CN110440911B - 一种低温辐射计用测试集成装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温辐射计用测试集成装置及测试方法，该装置是集布儒斯特窗口透过率、光束对准装置安装调试与杂散光测试功能于一体的紧凑型集成装置，该装置结构简单、测试精度高。与现有利用两个探测器进行布儒斯特窗口透过率测试装置相比，本发明所设计方案利用电控平移台和同一探测器进行布儒斯特窗口透过率测试，有利于消除不同探测器之间的响应差异，提高探测精度。本发明提出利用探测离轴抛物面镜透过率的方法间接检测杂散光光功率，有利于消除四象限探测器外围杂散光以及探测器对极微弱光功率测试精度差造成对杂散光测试准确性差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及低温辐射计领域，具体涉及一种低温辐射计用测试集成装置及测试方法。
背景技术
低温辐射计利用低温超导环境下的电校准法测量原理，是目前国际上光辐射功率测量基准。为降低光电加热不等效性，将低温辐射计的光辐射吸收腔体置于温度接近液氦温度的真空辐射屏蔽层内，并在屏蔽层设置布儒斯特窗口供入射光进入吸收腔体。利用布儒斯特窗口片的反射特性与激光光束偏振特性的关系，可以使得垂直于界面方向的线偏振入射光以布儒斯特角入射时理论上实现无损耗传输，同时避免环境杂散光进入低温辐射计引入测量不确定度。同时为确保测试过程中入射光完全进入吸收腔体，以及多次测试过程的重复性问题，通常在黑体腔前端设置光束对准装置用于光束对准和杂散光测试。实际测量过程中，为保证测量准确性，还需对布儒斯特窗口透过率、杂散光等因素进行修正，式1所示为低温辐射计光电等效修正公式：
其中，F为被测辐射功率，A为腔体吸收系数，S为入射光束中未进入吸收腔部分的杂散光修正系数，T为布儒斯特窗口透过率，N为光电加热不等效系数，Vh为腔体加热器两端电压，Vi和Ri分别为电加热回路中标准电阻两端的电压和电阻值。A、S、T、N为修正项，其中A和N为事先测试和仿真好的固有系数，可视为常数；S和T因每次实验过程中入射光路的不同会略有差异，需要在每次实验过程中重新测试，是整个测试过程中两项较大的不确定度来源。
以美国NIST、英国NPL为代表的国际计量机构均开展了低温辐射计测试系统研制和测试工作，国内目前也有少数研究机构开展了相关测试验证工作。如英国NPL采用中间通孔的四象限探测器进行光束对准，同时测量光束中的杂散光；发明专利“CN 109506774 A一种低温辐射计黑体腔光束对准装置及对准方法”提出一种利用抛物面反射镜进行光束对准；实用新型专利“CN 203929358 U一种低温辐射计的布儒斯特窗口透过率测量装置”提出一种低温辐射计用布儒斯特窗口透过率在线测试方法。
现有低温辐射计测试系统中布儒斯特窗口透过率测试装置与光束对准装置、杂散光测试装置是彼此分离的，结构复杂、测试精度低；如现有方案中，发明专利“CN 109506774A”中所设计抛物面反射镜光束对准方案没有给出相关安装调试设计结构；实用新型专利“CN 203929358 U”提出的低温辐射计用布儒斯特窗口透过率在线测试方法，由于前后采用两个不同探测器进行透过率测试，受探测器响应一致性影响造测试精度较差；利用中间通孔四象限探测器进行杂散光测试时，由于杂散光发散面积大于探测器面积，且杂散光功率极弱，需要外围电路进行107倍量级放大，难以保证对杂散光功率的测试准确性。另外，中间带通孔的四象限探测器需要专门流片定制，价格极其昂贵。
发明内容
针对当前低温辐射计测试系统中布儒斯特窗口透过率测试装置与光束对准装置、杂散光测试装置彼此分离，结构复杂、测试精度低的问题，本发明的第一目的是提供了一种低温辐射计用测试集成装置。
本发明采用以下的技术方案：
一种低温辐射计用测试集成装置，包括主筒体，主筒体的上部设置有布儒斯特窗口透过率测试窗口和杂散光测试窗口，主筒体的下部设置有四象限探测器安装真空法兰，主筒体的内部设置有离轴抛物面反射镜；
主筒体的前端连接有前端真空法兰，主筒体的后端连接有后端真空法兰。
优选地，所述布儒斯特窗口透过率测试窗口、杂散光测试窗口和四象限探测器安装真空法兰均与主筒体相通。
优选地，所述四象限探测器安装真空法兰的侧部设置有航空插头接口，四象限探测器安装真空法兰的底部设置有真空盲板，在真空盲板的内侧设置有四象限探测器安装座，四象限探测器安装座上安装有四象限探测器。
优选地，所述离轴抛物面反射镜位于四象限探测器安装真空法兰的上方，离轴抛物面反射镜通过反射镜安装座固定在主筒体的内壁上，离轴抛物面反射镜能在反射镜安装座上调整位置；离轴抛物面反射镜的离轴方向竖直向下。
优选地，所述主筒体的下部还设置有用于与光学支撑杆螺纹连接的螺纹接口；所述后端真空法兰上连接有抽真空法兰。
本发明的第二目的是提供了一种低温辐射计入射光束对准调试方法。
一种低温辐射计入射光束对准调试方法，利用以上所述的一种低温辐射计用测试集成装置，包括以下步骤：
步骤1：完成对入射光空间滤波和稳功率控制，打开低温辐射计各级冷屏罩，拆掉低温辐射计的黑体腔，调整入射光方向让入射光从黑体腔安装座中心穿过；
步骤2：重新装配好黑体腔及低温辐射计的各级冷屏，后端真空法兰通过真空挡板阀与低温辐射计的外层屏蔽罩通光孔安装在一起；
步骤3：观察入射光是否从离轴抛物面反射镜的中间通孔的中心通过，若不是，则反复调整离轴抛物面反射镜在反射镜安装座上的位置，直至入射光从离轴抛物面反射镜的中间通孔的中心通过；
步骤4：确保四象限探测器的中心位于离轴抛物面反射镜的反射光光斑焦点位置，将航空插头借助真空卡箍安装在航空插头接口上，读取四象限探测器信号；
步骤5：调节入射光方向和空间位置，观察四象限探测器四个象限的示数，直至四个象限的示数相同，认为完成光束对准。
本发明的第三目的是提供了一种低温辐射计布儒斯特窗口透过率测试方法。
一种低温辐射计布儒斯特窗口透过率测试方法，在以上所述的低温辐射计入射光束对准调试方法完成后，包括以下步骤：
步骤1：在前端真空法兰上安装布儒斯特窗口；
步骤2：在测试集成装置的一侧安装二维电动平移台，二维电动平移台上设置有光电探测器，光电探测器能在二维电动平移台上移动；
步骤3：光电探测器自布儒斯特窗口透过率测试窗口伸入，调整布儒斯特窗口倾角和入射光偏振态，直至获得布儒斯特窗口的最佳透过率值；
步骤4：光电探测器先测试布儒斯特窗口前端的光功率值P1，之后，光电探测器自布儒斯特窗口透过率测试窗口伸入，测试布儒斯特窗口后端的光功率P2，则P2/P1即为布儒斯特窗口透过率修正因子T。
本发明的第四目的是提供了一种低温辐射计入射光路中杂散光测试方法。
一种低温辐射计入射光路中杂散光测试方法，在以上所述的低温辐射计入射光束对准调试方法完成后，包括以下步骤：
步骤1：在测试集成装置的一侧安装二维电动平移台，二维电动平移台上设置有光电探测器，光电探测器能在二维电动平移台上移动；
步骤2：光电探测器自布儒斯特窗口透过率测试窗口伸入，测试离轴抛物面反射镜前端的光功率P3，之后，光电探测器自杂散光测试窗口伸入，测试离轴抛物面反射镜后端的光功率P4，则P3-P4即为此时的杂散光光功率，杂散光修正因子S的值为P4/P3；同时记录并计算此时离轴抛物面反射镜反射到四象限探测器上的光功率之和，记为P0，并把该反射光视为监视光；
步骤3：利用真空盲板对布儒斯特窗口透过率测试窗口和杂散光测试窗口进行密封；
步骤4：由于低温辐射计整个测试过程需要进行多次光加热，且对入射光进行稳功率，则认为在整个测试过程中入射光功率是不变的，但杂散光功率可能会有微小变化，因此，测试过程中需实时记录监视光光功率，记为Pt，则Pt/P0即为杂散光的实时修正量，修正后的杂散光修正系数
本发明具有的有益效果是：
该装置是集布儒斯特窗口透过率、光束对准装置安装调试与杂散光测试功能于一体的紧凑型集成装置，该装置结构简单、测试精度高。通过读取四象限探测器的示数，完成光束的准确对准调试。
与现有利用两个探测器进行布儒斯特窗口透过率测试的装置相比，本发明所设计方案利用电控平移台和同一探测器进行布儒斯特窗口透过率测试，有利于消除不同探测器之间的响应差异，提高探测精度。
与现有利用中间带通孔四象限探测器探测光路中杂散光方案相比，本发明提出利用探测离轴抛物面镜透过率的方法间接检测杂散光光功率，有利于消除四象限探测器外围杂散光以及探测器对极微弱光功率测试精度差造成对杂散光测试准确性差的问题。并以四象限探测器所接收到的反射光作参考光，对杂散光修正系数进行实时修正。
附图说明
图1为低温辐射计用测试集成装置的示意图。
图2为低温辐射计用测试集成装置的剖视图。
图3为布儒斯特窗口透过率测试和杂散光测试示意图。
其中，1-主筒体，2-布儒斯特窗口透过率测试窗口，3-杂散光测试窗口，4-四象限探测器安装真空法兰，5-离轴抛物面反射镜，6-前端真空法兰，7-后端真空法兰，8-航空插头接口，9-真空盲板，10-四象限探测器安装座，11-四象限探测器，12-反射镜安装座，13-抽真空法兰，14-布儒斯特窗口，15-光电探测器，16-杂散光。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
实施例1
结合图1和图2，一种低温辐射计用测试集成装置，包括主筒体1，主筒体1的上部设置有布儒斯特窗口透过率测试窗口2和杂散光测试窗口3，主筒体1的下部设置有四象限探测器安装真空法兰4，主筒体的内部设置有离轴抛物面反射镜5。
主筒体1的前端连接有前端真空法兰6，主筒体1的后端连接有后端真空法兰7。
布儒斯特窗口透过率测试窗口2、杂散光测试窗口3和四象限探测器安装真空法兰4均与主筒体相通。
四象限探测器安装真空法兰4的侧部设置有航空插头接口8，四象限探测器安装真空法兰的底部设置有真空盲板9，在真空盲板的内侧设置有四象限探测器安装座10，四象限探测器安装座上安装有四象限探测器11。
四象限探测器安装座采用绝热绝缘材料聚酰亚胺制成，四象限探测器安装座是利用低温胶粘接在真空盲板9上的。
离轴抛物面反射镜5位于四象限探测器安装真空法兰的上方，离轴抛物面反射镜通过反射镜安装座12固定在主筒体的内壁上，离轴抛物面反射镜能在反射镜安装座上调整位置。离轴抛物面反射镜的离轴方向竖直向下。
主筒体的下部还设置有用于与光学支撑杆螺纹连接的螺纹接口，螺纹接口通过光学支撑杆固定在光学平台上。
后端真空法兰上连接有抽真空法兰13。
主筒体、布儒斯特窗口透过率测试窗口、杂散光测试窗口、四象限探测器安装真空法兰、前端真空法兰、后端真空法兰、航空插头接口和真空盲板均由304不锈钢材料制成。
实施例2
一种低温辐射计入射光束对准调试方法，利用实施例1所述的一种低温辐射计用测试集成装置。
该方法包括以下步骤：
步骤1：完成对入射光空间滤波和稳功率控制，打开低温辐射计各级冷屏罩，拆掉低温辐射计的黑体腔，调整入射光方向让入射光从黑体腔安装座中心穿过。
步骤2：重新装配好黑体腔及低温辐射计的各级冷屏，后端真空法兰7通过真空挡板阀与低温辐射计的外层屏蔽罩通光孔安装在一起。
步骤3：观察入射光是否从离轴抛物面反射镜5的中间通孔的中心通过，若不是，则反复调整离轴抛物面反射镜在反射镜安装座上的位置，直至入射光从离轴抛物面反射镜的中间通孔的中心通过。
步骤4：确保四象限探测器11的中心位于离轴抛物面反射镜的反射光光斑焦点位置，将航空插头借助真空卡箍安装在航空插头接口上，读取四象限探测器信号。
步骤5：调节入射光方向和空间位置，观察四象限探测器四个象限的示数，直至四个象限的示数相同，认为完成光束对准。
实施例3
在完成实施例2的对准后，进行布儒斯特窗口透过率测试。
结合图3，一种低温辐射计布儒斯特窗口透过率测试方法，包括以下步骤：
步骤1：在前端真空法兰上安装布儒斯特窗口14。
步骤2：在测试集成装置的一侧安装二维电动平移台，二维电动平移台上设置有光电探测器15，光电探测器能在二维电动平移台上移动。
步骤3：光电探测器自布儒斯特窗口透过率测试窗口伸入，调整布儒斯特窗口倾角和入射光偏振态，直至获得布儒斯特窗口的最佳透过率值。
步骤4：光电探测器先测试布儒斯特窗口前端的光功率值P1，之后，光电探测器自布儒斯特窗口透过率测试窗口伸入，测试布儒斯特窗口后端的光功率P2，则P2/P1即为布儒斯特窗口透过率修正因子T。
实施例4
在完成实施例2的对准后，进行入射光路中杂散光测试。
结合图3，杂散光为16，一种低温辐射计入射光路中杂散光测试方法，包括以下步骤：
步骤1：在测试集成装置的一侧安装二维电动平移台，二维电动平移台上设置有光电探测器，光电探测器能在二维电动平移台上移动。
步骤2：光电探测器自布儒斯特窗口透过率测试窗口伸入，测试离轴抛物面反射镜前端的光功率P3，之后，光电探测器自杂散光测试窗口伸入，测试离轴抛物面反射镜后端的光功率P4，则P3-P4即为此时的杂散光光功率，杂散光修正因子S的值为P4/P3；同时记录并计算此时离轴抛物面反射镜反射到四象限探测器上的光功率之和，记为P0，并把该反射光视为监视光。
步骤3：利用真空盲板对布儒斯特窗口透过率测试窗口和杂散光测试窗口进行密封。
步骤4：由于低温辐射计整个测试过程需要进行多次光加热，且对入射光进行稳功率，则认为在整个测试过程中入射光功率是不变的，但杂散光功率可能会有微小变化，因此，测试过程中需实时记录监视光光功率，记为Pt，则Pt/P0即为杂散光的实时修正量，修正后的杂散光修正系数
当上述测试过程全部结束后，抽真空法兰与真空泵相连，对整个装置进行抽真空，便于后续操作。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种低温辐射计入射光路中杂散光测试方法，其特征在于，包括测试集成装置，所述测试集成装置包括主筒体，主筒体的上部设置有布儒斯特窗口透过率测试窗口和杂散光测试窗口，主筒体的下部设置有四象限探测器安装真空法兰，主筒体的内部设置有离轴抛物面反射镜；
主筒体的前端连接有前端真空法兰，主筒体的后端连接有后端真空法兰；
所述四象限探测器安装真空法兰的侧部设置有航空插头接口，四象限探测器安装真空法兰的底部设置有真空盲板，在真空盲板的内侧设置有四象限探测器安装座，四象限探测器安装座上安装有四象限探测器；
所述离轴抛物面反射镜位于四象限探测器安装真空法兰的上方，离轴抛物面反射镜通过反射镜安装座固定在主筒体的内壁上，离轴抛物面反射镜能在反射镜安装座上调整位置；离轴抛物面反射镜的离轴方向竖直向下；
利用低温辐射计用测试集成装置进行入射光束对准调试的方法，包括以下步骤：
步骤1：完成对入射光空间滤波和稳功率控制，打开低温辐射计各级冷屏罩，拆掉低温辐射计的黑体腔，调整入射光方向让入射光从黑体腔安装座中心穿过；
步骤2：重新装配好黑体腔及低温辐射计的各级冷屏，后端真空法兰通过真空挡板阀与低温辐射计的外层屏蔽罩通光孔安装在一起；
步骤3：观察入射光是否从离轴抛物面反射镜的中间通孔的中心通过，若不是，则反复调整离轴抛物面反射镜在反射镜安装座上的位置，直至入射光从离轴抛物面反射镜的中间通孔的中心通过；
步骤4：确保四象限探测器的中心位于离轴抛物面反射镜的反射光光斑焦点位置，将航空插头借助真空卡箍安装在航空插头接口上，读取四象限探测器信号；
步骤5：调节入射光方向和空间位置，观察四象限探测器四个象限的示数，直至四个象限的示数相同，认为完成光束对准；
在低温辐射计入射光束对准调试完成后，进行低温辐射计入射光路中杂散光测试的方法，包括以下步骤：
步骤a：在测试集成装置的一侧安装二维电动平移台，二维电动平移台上设置有光电探测器，光电探测器能在二维电动平移台上移动；
步骤b：光电探测器自布儒斯特窗口透过率测试窗口伸入，测试离轴抛物面反射镜前端的光功率P3，之后，光电探测器自杂散光测试窗口伸入，测试离轴抛物面反射镜后端的光功率P4，则P3-P4即为此时的杂散光光功率，杂散光修正因子S的值为P4/P3；同时记录并计算此时离轴抛物面反射镜反射到四象限探测器上的光功率之和，记为P0，并把该反射光视为监视光；
步骤c：利用真空盲板对布儒斯特窗口透过率测试窗口和杂散光测试窗口进行密封；
步骤d：由于低温辐射计整个测试过程需要进行多次光加热，且对入射光进行稳功率，则认为在整个测试过程中入射光功率是不变的，但杂散光功率可能会有微小变化，因此，测试过程中需实时记录监视光光功率，记为Pt，则Pt/P0即为杂散光的实时修正量，修正后的杂散光修正系数
2.根据权利要求1所述的一种低温辐射计入射光路中杂散光测试方法，其特征在于，所述布儒斯特窗口透过率测试窗口、杂散光测试窗口和四象限探测器安装真空法兰均与主筒体相通。
3.根据权利要求1所述的一种低温辐射计入射光路中杂散光测试方法，其特征在于，所述主筒体的下部还设置有用于与光学支撑杆螺纹连接的螺纹接口；所述后端真空法兰上连接有抽真空法兰。
4.一种低温辐射计布儒斯特窗口透过率测试方法，其特征在于，在权利要求1所述的低温辐射计入射光束对准调试方法完成后，包括以下步骤：
步骤1：在前端真空法兰上安装布儒斯特窗口；
步骤2：在测试集成装置的一侧安装二维电动平移台，二维电动平移台上设置有光电探测器，光电探测器能在二维电动平移台上移动；
步骤3：光电探测器自布儒斯特窗口透过率测试窗口伸入，调整布儒斯特窗口倾角和入射光偏振态，直至获得布儒斯特窗口的最佳透过率值；
步骤4：光电探测器先测试布儒斯特窗口前端的光功率值P1，之后，光电探测器自布儒斯特窗口透过率测试窗口伸入，测试布儒斯特窗口后端的光功率P2，则P2/P1即为布儒斯特窗口透过率修正因子T。
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