CN114544007B - 基于相关光子的中红外探测器量子效率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于红外遥感技术领域，具体涉及基于相关光子的中红外探测器量子效率测量装置及方法。一种基于相关光子的中红外探测器量子效率测量装置，包括：泵浦光单元、非线性晶体单元、信号光传输单元和闲频光传输单元、单光子探测器、中红外探测器；所述泵浦光单元产生的泵浦光经非线性晶体单元后，产生相关光子对；所述相关光子对经分光镜分束后，分为信号光和闲频光，所述闲频光经所述信号光传输单元进入中红外探测器；所述闲频光经所述闲频光传输单元进入单光子探测器；所述中红外探测器连接输出信号测量装置。本发明利用自发参量下转换原理对红外探测器量子效率进行绝对定标，无需标准传递链，减少量值传递过程的累积误差。

Description

基于相关光子的中红外探测器量子效率测量装置及方法

技术领域

本发明属于红外遥感技术领域，具体涉及基于相关光子的中红外探测器量子效率测量装置及方法。

背景技术

目前基于各种航天器和卫星平台对全球资源勘查、查明地质构造、污染监测和大范围目标探测等正在大范围的应用，且具有广阔的前景。

对红外波段的探测器进行高精度的定标保证探测器在不同环境、不同条件下测量结果的一致性，最终可以超脱环境因素得到被测目标的特性。量子效率是红外探测器各种参数中一项重要的参数，可以衡量探测器性能的高低，对于利用探测器反演目标特性的准确性有重大影响。

红外探测器的辐射定标是以标准传递的方式实现的，目前有两种成熟的方法，如图1所示。两种定标方法都需要构建标准传递链传递到用户遥感器上。NIST曾做过两种方法辐射亮度定标结果的比对，其一致性达到了0.5％以内。一种以标准辐射源为基础，通常以黑体辐射作为初级标准，根据普朗克辐射定律建立黑体绝对辐射度与国际温度标准之间的定量关系，之后以不同等级的辐射源(灯或黑体)建立传递链条，直至用户的探测器。另一种是近十年来发展起来的、以标准探测器为基础的辐射定标方法。国际上已公认低温绝对辐射计为精度最高的初级标准，它测量可见波段光辐射通量的精度已达0.02％。标准的传递通过各波段相应的探测器实现。可见波段一般采用硅陷阱探测器，其精度约0.03％。

目前，基于标准辐射源和标准探测器的中红外探测器定标方案，经过多年的发展，有一条完整的传递链。这两种方法均保证所有探测器可以溯源到共同的基准，但也限制了探测器精度的提高。因为基准一般由国家和行业最高计量标准计量部门建立和保持，但探测器实际使用环境差别较大，需要设计不同的传递链路，增加定标时间和经费开支，并造成精度随传递环节的增加而逐级降低，最终累积到用户探测器上，造成定标不确定度增大。另一方面，如果要进行分光谱定标，必须精细测量分光器件(单色仪、滤光片等)在其通光波段内的光谱透过率，这始终是限制精度提高的一项重要因素。

综上所述，目前现存的探测器定标方法存在以下缺点：

1、传递链路过长；

2、溯源至基准整个装置复杂；

3、探测器定标不确定度大等。

基于上述原因，需要提出一种新的定标方法，已解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种可以测量中红外探测器量子效率的装置及方法，本发明利用自发参量下转换原理对红外探测器量子效率进行绝对定标。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：基于相关光子的中红外探测器量子效率测量装置，包括：泵浦光单元、非线性晶体单元、信号光传输单元和闲频光传输单元、单光子探测器、中红外探测器；所述泵浦光单元产生的泵浦光经非线性晶体单元后，产生共线输出的相关光子对；所述相关光子对经分光镜分束后，分为信号光和闲频光，所述闲频光经所述闲频光传输单元进入中红外探测器；所述信号光经信号光传输单元进入单光子探测器；所述中红外探测器连接输出信号测量装置。

作为本发明的优选方式，所述的非线性晶体放置在温控炉内，温控炉放置二维移动平台上。

进一步地，所述的闲频光传输单元包括依次设置的透镜、双色镜、长通滤光片、双色镜、窄带滤光片；与所述双色镜呈45°方向设置有吸收池。

进一步地，所述的信号光传输单元包括依次设置的透镜、双色镜、长通滤光片、双色镜、窄带滤光片、多级衰减片；与所述双色镜呈45°方向设置有吸收池。

进一步地，所述信号光传输单元输出的光子和闲频光传输单元输出的光子互为相关光子。

进一步地，所述的泵浦光单元包括依次设置的激光器、光阑、偏光器件、半波片、隔离器、准直透镜。

本发明还提供一种基于相关光子的中红外探测器量子效率测量方法，该方法利用上述测量装置，包括以下步骤：

(1)根据单光子探测器产生的电脉冲，计算单光子探测器单位时间接收到的光子数：

N₁＝M₁/η₁；

式中：N₁为接收的光子数；η₁为单光子探测器的量子效率；M₁为单位时间Δ内接收的电脉冲；

(2)测量信号光传输单元的整体透过率q₁，并计算非线性晶体单位时间产生的信号光光子数Q₁：

Q₁＝N₁/q₁；

(3)测量闲频光传输单元的整体透过率q₂；

(4)计算中红外探测器单位时间接收到的光子数N₂：

N₂＝Q₂·q₂；

式中，Q₂为非线性晶体单位时间产生的闲频光光子数，Q₂＝Q₁＝Q；Q为非线性晶体单位时间内产生的相关光子对的数量；

(5)根据测得的中红外探测器单位时间的输出电流I，计算单位时间产生的电量Q′为：

Q′＝I·Δt；

则产生的电子数N为：

N＝Q′/e；

其中：e为电子的电荷量；

(6)根据量子效率的计算公式，可得红外探测器的量子效率η₂：

η₂＝N/N₂。

进一步地，所述信号光传输单元或者闲频光传输单元的整体透过率测量方法为：

用一个和窄带滤光片中心波长一样的小功率激光器，经过稳功率、准直后，经分光镜分束，分别通过信号光传输单元或者闲频光传输单元进入一个低噪声探测器，测得激光功率值P_后；将低噪声探测器放置在分光镜前，测得激光功率值为P_前，则信号光传输单元或者闲频光传输单元的整体透过率为：

q＝P_后/P_前。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明建立在可以准确重现的物理过程上；利用自发参量下转换原理，实现对红外探测器量子效率的绝对定标；

(2)无需标准传递链，减少传递过程的累积误差；

(3)两个探测器可工作在相关的不同波段，可用现有的高质量可见波段探测器去测量红外波段探测器的量子效率。

(4)单光子探测器的量子效率对测量结果无影响，双通道可以互相定标。

附图说明

图1为现有技术中光辐射探测器定标的实现方式；

图2为本发明实施例中基于相关光子的中红外探测器量子效率测量装置的结构连接图；

图中：1、激光器；2、光阑；3、吸收池；、格兰泰勒棱镜；5、半波片；6、隔离器；7、准直透镜；8、第一透镜；9、非线性晶体；10、第一双色镜；11、第二透镜；12、第二双色镜；13、第一长通滤光片；14、第三双色镜；15、第一窄带滤光片；16、中红外探测器；17、输出信号测量装置；18、第三透镜；19、第四双色镜；20、第二长通滤光片；21、第五双色镜；22、第二窄带滤光片；23、第一衰减片；24、第二衰减片；25、APD/PMT单光子探测器；26、升降台；27、位移台。

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。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。

实施例1本实施例提供一种基于相关光子的中红外探测器量子效率测量装置，其结构如图2所示，主要包括：泵浦光单元、非线性晶体9、闲频光传输单元、信号光传输单元、红外探测器16、输出信号测量装置17、APD/PMT单光子探测器25、升降台26、位移台27、温控炉等。

其中，泵浦光单元由激光器1、光阑2、格兰泰勒棱镜4、半波片5、隔离器6、准直透镜7组成。激光器1产生的激光，经过光阑2，格兰-泰勒棱镜4起偏，经过半波片5进行偏转旋转，隔离器6对回波进行隔离，自准直透镜7对激光进行准直后输出。

非线性晶体9放置在温控炉内，温控炉放置在由升降台26和位移台27组成的二维移动平台上。从准直透镜7输出的准直光经过第一透镜8进入放在温控炉内的非线性晶体9内，非线性晶体9经过特殊设计，产生共线输出的相关光子。从非线性晶体9出射的光包括泵浦光和相关光子对，后续需要过滤泵浦光，选择需要波长的相关光子。

非线性晶体利用准相位匹配实现相关光子输出，实现晶体的准相位匹配需满足以下两式：

Δk＝k_p-k_s-k_i-k_m (2)

Δk为三波在传播过程中的波失相位失配量，λ_p、λ_s、λ_i分别为泵浦光、信号光和空闲光的波长，k_p、k_s、k_i分别为泵浦光、信号光和空闲光的波失。k_m为周期性极化引入的波失相移，则满足一阶准相位匹配的晶体周期为：

其中，n_j(j＝p，s，i)分别表示泵浦光、信号光和空闲光在晶体内的折射率。对于e偏振的泵浦光在PPLN晶体中的折射率可由塞耳迈耶尔方程表示为：

f＝(T-T₀)(T+T₀+2×273.16)＝(T-24.5)(T+570.82) (5)

利用上述公式可以实现非线性晶体周期和控温温度的设计，实现需要的相关光子输出。

从非线性晶体9出射的相关光子对经过第一双色镜10的分束，分为信号光和闲频光，信号光进入信号光传输单元，闲频光进入闲频光传输单元。由于第一双色镜10与非线性晶体9出射的光束呈45度角放置，所以信号光和闲频光呈90度输出，方便后续试验。

闲频光传输单元由第二透镜11、第二双色镜12、第一长通滤光片13、第三双色镜14、第一窄带滤光片15组成。闲频光传输单元的后端设置中红外探测器16，中红外探测器16连接输出信号测量装置17。输出信号测量装置17可为静电计或高精度电流表等,测量中红外探测器16输出的电流信号。闲频光经过第二透镜11，依次通过第二个双色镜12、第一长通滤光片13、第三双色镜14，过滤泵浦光及信号光，然后经过第一窄带滤光片15，过滤出需要的相关光子，然后经过透镜聚焦，进入中红外探测器16。

信号光传输单元由第三透镜18、第四双色镜19、第二长通滤光片20、第五双色镜21、第二窄带滤光片22、第一衰减片23、第二衰减片24组成。信号光传输单元的后端设置APD/PMT单光子探测器25。信号光经过第三透镜18，依次通过第四双色镜19、第二长通滤光片20、第五双色镜21，过滤泵浦光及闲频光，然后经过第二窄带滤光片22，过滤出需要的相关光子；经过第二窄带滤光片22的相关光子又经过第一衰减片23、第二衰减片24进行相关光子衰减，然后经过透镜聚焦，进入APD/PMT单光子探测器25。闲频光所用滤光片滤出的光子和信号光所用滤光片滤出的光子是一对相关光子。

在闲频光传输单元和信号光传输单元中还分别设置有两个吸收池3，吸收池3设置在双色镜的45度角方向，吸收池3用于吸收过滤掉的泵浦光，及闲频光或信号光。

实施例2本实施例提供一种基于相关光子的中红外探测器量子效率测量方法，该方法基于实施例1的测量装置，利用自发参量下转换和复合测量的原理，进行中红外探测器量子效率的定标测试。

非线性晶体的自发参量下转换过程满足能量和动量守恒，通过自发参量下转换产生的两个光子是同时产生，具有相关性和量子纠缠特性，成为相关光子。利用相关光子成对产生的特性，当知道其中一路光子计数时，就可以得到另一路光子计数。

本发明在信号光传输单元末端放置一个已经标定过，量子效率为η₁的APD/PMT单光子探测器，单光子探测器接收信号光子，产生相应的电脉冲，测得单光子探测器单位时间产生的电脉冲为M₁，则单光子探测器单位时间Δt接收到的光子数N₁为：

N₁＝M₁/η₁ (6)

信号光经第一双色镜10后，进入信号光传输单元，依次通过透镜、两个双色镜、长通滤光片、窄带滤光片、衰减片等镜片，这些镜片对信号光有不同的透过率，需要测量信号光传输单元中这些镜片的整体透过率。

信号光传输单元中这些镜片的整体透过率的测量方法为：用一个和窄带滤光片中心波长一样的小功率激光器，经过稳功率、衰减后，通过上述镜片，进入一个低噪声探测器，测得激光功率值P₂。然后再将低噪声探测器放置在第一双色镜10前，测得激光功率值为P₁，则上述镜片的透过率q₁为：

q₁＝P₂/P₁ (7)

则通过晶体单位时间产生的信号光光子数Q₁为：

Q₁＝N₁/q₁ (8)

根据相关光子产生的原理，可知闲频光单位时间的光子数Q₂＝Q₁＝Q，Q为非线性晶体单位时间内产生的相关光子对的数量。

和上述测量测量方法一样，测量闲频光传输单元中所有镜片的整体透过率，得到透过率q₂：

q₂＝P₄/P₃ (9)

其中，P₄、P₃分别为利用和闲频光传输单元中窄带滤光片中心波长一致的激光器测得的在聚焦透镜后和第一双色镜10前的功率。

联立式(8)、式(9)可得中红外探测器单位时间接收到的光子数N₂为：

N₂＝q₂·q₂ (10)

利用输出信号测量装置测量中红外探测器单位时间的输出电流I，则单位时间产生的电量Q′为：

Q′＝I·Δt (11)

则产生的电子数N为：

N＝Q′/e (12)

其中：e为电子的电荷量。

根据量子效率的计算公式，可得红外探测器的量子效率η₂为：

η₂＝N/N₂。 (13)。

Claims (7)

1.基于相关光子的中红外探测器量子效率测量装置，其特征在于，包括：泵浦光单元、非线性晶体单元、信号光传输单元和闲频光传输单元、单光子探测器、中红外探测器；所述泵浦光单元产生的泵浦光经非线性晶体单元后，产生相关光子对；所述相关光子对经分光镜分束后，分为信号光和闲频光，所述闲频光经所述闲频光传输单元进入中红外探测器；所述信号光经所述信号光传输单元进入单光子探测器；所述中红外探测器连接输出信号测量装置；

包括以下步骤：

(1)根据单光子探测器产生的电脉冲，计算单光子探测器接收到的光子数：

N₁＝M₁/η₁；

式中：N₁为接收的光子数；η₁为单光子探测器的量子效率；M₁为单位时间Δt内接收的电脉冲；

信号光传输单元中这些镜片的整体透过率的测量方法为：用一个和窄带滤光片中心波长一样的小功率激光器，经过稳功率、衰减后，通过上述镜片，进入一个低噪声探测器，测得激光功率值P₂；然后再将低噪声探测器放置在第一双色镜前，测得激光功率值为P₁，测量信号光传输单元的整体透过率q₁，并计算非线性晶体单位时间产生的信号光光子数Q₁：

Q₁＝N₁/q₁；

q₁＝P₂/P₁；

(3)测量闲频光传输单元的整体透过率q₂；

q₂＝P₄/P₃

其中，P₄、P₃分别为利用和闲频光传输单元中窄带滤光片中心波长一致的激光器测得的在聚焦透镜后和第一双色镜前的功率；

(4)计算中红外探测器单位时间接收到的光子数N₂：

N₂＝Q₂·q₂；

式中，Q₂为非线性晶体单位时间产生的闲频光光子数，Q₂＝Q₁＝Q；Q为非线性晶体单位时间内产生的相关光子对；

(5)根据测得的中红外探测器单位时间的输出电流I，计算单位时间产生的电量Q′为：

Q′＝I·Δt；

则产生的电子数N为：

N＝Q′/e；

其中：e为电子的电荷量；

(6)根据量子效率的计算公式，可得红外探测器的量子效率η₂：

η₂＝N/N₂。

2.根据权利要求1所述的基于相关光子的中红外探测器量子效率测量装置，其特征在于：所述的非线性晶体放置在温控炉内，温控炉放置在二维移动平台上。

3.根据权利要求1所述的基于相关光子的中红外探测器量子效率测量装置，其特征在于：所述的闲频光传输单元包括依次设置的透镜、双色镜、长通滤光片、双色镜、窄带滤光片；与所述双色镜呈45°方向设置有吸收池。

4.根据权利要求1所述的基于相关光子的中红外探测器量子效率测量装置，其特征在于：所述的信号光传输单元包括依次设置的透镜、双色镜、长通滤光片、双色镜、窄带滤光片、多级衰减片；与所述双色镜呈45°方向设置有吸收池。

5.根据权利要求1所述的基于相关光子的中红外探测器量子效率测量装置，其特征在于：所述信号光传输单元输出的光子和闲频光传输单元输出的光子互为相关光子。

6.根据权利要求1-5任一一项所述的基于相关光子的中红外探测器量子效率测量装置，其特征在于：所述的泵浦光单元包括依次设置的激光器、光阑、偏光器件、半波片、隔离器、准直透镜。

7.根据权利要求1-5任一一项所述的基于相关光子的中红外探测器量子效率测量装置，其特征在于，所述信号光传输单元或者闲频光传输单元的整体透过率测量方法为：

用一个和窄带滤光片中心波长一样的小功率激光器，经过稳功率、准直后，经分光镜分束，分别通过信号光传输单元或者闲频光传输单元进入一个低噪声探测器，测得激光功率值P_后；将低噪声探测器放置在分光镜前，测得激光功率值为P_前，则信号光传输单元或者闲频光传输单元的整体透过率为：

q＝P_后/P_前。