CN113281296B - 一种太赫兹探测器绝对光谱响应校准装置及校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太赫兹探测器绝对光谱响应校准装置及校准方法，其中校准装置主要采用反射法测量太赫兹探测器的相对光谱响应和采用CO2泵浦气体激光系统单点绝对响应率两大系统来完成。主要有反射式红外傅立叶变换光谱系统、CO2泵浦气体激光系统、太赫兹功率计、精密位移台、控制器及数据采集系统组成。本发明可以实现采用传统校准探测器绝对光谱响应的方法来实现对太赫兹探测器绝对光谱响应的校准。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器绝对光谱技术领域，具体涉及一种太赫兹探测器绝对光谱响应校准装置及校准方法。
背景技术
传统的光电探测器绝对光谱响应校准方法是采用宽光谱光源和单色仪，产生单色光，采用替代法测量得到光电探测器的相对光谱响应以及在某一波长点上绝对定标再转化得到整个波长范围内的绝对光谱响应。由于在太赫兹波段缺乏连续可调谐的太赫兹光源以及单色仪，因此无法采用传统校准探测器绝对光谱响应的方法来实现对太赫兹探测器绝对光谱响应的校准。
目前对于光电探测器绝对光谱响应测量，一般采用相对光谱响应和某一点绝对光谱响应转换得到。其中光电探测器的相对光谱大多采用替代法进行测量，主要包括宽光谱光源、聚焦系统、单色仪、标准探测器、前置放大器、控制器等。测量原理如图1所示，测量原理为首先将标准探测器置于单色的输出口，测试标准探测器在不同波长点的响应输出，然后移去标准探测器，并将被测光电探测器装在相同的位置上，测量被测光电探测器在对应波长点的响应输出。通过得到的标准探测器和被测光电探测器的输出信号以及标准探测器的响应率，就可以得到被测探测器的响应率，对得到响应率进行归一化处理就可得到被测探测器的相对光谱响应。但是在太赫兹波段，目前国际上还没有太赫兹波段单色仪，因此无法采用传统的方法进行测量。
发明内容
针对以上太赫兹探测器绝对光谱响应校准存在的问题，本发明提供了一种太赫兹探测器绝对光谱响应校准方法，以满足太赫兹探测器绝对光谱响应校准的需求。
本发明的技术方案如下：一种太赫兹探测器绝对光谱响应校准装置，包括反射法测量太赫兹探测器的相对光谱响应系统和CO2泵浦气体激光系统单点绝对响应率系统两个系统；所述反射法测量太赫兹探测器的相对光谱响应系统，将参考反射镜放置在测试光路中，光源发出的包含太赫兹波的宽频带光通过Michelson干涉仪产生干涉光，干涉光照射到参考反射镜后将光信号反射到检测器上，当动镜在计算机控制下移动时，干涉仪两臂光程差不断变化，检测器探测到的光强信号也不断变化；被放大电路放大后的干涉信号通过数据采集卡进行A/D转换并送到计算机，得到参考反射镜的反射光谱，再将被测太赫兹探测器放置在测试光路中，采用相同的测试方法，计算得到太赫兹探测器的反射光谱，再利用反射吸收公式计算得到吸收光谱，对吸收光谱进行归一化处理，计算得到太赫兹探测器的相对光谱响应；CO2泵浦气体激光系统，首先选择输出的太赫兹频率，采用太赫兹功率计测量得到辐射功率，再将太赫兹探测器放置到光路中得到太赫兹探测器的输出电压，最后使用绝对响应率计算公式计算得到某一频率点上的绝对响应率。
本发明还提供一种太赫兹探测器绝对光谱响应校准方法，包括以下步骤：
步骤一：将参考反射镜放置到光路中进行测量，即V型结构中得到每个频率点上的响应信号；
步骤二：将被测太赫兹探测器放置到光路中，即W型结构中得到每个频率点上的响应信号，得到太赫兹探测率的反射率，设置在V型和W型结构测量过程中入射和反射与法线的角度均为12゜，则V型和W型测量计算过程为：
设：参考反射镜的反射率为：f(λ1)，被测反探测器反射率为：f(λ2)、f”(λ2)
首先测量参考反射镜时：入射功率为：P(λ)，则反射功率为：P(λ)·f(λ1)，红外傅里叶光谱仪检测器测量的信号为：V(λ1)，检测器响应率为：V(λ1)/(P(λ)·f(λ1))，接入被测太赫兹探测器后：入射功率不变还为(第一次到达被测反射镜)：P(λ)，第一次反射后的功率为：P(λ)·f(λ2)，经过参考反射镜后的功率为：P(λ)·f(λ2)·f(λ1)，第二次到达反射镜的功率：P(λ)·f(λ2)·f(λ1)，第二次反射后的功率：P(λ)·f(λ2)·f(λ1)·f”(λ2)，红外傅里叶光谱仪检测器测量的信号为：V’(λ1)，检测器响应率为：V’(λ1)/(P(λ)·f(λ2)·f(λ1)·f”(λ2))，V(λ1)/(P(λ)·f(λ1))＝V’(λ1)/(P(λ)·f(λ2)·f(λ1)·f”(λ2))，则：V’(λ1)/V(λ1)＝f(λ2)f”(λ2)
假设被测太赫兹探测器面均匀：则：V’(λ1)/V(λ1)＝(f(λ2))2，
f(λ2)＝(V’(λ1)/V(λ1))1/2 (1)
被测太赫兹探测器的相对光谱响应为：
R(λ)＝(1-f(λ2))/k (2)
上述公式中，k为归一化转化因子，根据被测太赫兹探测器的响应波段，采用绝对响应率测量方法得到2.52THz或4.25THz频率点绝对响应率R(2.52THz)或R(4.25THz)再通过上述公式(2)转化得到的被测探测器的整个绝对光谱响应。
采用上述方案，本发明采用反射法测量太赫兹探测器的相对光谱响应和采用CO2泵浦气体激光系统测量单点绝对响应率，最终完成太赫兹探测器绝对光谱响应校准。其中，反射法测量太赫兹探测器相对光谱响应时采用“V型”和“W型”测量，采用这种方法的好处是，在测量过程中，不受参考反射镜反射率的影响，提高了测量的测试精度，另外本发明还可以实现传统光电探测器绝对光谱响应的校准。
附图说明
图1为现有技术中相对光谱响应测试原理图。
图2为本发明反射式傅立叶变换光谱测量原理框图。
图3为本发明中绝对响应率测量原理框图。
图4为本发明中“V型”和“W型”测量原理图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明的一个实施例是，一种太赫兹探测器绝对光谱响应校准装置，采用反射法测量太赫兹探测器的相对光谱响应系统和采用CO2泵浦气体激光系统单点绝对响应率系统两个系统来完成。
其中，反射法测量太赫兹探测器的相对光谱响应系统，采用反射式红外傅立叶变换光谱系统，这个装置包括光源、干涉仪、参考反射镜，检测器，放大电路，数据采集卡，计算机动镜驱动等。反射式红外傅里叶变换光谱仪主要采用Michelson干涉仪技术，测量原理如图2所示，测量原理为：首先将参考反射镜(平面铝镜或平面金镜)放置在测试光路中，即“V型”结构中，光源发出的包含太赫兹波的宽频带光通过Michelson干涉仪产生干涉光，干涉光照射到参考反射镜后将光信号反射到检测器上，当动镜在计算机控制下移动时，干涉仪两臂光程差不断变化，检测器探测到的光强信号也不断变化；被放大电路放大后的干涉信号通过数据采集卡进行A/D转换并送到计算机，得到参考反射镜的反射光谱，再将被测太赫兹探测器放置在测试光路中，即“W型”结构中(将“V型结构选择180゜”)，采用相同的测试方法，就可计算得到太赫兹探测器的反射光谱，再利用反射吸收公式可计算的吸收光谱，对吸收光谱进行归一化处理，就可得到太赫兹探测器的相对光谱响应。
其中，CO2泵浦气体激光系统单点绝对响应率系统的测量原理如图3所示，CO2泵浦气体激光系统单点绝对响应率系统的测量装置包括：CO2泵浦气体激光系统、太赫兹功率计、精密位移台、控制器及数据采集系统组成。测量原理为：首先选择输出的太赫兹频率如：2.52THz，采用太赫兹功率计测量得到辐射功率，再将太赫兹探测器放置到光路中得到太赫兹探测器的输出电压，最后使用绝对响应率计算公式就可计算得到2.52THz频率点上的绝对响应率。
如图4所示，其中，反射式傅立叶变换光谱系统，采用“V型”和“W型”来测量原理为：首先将参考反射镜放置到光路中进行测量，即“V型”结构中得到每个频率点上的响应信号，再将被测太赫兹探测器放置到光路中，即“W型”结构(将“V型结构选择180゜”)中得到每个频率点上的响应信号，就可以就算得到太赫兹探测率的反射率。在采用“V型”和“W型”结构测量过程中入射和反射与法线的角度均为12゜。采用这种方法的好处是，在测量过程中，不受参考反射镜反射率的影响。采用“V型”和“W型”测量计算推导过程为：
设：参考反射镜的反射率为：f(λ1)
被测反探测器反射率为：f(λ2)、f”(λ2)
首先测量参考反射镜时：
入射功率为：P(λ)
则反射功率为：P(λ)·f(λ1)
红外傅里叶光谱仪检测器测量的信号为：V(λ1)
检测器响应率为：V(λ1)/(P(λ)·f(λ1))
接入被测太赫兹探测器后：
入射功率不变还为(第一次到达被测反射镜)：P(λ)，
第一次反射后的功率为：P(λ)·f(λ2)
经过参考反射镜后的功率为：P(λ)·f(λ2)·f(λ1)
第二次到达反射镜的功率：P(λ)·f(λ2)·f(λ1)
第二次反射后的功率：P(λ)·f(λ2)·f(λ1)·f”(λ2)
红外傅里叶光谱仪检测器测量的信号为：V’(λ1)
检测器响应率为：V’(λ1)/(P(λ)·f(λ2)·f(λ1)·f”(λ2))
V(λ1)/(P(λ)·f(λ1))＝V’(λ1)/(P(λ)·f(λ2)·f(λ1)·f”(λ2))
则：V’(λ1)/V(λ1)＝f(λ2)f”(λ2)
假设被测太赫兹探测器面均匀：
则：V’(λ1)/V(λ1)＝(f(λ2))2
f(λ2)＝(V’(λ1)/V(λ1))1/2 (1)
被测太赫兹探测器的相对光谱响应为：
R(λ)＝(1-f(λ2))/k (2)
k为归一化转化因子。根据被测太赫兹探测器的响应波段，采用图3绝对响应率测量方法得到2.52THz或4.25THz等频率点绝对响应率R(2.52THz)或R(4.25THz)再通过公式(2)转化得到的被测探测器的整个绝对光谱响应。
采用上述方案，本发明采用反射法测量太赫兹探测器的相对光谱响应和采用CO2泵浦气体激光系统测量单点绝对响应率，最终完成太赫兹探测器绝对光谱响应校准。
需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (2)
1.一种太赫兹探测器绝对光谱响应校准装置，其特征在于，包括反射法测量太赫兹探测器的相对光谱响应系统和CO2泵浦气体激光系统单点绝对响应率系统两个系统；所述反射法测量太赫兹探测器的相对光谱响应系统，将参考反射镜放置在测试光路中，光源发出的包含太赫兹波的宽频带光通过Michelson干涉仪产生干涉光，干涉光照射到参考反射镜后将光信号反射到检测器上，当动镜在计算机控制下移动时，干涉仪两臂光程差不断变化，检测器探测到的光强信号也不断变化；被放大电路放大后的干涉信号通过数据采集卡进行A/D转换并送到计算机，得到参考反射镜的反射光谱，再将被测太赫兹探测器放置在测试光路中，采用相同的测试方法，计算得到太赫兹探测器的反射光谱，再利用反射吸收公式计算得到吸收光谱，对吸收光谱进行归一化处理，计算得到太赫兹探测器的相对光谱响应；CO2泵浦气体激光系统，首先选择输出的太赫兹频率，采用太赫兹功率计测量得到辐射功率，再将太赫兹探测器放置到光路中得到太赫兹探测器的输出电压，最后使用绝对响应率计算公式计算得到某一频率点上的绝对响应率；上述采用相同的测试方法具体包括以下步骤：
步骤一：将参考反射镜放置到光路中进行测量，即V型结构中得到每个频率点上的响应信号；
步骤二：将被测太赫兹探测器放置到光路中，即W型结构中得到每个频率点上的响应信号，得到太赫兹探测率的反射率，设置在V型和W型结构测量过程中入射和反射与法线的角度均为12゜，则V型和W型测量计算过程为：
设：参考反射镜的反射率为：f(λ1)，被测反探测器反射率为：f(λ2)、f”(λ2)
首先测量参考反射镜时：入射功率为：P(λ)，则反射功率为：P(λ)·f(λ1)，红外傅里叶光谱仪检测器测量的信号为：V(λ1)，检测器响应率为：V(λ1)/(P(λ)·f(λ1))，接入被测太赫兹探测器后：入射功率不变还为第一次到达被测反射镜：P(λ)，第一次反射后的功率为：P(λ)·f(λ2)，经过参考反射镜后的功率为：P(λ)·f(λ2)·f(λ1)，第二次到达反射镜的功率：P(λ)·f(λ2)·f(λ1)，第二次反射后的功率：P(λ)·f(λ2)·f(λ1)·f”(λ2)，红外傅里叶光谱仪检测器测量的信号为：V’(λ1)，检测器响应率为：V’(λ1)/(P(λ)·f(λ2)·f(λ1)·f”(λ2))，V(λ1)/(P(λ)·f(λ1))＝V’(λ1)/(P(λ)·f(λ2)·f(λ1)·f”(λ2))，则：V’(λ1)/V(λ1)＝f(λ2)f”(λ2)
假设被测太赫兹探测器面均匀：则：V’(λ1)/V(λ1)＝(f(λ2))2，
f(λ2)＝(V’(λ1)/V(λ1))1/2 (1)
被测太赫兹探测器的相对光谱响应为：
R(λ)＝(1-f(λ2))/k (2)
上述公式中，k为归一化转化因子，根据被测太赫兹探测器的响应波段，采用绝对响应率测量方法得到2.52THz或4.25THz频率点绝对响应率R2.52THz或R4.25THz再通过上述公式(2)转化得到的被测探测器的整个绝对光谱响应。
2.一种太赫兹探测器绝对光谱响应校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将参考反射镜放置到光路中进行测量，即V型结构中得到每个频率点上的响应信号；
步骤二：将被测太赫兹探测器放置到光路中，即W型结构中得到每个频率点上的响应信号，得到太赫兹探测率的反射率，设置在V型和W型结构测量过程中入射和反射与法线的角度均为12゜，则V型和W型测量计算过程为：
设：参考反射镜的反射率为：f(λ1)，被测反探测器反射率为：f(λ2)、f”(λ2)
首先测量参考反射镜时：入射功率为：P(λ)，则反射功率为：P(λ)·f(λ1)，红外傅里叶光谱仪检测器测量的信号为：V(λ1)，检测器响应率为：V(λ1)/(P(λ)·f(λ1))，接入被测太赫兹探测器后：入射功率不变还为第一次到达被测反射镜：P(λ)，第一次反射后的功率为：P(λ)·f(λ2)，经过参考反射镜后的功率为：P(λ)·f(λ2)·f(λ1)，第二次到达反射镜的功率：P(λ)·f(λ2)·f(λ1)，第二次反射后的功率：P(λ)·f(λ2)·f(λ1)·f”(λ2)，红外傅里叶光谱仪检测器测量的信号为：V’(λ1)，检测器响应率为：V’(λ1)/(P(λ)·f(λ2)·f(λ1)·f”(λ2))，V(λ1)/(P(λ)·f(λ1))＝V’(λ1)/(P(λ)·f(λ2)·f(λ1)·f”(λ2))，则：V’(λ1)/V(λ1)＝f(λ2)f”(λ2)
假设被测太赫兹探测器面均匀：则：V’(λ1)/V(λ1)＝(f(λ2))2，
f(λ2)＝(V’(λ1)/V(λ1))1/2 (1)
被测太赫兹探测器的相对光谱响应为：
R(λ)＝(1-f(λ2))/k (2)
上述公式中，k为归一化转化因子，根据被测太赫兹探测器的响应波段，采用绝对响应率测量方法得到2.52THz或4.25THz频率点绝对响应率R2.52THz或R4.25THz再通过上述公式(2)转化得到的被测探测器的整个绝对光谱响应。
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