CN104713641A - 宽波段太赫兹源辐射功率校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

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，可以测试的太赫兹源为光束发散角大于1.732°、光谱范围为(30～3000)μm的太赫兹源。本发明采用标准太赫兹源和待测太赫兹源的辐射参数比对的测量方法，标准太赫兹源或待测太赫兹源的辐射经过太赫兹透射窗口进入低温真空背景通道后，与液氮制冷黑体的背景辐射交替被斩光片调制成周期性变化的太赫兹辐射信号，被卡塞格林系统会聚，经过太赫兹光谱滤光片入射到太赫兹探测器上，转换为周期性变化的电压信号，经过锁相放大器处理得到稳定的测量电压信号；根据由弱标准辐射源或强标准辐射源测量得到的辐射功率修正系数计算得到待测光源的辐射功率，同时还可计算得到待测源的辐射亮度。

Description

宽波段太赫兹源辐射功率校准装置及校准方法

技术领域

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

近年来，太赫兹技术是国内外重点研究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究计划。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)μm、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。

目前，太赫兹源的辐射功率校准方法只有德国国家计量研究所(PTB)进行了研究，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。

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

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。

本发明的技术方案为：

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；

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。

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。

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光锥耦合系统，Bolometer光锥耦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。

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。

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。

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10^-4mbar。

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：

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；

步骤2：弱太赫兹辐射源辐射功率校准：

步骤2.1：利用标定黑体对太赫兹变温黑体温度进行标定：

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V_0,m，m＝1,2,…,M，M为测量次数；

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_1,m；所述第一标定黑体为镓熔点黑体或铟凝固点黑体；

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V_2,m；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；

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T₁，并将太赫兹变温黑体辐射信号引入光路；

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；

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V_CBB0,m(T_i)，i＝1,2,…,Y；Y为选用的太赫兹变温黑体的温度点数；

步骤2.1.7：根据以下公式得到太赫兹变温黑体温度为T_i时的标定温度T_i′：

$\frac{V_{\mathrm{CBB}0}\left(T_i\right)+b}{K_T}={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λk}{T}_i^{\′}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ}$

其中 $K_T=\frac{V_1-V_2}{M_1-M_2},b=\frac{M_1{V}_2-M_2{V}_1}{M_1-M_2},V_1=\frac{1}{M}(\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{1,m}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}),V_2=\frac{1}{M}(\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{2,m}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}),$

$V_{\mathrm{CBB}0}\left(T_i\right)=\frac{1}{M}(\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{CBB}0,m}\left(T_i\right)-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}),$

$M_1={\mathrm{\ϵ}}_1{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{302.914\·\mathrm{\λk}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ},$

$M_2={\mathrm{\ϵ}}_2{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{429.5985\·\mathrm{\λk}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ},$

λ为太赫兹波长，λ₁为全太赫兹波段下限，λ₂为全太赫兹波段上限，ε₁为镓熔点黑体发射率，ε₂为铟凝固点黑体发射率，h为普朗克常数，c为光速，k为波尔兹曼常数；

步骤2.2：太赫兹辐射参数校准：

步骤2.2.1：根据步骤2.1.6得到的V_CBB0,m(T_i)，i＝1,2,…,Y，按照公式

${\stackrel{\‾}{K}}_{P,0}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{P,i,0}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}\{M*P_{\mathrm{VBB}0,i}/[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{CBB}0,m}\left(T_i\right)-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}\left]\right\}$

${\stackrel{\‾}{K}}_{L,0}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{L,i,0}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}\{M*L_{\mathrm{VBB}0,i}/[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{CBB}0,m}\left(T_i\right)-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}\left]\right\}$

得到光路中的太赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为通孔时的辐射功率修正系数和辐射亮度修正系数其中

$P_{\mathrm{VBB}0,i}=\mathrm{\ϵ}\·A{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λk}{T}_i^{\′}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ},L_{\mathrm{VBB}0,i}=\mathrm{\ϵ}\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{2h{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λk}{T}_i^{\′}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ}$

A为太赫兹变温黑体辐射出射面的面积，ε为太赫兹变温黑体发射率；

步骤2.2.2：打开太赫兹变温黑体，将太赫兹变温黑体温度调整为T₁，并将太赫兹变温黑体辐射信号引入光路，光路中的太赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为第j个太赫兹波段对应的滤光片，j＝1,2,…,Z，Z为太赫兹窄带光谱滤光片转轮中的滤光片个数；

步骤2.2.3：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，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；

步骤2.2.4：改变太赫兹变温黑体温度，重复步骤2.2.3，得到Bolometer探测器的输出信号经锁相放大器后的电压信号V_CBB,j,m(T_i)；

步骤2.2.5：重复步骤2.2.2～步骤2.2.4，得到太赫兹窄带光谱滤光片转轮中每一个滤光片对应的电压信号V_CBB,j,m(T_i)，j＝1,2,…,Z；

步骤2.2.6：按照公式

${\stackrel{\‾}{K}}_{P,j}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{P,i,j}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}\{M*P_{\mathrm{VBB},i,j}/[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{CBB},j,m}\left(T_i\right)-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}\left]\right\}$

${\stackrel{\‾}{K}}_{L,j}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{L,i,j}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}\{M*L_{\mathrm{VBB},i,j}/[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{CBB},j,m}\left(T_i\right)-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}\left]\right\}$

得到光路中的太赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为第j个太赫兹波段对应的滤光片时的辐射功率修正系数和辐射亮度修正系数其中

$P_{\mathrm{VBB},i,j}=\mathrm{\ϵ}\·A{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{1,j}}^{{\mathrm{\λ}}_{2,j}}\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λk}{T}_i^{\′}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ},L_{\mathrm{VBB},i,j}=\mathrm{\ϵ}\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{1,j}}^{{\mathrm{\λ}}_{2,j}}\frac{2h{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λk}{T}_i^{\′}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ}$

λ_1,j为第j个太赫兹波段下限，λ_2,j为第j个太赫兹波段上限；

步骤2.3：待测太赫兹源辐射参数测量：

步骤2.3.1：打开待测太赫兹源，并将待测太赫兹源辐射信号引入光路，斩光片以设定频率将待测太赫兹源辐射信号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第j个太赫兹波段对应的滤光片，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_UT,m,j；

步骤2.3.2：根据公式

$P_{\mathrm{UT},j}={\stackrel{\‾}{K}}_{P,j}\·\frac{1}{M}[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{UT},m,j}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}],$

$L_{\mathrm{UT},j}={\stackrel{\‾}{K}}_{L,j}\·\frac{1}{M}[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{UT},m,j}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}],$

得到待测太赫兹源在光路中的太赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为第j个太赫兹波段对应的滤光片时的辐射功率值P_UTj和辐射亮度值L_UTj；

步骤3：强太赫兹辐射源辐射功率校准：

步骤3.1：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Thomas热探测器接收，Thomas热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V_00,m，m＝1,2,…,M，M为测量次数；

步骤3.2：打开太赫兹肖特基放大倍频源，并将太赫兹肖特基放大倍频源的辐射信号引入光路，斩光片以设定频率将太赫兹肖特基放大倍频源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Thomas热探测器接收，Thomas热探测器的输出信号经锁相放大器后得到电压信号V_CC,m；

步骤3.3：根据公式

${\stackrel{\‾}{K}}_{P,j}^{\′}=\frac{M\·k\left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_j\right)P_{\mathrm{CC}0}}{k\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}\right)\·[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{CC},m}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{00,m}]}$

得到光路中的太赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为第j个太赫兹波段对应的滤光片时的辐射功率修正系数P_CC0为太赫兹肖特基放大倍频源的标准辐射功率值，为Thomas热探测器的入射窗口对太赫兹肖特基放大倍频源辐射太赫兹窄带波段的透过率，为Thomas热探测器的入射窗口对太赫兹肖特基放大倍频源在第j个太赫兹波段的透过率；

步骤3.4：打开待测太赫兹源，并将待测太赫兹源辐射信号引入光路，斩光片以设定频率将待测太赫兹源辐射信号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第j个太赫兹波段对应的滤光片，并由Thomas热探测器接收，Thomas热探测器的输出信号经锁相放大器后得到电压信号V′_UT,m,j；根据公式

$P_{\mathrm{UT},j}^{\′}={\stackrel{\‾}{K}}_{P,j}^{\′}\·\frac{1}{M}[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{UT},m,j}^{\′}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{00,m}]$

得到待测太赫兹源在光路中的太赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为第j个太赫兹波段对应的滤光片时的辐射功率值P′_UT,j。

进一步的优选方案，所述一种宽波段太赫兹源辐射功率校准方法，其特征在于：全太赫兹波段为30μm～3000μm，太赫兹窄带光谱滤光片转轮中滤光片对应的太赫兹波段为：30μm～80μm、80μm～150μm、150μm～250μm、250μm～400μm、400μm～800μm、800μm～1500μm、1500μm～3000μm。

有益效果

本发明的有益效果体现在以下两个方面:

1)本发明利用标准太赫兹源与待测太赫兹源的辐射参数对比的测量方法，采用两种标准太赫兹源：太赫兹变温黑体和太赫兹肖特基放大倍频源，并通过窄带光谱滤光片组、真空低温背景通道及光学系统、Bolometer探测器、Golay探测器和TK探测器三种太赫兹探测器组合组成了太赫兹辐射功率校准装置，可实现宽波段大动态范围的各种太赫兹辐射功率的校准。

2)采用液氦制冷的Bolometer探测系统及其光锥耦合光学系统，与标准太赫兹源、斩光片、卡塞格林系统放置在真空低温背景通道中组成了工作在4K温度下的太赫兹源辐射功率校准装置，解决了弱太赫兹辐射源辐射功率的准确测量。同时采用多个变温黑体温度点测试，对测量值取平均得到了更准确的辐射功率修正系数、辐射亮度修正系数，进一步提高了太赫兹源的测量准确度。

附图说明

图1是本发明宽波段太赫兹源辐射功率校准装置组成示意图。

图2是本发明中光学系统图。

图3是本发明中斩波光旋转原理示意图。

图4是太赫兹窄带光谱滤光片转轮示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明做进一步详述。

如图1所示，本发明优选实施例包含光源系统1、光学系统2、探测系统3和装有太赫兹源辐射功率校准数据处理软件包的计算机4。

光源系统1包含标准太赫兹辐射源、低温辐射黑体、标定黑体、待测太赫兹源1-6。进一步的，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1-1和用于提供强太赫兹辐射的太赫兹肖特基放大倍频源1-5，低温辐射黑体采用提供温度为77K的低背景辐射的液氮制冷黑体1-2。标定黑体包括镓熔点黑体1-3和铟凝固点黑体1-4，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。

太赫兹变温黑体1-1作为标准弱太赫兹辐射源，选用俄罗斯全俄物理研究院研制的温度范围为(213～353)K的黑体，在(30～3000)μm太赫兹波段的发射率为0.97，辐射面直径为Φ20mm。该黑体1-1具有与各个温度值相对应的太赫兹波段辐射功率及辐亮度理论值，在测量时用于提供标准弱辐射功率或辐亮度值。

太赫兹肖特基放大倍频源1-5是一种输出功率非常稳定的固态电子学原理制作出的辐射源，可作为标准强太赫兹源，本实施例选用德国RPG公司生产的型号为TX-336肖特基放大倍频源，其辐射频率为882.4μm(0.34THz)，辐射功率为5mW，其主要作用是提供强太赫兹辐射功率标准值。

液氮制冷黑体1-2由俄罗斯全俄物理研究院研制，通过向黑体内灌注液氮，使黑体工作温度为77K，辐射面直径为Φ20mm，其主要作用是在太赫兹源辐射参数测量时提供了一种很低的背景辐射，该辐射信号与太赫兹源辐射信号通过斩光片1-11交替进入探测器，避免了外界的杂散辐射对测量信号的干扰。

镓熔点黑体1-3采用俄罗斯全俄物理研究院研制的黑体，辐射温度为302.914K，辐射面直径为Φ20mm；铟凝固点黑体1-4采用俄罗斯全俄物理研究院研制的黑体，辐射温度为429.5985K，辐射面直径为Φ20mm。黑体1-3和1-4的主要作用是对变温黑体上显示温度T_i进行准确的标定，得到标定后变温黑体的温度值T_i′。

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1-7中，前置密封罐通过太赫兹透射窗口1-8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。前置密封罐1-7使用时其内部抽真空；太赫兹透射窗口1-8采用高密度聚乙烯材料制作，在太赫兹波段具有很高的透过率，在红外波段具有很低的透过率，其作用是屏蔽红外杂散辐射入射到本发明装置中光学系统中。

光学系统包括可旋转升降的平面反射镜1-9、用于将太赫兹辐射调制成周期性变化方波的斩光片1-11、卡塞格林系统、太赫兹窄带光谱滤光片转轮2-5、真空低背景通道2-1。进一步的，当参考太赫兹探测器采用Bolometer探测器时，光学系统还包括Bolometer光锥耦合系统。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、Bolometer光锥耦合系统处于真空低背景通道中。太赫兹窄带光谱滤光片转轮包括多个对应不同太赫兹窄带光谱段的滤光片。

平面反射镜1-9为表面镀制金膜的平面反射镜，该反射镜放置在电控旋转升降台1-10上，在其控制下可转动和升降。电控旋转升降台1-10选择北京卓立汉光公司的ASA150-Zθ型号的产品。斩光片1-11如图3所示，采用金属铝制作，其表面镀制金膜，其作用是在斩波控制器1-12控制下旋转，交替将太赫兹源的辐射信号与液氮制冷黑体的辐射参考信号引入光学系统。斩波控制器1-12采用美国斯坦福公司生产SR510型号的产品，其转动频率可调，可使斩光片以特定的频率转动。

如图1所示，太赫兹变温黑体1-1位于本发明装置的光路左侧光束入射位置，镓熔点黑体1-3、铟凝固点黑体1-4位于光路右侧，使用时分别移到光束入射位置，且三者的辐射光束中心与折转反射镜的中心成一直线且位于同一个水平面上。太赫兹肖特基放大倍频源1-5的辐射光束中心也与太赫兹变温黑体、镓熔点黑体或铟凝固点黑体的辐射光束中心在同一个水平面上。液氮制冷黑体1-2位于位于本发明装置的光路左侧，其中心与斩光片的上半部分叶片接收光斑中心位置重合。太赫兹变温黑体1-1、液氮制冷黑体1-2、镓熔点黑体1-3或铟凝固点黑体1-4、太赫兹肖特基放大倍频源1-5或待测太赫兹源1-6的太赫兹辐射面均位于卡塞格林系统的物平面上。

在标定变温黑体1-1的温度时，首先使反射镜顺时针转到图示虚线位置，与竖直面成45°，先后把镓熔点黑体1-3或铟凝固点黑体1-4的辐射量反射入本发明装置的光学系统2上。在测量变温黑体1-1的辐射时使反射镜逆时针转至图示实线位置，与竖直面成45°，把变温黑体1-1的辐射量反射入本发明装置的光学系统2上。当测量太赫兹肖特基放大倍频源1-5时将折转反射镜1-9降低，直至移出光路，保证太赫兹肖特基放大倍频源1-5发出的光不被遮挡的被本发明装置中的光学系统接收。液氮制冷黑体1-2位于本发明装置的上方，其下面放置斩光片1-11。斩光片1-11在斩波控制器1-12控制下旋转，交替将太赫兹源的测量信号与液氮制冷黑体的辐射参考信号引入光学系统2。

在测量太赫兹肖特基放大倍频源1-5的辐射功率时，将反射镜1-9降低，直至移出光路。在测量待测太赫兹辐射源1-6时将太赫兹肖特基放大倍频源1-5移走，将待测太赫兹辐射源1-6放置在光束入射位置。太赫兹肖特基放大倍频源1-5和待测太赫兹辐射源1-6放置在前置密封罐1-7中，通过太赫兹入射窗口1-8与光学系统2中的真空低背景通道2-1相连。

真空低背景通道2-1为俄罗斯全俄物理研究院生产，长度为2米，分为两层，外层有6个液氮注入孔2-8，内层为直径为300mm的腔体。当液氮注入到该通道2-1时，其内部腔体的温度保持在77K，有效的屏蔽了外界杂散光。分子泵组2-2采用英国Edwards公司生产的TP-75D型号的产品，用于给真空背景通道2-1和前置密封罐1-7抽真空，使真空度达到10^-4mbar量级，同时用于给Bolometer探测器3-1抽真空，待其真空度达到10^-4mbar量级后，向该探测器内部灌注液氦和液氮，保证探测器内的光敏元件工作在4.2K的温度下。

卡塞格林系统包括次镜2-3和主镜2-4，该系统的技术参数：物距为2250mm，焦距为325mm，入瞳直径为150mm，遮拦比为0.4533，光源取样光斑直径为20mm，会聚角为22°。主镜2-4为抛物面反射镜，通光口径为170mm，表面镀制金膜；次镜2-3为双曲面镜，通光口径为68mm，卡塞格林系统像面位于主镜2-4中心后面，和主镜2-4中心距离为80.7mm。

太赫兹窄带光谱滤光片转轮2-5包括7个太赫兹滤光片和1个通孔。测量时根据要求在滤光片转轮上选择一种太赫兹窄带滤光片或通孔移入光路。滤光片采用俄罗斯Tydex公司生产的7种滤光片，每种滤光片只透过很窄的太赫兹光谱，通光孔径为Φ24mm,透过峰值和峰值处的透过率分别为30μm(90％)、105.1μm(74.9％)、204μm(75.7％)、301.3μm(85.9％)、585μm(89.2％)、980μm(93.5％)、2970μm(92.9％)，光谱半带宽Δλ分别为2.3μm、9.4μm、28μm、45μm、66μm、203μm、458μm。

Bolometer光锥耦合系统包括球面反射镜2-6、抛物面反射镜2-7，其作用是接收卡塞格林系统会聚的光斑，将其变为平行光入射到Bolometer探测器内部的光锥前端面上。球面反射镜2-6通光口径为Φ23mm，半径为50.12mm，采用超硬铝制作。抛物面反射镜2-7通光口径为Φ23mm。焦距为30mm，采用超硬铝制作。

探测系统包括参考太赫兹探测器、锁相放大器3-6。进一步的，参考太赫兹探测器分为Bolometer探测器3-2、Golay探测器3-3、Thomas热探测器3-5；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探测器或Golay探测器3-3，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。

Bolometer探测器3-1选用美国Infrared Laboratories公司生产的型号为HIRES4.2K的产品，其内部带有光锥，光锥的光束极限入射角为0.61°；技术指标:探测波段为(30～3000)μm，最佳调制频率：200Hz，响应度为6.6×10⁵V/W。Bolometer探测器前置放大电路3-2选用美国Infrared Laboratories公司生产的型号为LN-6C的产品。

Golay探测器3-3选用俄罗斯Tydex公司生产的型号为GC-1P产品，其放大采集电路3-4也选用俄罗斯Tydex公司生产的产品。Golay探测器内部带有光锥，光锥的极限入射角为12°，其技术指标为：响应度为1.0×10⁵V/W(15Hz)，最大探测功率11.7μW。

Thomas热探测器3-5为英国Thomas Keating公司生产的型号为TK100的太赫兹探测器，其技术指标为：探测功率最大为500mW,脉冲能量：100mJ(5Hz重频)。锁相放大器3-6选用美国斯坦福公司的SR-830型号产品，技术指标：频率范围：1mHz～100KHz,时间常数为30ms，300ms，1s,3s等，动态存储度大于100dB。

依据上述装置，在计算机4通过以下方法进行宽波段太赫兹源辐射功率校准，具体步骤为：

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。

当待测太赫兹源功率较弱时，选择太赫兹变温黑体1-1作为标准太赫兹源、太赫兹探测器选择Bolometer探测器3-1或Golay探测器3-3；由于Bolometer探测器3-1需要液氦制冷，使用成本昂贵，根据使用条件从中选择一种。当待测太赫兹源功率较强时，选用太赫兹肖特基放大倍频源1-5作为标准太赫兹源，太赫兹探测器选择Thomas热探测器3-5。

步骤2：弱太赫兹辐射源辐射功率校准：

步骤2.1：利用标定黑体对太赫兹变温黑体温度进行标定：

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V_0,m，m＝1,2,…,M，M为测量次数；本实施例中M＝6；

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_1,m；所述第一标定黑体为镓熔点黑体或铟凝固点黑体；

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V_2,m；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；

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T₁，并将太赫兹变温黑体辐射信号引入光路；

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；

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V_CBB0,m(T_i)，i＝1,2,…,Y；Y为选用的太赫兹变温黑体的温度点数；本实施例中Y＝11，则对应的黑体温度T_i分别是223K、233K、243K、253K、263K、273K、283K、293K、303K、313K、323K；

步骤2.1.7：根据以下公式得到太赫兹变温黑体温度为T_i时的标定温度T_i′：

$\frac{V_{\mathrm{CBB}0}\left(T_i\right)+b}{K_T}={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λk}{T}_i^{\′}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ}$

其中 $K_T=\frac{V_1-V_2}{M_1-M_2},b=\frac{M_1{V}_2-M_2{V}_1}{M_1-M_2},V_1=\frac{1}{M}(\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{1,m}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}),V_2=\frac{1}{M}(\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{2,m}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}),$

$V_{\mathrm{CBB}0}\left(T_i\right)=\frac{1}{M}(\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{CBB}0,m}\left(T_i\right)-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}),$

$M_1={\mathrm{\ϵ}}_1{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{302.914\·\mathrm{\λk}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ},$

$M_2={\mathrm{\ϵ}}_2{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{429.5985\·\mathrm{\λk}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ},$

λ为太赫兹波长，λ₁为全太赫兹波段下限，λ₂为全太赫兹波段上限，ε₁为镓熔点黑体发射率，ε₂为铟凝固点黑体发射率，h＝6.6256×10^-34J·s为普朗克常数，c＝2.997925×10⁸m·s^-1为光速，k＝1.38054×10^-23J/K为波尔兹曼常数。

步骤2.2：太赫兹辐射参数校准：

步骤2.2.1：根据步骤2.1.6得到的V_CBB0,m(T_i)，i＝1,2,…,Y，按照公式

${\stackrel{\‾}{K}}_{P,0}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{P,i,0}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}\{M*P_{\mathrm{VBB}0,i}/[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{CBB}0,m}\left(T_i\right)-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}\left]\right\}$

${\stackrel{\‾}{K}}_{L,0}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{L,i,0}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}\{M*L_{\mathrm{VBB}0,i}/[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{CBB}0,m}\left(T_i\right)-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}\left]\right\}$

得到光路中的太赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为通孔时的辐射功率修正系数和辐射亮度修正系数其中

$P_{\mathrm{VBB}0,i}=\mathrm{\ϵ}\·A{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λk}{T}_i^{\′}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ},L_{\mathrm{VBB}0,i}=\mathrm{\ϵ}\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{2h{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λk}{T}_i^{\′}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ}$

A为太赫兹变温黑体辐射出射面的面积，ε为太赫兹变温黑体发射率；

步骤2.2.2：打开太赫兹变温黑体，将太赫兹变温黑体温度调整为T₁，并将太赫兹变温黑体辐射信号引入光路，光路中的太赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为第j个太赫兹波段对应的滤光片，j＝1,2,…,Z，Z为太赫兹窄带光谱滤光片转轮中的滤光片个数；本实施例中，太赫兹窄带光谱滤光片转轮除了通孔之外，还有7个滤光片，1～7号滤光片对应的透过峰值和光谱半带宽Δλ分别为30μm(2.3μm)、105.1μm(9.4μm)、204μm(28μm)、301.3μm(45μm)、585μm(66μm)、980μm(203μm)、2970μm(458μm)，对应太赫兹波段为：30μm～80μm、80μm～150μm、150μm～250μm、250μm～400μm、400μm～800μm、800μm～1500μm、1500μm～3000μm。通孔对应太赫兹波段为30μm～3000μm；

步骤2.2.3：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，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；

步骤2.2.4：改变太赫兹变温黑体温度，重复步骤2.2.3，得到Bolometer探测器的输出信号经锁相放大器后的电压信号V_CBB,j,m(T_i)；

步骤2.2.5：重复步骤2.2.2～步骤2.2.4，得到太赫兹窄带光谱滤光片转轮中每一个滤光片对应的电压信号V_CBB,j,m(T_i)，j＝1,2,…,Z；

步骤2.2.6：按照公式

${\stackrel{\‾}{K}}_{P,j}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{P,i,j}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}\{M*P_{\mathrm{VBB},i,j}/[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{CBB},j,m}\left(T_i\right)-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}\left]\right\}$

${\stackrel{\‾}{K}}_{L,j}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{L,i,j}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}\{M*L_{\mathrm{VBB},i,j}/[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{CBB},j,m}\left(T_i\right)-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}\left]\right\}$

得到光路中的太赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为第j个太赫兹波段对应的滤光片时的辐射功率修正系数和辐射亮度修正系数其中

$P_{\mathrm{VBB},i,j}=\mathrm{\ϵ}\·A{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{1,j}}^{{\mathrm{\λ}}_{2,j}}\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λk}{T}_i^{\′}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ},L_{\mathrm{VBB},i,j}=\mathrm{\ϵ}\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{1,j}}^{{\mathrm{\λ}}_{2,j}}\frac{2h{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λk}{T}_i^{\′}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ}$

λ_1,j为第j个太赫兹波段下限，λ_2,j为第j个太赫兹波段上限。

步骤2.3：待测太赫兹源辐射参数测量：

步骤2.3.1：打开待测太赫兹源，并将待测太赫兹源辐射信号引入光路，斩光片以设定频率将待测太赫兹源辐射信号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第j个太赫兹波段对应的滤光片，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_UT,m,j；

步骤2.3.2：根据公式

$P_{\mathrm{UT},j}={\stackrel{\‾}{K}}_{P,j}\·\frac{1}{M}[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{UT},m,j}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}],$

$L_{\mathrm{UT},j}={\stackrel{\‾}{K}}_{L,j}\·\frac{1}{M}[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{UT},m,j}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}],$

得到待测太赫兹源在光路中的太赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为第j个太赫兹波段对应的滤光片时的辐射功率值P_UTj和辐射亮度值L_UTj。

步骤3：强太赫兹辐射源辐射功率校准：

步骤3.1：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Thomas热探测器接收，Thomas热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V_00,m，m＝1,2,…,M，M为测量次数；

步骤3.2：打开太赫兹肖特基放大倍频源，并将太赫兹肖特基放大倍频源的辐射信号引入光路，斩光片以设定频率将太赫兹肖特基放大倍频源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Thomas热探测器接收，Thomas热探测器的输出信号经锁相放大器后得到电压信号V_CC,m；

步骤3.3：根据公式

${\stackrel{\‾}{K}}_{P,j}^{\′}=\frac{M\·k\left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_j\right)P_{\mathrm{CC}0}}{k\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}\right)\·[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{CC},m}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{00,m}]}$

得到光路中的太赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为第j个太赫兹波段对应的滤光片时的辐射功率修正系数P_CC0为太赫兹肖特基放大倍频源的标准辐射功率值，为Thomas热探测器的入射窗口对太赫兹肖特基放大倍频源辐射太赫兹窄带波段的透过率，为Thomas热探测器的入射窗口对太赫兹肖特基放大倍频源在第j个太赫兹波段的透过率；

步骤3.4：打开待测太赫兹源，并将待测太赫兹源辐射信号引入光路，斩光片以设定频率将待测太赫兹源辐射信号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第j个太赫兹波段对应的滤光片，并由Thomas热探测器接收，Thomas热探测器的输出信号经锁相放大器后得到电压信号V′_UT,m,j；根据公式

$P_{\mathrm{UT},j}^{\′}={\stackrel{\‾}{K}}_{P,j}^{\′}\·\frac{1}{M}[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{UT},m,j}^{\′}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{00,m}]$

得到待测太赫兹源在光路中的太赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为第j个太赫兹波段对应的滤光片时的辐射功率值P′_UT,j。

Claims (9)

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。

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。

3.根据权利要求2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光锥耦合系统，Bolometer光锥耦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。

4.根据权利要求2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。

5.根据权利要求3或4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。

6.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10^-4mbar。

7.一种利用权利要求3或4所述装置进行宽波段太赫兹源辐射功率校准的方法，其特征在于：包括以下步骤：

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；

步骤2：弱太赫兹辐射源辐射功率校准：

步骤2.1：利用标定黑体对太赫兹变温黑体温度进行标定：

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，并由参考太赫兹探测器接收，参考太赫兹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V_0,m，m＝1,2,…,M，M为测量次数；

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，并由参考太赫兹探测器接收，参考太赫兹探测器的输出信号经锁相放大器后得到电压信号V_1,m；所述第一标定黑体为镓熔点黑体或铟凝固点黑体；

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，并由参考太赫兹探测器接收，参考太赫兹探测器的输出信号经锁相放大器后得到电压信号V_2,m；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；

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T₁，并将太赫兹变温黑体辐射信号引入光路；

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，并由参考太赫兹探测器接收，参考太赫兹探测器的输出信号经锁相放大器后得到电压信号；

步骤2.1.6：改变太赫兹变温黑体温度，重复步骤2.1.5，得到参考太赫兹探测器的输出信号经锁相放大器后的电压信号V_CBB0,m(T_i)，i＝1,2,…,Y；Y为选用的太赫兹变温黑体的温度点数；

步骤2.1.7：根据以下公式得到太赫兹变温黑体温度为T_i时的标定温度T_i′：

$\frac{V_{\mathrm{CBB}0}\left(T_i\right)+b}{K_T}={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λk}{T}_i^{\′}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ}$

其中 $K_T=\frac{V_1-V_2}{M_1-M_2},b=\frac{M_1{V}_2-M_2{V}_1}{M_1-M_2},V_1=\frac{1}{M}(\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{1,m}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}),V_2=\frac{1}{M}(\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{2,m}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}),$

$V_{\mathrm{CBB}0}\left(T_i\right)=\frac{1}{M}(\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{CBB}0,m}\left(T_i\right)-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}),$

$M_1={\mathrm{\ϵ}}_1{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{302.914\·\mathrm{\λk}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ},$

$M_2={\mathrm{\ϵ}}_2{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{429.5985\·\mathrm{\λk}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ},$

λ为太赫兹波长，λ₁为全太赫兹波段下限，λ₂为全太赫兹波段上限，ε₁为镓熔点黑体发射率，ε₂为铟凝固点黑体发射率，h为普朗克常数，c为光速，k为波尔兹曼常数；

步骤2.2：太赫兹辐射参数校准：

步骤2.2.1：根据步骤2.1.6得到的V_CBB0,m(T_i)，i＝1,2,…,Y，按照公式

${\stackrel{\‾}{K}}_{P,0}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{P,i,0}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}\{M*P_{\mathrm{VBB}0,i}/[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{CBB}0,m}\left(T_i\right)-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}\left]\right\}$

${\stackrel{\‾}{K}}_{L,0}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{L,i,0}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}\{M*L_{\mathrm{VBB}0,i}/[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{CBB}0,m}\left(T_i\right)-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}\left]\right\}$

得到光路中的太赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为通孔时的辐射功率修正系数和辐射亮度修正系数其中

$P_{\mathrm{VBB}0,i}=\mathrm{\ϵ}\·A{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λk}{T}_i^{\′}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ},L_{\mathrm{VBB}0,i}=\mathrm{\ϵ}\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{2h{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λk}{T}_i^{\′}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ}$

A为太赫兹变温黑体辐射出射面的面积，ε为太赫兹变温黑体发射率；

步骤2.2.2：打开太赫兹变温黑体，将太赫兹变温黑体温度调整为T₁，并将太赫兹变温黑体辐射信号引入光路，光路中的太赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为第j个太赫兹波段对应的滤光片，j＝1,2,…,Z，Z为太赫兹窄带光谱滤光片转轮中的滤光片个数；

步骤2.2.3：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，并由参考太赫兹探测器接收，参考太赫兹探测器的输出信号经锁相放大器后得到电压信号；

步骤2.2.4：改变太赫兹变温黑体温度，重复步骤2.2.3，得到参考太赫兹探测器的输出信号经锁相放大器后的电压信号V_CBB,j,m(T_i)；

步骤2.2.5：重复步骤2.2.2～步骤2.2.4，得到太赫兹窄带光谱滤光片转轮中每一个滤光片对应的电压信号V_CBB,j,m(T_i)，j＝1,2,…,Z；

步骤2.2.6：按照公式

${\stackrel{\‾}{K}}_{P,j}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{P,i,j}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}\{M*P_{\mathrm{VBB},i,j}/[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{CBB},j,m}\left(T_i\right)-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}\left]\right\}$

${\stackrel{\‾}{K}}_{L,j}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{L,i,j}=\frac{1}{Y}\underset{i=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}\{M*L_{\mathrm{VBB},i,j}/[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{CBB},j,m}\left(T_i\right)-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}\left]\right\}$

得到光路中的太赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为第j个太赫兹波段对应的滤光片时的辐射功率修正系数和辐射亮度修正系数其中

$P_{\mathrm{VBB},i,j}=\mathrm{\ϵ}\·A{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{1,j}}^{{\mathrm{\λ}}_{2,j}}\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λk}{T}_i^{\′}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ},L_{\mathrm{VBB},i,j}=\mathrm{\ϵ}\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{1,j}}^{{\mathrm{\λ}}_{2,j}}\frac{2h{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λk}{T}_i^{\′}}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ}$

λ_1,j为第j个太赫兹波段下限，λ_2,j为第j个太赫兹波段上限；

步骤2.3：待测太赫兹源辐射参数测量：

步骤2.3.1：打开待测太赫兹源，并将待测太赫兹源辐射信号引入光路，斩光片以设定频率将待测太赫兹源辐射信号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第j个太赫兹波段对应的滤光片，并由参考太赫兹探测器接收，参考太赫兹探测器的输出信号经锁相放大器后得到电压信号V_UT,m,j；

步骤2.3.2：根据公式

$P_{\mathrm{UT},j}={\stackrel{\‾}{K}}_{P,j}\·\frac{1}{M}[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{UT},m,j}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}],$

$P_{\mathrm{UT},j}={\stackrel{\‾}{K}}_{L,j}\·\frac{1}{M}[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{UT},m,j}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0,m}],$

得到待测太赫兹源在光路中的太赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为第j个太赫兹波段对应的滤光片时的辐射功率值P_UTj和辐射亮度值L_UTj；

步骤3：强太赫兹辐射源辐射功率校准：

步骤3.1：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Thomas热探测器接收，Thomas热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V_00,m，m＝1,2,…,M，M为测量次数；

步骤3.2：打开太赫兹肖特基放大倍频源，并将太赫兹肖特基放大倍频源的辐射信号引入光路，斩光片以设定频率将太赫兹肖特基放大倍频源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Thomas热探测器接收，Thomas热探测器的输出信号经锁相放大器后得到电压信号V_CC,m；

步骤3.3：根据公式

${\stackrel{\‾}{K}}_{P,j}^{\′}=\frac{M\·k\left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_j\right)P_{\mathrm{CC}0}}{k\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}\right)\·[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{CC},m}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{00,m}]}$

得到光路中的太赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为第j个太赫兹波段对应的滤光片时的辐射功率修正系数P_CC0为太赫兹肖特基放大倍频源的标准辐射功率值，为Thomas热探测器的入射窗口对太赫兹肖特基放大倍频源辐射太赫兹窄带波段的透过率，为Thomas热探测器的入射窗口对太赫兹肖特基放大倍频源在第j个太赫兹波段的透过率；

步骤3.4：打开待测太赫兹源，并将待测太赫兹源辐射信号引入光路，斩光片以设定频率将待测太赫兹源辐射信号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第j个太赫兹波段对应的滤光片，并由Thomas热探测器接收，Thomas热探测器的输出信号经锁相放大器后得到电压信号V′_UT,m,j；根据公式

$P_{\mathrm{UT},j}^{\′}={\stackrel{\‾}{K}}_{P,j}^{\′}\·\frac{1}{M}[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{UT},m,j}^{\′}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{00,m}]$

得到待测太赫兹源在光路中的太赫兹窄带光谱滤光片转轮选择为第j个太赫兹波段对应的滤光片时的辐射功率值P′_UT,j。

8.根据权利要求7所述一种宽波段太赫兹源辐射功率校准方法，其特征在于：步骤2

中的参考太赫兹探测器为Bolometer探测器。

9.根据权利要求7所述一种宽波段太赫兹源辐射功率校准方法，其特征在于：全太赫兹波段为30μm～3000μm，太赫兹窄带光谱滤光片转轮中滤光片对应的太赫兹波段为：30μm～80μm、80μm～150μm、150μm～250μm、250μm～400μm、400μm～800μm、800μm～1500μm、1500μm～3000μm。