CN104501949B - 基于替代法和探测器效率的腔体吸收率测量方法 - Google Patents

Abstract

基于替代法和探测器效率的腔体吸收率测量方法属于光辐射计量领域，本发明的标准不确定度优于0.001％，不仅适用于高吸收率腔体吸收率测量，也适用于一般腔体的吸收率测量。采用这种方法测得斜底腔吸收率为0.999928±0.000005。在测量过程中，将激光通过半透半反镜分为测量光束和参考光束，使用参考光路监测激光稳定性，同时测量信号电压，将信号光路与参考光路信号电压的比值定义为探测器效率。由激光漂移导致的随机误差的变化趋势对于测量光路与参考光路是相似的，因此，通过两个信号作比值，可以降低随机误差。通过探测器效率测量腔体吸收率，可以提高标准不确定度，实现高吸收率腔体的吸收率测量。

Description

基于替代法和探测器效率的腔体吸收率测量方法

技术领域

本发明属于光辐射计量领域中，具体涉及一种基于替代法通过探测器效率测量高吸收率腔体的吸收率的方法。

背景技术

为了建立更高精度的星上定标辐射基准，鉴于地面定标和标准传递路线的发展趋势，我们提出了研制在轨绝对辐射定标基准辐射计(Absolute Radiance CalibrationPrimary Radiometer，ARCPR)的项目。ARCPR是工作于低温环境(20K)的电替代辐射计，包含太阳总辐照度腔(Total Solar Irradiation，TSI)和高响应度腔(High Response，HS)。吸收率是光功率计算过程中的重要参数，TSI腔要求具有0.9999以上的超高吸收率，并且其吸收率的测量不确定度是整个系统的不确定因素之一。TSI腔测量不确定度要求优于0.02％，因此，吸收率测量的不确定度要求优于0.001％。

在研制阶段，采用带斜底面的圆柱形腔(以下简称斜底腔)作为TSI腔。为了验证斜底腔具有0.9999以上的超高吸收率，同时测量不确定度优于0.001％，对斜底腔吸收率进行了研究。常用的吸收率测量方法有替代法和互换法，但是由于激光漂移等原因而产生的随机误差增加了测量结果的不确定度，不确定度都大于0.001％，不能满足高吸收率腔的测量需求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于替代法和探测器效率的腔体吸收率测量方法，该方法通过改进吸收率的测量方式，降低激光漂移引起的随机误差，适合测量高吸收率腔的吸收率，获得了优于0.001％的测量不确定度。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

基于替代法和探测器效率的腔体吸收率测量方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：半导体激光器发出激光，经过起偏系统、衰减系统、准直系统和功率稳定器后，使光源稳定后，通过半透半反镜，将稳定光源分成测量光路和参考光路，分别进入第一积分球和第二积分球；

步骤二：将斜底腔放置在第一积分球的样品端，同时采集参考光路感应电压V_2c和斜底腔的测量光路感应电压V_1c；移走斜底腔，将标准白板置于第一积分球的样品端，同时采集参考光路感应电压V_2s和白板的测量光路感应电压V_1s；移走白板，将第一积分球的样品端空置，同时采集参考光路感应电压V_2b和背景的测量光路感应电压V_1b，得到斜底腔、白板、背景的探测器效率：

斜底腔的探测器效率：

N_c＝V_1c/V_2c (1)

白板的探测器效率：

N_s＝V_1s/V_2s (2)

背景的探测器效率：

N_b＝V_1b/V_2b (3)

替代法测量腔体吸收率的计算公式如下：

${\mathrm{\α}}_c=1-{\mathrm{\ρ}}_c=1-\frac{V_c-V_b}{V_s-V_b}\×{\mathrm{\ρ}}_s---\left(4\right)$

其中α_c为斜底腔的吸收率，ρ_c为斜底腔的反射率，ρ_s为标准白板的反射率，V_c、V_s、V_b分别为斜底腔、标准白板、背景的测量光路感应电压信号，用探测器效率替换(4)式中的感应电压信号V_X，可得斜底腔吸收率α_c计算公式：

${\mathrm{\α}}_c=1-\frac{N_c-N_b}{N_s-N_b}\×{\mathrm{\ρ}}_s=1-\frac{\frac{V_{1c}}{V_{2c}}-\frac{V_{1d}}{V_{2b}}}{\frac{V_{1s}}{V_{2s}}-\frac{V_{1b}}{V_{2b}}}\×{\mathrm{\ρ}}_s.$

本发明的有益效果是：本发明的标准不确定度优于0.001％，不仅适用于高吸收率腔体吸收率测量，也适用于一般腔体的吸收率测量。采用这种方法测得斜底腔吸收率为0.999928±0.000005。

附图说明

图1本发明基于替代法和探测器效率的腔体吸收率测量方法的装置结构图。

图2本发明吸收率测量结果分布。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，使用波长为532nm，稳定度为0.1％的半导体激光器作为光源，经过起偏系统、衰减系统、准直系统和功率稳定器后，光源稳定度提高到0.01％。通过半透半反镜，将激光分成测量光路和参考光路，分别进入第一积分球和第二积分球。第一积分球的探测端使用光电二极管S1406，用于获得测量光路的感应电压V_1X，第二积分球的探测端使用光电二极管S1227，测量参考光路的感应电压V_2X，监测激光功率。使用吉时利六位半电压表2700和扫描卡7700交替测量两路电压信号，测量时间间隔120毫秒，采集系统每1秒采样一次，并通过GPIB总线将数据上传到计算机，采集系统的控制由LabView编写的上位机程序实现，实现自动化测量，

测量方法如下：(1)将斜底腔置于第一积分球的样品端，得到参考光路感应电压V_2c和斜底腔的测量光路感应电压V_1c；(2)移走斜底腔，将反射率为ρ_s的标准白板置于第一积分球的样品端，得到参考光路感应电压V_2s白板的测量光路感应电压V_1s、；(3)移走白板，将第一积分球的样品端空置，得到参考光路感应电压V_2b和背景的测量光路感应电压V_1b。从而得到斜底腔、白板、背景的探测器效率：

斜底腔的探测器效率：

N_c＝V_1c/V_2c (1)

白板的探测器效率：

N_s＝V_1s/V_2s (2)

背景的探测器效率：

N_b＝V_1b/V_2b (3)

替代法测量腔体吸收率的计算公式如下：

${\mathrm{\α}}_c=1-{\mathrm{\ρ}}_c=1-\frac{V_c-V_b}{V_s-V_b}\×{\mathrm{\ρ}}_s---\left(4\right)$

其中α_c为吸收率，ρ_c为腔体反射率，V_c、V_s、V_b分别为吸收腔、标准白板、背景的感应电压信号，用探测器效率(N_X)替换(4)式中的感应电压信号V_X，可得斜底腔吸收率α_c计算公式：

${\mathrm{\α}}_c=1-\frac{N_c-N_b}{N_s-N_b}\×{\mathrm{\ρ}}_s=1-\frac{\frac{V_{1c}}{V_{2c}}-\frac{V_{1b}}{V_{2b}}}{\frac{V_{1s}}{V_{2s}}-\frac{V_{1b}}{V_{2b}}}\×{\mathrm{\ρ}}_s---\left(5\right)$

表1信号电压与探测器效率的比较

样品	信号电压平均值	信号电压标准差	探测器效率平均值	探测器效率标准差
					斜底腔	0.002825034	1.02865E-05	0.001006619	3.68578E-06
白板	3.579817	0.00049	1.27534	0.000183
					背景光	0.002556785	7.69248E-06	0.000910972	2.7415E-06

实验结果如图2，斜底腔吸收率测量结果都分布在3σ范围内，平均值为0.999928，通过不确定度分析得到：标准不确定度为0.0005％，优于0.001％，满足斜底腔吸收率测量的不确定度需求。斜底腔、白板、背景光的信号电压V_1c、V_1s、V_1b，以及量子效率N_c、N_s、N_b的平均值和标准差如表1所示。通过比较可以看到，探测器效率的标准差均优于信号电压，说明利用探测器效率测量吸收率的方法降低了由激光漂移引入的随机误差，从而提高了测量方法的不确定度。

Claims (1)

1.基于替代法和探测器效率的腔体吸收率测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：半导体激光器发出激光，经过起偏系统、衰减系统、准直系统和功率稳定器后，使光源稳定后，通过半透半反镜，将稳定光源分成测量光路和参考光路，分别进入第一积分球和第二积分球；

步骤二：将斜底腔放置在第一积分球的样品端，同时采集参考光路感应电压V_2c和斜底腔的测量光路感应电压V_1c；移走斜底腔，将标准白板置于第一积分球的样品端，同时采集参考光路感应电压V_2s和白板的测量光路感应电压V_1s；移走白板，将第一积分球的样品端空置，同时采集参考光路感应电压V_2b和背景的测量光路感应电压V_1b，得到斜底腔、白板、背景的探测器效率：

斜底腔的探测器效率：

N_c＝V_1c/V_2c (1)

白板的探测器效率：

N_s＝V_1s/V_2s (2)

背景的探测器效率：

N_b＝V_1b/V_2b (3)

替代法测量腔体吸收率的计算公式如下：

${\mathrm{\α}}_c=1-{\mathrm{\ρ}}_c=1-\frac{V_c-V_b}{V_s-V_b}\×{\mathrm{\ρ}}_s---\left(4\right)$

其中α_c为斜底腔的吸收率，ρ_c为斜底腔的反射率，ρ_s为标准白板的反射率，V_c、V_s、V_b分别为斜底腔、标准白板、背景的测量光路感应电压信号，用探测器效率替换(4)式中的感应电压信号V_X，可得斜底腔吸收率α_c计算公式：

${\mathrm{\α}}_c=1-\frac{N_c-N_b}{N_s-N_b}\×{\mathrm{\ρ}}_s=1-\frac{\frac{V_{1c}}{V_{2c}}-\frac{V_{1b}}{V_{2b}}}{\frac{V_{1s}}{V_{2s}}-\frac{V_{1b}}{V_{2b}}}\×{\mathrm{\ρ}}_s$