CN114279562A - 一种变温条件下黑体腔吸收系数的定标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学计量测试领域，公开了一种变温条件下黑体腔吸收系数的定标方法，该方法利用高稳定辐射源结合稳功率仪产生均匀的单色辐射，并被待测黑体腔接收，通过在布儒斯特窗口前加入倒装的光电探测器，对反射光束强度进行标定，从而实现黑体腔吸收系数的全温度段定标。本发明方法针对当前温度波动导致黑体腔吸收系数漂移的检定难题，创新性引入变温腔‑探测器一体测试手段，实现了对变温环境下腔体全波段吸收系数的测量，具有体积小、定标准确度高，应用前景广的特点。
Description
技术领域
本发明属于光学计量测试技术领域，涉及一种吸收系数定标的方法，具体为一种变温条件下黑体腔吸收系数的定标方法。
背景技术
绝对低温辐射计是集光、机、电、算于一体的高精尖光功率测量仪器，涉及光学设计仿真、光学工艺设计、精密光学元件制造、精密机械加工、光电系统集成和精密装调、精密测温控温、真空技术、制冷技术、超导技术、自动控制等多个领域的技术研究，研建以低温辐射计为基准的光辐射量传体系，不仅使国防光辐射计量标准的测量不确定度得到改善、补充急需的标准器具，还能提升国防军工光辐射计量的自主创新能力。
低温辐射计工作于液氦制冷温度(2～4K)，并处于超高真空度环境(<10-7Pa)，极大减小了接收腔与环境辐射能量的交换，而且彻底解决了常温条件下物质热性能问题，如黑体腔材料的热学特性发生巨大的变化，比热减小三个量级，热导率提高几倍至十几倍，这样腔体的热扩散率就提高约四个量级，使得高吸收率、短时间常数的吸收腔体成为可能；腔体的热扩散率提高后，腔体更容易达到热平衡，减小了电加热功率和光加热功率的热流通道的不一致造成的差异；而且在电替代电路中使用了低温超导加热引线消除了连接探测器上电加热部分的引线的功率损失。通过采取以上措施，可以使电替代辐射计的灵敏度和准确度提高100余倍，达到的测量不确定度优于0.01％。
低温辐射计的测量过程基于光-热过程实现，黑体吸收腔是其核心器件，要求对不同波长的入射辐射都表现出接近100％的吸收率，以确保完全光-热转换，降低测试不准确度。对应的，必须对黑体腔变波长吸收率进行辐射定标，否则就不能对采集的光热信号给出合理解释，得到精确定量信息。其辐射定标过程落足于建立光谱范围与腔体吸收率的一一对应关系。
激光辐射在进入黑体腔之后，尽管黑体腔经过涂覆、镀膜等表面处理技术极大提升了吸收率，仍有部分辐射经由镜面/漫反射散逸到腔体外，因此，通过对吸收腔的散逸光信号强度进行捕获，可极大提升定标的准确度。
当前对于黑体腔吸收率的标定主要基于积分球法：将吸收腔放置在积分球出口，标准反射板作为阻挡可以随时介入光路；在激光进入积分球的光路中内置分束镜与监视探测器，积分球在入射光成90度角的位置上放置积分球探测器，随着标准板介入前后分别接收黑体腔和标准板的反射光信号，通过计算得到黑体腔反射率。由于采用监视探测器进行稳功率激光/黑体辐射的稳定性测量，监视探测器与积分球探测器同时采集信号，因此可对吸收腔反射率的测量结果进行修正，从而也对吸收腔吸收率的测量结果进行了修正。
积分球法存在两点主要问题：1.低温环境下材料热导率、热扩散系数急剧上升，可能伴随腔体形变，此外内涂覆/镀层光谱响应特性往往会受到温度波动的极大影响，在室温下测试的黑体腔吸收系数难以反应其低温特性；2.随着空间任务的进行，黑体腔面临内镀层衰减的问题：在高能空间辐射作用下，镀层脱附、氧化引起吸收率的降低。目前仍然没有技术实现对黑体腔吸收率的变温实时标定。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：针对目前温度波动导致黑体腔吸收系数漂移的检定难题以及黑体腔吸收率实时监测技术缺失的技术问题，发展一种基于倒装光电探测器的测量技术，对变温环境下黑体吸收腔逸出的功率进行监测，实现对黑体腔吸收系数的精确标定。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种变温黑体腔吸收系数的定标方法，其包括以下步骤：
第一步：调制得到稳定的单色辐射激光；
第二步：利用积分球法标定黑体腔在室温下的变波长反射系数；
第三步：调节布儒斯特角入射；
第四步：测试黑体腔变温吸收率。
所述第一步中，利用激光稳功率系统中的电光调制晶体调制得到所需的稳定性优于千分之一的单色辐射激光。
所述第一步中，激光稳功率系统包括由电光调制晶体、成像系统、楔形分束镜2-3、第一监视探测器、伺服放大系统2-4组成的稳功率仪，伺服放大系统2-4连接电光调制晶体和楔形分束镜2-3；辐射源发出的激光依次经电光调制晶体、成像系统至楔形分束镜2-3，至少90％的透射光即为所需的单色辐射激光，反射光进入第一监视探测器，得到的电压作为反馈进入伺服放大系统2-4，作为电光调制晶体的调制信号。
所述第一步中，辐射源与电光调制晶体之间依次还布置有第一可变光阑和第一偏振片；电光调制晶体的出光侧还布置有Glan-Thompson偏振片2-1；成像系统位于Glan-Thompson偏振片2-1后侧，包括由前至后同轴布置的显微物镜、精密针孔光阑2-2、准直物镜；准直物镜与楔形分束镜2-3之间还布置有第二可变光阑。
所述第一步中，激光稳功率系统的调制过程如下：
打开辐射源电源并将其功率设定在规定值；
调节稳功率系统的准直性，使得激光依次经过第一偏振片、电光调制晶体与Glan-Thompson偏振片2-1，得到空间稳定、准直的o光；
激光再经显微物镜聚焦到精密针孔光阑2-2上，通过调节精密针孔光阑的成像参数，激光通过针孔产生同心环光斑，经准直物镜准直后，利用第二可变光阑滤除高阶衍射信号，形成一个直径3mm的艾里斑；
再调节楔形分束器2-3，将不超过10％的激光分配给第一监视探测器，得到的电压作为反馈进入伺服放大系统2-4，作为电光调制晶体的调制信号；准直辐射中心高度经过调节，与绝对辐射黑体腔高度一致。
所述第二步中，标定变波长反射系数的过程为：经过稳定的单色辐射激光入射积分球，入射光路中放置分束镜与第二监视探测器3-4，积分球3-5上与入射光成90°角的位置上放置积分球探测器3-3，在积分球3-5出口分别放置黑体吸收腔3-1与已知反射率的标准反射板3-2，捕获第二监视探测器3-4和积分球探测器3-3的电压信号，计算得到黑体腔反射率。
所述第二步中，积分球3-5开口总面积小于球内部反射面积的10％，积分球3-5内壁上均匀喷涂聚四氟乙烯粉末，喷涂聚四氟乙烯粉末的厚度为2.5mm；黑体吸收腔3-1选用内壁镀碳纳米管的斜底黑体腔，底面与腔壁夹角为60度，或者选用锥形黑体腔。
所述第二步中，标准反射板3-2介入前后分别接收吸收腔和标准板的反射光信号，标准板反射率已知，通过计算得到黑体腔反射率：
上式中，ρRT(λ)为黑体腔反射率，ρS(λ)为标准板反射率，VC为黑体腔放置在积分球出口时积分球探测器的电信号输出，VS为标准板放置在积分球出口时积分球探测器的输出电信号，V'C为黑体腔放置在积分球出口时监视探测器的输出电信号，V′S为标准板放置在积分球出口时监视探测器的输出电信号。
所述第三步中，调节布儒斯特角入射的过程为：单色辐射激光照射在布儒斯特窗口4-1上，透射光进入布置在低温辐射计4-4中的待检黑体吸收腔，反射光由反射光探测器4-3接收，调试时通过偏转窗口角度，将反射光探测器4-3电压调至最低，确保布儒斯特角入射，反射信号经由布儒斯特窗口，在倒装监视探测器4-2上得到测量，倒装光电探测器4-2围绕光轴成对串联排布。
所述第四步中，测试黑体腔变温吸收率的过程为：
I利用多通道源表测试室温下倒装探测器电压和值，记为VR；
II调节黑体腔温度到T0，此时倒装探测器电压和值记为
III根据公式(2)计算得到T0温度下黑体腔的反射系数：
由此，黑体腔在温度T0时的变波长吸收率为1-ρT0(λ)。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的变温条件下黑体腔吸收系数的定标方法，具有以下有益效果：
(1)本发明利用高稳定辐射源结合成像系统、分光系统和积分球产生均匀的单色准直辐射，通过在布儒斯特窗口前加入倒装的光电探测器，对反射光束强度进行标定，从而实现黑体腔吸收系数的全温度段定标。该方法有效解决了当前温度波动导致黑体腔吸收系数漂移的检定难题以及黑体腔吸收率实时监测技术缺失的技术问题；
(2)本发明通过改进设备，相较于传统积分球方法，仅在标定黑体腔吸收率的过程中需要积分球的参与，最终低温辐射计系统略去了积分球与反光板，极大简化了其机械结构，降低了其空间载荷，并且可以在辐射计测试过程中同步对腔体吸收系数进行标定，提高了测试效率；
(3)本发明概述的反射光信号捕获系统，通过引入成对的倒装探测器，利用多个探测器电压的和值作为吸收腔的反射信号，降低了反射光空间不对称性引入的光学噪声；设计交叉缠绕的布线方式，以及串联探测器，分别抑制共模噪声，提升信号强度，降低了引线布置引起的电耦合噪声；这两项技术进一步提高了定标准确度。
附图说明
图1是绝对辐射定标系统原理框图；
图2是激光稳功率系统的搭建示意图；
图3是积分球法标定黑体腔室温吸收率原理图。
图4是变温黑体腔吸收系数定标系统原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
针对黑体腔吸收率的变温实时标定难题，本发明通过引入倒装的光电探测器，极大简化了传统积分球法的光路结构，新方案舍弃了积分球与标准反光板结构，在降低系统复杂度与空间载荷的同时，可以实现变温环境下对黑体吸收腔吸收系数的实时监测。
如图1所示，本实施例变温黑体腔吸收系数的定标方法基于辐射源1、激光稳功率系统2、黑体腔吸收系数定标系统3、积分球、标准辐射计平台4和计算机5来实现；辐射源1发出辐射激光，经激光稳功率系统2将时间稳定性降低到1‰以下；再利用积分球布置在标准辐射计平台4上，标定黑体腔在室温下的变波长反射系数；然后使用黑体腔吸收系数定标系统3切换至低温辐射计平台4上，构建变温条件，调节黑体腔布儒斯特角入射，通过探测器测量黑体腔辐射参数，由计算机5上进行黑体腔变温吸收率测量。
本实施例变温黑体腔吸收系数的定标方法的具体步骤如下：
第一步：调制得到稳定的单色辐射激光
基于图2所示的激光稳功率系统，利用电光调制晶体调制得到所需的稳定性优于千分之一的单色辐射激光。
激光稳功率系统包括由电光调制晶体、成像系统、楔形分束镜2-3、第一监视探测器、伺服放大系统2-4组成的稳功率仪，伺服放大系统2-4连接电光调制晶体和楔形分束镜2-3；辐射源发出的激光依次经电光调制晶体、成像系统至楔形分束镜2-3，至少90％的透射光即为所需的单色辐射激光，反射光进入第一监视探测器，得到的电压作为反馈进入伺服放大系统2-4，作为电光调制晶体的调制信号。
辐射源与电光调制晶体之间依次还布置有第一可变光阑和第一偏振片；电光调制晶体的出光侧还布置有Glan-Thompson偏振片2-1；成像系统位于Glan-Thompson偏振片2-1后侧，包括由前至后同轴布置的显微物镜、精密针孔光阑2-2、准直物镜；准直物镜与楔形分束镜2-3之间还布置有第二可变光阑。
激光稳功率系统的具体工作流程如下：
打开辐射源电源并将其功率设定在规定值；
调节稳功率系统的准直性，使得激光依次经过第一偏振片、电光调制晶体与Glan-Thompson偏振片2-1，得到空间稳定、准直的o光，并维持较好的偏振性；
激光再经显微物镜聚焦到精密针孔光阑2-2上，通过调节精密针孔光阑的成像参数(准直、焦距)，激光通过针孔产生典型的同心环光斑，经准直物镜准直后，利用第二可变光阑滤除高阶衍射信号，形成一个直径3mm(1/e2点)的艾里斑，具有更优的空间稳定性；
再调节楔形分束器2-3，将不超过10％的激光分配给第一监视探测器，得到的电压作为反馈进入伺服放大系统2-4，作为电光调制晶体的调制信号，进一步优化激光的时间稳定性，上述步骤中准直辐射中心高度经过调节，与绝对辐射黑体腔高度一致。
本实施例中，辐射源为Melles Griot公司的25-LHP-925-230型激光器，发射波长为632.8nm的激光，功率可达25mW，功率稳定性优于1％；激光稳功率系统选用英国VINCULUM公司的M991型伺服放大系统，LiNOS公司的LM 0202型电光调制晶体，日本滨松公司1337型硅光电二极管作为第一监视探测器。
第二步：利用积分球法标定黑体腔在室温下的变波长反射系数
经过稳定的单色辐射激光入射积分球，入射光路中放置分束镜与第二监视探测器3-4，积分球3-5上与入射光成90°角的位置上放置积分球探测器3-3。在积分球3-5出口分别放置黑体吸收腔3-1与已知反射率的标准反射板3-2，捕获第二监视探测器3-4和积分球探测器3-3的电压信号，计算得到黑体腔反射率。
本实施例中，积分球3-5选用北京卓立汉光仪器有限公司的直径为200mm的积分球，积分球3-5开口总面积小于球内部反射面积的10％，积分球3-5内壁上均匀喷涂聚四氟乙烯粉末，喷涂聚四氟乙烯粉末的厚度为2.5mm)。积分球3-5开口处通过分别切换黑体吸收腔3-1(选用内壁镀碳纳米管的斜底黑体腔，底面与腔壁夹角为60度，亦可选用锥形黑体腔)、标准反射板3-2实现比对测试；第二监视探测器3-4选用日本滨松公司1337型硅光电二极管，积分球探测器3-3选用日本滨松公司1337型硅光电二极管，随着标准反射板3-2介入前后分别接收吸收腔和标准板的反射光信号，标准板反射率已知，通过计算得到黑体腔反射率：
上式中ρRT(λ)为黑体腔反射率，ρS(λ)为标准板反射率，VC为黑体腔放置在积分球出口时积分球探测器的电信号输出，VS为标准板放置在积分球出口时积分球探测器的输出电信号，V'C为黑体腔放置在积分球出口时监视探测器的输出电信号，V′S为标准板放置在积分球出口时监视探测器的输出电信号。由此得到黑体腔在室温下的吸收率为1-ρRT(λ)。在实际测量过程中，通过改变激光器波长得到变波长的黑体腔反射率。
第三步：调节布儒斯特角入射
如附图4所示，撤去积分球，将待测黑体吸收腔布置在单色辐射激光光路上，单色辐射激光照射在布儒斯特窗口4-1上，利用布儒斯特角的完全折射特性，对入射激光的偏振做进一步筛选，尽量减弱低温系统的辐射耗散。布儒斯特窗口的透射光进入布置在低温辐射计4-4中的待检黑体吸收腔，反射光由反射光探测器4-3接收，调试时通过偏转窗口角度，将反射光探测器4-3电压调至最低，确保布儒斯特角入射。整个低温系统的反射信号经由布儒斯特窗口，在倒装监视探测器4-2上得到测量。
反射光探测器4-3选用日本滨松公司1337型硅光电二极管接收，通过检查反射光信号强度实现对布儒斯特角入射进行验证：由于入射信号的偏振特性，通过调节窗口角度，当反射光信号处于最小值时，即实现了布儒斯特角入射。倒装监视探测器4-2选用日本滨松公司1337型硅光电二极管，倒装光电探测器4-2围绕光轴成对串联排布，对每个探测器信号做求和运算，引线交叉缠绕以抑制共模噪声。
第四步：测试黑体腔变温吸收率
I利用多通道源表测试室温下倒装探测器电压和值，记为VR；
II调节黑体腔温度到T0，此时倒装探测器电压和值记为
III根据公式(2)计算得到T0温度下黑体腔的反射系数：
由此，黑体腔在温度T0时的变波长吸收率为1-ρT0(λ)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种变温黑体腔吸收系数的定标方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：调制得到稳定的单色辐射激光；
第二步：利用积分球法标定黑体腔在室温下的变波长反射系数；
第三步：调节布儒斯特角入射；
第四步：测试黑体腔变温吸收率。
2.如权利要求1所述的变温黑体腔吸收系数的定标方法，其特征在于，所述第一步中，利用激光稳功率系统中的电光调制晶体调制得到所需的稳定性优于千分之一的单色辐射激光。
3.如权利要求2所述的变温黑体腔吸收系数的定标方法，其特征在于，所述第一步中，激光稳功率系统包括由电光调制晶体、成像系统、楔形分束镜2-3、第一监视探测器、伺服放大系统2-4组成的稳功率仪，伺服放大系统2-4连接电光调制晶体和楔形分束镜2-3；辐射源发出的激光依次经电光调制晶体、成像系统至楔形分束镜2-3，至少90％的透射光即为所需的单色辐射激光，反射光进入第一监视探测器，得到的电压作为反馈进入伺服放大系统2-4，作为电光调制晶体的调制信号。
4.如权利要求3所述的变温黑体腔吸收系数的定标方法，其特征在于，所述第一步中，辐射源与电光调制晶体之间依次还布置有第一可变光阑和第一偏振片；电光调制晶体的出光侧还布置有Glan-Thompson偏振片2-1；成像系统位于Glan-Thompson偏振片2-1后侧，包括由前至后同轴布置的显微物镜、精密针孔光阑2-2、准直物镜；准直物镜与楔形分束镜2-3之间还布置有第二可变光阑。
5.如权利要求4所述的变温黑体腔吸收系数的定标方法，其特征在于，所述第一步中，激光稳功率系统的调制过程如下：
打开辐射源电源并将其功率设定在规定值；
调节稳功率系统的准直性，使得激光依次经过第一偏振片、电光调制晶体与Glan-Thompson偏振片2-1，得到空间稳定、准直的o光；
激光再经显微物镜聚焦到精密针孔光阑2-2上，通过调节精密针孔光阑的成像参数，激光通过针孔产生同心环光斑，经准直物镜准直后，利用第二可变光阑滤除高阶衍射信号，形成一个直径3mm的艾里斑；
再调节楔形分束器2-3，将不超过10％的激光分配给第一监视探测器，得到的电压作为反馈进入伺服放大系统2-4，作为电光调制晶体的调制信号；准直辐射中心高度经过调节，与绝对辐射黑体腔高度一致。
6.如权利要求5所述的变温黑体腔吸收系数的定标方法，其特征在于，所述第二步中，标定变波长反射系数的过程为：经过稳定的单色辐射激光入射积分球，入射光路中放置分束镜与第二监视探测器3-4，积分球3-5上与入射光成90°角的位置上放置积分球探测器3-3，在积分球3-5出口分别放置黑体吸收腔3-1与已知反射率的标准反射板3-2，捕获第二监视探测器3-4和积分球探测器3-3的电压信号，计算得到黑体腔反射率。
7.如权利要求6所述的变温黑体腔吸收系数的定标方法，其特征在于，所述第二步中，积分球3-5开口总面积小于球内部反射面积的10％，积分球3-5内壁上均匀喷涂聚四氟乙烯粉末，喷涂聚四氟乙烯粉末的厚度为2.5mm；黑体吸收腔3-1选用内壁镀碳纳米管的斜底黑体腔，底面与腔壁夹角为60度，或者选用锥形黑体腔。
8.如权利要求7所述的变温黑体腔吸收系数的定标方法，其特征在于，所述第二步中，标准反射板3-2介入前后分别接收吸收腔和标准板的反射光信号，标准板反射率已知，通过计算得到黑体腔反射率：
上式中，ρRT(λ)为黑体腔反射率，ρS(λ)为标准板反射率，VC为黑体腔放置在积分球出口时积分球探测器的电信号输出，VS为标准板放置在积分球出口时积分球探测器的输出电信号，V'C为黑体腔放置在积分球出口时监视探测器的输出电信号，V′S为标准板放置在积分球出口时监视探测器的输出电信号。
9.如权利要求8所述的变温黑体腔吸收系数的定标方法，其特征在于，所述第三步中，调节布儒斯特角入射的过程为：单色辐射激光照射在布儒斯特窗口4-1上，透射光进入布置在低温辐射计4-4中的待检黑体吸收腔，反射光由反射光探测器4-3接收，调试时通过偏转窗口角度，将反射光探测器4-3电压调至最低，确保布儒斯特角入射，反射信号经由布儒斯特窗口，在倒装监视探测器4-2上得到测量，倒装光电探测器4-2围绕光轴成对串联排布。
10.如权利要求9所述的变温黑体腔吸收系数的定标方法，其特征在于，所述第四步中，测试黑体腔变温吸收率的过程为：
I利用多通道源表测试室温下倒装探测器电压和值，记为VR；
II调节黑体腔温度到T0，此时倒装探测器电压和值记为
III根据公式(2)计算得到T0温度下黑体腔的反射系数：
由此，黑体腔在温度T0时的变波长吸收率为
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