低温辐射计的结构优化方案设计

庞伟伟，郑小兵，李健军，吴浩宇，史学舜

（1.中国科学院 通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥230031；2.中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东 青岛266555）

引言

当前使用的辐射初级标准源主要有3种，分别是黑体、同步辐射光源及低温辐射计。黑体是最早使用、也是最为广泛使用的辐射初级标准，由初级黑体辐射源经过传递链路传递至各级传递标准。在这个标准传递的过程中，初级标准的不确定度为0.6%～4%，经过各级标准后传递至测量仪器时的不确定度约为5%～10%，已经不能满足定量化遥感的需求［1］。同步辐射源可以最为真实地模拟出自然界中的辐射情况，最近几年也越来越受到国际计量机构和标准化组织的的青睐，开始作为辐射基准源［2］。

低温绝对辐射计是高精度光学计量在二十世纪末的重要进展。其采用的低温超导下的电替代测量技术显著地提高了光辐射测量的能力［3］，相比较传统辐射基准黑体而言，其对光辐射功率的测量不确定度已经达到0.05%～0.02%，已经成为国际计量机构建立光度学及热力学的基准［4－5］。许多国家的标准化研究所，例如美国的国家标准和 技 术 研 究 所 NIST［6－7］、英 国 国 家 物 理 研 究 所NPL［8］、德国联邦物理研究院 PTB［9］等正致力于低温辐射计的高精度辐射标准研究。低温辐射计结构复杂、运行条件苛刻、维护困难，大多数实验室中把低温辐射计用作实验室中的初级标准。目前，通过低温辐射计对传递探测器进行绝对光谱定标，已经形成溯源于低温辐射计的高精度传递链路［10－11］，把低温辐射计的高精度传递标准链路逐步传递至用户产品级。

在3种初级标准各自的传递链路中，低温辐射计的传递标准精度最高，测量不确定度最低，最能适应定量化遥感的高精度要求，但是与黑体辐射源相比，低温辐射计操作繁杂、运行条件苛刻。在使用低温辐射计进行传递探测器的绝对定标过程中，尚存在可以改进的方面。文中首先阐述低温辐射计进行标准传递探测器绝对响应率定标的过程，分析定标过程中存在的问题。在此基础上提出低温辐射计的结构优化方案设计，并对比分析2种低温辐射计结构在标准传递过程中的不确定度。

1 传统低温辐射计传统定标方法

以激光作为光源，使用低温辐射计对标准传递探测器进行绝对响应率定标，可实现由辐射初级标准到传递标准的标准传递，该定标方法成熟使用于各国机构的辐射基准实验室中［12－13］。低温辐射计工作时，对工作环境的要求极为苛刻，为获得电替代加热与光加热的高度等效性、仓体内部的各接触部件之间的零电阻状态，低温辐射计需要在绝对低温超导状态下工作，通常是使用4.2K的液氦直接制冷，或者是使用机械制冷至20K左右。为维持低温状态，需使用分子泵真空机组把低温辐射计内部抽至10－7Torr的高真空环境。

图1 低温辐射计测量激光原理Fig.1 Laser power measurement based on cryogenic radiometer

图2 传统标准传递绝对定标Fig.2 Absolute calibration of transfer detector

图1所示即为低温辐射计的工作原理，低温辐射计的布儒斯特窗口用于隔绝大气环境与低温辐射计内部仓体。根据低温辐射计的测量原理，其状态方程可以用如下方程表示：

式中：PL是待测量的入射激光功率；T是辐射计窗口透过率；a是接收腔的吸收率，值由NIST定标报告给出；N是光加热和电加热等效性因子；Ph是电加热功率，低温辐射计的直接输出值；PS是窗口表面反射和内部散射的损耗功率。

传统使用激光作为光源来定标标准传递探测器时，使用的是如图2所示的定标方法。首先，定标之前需要对低温辐射计前面的定标光路进行优化，减小光路带来的不确定度，获取光斑大小基本恒定功率数小时内稳定的定标光源。然后，在低温辐射计的前面安置待定标的标准探测器，标准传递探测器通常以3～4个为一组，安置在垂直于定标光路的平移导轨上。定标时首先使得入射光进入低温辐射计，低温辐射计可以测得进入其接收腔内部的激光功率Ph，然后移动传递探测器切入定标光路，使得定标光路入射进入传递探测器中，探测器接受入射功率为PL的激光辐射输出电压值V0。

在低温辐射计对传递探测器进行绝对响应率定标时，探测器接收到的是入射激光功率PL。低温辐射计直接读数是Ph，为计算出入射激光功率PL，需要测量布儒斯特窗口透过率T、窗口损耗功率PS及非线性N，然后将各项的数值带入（1）式中计算出入射到探测器中的激光功率，换句话说，低温辐射计定标时测量的辐射通量与探测器接受到的辐射通量并不相同，低温辐射计需要根据状态方程计算进入传递探测器中的辐射通量。

2 传统定标过程中布儒斯特窗口复现带来的问题

通过上述的标准传递过程可以看出，低温辐射计测得的激光功率与探测器直接探测的激光功率并不相同。低温辐射计测量的是透过布儒斯特窗口进入低温辐射计内部接收腔的激光功率，而探测器接收到的是进入布儒斯特窗口之前的激光功率，虽然在理论上布儒斯特窗口对p方向的偏振光具有100%的透过率，但是在实际光路调节时很难实现。布儒斯特窗口状态复现在标准传递探测器绝对响应率定标过程中存在以下几个方面的问题。

1）窗口透过率测量的人为影响

在对低温辐射计的光路进行调整时，光路调整到布儒斯特窗口时，会在窗口的下面放置一个白色的靶标，通过人眼观察窗口反射到白色靶标上的光的亮度来判断定标光源是否完全穿过布儒斯特窗口，进入低温辐射计的接收腔。在实际操作时，定标激光光源不可能完全透过去，必然会有部分能量被窗口反射出去而不被人眼感知。同时，在透过布儒斯特窗口时，会有部分被窗体吸收或者是散射出去。

为此，标准传递工作人员为降低布儒斯特窗口在标准传递过程中引入的误差，在使用低温辐射计对入射激光进行绝对测量之后，需要把布儒斯特窗口拆卸下来，然后复现布儒斯特窗口在标准传递时的工作状态，测量其透过率及能量损耗。在窗口复现过程中，也在窗口的下面放置一个白色的靶标，通过人眼观察窗口反射到白色靶标上的光的亮度来判断定标光源是否完全穿过布儒斯特窗口。人眼对光束的感知能力会随着周围环境的变化而变化，这个感知变化在高精度辐射定标时带来的影响是不可忽略的。其结果就是对相同波段光束的透过率测量的不确定度不同，如表1［12］和表2［11］所示。

表1 低温辐射计光功率测量不确定度／10－4Table 1 Uncertainty for measuring laser power of cryogenic radiometer／10－4

表2 低温辐射计光功率测量不确定度 10－4Table 2 Uncertainty for measuring laser power of cryogenic radiometer

上述2张表分别摘录于参考文献［10］和文献［11］中，2个文献中使用的是相同的低温辐射计和相同的布儒斯特窗口。2张表格对比可以看出，窗口透过率的测量不确定度在相同波长下差距依然较大，特别是在633nm的可见波段，两次测量不确定度约有10倍的差距，而且文献［10］中对窗口的测量不确定度普遍较大。可以看出由于人眼本身的限制，在对窗口透过率测量中引入的不确定度很难稳定。

2）定标光路的拆卸引入的不确定度

低温辐射计运行条件苛刻，每次低温辐射计实验，定标人员都想在尽可能多的波段上进行标准传递［14］。使用的激光光源一般分为两种：一种是使用多个单波长激光器，另外一种就是使用调谐激光器，无论使用哪种激光光源，最终搭建的定标光源必须稳定。因此，会在定标光路中插入激光功率控制器LPC，空间滤波器等元件，这些部件的插入有助于定标光源的稳定，但是这些部件都是有波长选择性。

在可见波段对传递标准探测器定标结束后，如果需要定标红外波段，就必须拆除原先的定标光路，重新搭建红外波段的定标光路，光路的拆卸对窗口透过率的测量十分不利。低温辐射计的定标光路元器件较多，任一部件的位置、角度的改变对于整条光路的质量都是有较大影响的。根据调光路的经验，可以确定不可能调节出两条一模一样的光路，因此定标结束后复现出定标光路，然后复现窗口状态，再对窗口透过率测量，该过程引入的不确定度较大。

3）宽谱段定标的影响

布儒斯特窗口使低温辐射计实际上具有偏振选择性，即严格要求入射光束必须是p方向上的线偏振光，否则将破坏全透射的前提，这是窗口带来的一个实验技术问题。在利用宽调谐激光器实现宽波段的定标时，激光波长的调谐往往伴随着出射光偏振状态的变化，意味着定标过程中需要重复地进行不同波长的光束偏振状态精密测试和调整，才能确认满足入射偏振要求。

在文献［13］中作者对Si陷阱传感器进行24个波段的绝对响应率定标。理论上每个窗口的状态都要记录，在绝对定标结束之后，首先要恢复各个波段的光路，然后恢复每个窗口的状态，测量其透过率和相应的不确定度。但作者只恢复测量488nm的窗口透过率，然后使用插值的方法计算剩余波长点的透过率，暂且撇开插值计算的误差不说。单从使用插值的这种方法上就可以看出，在宽谱段定标时每个窗口状态透过率测量基本不可能实现。即便在理论上精确记录每个窗口的状态，然后复现时测量每个窗口状态的透过率，但是定标光源已经变化，定标状态已经改变。可见对于宽波段的测量来说，这些调整在带来巨大工作量的同时，可能还会引入其他的误差。

4）非可见波段复现困难

低温辐射计原则上可以在200nm～50μm的宽谱段上测量入射光束的绝对功率值。目前，溯源于低温辐射计的可见波段传递标准探测器较为成熟。在紫外及红外波段，由于拥有极好的应用空间，必然需要溯源至低温辐射计的高精度传递标准。

在紫外及红外波段上，由于并不是人眼直接响应波段，如果使用传统的光路调节手段，对定标后的状态恢复测量基本不可靠。虽然已经使用光纤耦合的办法来实现可见调节红外的手段［15－16］，但是这种手段对布儒斯特窗口的调节是无效的。更不用说把红外光路拆卸后，再复现光路与窗口状态来测量窗口透过率的准确性。

通过以上的分析可以看出，低温辐射计的布儒斯特窗口在状态复现的过程中确实存在较大的不确定性，影响定标的精度，不利于高精度辐射标准的传递。

3 低温辐射计的结构优化方案设计

为消除布儒斯特窗口在标准传递过程中引入的不确定度及繁琐而复杂的状态复现过程。针对定标过程中所面临的窗口不确定度难题，提出如图3所示的新型测量光路设计方案，其中采用了真空仓内定标传递探测器的这一重要改进。传递探测器将安装在真空定标仓内，可以与低温辐射计一起沿弧形轨道滑行，使得入射激光交替进入低温辐射计和待定标的传递探测器，实现传递探测器相对于低温辐射计的绝对定标。两者的切换动作将由精密电机完成，将保证足够的复位精度。

图3 低温辐射计的新型结构方案Fig.3 Novel structure of cryogenic radiometer

图3所示的新型光路在原理上可以完全解决以往测试光路存在的窗口透过率难题。由于传递探测器和低温辐射计接收到的是相同的激光束通量，窗口透过率随入射光波长、光偏振状态和测试环境所发生的任何变化对二者影响完全相同。定标过程中窗口无须拆除，窗口角度原则上无需精确控制，一次调试完成后即可便捷地完成宽波段的定标工作，在保证测试光路重复性的同时，大大减少了光路调整的工作量。

在优化后的低温辐射计结构中，低温辐射计和传递探测器可沿着弧形轨道移动到相同位置，入射布儒斯特窗口成为光源的一部分。采用这种方法对窗口透过率的测量是不需要的，而且由于在传递标准探测器的前端安装有直径6mm的光阑（此光阑筒与低温辐射计内接收腔的入口直径相同），杂散光的影响也可以消除。最终入射进低温辐射计和标准探测器内的激光功率相同，其数值可以用P′L来表示：

此时，只需要测量低温辐射计的非线性N，A值由NIST定标报告给出，为低温辐射计的输出值。原则上真正实现了同一光束光分时进入辐射基准和传递标准探测器，减小了标准传递时的不确定度。

4 两种结构的测量不确定度分析

传统低温辐射计测量激光功率时，依据其状态方程，测量不确定度的来源主要有4项，分别为：1）布儒斯特窗口等效透过率测量不确定度uT；2）接收腔电加热和光加热等效因子测量不确定度uN；3）低温辐射计接收腔腔体吸收率测量不确定度ua；4）电加热功率测量不确定度uPh。依据不确定度传递定律［17］，对低温辐射计测量激光绝对功率的不确定度进行联合分析。

测量联合不确定度的平方：

相对联合不确定度：

在改进的低温辐射计优化结构中，低温辐射计测量激光绝对功率时，激光功率P′L的不确定度来源主要有3项，分别是：1）等效电加热不确定度uN，2）腔体吸收不确定度ua；3）电加热功率测量不确定度uPh。按照相同的计算方法，低温辐射计测量激光绝对功率的联合不确定度可以进行如下计算。

联合不确定度的平方：

相对不确定度：

低温辐射计对激光绝对功率的测量不确定度是由相对不确定度来表示。对比分析传统激光功率测量的不确定度计算方程（4）和结构优化之后的不确定度计算方程（6），可以看出，在对激光的联合不确定度合成中，优化结构的低温辐射计不确定度合成项中少了一项不确定度u2rT，该项不确定度正是由于布儒斯特窗口状态复现引入的。引用参考文献［10］中的低温辐射计光功率测量不确定度进行对比验算，计算结果如表3所示。

表3 低温辐射计光功率测量不确定对比计算 10－4Table 3 Uncertainty for measuring laser power of cryogenic radiometer

从表3中可以看出，优化结构之后的低温辐射计将在激光功率测量时的不确定度较传统测量方法的不确定度有明显的改善。传统低温辐射计测量激光功率时因为布儒斯特窗口的复现引入的不确定度占总不确定度的84%～98%，为激光绝对功率测量不确定度的主要部分，该项不利于高精度标准传递。优化结构之后的低温辐射计避免了对窗口透过率的测量，消除该主要不确定度因子，降低标准传递的不确定度，提高探测器响应率计算精度。量的是定标光源透过布儒斯特窗口后的辐射值，传递探测器测量的也是定标光源透过布儒斯特窗口后的辐射值，布儒斯特窗口的状态对二者是相同的，无需定标结束后重新复现窗口定标时的状态，测量窗口透过率等繁琐复杂的过程。这种改进方法不仅在实际定标时大大减少工作量，在理论分析上更是可以消除激光功率测量不确定度的主要合成项，提高绝对定标的精度，特别是在红外波段的绝对定标会发挥积极的作用，可以进一步降低辐射定标溯源基准的不确定度，我们将会在中国国内首次实施对该套系统的升级改造。

5 结论

低温辐射计初级辐射标准源定标精度高，传递的不确定度低，当前以低温辐射计为源头形成的辐射标准传递系统存在可以改进的地方，文中大胆提出低温辐射计的结构优化方案。在低温辐射计优化结构中，布儒斯特窗口成为光源的一部分，低温辐射计和传递探测器安置在可控的同心弧形轨道上，分时切入定标光路。低温辐射计测

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