低温辐射计吸收腔研制

俞 兵袁林光张 灯范纪红董再天李 燕尤 越

（西安应用光学研究所，国防科技工业光学一级计量站，西安710065）

1 引 言

低温辐射计具备在低功率水平下测量光辐射功率的能力，其应用方向覆盖多个研究学科，如光辐射计量学、辐射测量学和天体物理学等，在光辐射计量领域，低温辐射计已经成为国际公认的光辐射基准。 美国NIST、英国NPL、德国PTB 等国外计量技术机构已基本完成基于低温辐射计的高准确度光辐射量传体系的建立，通过低温辐射计量传到光电陷阱探测器，开展由光电陷阱探测器向光度、光谱辐射度量传，向激光功率能量标准量传，向红外辐射标准量传的研究，使光辐射计量标准的测量不确定度大大提高。

低温辐射计中包含一重要模块-吸收腔，该模块的作用在于将外部输入的光辐射接收，并通过将光辐射在内部多次反射的物理过程使光辐射几乎完全被装置限制，即对光形成光陷阱。 常见的吸收腔分为两种-圆锥腔与圆柱腔，均设计成斜底面，并在入口处设计一光阑，通过优化调节光阑参数提高吸收腔对光辐射的吸收率。

针对低温辐射计国产化研制需求，研制了一种高吸收率吸收腔，采用基于椭球面光阑的多次反射结构，有效形成光陷阱；内壁喷涂高吸收率碳纳米管涂层，使入射到腔中的辐射经过多次反射后被近似完全吸收。 通过搭建测量装置测量了吸收腔在典型激光波长476.2nm，488.0nm，514.5nm，632.8nm 处的吸收率，实验结果表明，吸收率大于0.999 7。

2 吸收腔结构设计加工

吸收腔分为三部分，一侧是椭球面光阑，另一侧是斜底面，主体结构为斜口-斜底圆柱腔，组成结构如图1 所示。 其整体加工材料均使用0.1mm厚电解铜。

图1 吸收腔组成结构图Fig.1 Structure diagram of absorption cavity

椭球面光阑设计结构与实物如图2 所示，设计思路为在一椭球面内部的特定位置切开一圆孔，其孔径中心轴与圆柱轴线重合，外圈通过法兰固定在圆柱腔上，椭球面切面与斜口面重合。 主要制备参数如下，圆孔直径3mm，圆环宽1mm，切面方向长轴20mm，短轴10mm。

图2 椭球面光阑结构及实物图Fig.2 Structure and physical image of ellipsoidal diaphragm

吸收腔主体部分斜口-斜底圆柱腔通过圆柱腔线切割方式进行制作，在两侧的口部和底部外圈设计加工椭圆形法兰接口。 设计制备参数为，内腔主体长度为40mm、直径10mm、加工壁厚0.1mm，圆环宽度同光阑部分为1mm；斜口面与斜底面分别与圆柱轴线夹角30°和60°。 第三部分包括一斜底面，同样为椭圆形状，设计参数为长轴14.14mm，短轴10mm，壁厚0.1mm，与圆柱腔主体接口处重合。

选取与母材相近的AgCu28 钎料作为填充金属，通过使用扩散钎焊的工艺手段，分别对吸收腔的三部分的接口处进行焊接，使光阑的环状法兰和圆柱腔斜口环状法兰、圆柱腔斜口环状法兰和斜底面法兰完美衔接。 同时，在不破坏内壁涂层的前提下，实现吸收腔成形。

吸收腔实物图如图3 所示，设计采用的椭球面光阑，通过调节角度参数，使光阑和吸收腔主体构成的斜口面与圆柱腔轴线的夹角与斜底面与圆柱腔轴线的夹角成互余关系，形成能够使光辐射在其中多次反射的结构，大大减少了光辐射在吸收腔内的镜面反射与漫反射造成的辐射外溢。 此模块将近乎全部的光辐射限制在内进而吸收后，能够达到比圆环状光阑吸收腔更高的吸收率。

图3 吸收腔实物图Fig.3 Physical image of absorption cavity

3 高吸收涂层制备及光学性能测试

为了保证入射的光辐射全部被吸收腔吸收而产生温升，在研制吸收腔的过程中需要注意多个因素，腔的形状、尺寸能够在光学传播方式上对光辐射进行限制，同样，内壁涂层自身特性也非常重要，包括吸收率、表面光学性质等参数对限制在内的光辐射的衰减质量具有决定性的作用。

3.1 高吸收涂层制备

目前，低温辐射计吸收腔中常用的涂层材料有Chemglaze Z302、NiP 黑、石墨烯和碳纳米管。 借鉴前期在高发射率黑体研制中使用的具备宽波段范围的无光谱选择性的碳纳米管材料，针对低温辐射辐射计应用场景，采用化学气相沉积法，制备以碳纳米材料为吸收剂、高分子材料为基体的功能性复合涂层材料。 该涂层具有“微米-纳米”跨尺度的多孔结构，基于“陷光效应”原理，实现宽波段的光学吸收。 为便于涂层光学性能测试，在如图4 所示的不锈钢基底上喷涂阵列结构碳纳米管涂层，采用扫描电镜（SEM）对该涂层的微观结构进行表征：具有连续的多孔结构。

图4 喷涂在不锈钢基底的碳纳米管涂层实物图Fig.4 Photos of Carbon nanotube coating sprayed on stainless steel substrate and SEM

对于吸收腔内部喷涂，由于腔体口径较小，采用喷涂为主，刷涂和旋涂为辅的工艺，使用特殊的0.23mm 口径的微型喷笔进行喷涂，实现高长径比的腔体内壁喷涂，并保证涂层的均匀性分布。

3.2 涂层光学性能测试

使用紫外-可见-近红外分光光度计测试涂层在（250～2 500）nm 波长范围内的镜面反射率（入射角度分别为30°）和漫反射率，测试结果如图5 所示。 从测量结果可得涂层在紫外到短波红外波段范围内无明显镜面反射（小于0.1%），漫反射率均在3.5%以内。

图5 （250～2500）nm 涂层光谱反射率测量结果图Fig.5 Results of （250～2500）nm coating spectral reflectance measurement

使用光谱反射比标准装置测试涂层在（2.5～15）μm 波长范围内的光谱反射率，测试结果如图6所示。 从测量结果可得涂层在红外波段范围内光谱反射率均在3.5%以下。

图6 （2.5～15）μm 涂层光谱反射率测量结果图Fig.6 Results of （2.5～15）μm coating spectral reflectance measurement

使用低温状态下材料光谱发射率测量装置对涂层在室温条件下（6～14）μm 波长范围内的光谱发射率进行测试。 测试结果如表1 所示，由基尔霍夫定律可得涂层光谱吸收率＞96.5%。

表1 涂层光谱发射率测量结果Tab.1 Measurement results of coating spectral emissivity measurement results

使用便携式红外发射率测试仪测试涂层在室温条件下的积分发射率，（3～5）μm 波段发射率为0.966；（8～14）μm 波段发射率为0.966。

涂层光学性能测试结果表明，在室温条件下，碳纳米管复合涂层材料吸收率优于0.965。

4 吸收腔吸收率测量

基于积分球法搭建了吸收率测量装置，其测量原理如图7 所示，实物如图8 所示。 He-Ne 激光器发出的激光经过反射镜1 反射，进入稳功率仪后，由空间滤波器滤波后经过反射镜2 反射，进入分束镜；分束镜反射的激光进入稳功率反馈光电探测器为稳功率仪提供稳功率信号，优于0.05%，透过分束镜的光经过衰减器衰减到合适的光功率后，经过积分球入口分别直接照射在标准板和吸收腔上，由积分球上的探测器在与入射光成90°角的位置上分别接收标准板和吸收腔的反射光信号，由于标准板反射率已知，通过式（1）计算得到吸收腔反射率

图7 吸收腔吸收率测量原理图Fig.7 Schematic diagram of the absorption rate measurement of the absorption cavity

图8 吸收腔吸收率测量实验图Fig.8 Experimental diagram of absorption rate measurement of the absorption cavity

式中：ρ——吸收腔反射率；ρ——标准板反射率；V——吸收腔放置在积分球出口时积分球上探测器输出的电信号；V——标准板放置在积分球出口时积分球上探测器输出的电信号。

将如图7 所示的He-Ne 激光器换为Ar+Kr+激光器，测量吸收腔在476.2nm，488.0nm，514.5nm，647.1nm 波长处的光谱吸收率，测量结果如表2 所示。

表2 吸收腔吸收率测量结果Tab.2 Measurement results of absorption rate measurement of the absorption cavity

5 结束语

本文研制了一种吸收率优于0.999 7 的低温辐射计吸收腔，设计基于椭球面光阑的多次反射结构，具备将外部输入的光辐射接收，并通过将光辐射在内部多次反射的物理过程使光辐射几乎完全被限制的能力，对光形成光陷阱，内壁喷涂吸收率优于0.965 的碳纳米管涂层，对于入射到腔内的光辐射，涂层对其的传输能力造成极大的影响，能量衰减迅速，最终被近似完全吸收，采用扩散焊工艺实现吸收腔焊接成形。 通过搭建测量装置测量了吸收腔在476.2nm，488.0nm，514.5nm，632.8nm 和647.1nm 典型激光波长处的吸收率。