CN113418600A - 一种光纤型短波红外光陷阱探测器及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤型短波红外光陷阱探测器，光纤型短波红外光陷阱探测器，其特征在于，包括：D1、D2、D3三个锗光电二极管、一个镀金凹球面反射镜M、光纤法兰盘、电路板、BNC连接器以及高吸收腔体，其中，D1、D2、D3三个锗光电二极管和凹球面反射镜通过夹具固定在高吸收腔体中，光纤输出的光纤法兰盘进入到高吸收腔体中，将会在D1、D2、D3三个锗光电二极管的光敏面上发生吸收/反射作用。采用本发明技术方案，可有效减小短波红外光纤功率量值传递的测量不确定度。

Description

一种光纤型短波红外光陷阱探测器及探测方法

技术领域

本发明属于陷阱探测器技术领域，具体涉及一种光纤型短波红外光陷阱探测器。

背景技术

为了实现光辐射功率量值的高精度溯源，国内外一些技术机构采用不同材料、不同结构和方法研制高量子效率陷阱探测器，例如：美国NIST采用不同四片硅探测器研制陷阱探测器，(专利号：UAA201102791)可工作在300～1100nm可见近红外波，对633nm的平行光束辐射功率的精确测量；俄罗斯一家技术机构采用两片硅光电探测器，以11.25°夹角的楔形结构研制的硅陷阱探测器(专利号：RU20170135739)，使入射的平行光在两个硅光电二极管之间经过多次吸收反射吸收等过程，从而实现对平行光束辐射功率的精确测量。中科院安徽光机所采用3片铟镓砷探测器以45度角空间组合研制的陷阱探测器(专利号CN200710020402.8)，实现了对1064nm平行光束辐射功率的精确测量，其外量子效率达99.76％。

以上专利研制的陷阱探测器，通过多个单元探测器组合大大提高了组件对平行入射光辐射的吸收率，实现了对平行光束辐射功率的精确测量。但是由于采用的探测器类型及光路设计的限制，当具有一定发散角的光束入射到该类型的陷阱探测器时，随着入射光传输路径的增加，一部分光将溢出光路，从而使其外量子效率显著降低。

由于1550nm的激光在空间或光纤中传输时具有衰减系数小、不会对人眼产生伤害等特点，因此已成为光纤通信和空间激光通信系统首选载波信号。而载波信号的辐射功率则是通信链路设计核算的一个重要参数，该参数的测量不确定度大小，直接决定了系统研制生产需要投入的成本，因此降低该波段光辐射功率量值的测量不确定度成为光纤通信技术领域紧迫需求。

由于光纤出射的光具有一定的发散角，如G652单模光纤输出的1550nm的光发散角(全角)近20度，通常通过热电偶将光纤功率量值给工作标准，而工作标准通常为高稳定的光纤功率计，最后通过与工作标准的比较，将功率量值传递到用户的光纤功率计，其传递链路如图1所示：工作标准所采用的光纤功率计基本采用单探测器，通过自聚焦透镜将光纤输入的发散光耦合到探测器的光敏面上，这种光接收方式最大的缺点是无法克服光反射、溢出以及透过率等因素对测量不确定度的影响，因此其测量不确定度很难降低。

因此研制可大大减小光反射、溢出以及透过率等因素对光纤功率测量结果影响的探测器，并通过该探测器将光纤功率量值溯源到低温辐射计，对减小光纤功率量值传递的测量不确定度具有重要意义。

目前，国内外已有多家单位研制出可测量空间准直光束的陷阱探测器，解决了可见近红外波段空间辐射光辐射功率量值溯源到低温辐射计的技术难题，使可见近红外波段的光辐射功率测量不确定度优于0.05％。其中陷阱探测器通过多探测器组合和巧妙的传输光路设计，使633nm的外量子效率大于99.9％。

如美国NIST采用硅光电二极管发明的陷阱探测器，通过四个硅光电二极管组合成一个探测器的方法，使准直光束从一个二极管反射出来后射入后一个二极管，而最后一个二极管光敏面垂直于入射光，使光线沿原路返回，又被前几个二极管分别吸收一次，这样光束总共被吸收了七次，使可见近红外波段外量子效率提高到99.8％，其原理如图2所示：准直光束光经过D1、D2、D3、D4七次吸收和反射，在可见近红外波段总吸收率可达99％。

如图3所示，俄罗斯一家技术机构采用两片硅光电探测器，以11.25°夹角的楔形结构研制的硅陷阱探测器，使入射的平行光在两个硅光电二极管之间经过多次吸收反射吸收等过程，从而实现对准直平行光束光辐射功率的精确测量。

中科院安徽光机所采用3片铟镓砷探测器以45度角空间组合研制的陷阱探测器(专利号CN200710020402.8)，实现了对1064nm平行光束辐射功率的精确测量，其原理如图4所示。

现有陷阱探测器的技术存在以下缺点：(1)当测量具有一定发散角的空间光时，虽然对光的吸收率大于单个探测器，但是受到其光路设计的局限性，仍然有部分光会溢出光路，因此降低光纤功率量值测量不确定度幅度较小。(2)上述的陷阱探测器由于结构设计的局限性，只能用于准确测量空间准直光束，而无法对光纤光功率量值可靠准确的测量。

发明内容

本发明所要解决的是，具有一定发散角的光纤功率准确测量及溯源，使探测器在1550nm的外量子效率优于99％。本发明的目的是通过光路设计和结构设计，既能精确测量光纤输入的短波红外的发散光，又能精确测量空间输入的准直光束，实现光纤功率量值可靠溯源到低温辐射计，从而有效降低光纤功率量值的测量不确定度。

提供一种高量子效率的光纤型短波红外光陷阱探测器，包括：D1、D2、D3三个锗光电二极管、一个凹球面反射镜M、光纤法兰盘、电路板、BNC连接器以及高吸收腔体，其中，D1、D2、D3三个锗光电二极管和凹球面反射镜通过夹具固定在高吸收腔体中，光纤输出的光纤法兰盘进入到高吸收腔体中，将会在D1、D2、D3三个锗光电二极管的光敏面上发生吸收/反射作用，其中吸收的光辐射功率将转换为光子，反射光会以45°方向入射到下一个锗光电二极管光敏面上，依次传递下去直至剩余的极微弱辐射功率溢出。

上述探测器中，所述D1、D2、D3三个锗光电二极管的光敏面面积为10mm×10mm，其光谱范围为800nm～1800nm，峰值响应波长为1550nm，D1、D2、D3三个锗光电二极管在吸收腔体中成90°交汇排列。

还提供一种光纤型短波红外光陷阱探测器的探测方法，包括以下步骤：

步骤1：光纤出射的光束以45°方向入射到第一个锗光电二极管D1后，将在D1光敏面上产生两个辐射分量，分别是被D1吸收的辐射分量P_a11和反射辐射分量P_r11；

步骤2：反射的辐射分量P_r11以45°角照射到第二个锗光电二极管D2上，则在D2光敏面上被分为两个辐射分量，即被D2吸收的辐射分量P_a21和反射辐射分量P_r21；

步骤3：P_r21以45°入射到第三个锗光电二极管D3上，辐射分量P_a31被D3吸收，另一部分辐射分量P_r31则被D3反射；被D3反射的光经凹球面反射镜M反射回D3,再依次被D3-D2-D1的光敏面吸收和反射；

步骤4：重复步骤1-步骤3至经过6次吸收和7次反射后，最终反射回光纤端面的光辐射就会变得越来越小。

上述探测方法中，假设单个锗光电二极管光敏面的反射率为ρ，则光束在整个传输链路中，反射回光纤端面的光辐射功率P_r12通过公式(1)计算得到：

P_r12＝ρ⁶P (1)

被锗光电二极管吸收的辐射功率通过公式(2)计算得到：

P_吸＝P_a11+P_a21+P_a31+P_a32+P_a22+P_a12＝P-P_r12＝(1-ρ⁶)P (2)

锗光电二极管的峰值响应波长在1550nm，在1550nm的外量子效率达90％，即反射率为ρ＝10％，因此经过7次反射和6次吸收，该陷阱探测器的外量子效率近于1。

采用上述方案：1、可有效减小短波红外光纤功率量值传递的测量不确定度。2、既能准确测量具有一定发散角的入射光、也可准确测量准直平行光。

附图说明

图1为现有技术中光纤功率量传等级图。

图2为现有技术中美国NIST的陷阱探测器原理图。

图3为现有技术中俄罗斯的陷阱探测器原理图。

图4为现有技术中中科院安光所的陷阱探测器原理图。

图5为本发明中光纤型短波红外光陷阱探测器结构示意图。

图6为本发明中光纤型陷阱探测器光束传输路径图。

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。

如图5所示，本发明的一个实施例是，提供一种光纤型短波红外光陷阱探测器，包括：D1、D2、D3三个锗光电二极管、一个凹球面反射镜M、光纤法兰盘、电路板、BNC连接器以及高吸收腔体，其中D1、D2、D3三个锗光电二极管和凹球面反射镜通过夹具固定在高吸收腔体中，光纤输出的光纤法兰盘进入到高吸收腔体中，经D1、D2、D3三个锗光电二极管和M7次反射、6次吸收后，入射的光近似全部被探测器组合吸收。为了确保光路中光溢出，选用光敏面为10mm×10mm的锗光电二极管，其光谱范围为800nm～1800nm，峰值响应波长在1550nm，D1、D2、D3三个锗光电二极管在吸收腔体中成90°交汇排列，其原理组成框图如图5所示。

其工作原理如下：如图6所示，当光纤输出的激光入射到腔体后，将会在D1、D2、D3三个锗光电二极管的光敏面上发生吸收/反射作用，其中吸收的光辐射功率将转换为光子，反射光会以45°方向入射到下一个锗光电二极管的光敏面上，这个过程依次传递下去直至剩余的极微弱辐射功率溢出。

激光在该陷阱探测器中的具体传输过程如下：光纤出射的光束以45°方向入射到第一个锗光电二极管D1光敏面后，将在D1光敏面上产生两个辐射分量，分别是被D1吸收的辐射分量P_a11和反射辐射分量P_r11，反射的辐射分量P_r11以45°角照射到D2光敏面上，则在D2光敏面上被分为两个辐射分量，即被D2吸收的辐射分量P_a21和反射辐射分量P_r21，P_r21以45°入射到D3上，辐射分量P_a31被D3吸收，另一部分辐射分量P_r31则被D3反射。被D3反射的光经镀金的凹球面面反射镜反射回D3,再依次被D3-D2-D1的光敏面吸收和反射、这样经过6次吸收和7次反射后，最终反射回光纤端面的光辐射就会变得越来越小。采用镀金凹球面反射镜是为了提高反射镜在短波红外的反射率

假设单个锗光电二极管光敏面的反射率为ρ，则光束在整个传输链路中，反射出光路的辐射功率P_r12可通过公式(1)计算得到：

P_r12＝ρ⁶P (1)

被整个光传输链路吸收的辐射功率通过公式(2)计算得到：

P_吸＝P_a11+P_a21+P_a31+P_a32+P_a22+P_a12＝P-P_r12＝(1-ρ⁶)P (2)

锗光电二极管的峰值响应波长在1550nm，在1550nm附近的量子效率达90％，即反射率为ρ＝10％，因此经过7次反射和6次吸收，整个探测器的外量子效率近于1。本发明带来有益效果：1、短光程多折返光路设计技术，当具有一定发散角的光束在空间传输时，传输越远、截面光斑面积越大，为了确保无光溢出测量通道，则必须选用更大面积的锗光电二极管。因此本发明采用多折返结构设计传输光路，通过锗光电二极管和凹球面反射镜组合提高陷阱探测器的外量子效率。2、凹球面反射镜设计技术，通过光学设计软件对所需凹球面反射镜进行了仿真设计，为了提高陷阱探测器的外量子效率，通过镀金膜来提高凹球面反射镜在短波红外的反射率。

本发明有以下几个优点：1、可有效减小短波红外光纤功率量值传递的测量不确定度。2、既能准确测量具有一定发散角的入射光、也可准确测量准直平行光。

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 (4)

1.一种光纤型短波红外光陷阱探测器，其特征在于，包括：D1、D2、D3三个锗光电二极管、一个凹球面反射镜M、光纤法兰盘、电路板、BNC连接器以及高吸收腔体，其中，D1、D2、D3三个锗光电二极管和凹球面反射镜通过夹具固定在高吸收腔体中，光纤输出的光纤法兰盘进入到高吸收腔体中，将会在D1、D2、D3三个锗光电二极管的光敏面上发生吸收/反射作用，其中吸收的光辐射功率将转换为光子，反射光会以45°方向入射到下一个锗光电二极管光敏面上，依次传递下去直至剩余的极微弱辐射功率溢出。

2.如权利要求1所述的光纤型短波红外光陷阱探测器，其特征在于，所述D1、D2、D3三个锗光电二极管的光敏面面积为10mm×10mm，其光谱范围为800nm～1800nm，峰值响应波长为1550nm，D1、D2、D3三个锗光电二极管在吸收腔体中成90°交汇排列。

3.如权利要求1所述的光纤型短波红外光陷阱探测器的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：光纤出射的光束以45°方向入射到第一个锗光电二极管D1后，将在D1光敏面上产生两个辐射分量，分别是被D1吸收的辐射分量P_a11和反射辐射分量P_r11；

步骤2：反射的辐射分量P_r11以45°角照射到第二个锗光电二极管D2上，则在D2光敏面上被分为两个辐射分量，即被D2吸收的辐射分量P_a21和反射辐射分量P_r21；

步骤3：P_r21以45°入射到第三个锗光电二极管D3上，辐射分量P_a31被D3吸收，另一部分辐射分量P_r31则被D3反射；被D3反射的光经凹球面反射镜M反射回D3，再依次被D3-D2-D1的光敏面吸收和反射；

步骤4：重复步骤1-步骤3至经过6次吸收和7次反射后，最终反射回光纤端面的光辐射就会变得越来越小。

4.如权利要求3所述的探测方法，其特征在于，假设单个锗光电二极管光敏面的反射率为ρ，则光束在整个传输链路中，反射回光纤端面的光辐射功率P_r12通过公式(1)计算得到：

P_r12＝ρ⁶P (1)

被锗光电二极管吸收的辐射功率通过公式(2)计算得到：

P_吸＝P_a11+P_a21+P_a31+P_a32+P_a22+P_a12＝P-P_r12＝(1-ρ⁶)p (2)

锗光电二极管的峰值响应波长在1550nm，在1550nm的外量子效率达90％，即反射率为ρ＝10％，因此经过7次反射和6次吸收，该陷阱探测器的外量子效率近于1。

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