代辐射计的结构示意图如图2所示，电替代辐射计包括辐射吸收元件、电热丝和温度敏感元件，电替代辐射计外面还加设有用隔热材料制作的热屏蔽罩17；所述辐射吸收元件采用平面吸收层结构11，且在吸收层表面设置一个顶端开有圆孔的半球状反射罩12，所述吸收层11与热电堆13相连接，电压表15检测热电堆输出的热电势；电源16、开关K和设置在所述吸收层接收面上的电热丝14构成闭合回路。被测THz波经辐射计窗口入射到辐射计吸收层11上，被吸收层吸收后产生温升，从而使与其相连的热电堆13产生一热电势输出，并通过电压表探测出其具体数值。然后关闭快门，切断辐射束，合上加热电路开关K，在接收面上装的加热丝14上接通电源，通过电加热使热电堆产生相同的热电势输出。此时测量加热丝两端的电压值和电流值，从而计算出电功率，然后经过光电不等效修正就可得到入射THz波的功率，实现对THz波功率的准确测量。

电替代辐射计的吸收元件采用平面吸收层结构，吸收材料为纳米颗粒与超材料复合结构，对THz波的吸收率高达99.6％。另外，为增大吸收元件对入射THz波的吸收效率，使因散射效应而未被吸收的THz波重新被吸收利用，利用金属对THz波具有高反射率的特性在吸收层表面装设一个顶端开有圆孔的半球状反射罩，这样可以增大吸收层对入射THz波的吸收程度。另外，考虑到THz功率探测过程极易受环境温度影响，还在电替代辐射计外面加一个用隔热材料制作的热屏蔽罩。

本发明还提供一种THz光电探测器绝对光谱响应率校准方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤(a)，从CO₂泵浦气体THz激光器发出的单色THz波束经透镜聚焦后入射到电替代辐射计中，由电替代辐射计测得入射THz波的绝对功率P；

步骤(b)，通过电控位移导轨系统将被测THz探测器切入光路，使被测THz探测器的入射孔位置与移动前电替代辐射计的入射孔位置等同并保证两个探测器的入射孔尺寸相同，用电测仪器测得被测THz探测器的输出电信号U；

步骤(c)，根据R＝U/P计算出被测THz探测器的绝对光谱响应率R。

通过调节所述CO₂泵浦气体THz激光器，使其输出不同频率的THz波，再重复上述校准过程就可实现一系列分离频率点上被测探测器的绝对光谱响应率校准。

上述方法中，由电替代辐射计测得入射THz波的绝对功率P的步骤具体包括：

被测THz波经辐射计窗口入射到辐射计吸收层上，被吸收层吸收后产生温升，从而使与其相连的热电堆产生一热电势输出，并通过电压表探测出其具体数值；

然后，切断辐射束，合上加热电路开关，通过电加热使热电堆产生相同的热电势输出；

测量加热丝两端的电压值和电流值，从而计算出电功率，然后经过光电不等效修正得到入射THz波的功率。

本发明的探测器绝对光谱响应率标准装置及方法，具有以下优点：(1)采用电替代辐射计作为主标准，该电替代辐射计对THz波的吸收率高达99.6％，且其THz功率测量不确定度为3％，而德国PTB采用的低温辐射计对THz波的测量不确定度为7.3％，因此本发明中的主标准器对THz波功率测量的不确定度较德国PTB大为改善，从而有效提高了校准精度；(2)采用CO₂泵浦气体THz激光器作为光源，能够在THz波段实现多频率点输出，因此本发明可实现对THz光电探测器多频率点的校准；(3)在校准过程中，本发明采用的CO₂泵浦气体THz激光器的功率稳定性能够控制在±1％以内，因此对THz光电探测器绝对光谱响应率进行校准的精度能够得到保证，而且CO₂泵浦气体THz激光器的运行不需要低温致冷，因此使用维护比较方便；(4)CO₂泵浦气体THz激光器在某些频率点上的输出功率较小，加上光路中会聚透镜对THz波的衰减作用，可能导致从激光器发出的THz波无法被探测器有效探测到，本发明在对THz波束进行会聚时采用Tsurupica材料的透镜，其在THz波段的透过率高于目前广泛采用的聚乙烯材料的THz透镜，这在一定程度上避免了上述情况的发生。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种THz光电探测器绝对光谱响应率校准装置，其特征在于，包括：CO2泵浦气体THz激光器、汇聚透镜、衰减器、电替代辐射计、电控位移导轨系统、隔离罩、电测仪表和数据采集与控制系统；

所述CO2泵浦气体THz激光器为THz源，在其出射口设置汇聚透镜；

所述衰减器设置在电替代辐射计前面，对THz波进行衰减；

所述电替代辐射计为主标准探测器，所述电控位移导轨系统移动被测探测器到主标准探测器的位置，使两探测器的入射孔位置等同；

所述隔离罩包裹电替代辐射计和被测探测器；

所述数据采集与控制系统控制电控位移导轨系统，并将电测仪表采集到的信号进行数据分析处理，输出被测探测器的绝对光谱响应率曲线；

所述电替代辐射计包括辐射吸收元件、电热丝和温度敏感元件，电替代辐射计外面还加设有用隔热材料制作的热屏蔽罩；所述辐射吸收元件采用平面吸收层结构，且在吸收层表面设置一个顶端开有圆孔的半球状反射罩，所述吸收层与电热堆相连接，电压表检测电热堆输出的热电势；电源、开关和设置在所述吸收层接收面上的电热丝构成闭合回路。

2.如权利要求1所述的THz光电探测器绝对光谱响应率校准装置，其特征在于，所述汇聚透镜材料采用Tsurupica。

3.如权利要求1所述的THz光电探测器绝对光谱响应率校准装置，其特征在于，所述衰减器由多只硅片组成，调节硅片的数量对THz波进行定量衰减。

4.如权利要求1所述的THz光电探测器绝对光谱响应率校准装置，其特征在于，所述电替代辐射计吸收层的吸收材料为纳米颗粒与超材料复合结构。

5.一种THz光电探测器绝对光谱响应率校准方法，包括：CO2泵浦气体THz激光器、汇聚透镜、衰减器、电替代辐射计、电控位移导轨系统、隔离罩、电测仪表和数据采集与控制系统；

所述CO2泵浦气体THz激光器为THz源，在其出射口设置汇聚透镜；

所述衰减器设置在电替代辐射计前面，对THz波进行衰减；

所述电替代辐射计为主标准探测器，所述电控位移导轨系统移动被测探测器到主标准探测器的位置，使两探测器的入射孔位置等同；

所述隔离罩包裹电替代辐射计和被测探测器；

所述数据采集与控制系统控制电控位移导轨系统，并将电测仪表采集到的信号进行数据分析处理，输出被测探测器的绝对光谱响应率曲线；

所述电替代辐射计包括辐射吸收元件、电热丝和温度敏感元件，电替代辐射计外面还加设有用隔热材料制作的热屏蔽罩；所述辐射吸收元件采用平面吸收层结构，且在吸收层表面设置一个顶端开有圆孔的半球状反射罩，所述吸收层与电热堆相连接，电压表检测电热堆输出的热电势；电源、开关和设置在所述吸收层接收面上的电热丝构成闭合回路；

其特征在于，包括以下步骤：

步骤(a)，从CO2泵浦气体THz激光器发出的单色THz波束经透镜聚焦后入射到电替代辐射计中，由电替代辐射计测得入射THz光的绝对功率P；

步骤(b)，通过电控位移导轨系统将被测THz探测器切入光路，使被测THz探测器的入射孔位置与移动前电替代辐射计的入射孔位置等同并保证两个探测器的入射孔尺寸相同，用电测仪表测得被测THz探测器的输出电信号U；

步骤(c)，根据R＝U/P计算出被测THz探测器的绝对光谱响应率R。

6.如权利要求5所述的一种THz光电探测器绝对光谱响应率校准方法，其特征在于，调节所述CO2泵浦气体THz激光器，使其输出不同频率的THz波，再重复上述校准过程实现一系列分离频率点上被测探测器的绝对光谱响应率校准。

7.如权利要求5所述的一种THz光电探测器绝对光谱响应率校准方法，其特征在于，由电替代辐射计测得入射THz光的绝对功率P的步骤具体包括：

被测THz波经辐射计窗口入射到辐射计吸收层上，被吸收层吸收后产生温升，从而使与其相连的热电堆产生一热电势输出，并通过电压表探测出其具体数值；

然后，切断辐射束，合上开关，在接收面上设置的加热丝上接通电源，通过电加热使热电堆产生相同的热电势输出；

测量加热丝两端的电压值和电流值，从而计算出电功率，然后经过光电不等效修正得到入射THz波的功率。