CN108692812B - 一种黑体腔光谱吸收率测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种黑体腔光谱吸收率测量装置及方法。其中，测量装置包括光源、单色仪、光束准直系统、分束器、第一陷阱探测器、积分球、第二陷阱探测器、黑体腔、标准白板、电控平移台、控制器、信号放大器、六位半电压表以及工控机。本发明采用LDLS激光驱动光源和单色仪代替激光器作为黑体腔光谱吸收率测量光源，可将传统测量方法单波长点下吸收率扩展到170nm‑2100nm宽谱带下的光谱吸收率；本发明采用Si/InGaAs陷阱探测器代替传统方法下的Si/InGaAs探测器，可减小因入射光入射角度和偏振度等因素对测量结果带来的影响，提高测量不确定度。本发明利用黑体腔夹具和电控平移台搭建黑体腔光谱吸收率测量机械装置，可减小多次测量时黑体腔空间位置误差对测量结果的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种黑体腔光谱吸收率测量装置与方法。
背景技术
低温辐射计是目前国际上对光功率进行绝对测量的最高基准，它利用低温超导下的电替代测量原理，将光辐射计量溯源到可以准确测量的电参数测量，得到光辐射绝对功率值的测量基准，测量不确定度可以达到10-5量级，并在“高分”、“导弹制导”以及“地球观测与导航”等领域光辐射计量方面发挥了重要作用。目前，以美国国家计量标准实验室(NIST)、英国国家物理研究所(NPL)和德国联邦物理研究院(PTB)为代表的国际领先计量机构均开展了低温辐射计高精度辐射计量标准的研制。黑体腔作为低温辐射计内部核心光辐射吸收元件，是连接光辐射与电加热等效替代的纽带。基于光电加热等效替代测量原理，采用电加热功率等效替代光辐射功率时，由于光辐射位置与电加热位置不完全一致，需要对电加热功率进行修正才能得到实际入射的光功率值，修正如下：P光·(A·S·T·N)＝P电。
其中，A表示黑体吸收腔的吸收率，S表示杂散光修正系数，T为布儒斯特窗口透射比，N为光电加热不等效系数。黑体吸收腔采用特殊的结构设计，并在内壁涂有吸收率约为90％的黑材料，入射光在黑体腔内经过多次反射，绝大部分得到吸收转化为热。考虑到低温辐射计是一种宽波段光辐射功率计量基准，因此需要事先对不同波长下黑体腔的吸收率进行测量标定。当前一般采用激光和积分球相结合的方式来测量腔体吸收率，如公开号为CN104501949 A的发明专利申请公开了一种基于替代法和探测器效率的腔体吸收率测量方法，上述测量方法采用532nm激光和积分球测量腔体吸收率。由于低温辐射计采用光电加热等效替代测量原理，需要事先对黑体腔的吸收率进行高精度测量用于后期光电加热修正。另外，考虑到吸收腔在不同波段下的吸收率存在差异，有必要对黑体腔进行宽波段下的吸收率测量，获取黑体腔吸收率曲线，进一步提高低温辐射计测量不确定度。
目前，国内外对于低温辐射计黑体腔吸收率的测量还局限于采用532nm和632.8nm激光单波长下的吸收率测量，考虑到低温辐射计的宽波段光辐射功率计量和黑体腔不同波长下吸收率的差异性，单波长吸收率的测量影响低温辐射计的测量不确定。
此外，基于现有Si/InGaAs探测器的腔体吸收率测量方法，受探测器自身稳定性的影响，腔体吸收率测量不确定度较大。以上两方面因素都不利于低温辐射计测量不确定度的提高。
现有黑体腔吸收率的测量一般采用532nm激光器(或632.8nm氦氖激光器)、积分球、标准白板和Si/InGaAs探测器搭建测量装置，该方法存在如下影响测量不确定度的问题：
(1)上述方法只能测量单一波长下腔体的吸收率，并利用该波长下的吸收率测量值进行全波长下电加热功率进行修正。实际上，黑体腔在不同波长下的吸收率之间存在差异，测量单一波长下的吸收率会增加低温辐射计测量不确定度。(2)现有技术采用的Si/InGaAs探测器对于低温辐射计黑体腔吸收率的测量，其稳定性较差。探测器受入射光的入射角度、偏振态等因素影响大。(3)黑体腔吸收率测试过程中需要多次对标准白板和黑体腔进行切换，每次切换黑体腔的过程中难以保证腔体在空间位置上的绝对一致。
发明内容
本发明的目的在于提出一种黑体腔光谱吸收率测量装置，以解决黑体吸收腔宽波段(170nm-2100nm)、高稳定性光谱吸收率测量问题。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种黑体腔光谱吸收率测量装置，包括：
光源、单色仪、光束准直系统、分束器、第一陷阱探测器、积分球、第二陷阱探测器、黑体腔、标准白板、电控平移台、控制器、信号放大器、六位半电压表以及工控机；
光源发出的光依次经过单色仪和光束准直系统达到分束器；
经过分束器后的透射光进入第一陷阱探测器；
第一陷阱探测器通过信号线依次与信号放大器、六位半电压表和工控机连接；
积分球上设有入光口、探测器端口以及样品端口，其中：
经过分束器后的反射光经由所述入光口入射到积分球内；探测器端口位于与入射光的光轴垂直的截面上，样品端口位于积分球与入光口相对的另一端；
第二陷阱探测器设置于积分球的探测器端口；
第二陷阱探测器通过信号线依次与信号放大器、六位半电压表和工控机连接；
黑体腔和标准白板安装于电控平移台上，且由电控平移台带动移动至积分球的样品端口；
电控平移台、单色仪通过信号线与控制器相连，控制器通过信号线与工控机相连。
优选地，所述光源采用LDLS激光驱动光源；
光谱范围为170nm-2100nm，每纳米输出功率为10mW。
优选地，所述分束器采用10％透过率，且90％反射率的分光镜。
优选地，第一陷阱探测器采用Si陷阱探测器或InGaAs陷阱探测器；
第二陷阱探测器采用Si陷阱探测器或InGaAs陷阱探测器。
优选地，所述黑体腔配置有黑体腔夹具，并通过黑体腔夹具安装于电控平移台上。
本发明还有一个目的在于提出一种黑体腔光谱吸收率测量方法，该测量方法基于上述黑体腔光谱吸收率测量装置，具体技术方案如下：
一种黑体腔光谱吸收率测量方法，包括如下步骤：
s1.光源发出的宽谱光经单色仪分光后由光束准直系统进行准直，准直光束经分束器后部分光透过分束器进入第一陷阱探测器，用作参考光，部分光经反射后进入积分球；
s2.设置单色仪波长λi，170nm≤λi≤2100nm；
通过控制器控制电控平移台移动，依次测量并记录：
积分球样品端口空载时的参考电压
和背景电压
积分球样品端口放置标准白板时的参考电压
和白板电压
以及
积分球样品端口放置黑体腔时的参考电压
和黑体腔电压
利用第一陷阱探测器的电压值对背景电压、白板电压和黑体腔电压进行修正：
背景修正电压：
白板修正电压：
黑体腔修正电压：
基于替代法测量黑体腔吸收率的计算公式如下
其中，
为黑体腔吸收率，
为黑体腔反射率，
为标准白板反射率；
s3.根据公式(1)至公式(3)，用原始测量电压来表示各修正电压值，可获得黑体腔在波长λi下的吸收率计算公式如下：
s4.调整单色仪的波长λi，重复上述步骤s2和步骤s3，依次获得黑体腔在170nm-2100nm波长范围内的光谱吸收率
本发明具有如下优点：
(1)本发明采用LDLS激光驱动光源和单色仪代替激光器作为黑体腔光谱吸收率测量光源，可将传统测量方法单波长点(532nm或632.8nm)下吸收率扩展到170nm-2100nm宽谱带下的光谱吸收率；LDLS激光驱动光源可输出每纳米单色波长光功率达10mW。
(2)本发明采用Si/InGaAs陷阱探测器代替传统方法下的Si/InGaAs探测器，可减小因入射光入射角度和偏振度等因素对测量结果带来的影响，提高测量不确定度。
(3)本发明利用黑体腔夹具和电控平移台搭建黑体腔光谱吸收率测量机械装置，可减小多次测量时黑体腔空间位置误差对测量结果的影响。
附图说明
图1为本发明中黑体腔光谱吸收率测量装置的原理框图；
图2为本发明中搭建的黑体腔光谱吸收率测量机械装置的结构示意图。
其中，1-光源，2-单色仪，3-光束准直系统，4-分束器，5-第一陷阱探测器，6-积分球，7-第二陷阱探测器，8-黑体腔，9-标准白板，10-电控平移台；
11-控制器，12-信号放大器，13-六位半电压表，14-工控机，15-黑体腔夹具。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
结合图1所示，一种黑体腔光谱吸收率测量装置，包括光源1、单色仪2、光束准直系统3、分束器4、第一陷阱探测器5、积分球6、第二陷阱探测器7、黑体腔8、标准白板9、电控平移台10、控制器11、信号放大器12、六位半电压表13、工控机14和黑体腔夹具15。
其中，光源1采用LDLS激光驱动光源。
LDLS激光驱动光源的光谱范围为170nm-2100nm，每纳米输出功率为10mW。
光源1发出的光依次经过单色仪2和光束准直系统3达到分束器4。
单色仪2的输出波长可以进行设置。本实施例采用LDLS激光驱动光源和单色仪作为黑体腔光谱吸收率测量光源，可实现黑体腔光谱吸收率的测量。
经过分束器4后的透射光进入第一陷阱探测器5，用作参考光。经过分束器4后的反射光进入积分球6，用于测量黑体腔吸收率。
优选地，本实施例中分束器采用10％透过率，且90％反射率的分光镜。
第一陷阱探测器5根据光波长可以采用Si陷阱探测器或InGaAs陷阱探测器，测量不确定度优于0.05％，且受入射光角度和偏振度影响极小，探测稳定性高。
第一陷阱探测器5通过信号线依次与信号放大器12、六位半电压表13和工控机14连接。
积分球6作为反射比测量积分球，采用一种通透积分球。
积分球上设有入光口A、探测器端口B以及样品端口C，其中：
经过分束器4后的反射光经由入光口A入射到积分球6内；探测器端口B位于与入射光的光轴垂直的截面上，样品端口C位于积分球与入光口相对的另一端。
第二陷阱探测器7设置于积分球的探测器端口B。
该第二陷阱探测器7根据光波长，也可采用Si陷阱探测器或InGaAs陷阱探测器。
用Si/InGaAs陷阱探测器代替传统的Si/InGaAs探测器，可提高黑体腔吸收率测量精度。
第二陷阱探测器7通过信号线依次与信号放大器12、六位半电压表13和工控机14连接。
如图2所示，黑体腔8和标准白板9安装于电控平移台10上，构成黑体腔光谱吸收率测量机械装置，具体的，黑体腔8通过黑体腔夹具15安装于电控平移台10上。
通过上述黑体腔光谱吸收率测量机械装置，可减小多次测量时黑体腔空间位置误差对测量结果的影响，定位精度达到1.25μm。
通过电控平移台10可以带动黑体腔8或标准白板9移动至样品端口C。电控平移台10、单色仪2通过信号线与控制器11相连，控制器11通过信号线与工控机14相连。
此外，本发明还提出了一种黑体腔宽波段(170nm-2100nm)、高稳定性光谱吸收率(αλ)测量方法，结合上述搭建的黑体腔光谱吸收率测试装置，可实现低温辐射计黑体腔电加热功率在170nm-2100nm下修正曲线的获取，有助于提高低温辐射计的测量不确定度。
具体的，一种黑体腔光谱吸收率测量方法，包括如下步骤：
s1.光源发出的宽谱光经单色仪分光后由光束准直系统进行准直，准直光束经分束器后部分光透过分束器进入第一陷阱探测器，用作参考光，部分光经反射后进入积分球；
s2.设置单色仪波长λi，170nm≤λi≤2100nm；
通过控制器控制电控平移台移动，依次测量并记录：
积分球样品端口空载时的参考电压
和背景电压
积分球样品端口放置标准白板时的参考电压
和白板电压
以及
积分球样品端口放置黑体腔时的参考电压
和黑体腔电压
利用第一陷阱探测器的电压值对背景电压、白板电压和黑体腔电压进行修正：
背景修正电压：
白板修正电压：
黑体腔修正电压：
基于替代法测量黑体腔吸收率的计算公式如下
其中，
为黑体腔吸收率，
为黑体腔反射率，
为标准白板反射率；
s3.根据公式(1)至公式(3)，用原始测量电压来表示各修正电压值，可获得黑体腔在波长λi下的吸收率计算公式如下：
s4.调整单色仪的波长λi，重复上述步骤s2和步骤s3，依次获得黑体腔在170nm-2100nm波长范围内的光谱吸收率
下面以单色仪的波长λi＝170nm为例，对本发明方法进行详细说明：
步骤一：利用LDLS激光驱动光源输出波长为170nm的单色光，依次经光束准直系统和分束器后分别进入第一陷阱探测器和积分球，并使得测量光束从积分球入光口和样品端的中心穿过，在远离积分球位置倾斜放置高吸收率的黑材料，确保出射光不会反射进入积分球。待光路稳定后同时记录第一陷阱探测器和第二陷阱探测器的电压读数
和
步骤二：如图2所示，分别把标准白板9、黑体腔夹具15和黑体腔8放置在电控平移台10上，调整并记录电控平移台与积分球样品端口之间的位置。
通过平移台控制器控制平移台移动，依次把标准白板和黑体腔放置在积分球样品端口，并分别记录白板参考电压
白板电压
黑体腔参考电压
黑体腔电压
步骤三：根据上述步骤测得的电压值和标准白板在170nm处的反射率值
可计算得出黑体腔在170nm处的吸收率：
步骤四：调整单色仪输出波长，步进1nm，重复上述操作方法，可测得黑体腔在其它波长处的吸收率
170nm≤λi≤2100nm。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (6)
1.一种黑体腔光谱吸收率测量装置，其特征在于，包括：
光源、单色仪、光束准直系统、分束器、第一陷阱探测器、积分球、第二陷阱探测器、黑体腔、标准白板、电控平移台、控制器、信号放大器、六位半电压表以及工控机；
光源发出的光依次经过单色仪和光束准直系统达到分束器；
经过分束器后的透射光进入第一陷阱探测器；
第一陷阱探测器通过信号线依次与信号放大器、六位半电压表和工控机连接；
积分球上设有入光口、探测器端口以及样品端口，其中：
经过分束器后的反射光经由所述入光口入射到积分球内；探测器端口位于与入射光的光轴垂直的截面上，样品端口位于积分球与入光口相对的另一端；
第二陷阱探测器设置于积分球的探测器端口；
第二陷阱探测器通过信号线依次与信号放大器、六位半电压表和工控机连接；
黑体腔和标准白板安装于电控平移台上，且由电控平移台带动移动至积分球的样品端口；
电控平移台、单色仪通过信号线与控制器相连，控制器通过信号线与工控机相连。
2.根据权利要求1所述的一种黑体腔光谱吸收率测量装置，其特征在于，所述光源采用LDLS激光驱动光源，光谱范围为170nm-2100nm，每纳米输出功率为10mW。
3.根据权利要求1所述的一种黑体腔光谱吸收率测量装置，其特征在于，所述分束器采用10％透过率，且90％反射率的分光镜。
4.根据权利要求1所述的一种黑体腔光谱吸收率测量装置，其特征在于，第一陷阱探测器采用Si陷阱探测器或InGaAs陷阱探测器；
第二陷阱探测器采用Si陷阱探测器或InGaAs陷阱探测器。
5.根据权利要求1所述的一种黑体腔光谱吸收率测量装置，其特征在于，所述黑体腔配置有黑体腔夹具，并通过黑体腔夹具安装于电控平移台上。
6.一种黑体腔光谱吸收率测量方法，基于上述权利要求1至5任一项所述的黑体腔光谱吸收率测量装置，其特征在于，所述测量方法包括如下步骤：
s1.光源发出的宽谱光经单色仪分光后由光束准直系统进行准直，准直光束经分束器后部分光透过分束器进入第一陷阱探测器，用作参考光，部分光经反射后进入积分球；
s2.设置单色仪波长λi，170nm≤λi≤2100nm；
通过控制器控制电控平移台移动，依次测量并记录：
积分球样品端口空载时的参考电压
和背景电压
积分球样品端口放置标准白板时的参考电压
和白板电压
以及
积分球样品端口放置黑体腔时的参考电压
和黑体腔电压
利用第一陷阱探测器的电压值对背景电压、白板电压和黑体腔电压进行修正：
背景修正电压：
白板修正电压：
黑体腔修正电压：
基于替代法测量黑体腔吸收率的计算公式如下
其中，
为黑体腔吸收率，
为黑体腔反射率，
为标准白板反射率；
s3.根据公式(1)至公式(3)，用原始测量电压来表示各修正电压值，可获得黑体腔在波长λi下的吸收率计算公式如下：
s4.调整单色仪的波长λi，重复上述步骤s2和步骤s3，依次获得黑体腔在170nm-2100nm波长范围内的光谱吸收率
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