CN110736540B - 一种266nm泵浦的相关光子自校准太阳光谱辐照度仪 - Google Patents
一种266nm泵浦的相关光子自校准太阳光谱辐照度仪 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种266nm泵浦的相关光子自校准太阳光谱辐照度仪，在自校准模式下，通过内置新型的相关光子自校准辐射定标光源，自校准光路和太阳观测光路一体化的设计，获得相关光子光源的绝对光谱光子数率，实现对太阳观测光路模拟探测器的绝对光谱功率响应度定标；在太阳观测模式下，对365nm~976nm波段范围的太阳绝对光谱辐照度进行测量，通过自校准模式获取的定标系数对太阳观测通道观测结果进行修正。本发明从相关光子方法定标单光子探测器量子效率的基本原理角度出发，通过两种不同辐射量级动态范围的传递，实现了可见光至近红外波段太阳光谱辐照度高精度观测，解决了太阳观测仪器在空间平台量值溯源的这一科学问题。
Description
技术领域
本发明涉及气候变化、环境监测、光学遥感技术领域，尤其涉及一种266nm泵浦的相关光子自校准太阳光谱辐照度仪。
背景技术
长期、稳定和多任务衔接的卫星观测，是揭示全球气候和环境演变方向与程度的主要科学数据来源。过去 30 年空间遥感和数值模型的研究结果表明，太阳反射谱段绝对辐射测量达到并保持 0.05% - 1%的不确定度，是确认气候参量长周期和趋势性规律的基本要求。面对超高精度辐射测量这一技术挑战，国际公认技术途径是建立空间平台辐射基准，通过交叉定标实现业务载荷在轨统一溯源至国际单位（SI）。
太阳是地球辐射收支平衡的主要能量来源，太阳总照度、太阳光谱照度监测对于理解太阳物理，预测气候变化提供了必要的依据。我国2002年搭载在神舟三号上的太阳总辐照度测量仪，与美国同期测量数据的一致性优于0.2%。太阳反射波段包含了大气透过窗口、海水透过和植物光合作用波段，开展分谱段太阳连续观测对全球气候变化、辐射收支平衡、全球初级生产力等研究具有特殊的重要价值，我国目前尚缺乏分谱段太阳连续观测体制的有效载荷。欧空局2008年发射的SOLSPEC载荷搭载在SOLAR-ISS空间站上，持续10年对中紫外到红外波段（165nm~3088nm）的太阳光谱辐照度进行长期辐射观测，获得了高精度高稳定的空间太阳光谱辐照度数据，为地球遥感、气候监测提供科学准确的数据集。
相对于国外先进的太阳辐射观测载荷，采用相关光子工作体制的主要优势体现在：（1）相关光子光源具有时间和空间相互关联、天然的宽光谱和绝对量值可复现等技术特点，适合空间平台；（2）自校准和辐射观测一体化设计，突破太阳光谱绝对测量仪光电系统衰变的周期性校正关键技术，提高在轨太阳光谱观测数据的可溯源性和准确度。解决相关光子光源的制备和量值传递、泵浦杂散光抑制、相关光子高精度高效率耦合、空间单光子探测器紫外抗辐照和封装加固工艺、自校准和辐射观测一体化设计以及太阳光谱辐照度观测和反演等关键技术。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种266nm泵浦的相关光子自校准太阳光谱辐照度仪。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种266nm泵浦的相关光子自校准太阳光谱辐照度仪，包括有相关光子产生光路、太阳观测光路、共用光路、光子计数和模拟探测模块、符合探测和信号处理模块，所述的相关光子产生光路包括有在光路上依次设置的266nm泵浦激光器、266nm窄带干涉滤光片、格兰泰勒棱镜、1/2波片、会聚透镜和BBO晶体，根据I类负单轴晶体的二阶非线性效应和晶体双折射相位匹配条件，在365nm和976nm波段范围产生相位匹配的相关光子，相关光子具有时间、空间、偏振等相关特征，确定一个光子就可以预测另外一个光子的存在；所述的共用光路包括有电机旋转离轴抛物面反射镜、八字形消杂光模块、二向色镜、截止滤光片一、截止滤光片二、离轴抛物镜一、离轴抛物镜二、分光模块一和分光模块二，所述的电机旋转离轴抛物面反射镜是通过电机带动离轴抛物面反射镜转动来切换相关光子产生光路和太阳观测光路，从相关光子产生光路或者太阳观测光路产生的光源依次经八字形消杂光模块和二向色镜后，透射光经截止滤光片一、离轴抛物镜一后耦合到分光模块一中，形成532nm~976nm单色可调的空闲光光源（或太阳光谱），二向色镜的反射光经截止滤光片二、离轴抛物镜二后耦合到分光模块二中，形成365nm~532nm单色可调的信号光光源（或太阳光谱）；光子计数和模拟探测模块包括有离轴抛物镜三、分束器一、缩束镜组一、光子计数探测器一、缩束镜组二、模拟探测器一、离轴抛物镜四、分束器二、缩束镜组三、光子计数探测器二、缩束镜组四和模拟探测器二，离轴抛物镜可以将分光模块出射光整理成平行光，分束器可实现将相关光子（太阳光）以一定的比例进行分离，缩束镜组由多块透镜构成，实现相关光子或太阳光光斑的进一步压缩，匹配相应的探测器；光子计数探测器和模拟探测器分别对相关光子信号和太阳光进行探测。分光模块一的色散光束经离轴抛物镜三进行准直，进入到分束器一，透射光经缩束镜组一会聚后被光子计数探测器一接收，反射光经缩束镜组二后被模拟探测器一接收；分光模块二的色散光束经离轴抛物镜四进行准直，进入到分束器二，透射光经缩束镜组三会聚后被光子计数探测器二接收，反射光经缩束镜组四后被模拟探测器二接收；所述的符合探测和信号处理模块包括有时间数字转换器、数据采集器以及上位机，所述的光子计数探测器一和光子计数探测器二均与时间数字转换器连接，模拟探测器一和模拟探测器二均与数据采集器连接，时间数字转换器和数据采集器均与上位机通讯连接。光子计数探测器采集信号光和空闲光的光子计数数率，时间数字转换器记录信号光和空闲光同时到达的相关光子事件，模拟探测器分别测量分光后的太阳光谱和相关光子光谱，数据采集器是采集模拟探测器输出的电压或电流值；上位机测量软件主要对自校准模式和太阳辐射观测模式获得的各个物理量进行自动化控制管理。
所述的太阳观测光路包括有太阳光筒和太阳跟踪器，太阳光筒内安装有孔径光阑和消杂光光阑，太阳光筒安装在太阳跟踪器的前端，限制进入到太阳跟踪器内部的光通量大小和太阳跟踪器观测的视场；所述的太阳跟踪器包括有同轴指向机构和四象限探测器，同轴指向机构是由两个与太阳观测光路光轴平行的光阑构成，四象限探测器调节太阳光轴的对准精度。
所述的八字形消杂光模块包括有含两片呈45°位置放置的二向色镜，在两个二向色镜中间放置一窄带干涉滤光片，滤除剩余的泵浦杂散光，同时最大效率的透过相关光子和太阳辐射光。
所述的分光模块一和分光模块二均包括有依次设置的入射狭缝、出射狭缝、光栅和离轴抛物镜，对信号光和空闲光相关光子定标光源以及被测的太阳光谱进行分光，满足相关光子光源的相位匹配条件和光谱分辨率的要求。
所述的模拟探测器一和模拟探测器二均包括有低噪声制冷型的光电探测器和高中低增益的前置放大器，分别对相关光子和太阳光能量进行测量。
本发明的优点是：本发明通过建立基于相关光子的自校准光谱辐射定标光源，周期性地定标太阳观测光路，实现对365nm~976nm波段太阳光谱辐照度的精确观测，从根本上解决定标光源和太阳观测光路衰变对太阳光谱辐照度测量精度的影响。传统的太阳光谱辐照度观测仪器在实验室主要通过标准灯或标准探测器进行定标，外场观测仪器则通过Langley方法进行定标，这两种定标方法定标精度一般在2%~3%左右，难以满足气候观测日益增加的定标精度的要求。基于相关光子定标则无需溯源实验室高精度的初级标准和冗长的标准传递链，利用参量下转换过程产生的相关光子，获得时间、空间和偏振的定标光源，利用这种定标光源易于复现光源光谱光子数率、光谱辐照度等物理量，校正太阳光谱辐照度仪光电衰变的影响，理论上可以获得更高的定标精度。
本发明从相关光子方法定标单光子探测器量子效率的基本原理角度出发，通过单光子探测器和模拟探测器两种不同辐射量级动态范围的传递，实现了可见光至近红外波段太阳光谱辐照度高精度观测，解决了太阳观测仪器在空间平台量值溯源的这一科学问题，预计测量不确定度优于0.3%。在全球气候变化、大气环境监测等方面将发挥着重要作用。
附图说明
图1为自校准光谱辐照度仪量值溯源图。
图2为本发明工作原理图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种266nm泵浦的相关光子自校准太阳光谱辐照度仪，包括有相关光子产生光路、太阳观测光路、共用光路、光子计数和模拟探测模块、符合探测和信号处理模块，所述的相关光子产生光路包括有在光路上依次设置的266nm泵浦激光器1、266nm窄带干涉滤光片2、格兰泰勒棱镜3、1/2波片4、会聚透镜5和BBO晶体6，根据I类负单轴晶体的二阶非线性效应和晶体双折射相位匹配条件，在365nm和976nm波段范围产生相位匹配的相关光子，相关光子具有时间、空间、偏振等相关特征，确定一个光子就可以预测另外一个光子的存在；所述的共用光路包括有电机旋转离轴抛物面反射镜7、八字形消杂光模块10、二向色镜11、截止滤光片一14、截止滤光片二16、离轴抛物镜一15、离轴抛物镜二17、分光模块一13和分光模块二12，所述的电机旋转离轴抛物面反射镜7是通过电机带动离轴抛物面反射镜转动来切换相关光子产生光路和太阳观测光路，从相关光子产生光路或者太阳观测光路产生的光源依次经八字形消杂光模块10和二向色镜11后，透射光经截止滤光片一14、离轴抛物镜一15后耦合到分光模块一13中，形成532nm~976nm单色可调的空闲光光源（或太阳光谱），二向色镜11的反射光经截止滤光片二16、离轴抛物镜二17后耦合到分光模块二12中，形成365nm~532nm单色可调的信号光光源（或太阳光谱）；光子计数和模拟探测模块包括有离轴抛物镜三18、分束器一19、缩束镜组一20、光子计数探测器一21、缩束镜组二22、模拟探测器一23、离轴抛物镜四24、分束器二25、缩束镜组三26、光子计数探测器二29、缩束镜组四27和模拟探测器二28，离轴抛物镜可以将分光模块出射光整理成平行光，分束器可实现将相关光子（太阳光）以一定的比例进行分离，缩束镜组由多块透镜构成，实现相关光子或太阳光光斑的进一步压缩，匹配相应的探测器；光子计数探测器和模拟探测器分别对相关光子信号和太阳光进行探测。分光模块一13的色散光束经离轴抛物镜三18进行准直，进入到分束器一19，透射光经缩束镜组一20会聚后被光子计数探测器一21接收，反射光经缩束镜组二22后被模拟探测器一23接收；分光模块二12的色散光束经离轴抛物镜四24进行准直，进入到分束器二25，透射光经缩束镜组三26会聚后被光子计数探测器二29接收，反射光经缩束镜组四27后被模拟探测器二28接收；所述的符合探测和信号处理模块包括有时间数字转换器30、数据采集器31以及上位机32，所述的光子计数探测器一21和光子计数探测器二29均与时间数字转换器30连接，模拟探测器一23和模拟探测器二28均与数据采集器31连接，时间数字转换器30和数据采集器31均与上位机32通讯连接。光子计数探测器采集信号光和空闲光的光子计数数率，时间数字转换器记录信号光和空闲光同时到达的相关光子事件，模拟探测器分别测量分光后的太阳光谱和相关光子光谱，数据采集器是采集模拟探测器输出的电压或电流值；上位机测量软件主要对自校准模式和太阳辐射观测模式获得的各个物理量进行自动化控制管理。
所述的太阳观测光路包括有太阳光筒和太阳跟踪器，太阳光筒内安装有孔径光阑和消杂光光阑，限制进入到太阳光谱照度仪的光通量大小和观测视场；所述的太阳跟踪器包括有同轴指向机构和四象限探测器，同轴指向机构是由两个光阑构成，与太阳光筒的光轴平行，四象限探测器用于调节同轴指向机构与太阳光轴的精确对准。
所述的八字形消杂光模块10包括有含两片呈45°位置放置的二向色镜，在两个二向色镜中间放置一窄带干涉滤光片，滤除剩余的泵浦杂散光，同时最大效率的透过相关光子和太阳辐射光。
所述的分光模块一13和分光模块二12均包括有依次设置的入射狭缝、出射狭缝、光栅和离轴抛物镜，对信号光和空闲光相关光子定标光源以及被测的太阳光谱进行分光，满足相关光子光源的相位匹配条件和光谱分辨率的要求。
所述的模拟探测器一23和模拟探测器二28均包括有低噪声制冷型的光电探测器和高中低增益的前置放大器，分别对相关光子和太阳光能量进行测量。
本发明具体测量步骤如下：
（1）打开电源控制箱，实现对266nm泵浦激光器1、太阳跟踪器9、分光模块二12、分光模块一13、光子计数探测器一21、光子计数探测器二29、模拟探测器一23、模拟探测器二28、时间数字转换器30、数据采集器31、上位机一32等供电模块预热30分钟；
（2）将266nm泵浦激光器1经266nm窄带干涉滤光片2、格兰泰勒棱镜3、1/2波片4、会聚透镜5后入射到BBO晶体6中，将电机控制的离轴抛物镜7旋转到相关光子定标光路中；
（3）相关光子光源经八字形消杂光模块10、二向色镜11后，公共光路透射光经截止滤光片一14、离轴抛物镜一15耦合到分光模块一13中，色散光束经离轴抛物镜三18进行准直，进入到分束器一19，透射光经缩束镜组一20会聚后被光子计数探测器一21接收，反射光经缩束镜组二22后被模拟探测器一23接收；公共光路反射光经截止滤光片二16、离轴抛物镜二17耦合到分光模块二12中，色散光束经离轴抛物镜四24进行准直，进入到分束器二25，透射光经缩束镜组三26会聚后被光子计数探测器二29接收，反射光经缩束镜组四27后被模拟探测器二28接收；
（4）两个光子计数探测器分别采集自发参量下转换的信号光和空闲光光子，两个模拟探测器分别测量分光后的太阳光谱和相关光子光谱，利用时间数字转换器30测量成对相关光子的光子数率和符合测量光子数率，获得相关光子对的量子效率和光谱光子数率；时间数字转换器记录成对相关光子同时到达的相关光子事件，数据采集器记录模拟探测器输出的太阳光谱和相关光子光谱信号；
（5）将相关光子光源作为标准光源，对模拟探测器一和模拟探测器二的绝对光谱功率响应度进行定标；
（6）将电机控制的离轴抛物镜7旋转到太阳观测光路中，利用太阳跟踪器9对太阳33进行实时跟踪，光路传播方向和相关光子的传播方向一致，利用模拟探测器一23、模拟探测器二28分别观测分光后的太阳光谱和相关光子光谱，通过上位机32内置软件获取太阳33光谱辐照度数据。在观测光路模式中用不到光子计数探测器。
Claims (5)
1.一种266nm泵浦的相关光子自校准太阳光谱辐照度仪，其特征在于：包括有相关光子产生光路、太阳观测光路、共用光路、光子计数和模拟探测模块、符合探测和信号处理模块，所述的相关光子产生光路包括有在光路上依次设置的266nm泵浦激光器、266nm窄带干涉滤光片、格兰泰勒棱镜、1/2波片、会聚透镜和BBO晶体；所述的共用光路包括有电机旋转离轴抛物面反射镜、八字形消杂光模块、二向色镜、截止滤光片一、截止滤光片二、离轴抛物镜一、离轴抛物镜二、分光模块一和分光模块二，所述的电机旋转离轴抛物面反射镜是通过电机带动离轴抛物面反射镜转动来切换相关光子产生光路和太阳观测光路，从相关光子产生光路或者太阳观测光路产生的光源依次经八字形消杂光模块和二向色镜后，透射光经截止滤光片一、离轴抛物镜一后耦合到分光模块一中，二向色镜的反射光经截止滤光片二、离轴抛物镜二后耦合到分光模块二中；光子计数和模拟探测模块包括有离轴抛物镜三、分束器一、缩束镜组一、光子计数探测器一、缩束镜组二、模拟探测器一、离轴抛物镜四、分束器二、缩束镜组三、光子计数探测器二、缩束镜组四和模拟探测器二，分光模块一的色散光束经离轴抛物镜三进行准直，进入到分束器一，透射光经缩束镜组一会聚后被光子计数探测器一接收，反射光经缩束镜组二后被模拟探测器一接收；分光模块二的色散光束经离轴抛物镜四进行准直，进入到分束器二，透射光经缩束镜组三会聚后被光子计数探测器二接收，反射光经缩束镜组四后被模拟探测器二接收；所述的符合探测和信号处理模块包括有时间数字转换器、数据采集器以及上位机，所述的光子计数探测器一和光子计数探测器二均与时间数字转换器连接，模拟探测器一和模拟探测器二均与数据采集器连接，时间数字转换器和数据采集器均与上位机通讯连接。
2.根据权利要求1所述的一种266nm泵浦的相关光子自校准太阳光谱辐照度仪，其特征在于：所述的太阳观测光路包括有太阳光筒和太阳跟踪器，太阳光筒内安装有孔径光阑和消杂光光阑，限制进入到太阳光谱照度仪的光通量大小和观测视场；所述的太阳跟踪器包括有同轴指向机构和四象限探测器，同轴指向机构是由两个光阑构成，与太阳光筒的光轴平行，四象限探测器用于调节同轴指向机构与太阳光轴的精确对准。
3.根据权利要求1所述的一种266nm泵浦的相关光子自校准太阳光谱辐照度仪，其特征在于：所述的八字形消杂光模块包括有含两片呈45°位置放置的二向色镜，在两个二向色镜中间放置一窄带干涉滤光片。
4.根据权利要求1所述的一种266nm泵浦的相关光子自校准太阳光谱辐照度仪，其特征在于：所述的分光模块一和分光模块二均包括有依次设置的入射狭缝、出射狭缝、光栅和离轴抛物镜。
5.根据权利要求1所述的一种266nm泵浦的相关光子自校准太阳光谱辐照度仪，其特征在于：所述的模拟探测器一和模拟探测器二均包括有低噪声制冷型的光电探测器和高中低增益的前置放大器。
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Patent Citations (8)
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