激光大动态范围线性测量

第40卷第4期2019年7月应用光学Journal of Applied OpticsVol.40No.4Jul.2019文章编号：1002-2082(2019)04-0681-05激光大动态范围线性测量王雪莲吴志峰2,宋贵才1,卢小丰2,代彩红彳(1.长春理工大学理学院，吉林长春130022；2.中国计量科学研究院，北京100029)摘要：为研究探测器在单色光照射下大动态范围的辐射响应度是否不变，建立了基于激光的线性测量装置，并对该装置的测量不确定度进行评价。

实验根据双光路叠加法，分别采用功率和照度两种模式研究了光电探测器的线性。

对于功率模式，实验测量了6个数量级光功率变化下探测器的大动态范围非线性系数；对于照度模式，将激光导入积分球输出光辐射，测量了探测器在3个量级变化下的非线性系数。

实验结果表明：当激光功率模式下探测器的输出电流从0.2mA变至0.2nA,探测器的非线性系数全部小于士0.02%；当激光照度模式下探测器光电流从200nA变为0.2nA,探测器非线性系数小于士0.02%。

由此可知，激光线性装置可以实现功率和照度两种模式测量，满足至少6个量级以上的测量。

关键词：辐射响应度；线性；大动态范围中图分类号：TN248；O432.1文献标志码：A DOI：10.5768/JAO201940.0407001Measurement of absolute linearity using laser coveringlarge-scale dynamic rangeWANG Xuelian1'2,WU Zhifeng2,SONG Guicai1,LU Xiaofeng2,DAI Caihong2(1,Changchun University of Science&Technology,Changchun130022,China；2,National Institute of Metrology,Beijing100029,China)Abstract:In order to investigate whether the radiometric responsivity of the detector in large-scale dynamic range is constant under the illumination of monochromatic light,a laser-based linear measuring device was established,and the measurement uncertainty of the device was evaluated・According to the dual optical path superposition method,the linearity of the photodetector was measured in both the power mode and the irradiance mode.For the power mode,the non丘nemr coefficient was measured with the laser power varying over6orders of magnitude,while for the irradiance mode,the laser was guided into an integrating sphere to output the optical radiation,and the nonlinear coefficient of the detector under3orders of magnitude changes was measured.Results show that when the current of the photodetector is varied from0.2nA to0.2mA in power mode,the nonlinear fact of the detector is less than ±0.02%.When the current of the detector is changing from200nA to0.2nA in irradiance mode?the nonlinear factor is also less than土0.02%・It can be seen that the laser linear device can realize two modes of power and illuminance measurement,and meets the measurement of at least6orders of magnitude or more・Key words：radiometric responsivity；linearity；large-scale dynamic range收稿日期：2019-01-10；修回日期：2019-01-21基金项目：国家重点研发计划资助(2016YFF0200300；2016YFF0200304)作者简介：王雪莲(1994-),女，硕士研究生，主要从事光学与激光计量和辐射测温方面的研究。

E-mail:lindawongl120@•682•应用光学第40卷第4期引言光电探测器是光谱辐射度研究的核心器件，其响应度特性宜接影响到光辐射测量的准确与否口切。

当光电探测器定标光源和测量光源的光谱辐射量值相当时，可忽略探测器的线性影响。

若被测光源功率远低于定标光源，尤其是测量微弱辐射信号时，探测器的辐射响应度是否不变则变得至关重要。

太阳是研究最多的辐射源，太阳总辐射通常采用PMO-6型绝对辐射计采集。

而太阳的光谱辐射照度，则需要通过单色仪分光后采用光电探测器测量。

地表太阳光谱辐射从320nm 〜290nm,光谱辐射照度陡然降低5个量级以上，太阳光谱的准确测量对探测器线性要求极高。

近年来，激光辐射照度响应度得到大量关注。

激光辐射照度测量通常选用陷阱探测器进行量传，将量值直接溯源至低温辐射计。

而低温辐射计量值传递的激光功率通常约为1mW量级。

激光辐射照度测量需将激光导入积分球形成均匀辐射场，探测器接收的激光功率通常约在nW量级。

从1 mW〜1nW,在如此大动态范围变化下，探测器的光谱响应度参数是否是常数必须予以考虑。

探测器的线性是保证测量准确性的前提，确认探测器的线性工作范围至关重要。

叠加法是线性测量中最重要的方式，常用双光路法开展实验口旬。

采用两路光分别照射探测器，将探测器的测量信号记录为h,I2.然后两路光同时照射探测器,将探测器的测量信号记录为人+2。

根据国际照明协会CIE推荐的公式（1）,可以计算探测器的非线性系数：人+2h+h(1)探测器线性测量使用最多的为宽谱段光源。

卤鹄灯被用于光度计的线性测量，钩带灯和能斯特光源被用于光导式和光压式HgCdTe的线性测量金乃。

然而，采用宽谱段光源，探测器的非线性系数是描述探测器对于光源整个谱段光辐射响应的性质。

探测器对于每一个波长光辐射的线性响应不完全一致金旳。

宽谱段光源结合单色仪可以实现单波长下的非线性测量何。

随着激光技术的进步，采用激光开展线性研究变得日益增多。

单色激光最早被用于硅光电探测器的线性研究⑴一⑷。

原则上，采用OPO可调谐激光，可以在探测器的所有波长覆盖范围测量其非线性系数，从而得到探测器的全光谱的非线性系数，应用于所有的光谱辐射测量实验。

1实验装置及工作原理1.1实验装置图1给出了激光线性测量光路图。

实验装置整体位于暗室，暗室四周采用发黑处理，避免因背景辐射影响测量的准确性。

装置主要由He-Ne激光器，激光功率稳定器，双光路和探测器共同组成。

激光功率稳定器后依次放置两块格兰棱镜。

经格兰棱镜后，激光在第一个分束镜处分成两路光，光路1沿直线传输，光路2经2个反射镜后与第一路光在第二个分束镜处汇合，共同照射在被测探测器上。

光路1和光路2分别安装电子快门。

两路激光和被测探测器前都设置光阑，避免经分束镜带来的杂光。

2个分束镜都按照45°放置。

探测器设置在电流模式下测量，电流显示位数至少为5位有效数字。

电流读数通过数据采集卡连接至电脑实现自动化控制。

图1激光线性测量光路图Fig.1Optic path of laser linearity measurement system 图1中，在探测器和第2个分束镜间移出或放置一个内径40mm、出光口径4mm的积分球［则。

当移出积分球测量时，激光直接照射在探测器表面上。

激光光斑小于探测器感光面积，装置采用激光功率模式测量探测器线性。

当放置积分球测量时，激光导入积分球后变成均匀的辐射亮度源。

激光光斑充满探测器感光面积，装置采用激光辐射照度匚⑷模式测量探测器线性。

1.2实验工作原理实验按照双光路叠加法，选取硅S1337探测器测量。

图1中的第1块格兰棱镜用于调节光路中的激光功率，第2块格兰棱镜用于调节两路光的信号比，使得两路光信号之比接近1:1-为减小测量过程中激光功率的漂移和暗噪声的影响，实验采用对称测量的方法。

测量步骤如下：1）先测量光路1，信号记为S】；2）再测量光路2,信号记为S2；3）测量光路1和光路2总和，信号记为Si+2；应用光学2019,40（4）王雪莲，等:激光大动态范围线性测量・683•4）再次测量光路2,记为S‘2；5）最后测量光路1,信号记为S'-采用公式（2）计算非线性系数。

最后重复多次测量，选取测量的平均值作为最终结果。

T=_______2S1+2___________-1f O'）nonliner S1+S2+S'1+S‘22实验结果2.1激光功率模式先将光路1和光路2的激光功率分别调至约0.2mW（对应电约0.1mA）,然后开始双光路法测量，计算非线性系数。

然后依次减半测量，将双光路激光功率降至0.1mW,0.05mW,……，直至降至约0.2nW,共计21组数据，覆盖6个量级的激光功率变化。

为保证激光功率调节过程中光路1和光路2的激光功率比例接近1：1,图1中的第2格兰棱镜不改变角度。

激光功率的变化通过第1格兰棱镜进行调节。

格兰棱镜的消光比优于200000：1。

同时激光功率稳定器可以实现10倍以上的功率调节。

激光线性测量装置可以在功率模式下实现2000000的调节。

同时，光路1和光路2中分别设置偏振片，使得两路光的偏振相位相差90°,避免探测器表面发生干涉。

对于探测器非线性测量，测量必须扣除暗背景的影响，尤其在激光功率较弱时。