基于自发参量下转换的宽谱段自校准绝对光谱辐射计

技术领域

本发明涉及光辐射测量、光辐射定标和光学计量技术领域，尤其涉及一种基于自发参量下转换的宽谱段自校准绝对光谱辐射计。

背景技术

自发参量下转换是指单色泵浦光子流泵浦非线性晶体后产生的一种物理现象。入射光子以一定的概率分裂成孪生光子对，下转换孪生光子对的两个光子和泵浦光的频率遵循能量守恒关系，三者的波矢满足动量守恒关系。动量守恒和能量守恒关系，构成了自发参量下转换中泵浦光和非线性晶体之间的相位匹配条件。设计并满足一定的相位匹配条件，就可以产生所需的宽光谱分布。

自发参量下转化物理现象在光学计量中的一个重要应用是利用自发参量下转化所产生的相关光子对在时间和空间上的高度相关性，测量光子探测器的绝对量子效率。目前国内外利用该方法测量光子探测器量子效率的手段都是采用滤光片筛选一对相关波长，每次仅能测量两个相关波长点上的探测器量子效率，如果要测量其他波长上的探测器量子效率，则需要重新调整测量光路，并更换滤光片，重复测量步骤。上述方法不仅获得的有效通道数有限，而且过程繁复，因此更多停留在实验研究上，在实用化方面存在不足。如果通过光学设计实现所需谱段相关光子的全收集，通过色散系统实现连续光谱扫描测量，就能够在全谱段范围上实现光子探测器的量子效率定标，在实用性方面将有巨大提升。

光谱辐射计在光辐射测量中具有重要的应用，经过定标的光谱辐射计可以作为探测设备，获得目标的准确光辐射信息。在光辐射定标领域，经过定标的光谱辐射计还可以充当传递辐射计，实现辐射基准的量值传递。

根据相关光子定标原理，其本质是基于量子力学等基本物理学效应，不依赖于初级基准的辐射量值，例如低温绝对辐射计的功率标准、相点黑体的绝对辐射量值标准等，从理论上讲属于“无溯源”的定标方法。由于减少了辐射量值传递的环节，有利于定标精度的进一步提升，在光辐射定标领域具有重要应用价值。

如果将相关光子定标装置和光谱辐射计功能合一，则可以实现兼具观测和定标双工作模式的自校准辐射计。能够定期实时校准辐射计光电回路的衰变，实现辐射计的绝对“无溯源”定标。经过工程集成化设计，辐射计自身可以作为移动式的绝对基准辐射计进行量值传递，这在光辐射定标领域是一项重要的进步。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于自发参量下转换的宽谱段自校准绝对光谱辐射计，兼具观测和自定标功能。就观测功能而言，该设备能够作为观测设备获得目标的绝对光谱辐射量值信息，也可以作为传递辐射计，实现辐射量值的传递。就自定标功能而言，该设备基于自发参量下转换基本物理学效应，可以进行“无溯源”的绝对定标。自定标功能可以保证设备定期校准定标系数，实时提供准确的辐射量值观测结果。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于自发参量下转换的宽谱段自校准绝对光谱辐射计，包含有相关光子源模块，旋转扫描反射镜、无焦望远镜光路模块，二向色镜，双通道泵浦光抑制光路模块，信号光采集光路模块，空闲光采集光路模块，双路符合器和控制计算机。该设备具有在自定标模式和观测模式两种工作模式。在自定标模式下，光束的传输路径依次是相关光子源模块，旋转扫描反射，无焦望远镜光路模块和二向色镜，经过二向色镜后光路分为两束，一路经过双通道泵浦光抑制光路模块的一个通道后进入信号光采集光路模块，另一路经过双通道泵浦光抑制光路模块的另一个通道后进入空闲光采集光路模块，信号光采集光路模块和空闲光采集光路模块的信号进入多路符合器进行光子读数和符合读数采集，通过控制计算机上位机软件计算通道响应度并存储定标结果。在观测模式下，光束的传输路径依次是旋转扫描反射，无焦望远镜光路模块，二向色镜，经过二向色镜后光路分为两束，一路经过双通道泵浦光抑制光路模块的一个通道后进入信号光采集光路模块，另一路经过双通道泵浦光抑制光路模块的另一个通道后进入空闲光采集光路模块，信号光采集光路模块和空闲光采集光路模块的信号进入多路符合器进行光子读数采集，通过控制计算机显示观测结果。

所述的自定标模式利用相关光子源实现信号光通道和空闲光通道的通道响应度“无溯源”定标。

所述的相关光子源模块的光路上依次设有泵浦激光，起偏器，半波片，激光功率稳定器，非线性晶体，相关光子准直镜，光路匹配扩束镜，光路折叠反射镜。泵浦激光经过起偏器后将泵浦激光的偏振态转变为线偏振光。经过半波片后进入非线性晶体产生Ⅰ类自发参量下转换，产生宽光谱分布的相关光子，经过相关光子准直镜准直后，由光路匹配扩束镜进行光路匹配，再通过光路折叠反射镜进入后续光路。半波片的作用是改变泵浦光的线偏振态，进而实现、解除Ⅰ类自发参量下转换的匹配条件，实现相关光子源的开启和关闭。

所述的旋转扫描反射镜由电机控制转动，当旋转反射镜顺时针旋转90°时，实现观测和自定标功能光路的切换。

所述的无焦望远镜光路模块上依次设有离轴抛物面主镜，物理光阑，离轴抛物面次镜。物理光阑在观测模式下用作限制观测视场的视场光阑；在自定标模式下，用作消杂光光阑。

所述的二向色镜将宽谱段相关光子光束分为两个光谱区间的两路光束，一路光束经过双通道泵浦光抑制模块的一个通道后，进入信号光采集光路模块；另一路光束经过双通道泵浦光抑制模块的另一个通道后，进入空闲光探测光路模块。

所述的双通道泵浦光抑制模块分为两个通道，两个通道光路相互垂直，呈“L”型分布。两通道元件配置完全相同，由两片完全相同的长波通介质膜滤光片和一片吸收式长波通滤光片组成。通过长波通介质滤光片实现泵浦光强度近6~7个量级的截止消除，吸收式长波通滤光片实现残留泵浦光的吸收消除。

所述的信号光采集光路模块和空闲光光路模块光路形式完全相同，光路上依次设置离轴抛物面耦合镜、光路折叠反射镜，单色仪和光子计数探测器。离轴抛物面耦合镜的汇聚光束数值孔径和单色仪的工作孔径匹配。

所述的单色仪为双单色仪，主要用于调谐波长输出，实现光谱细分扫描测量。在自定标模式下，单色仪将经二向色镜过滤后的宽谱段相关光子色散，经单色仪内的扫描机构，实现光谱细分扫描的定标。在观测模式下，单色仪将经二向色镜过滤后的宽谱段目标辐射色散，经单色仪内的扫描机构，实现光谱细分扫描的输出探测。

所述的单色仪工作模式在自定标模式和观测模式下的工作方式不同。在自定标模式下，信号光采集光路模块和空闲光光路模块光路中的单色仪的输出波长必须按照自发参量下转化能量守恒匹配条件严格互相关。在观测模式下，两个单色仪可以自由工作，联合覆盖所需的工作波段即可。

所述的信号光采集光路模块和空闲光探测光路模块中，各自的光子计数探测器输出信号连接到同一个双路符合器上。信号光采集光路模块和空闲光光路模块采集相关光子信号，经过双路符合器判读各路的光子数和符合数，计算得到该对相关波长上的通道响应度。

本发明的优点是：本发明通过光学设计，实现了基于自发参量下转换原理的相关光子定标系统的相关光子全收集，有利于提高定标的信噪比水平。经过连续色散分光的单色仪系统的引入，实现光子计数探测器任意波长上量子效率的定标。通过设置转换光路，实现了自定标和观测光路的集成，进而实现了一种自身量值绝对的辐射测量系统，在光辐射观测中可作为高精度光谱辐射计，并且通过细分光谱扫描，可获得高光谱的观测结果，有利于提高观测精度；在光辐射定标中，可作为传递辐射计实现辐射量值传递，两者在光学遥感中均具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明的自定标光路示意图。

图2为本发明的观测光路示意图。

具体实施方式

基于自发参量下转换的宽谱段自校准绝对光谱辐射计具体实施方式见图1所示，包含有相关光子源模块100，旋转扫描反射镜200、无焦望远镜光路模块300，二向色镜400，双通道泵浦光抑制光路模块500，信号光采集光路模块600，空闲光采集光路模块700，双路符合器800和控制计算机900。

（1）自定标模式的工作方式

在自定标模式下，参考图1，旋转扫描反射镜200镜面翻转到面向相关光子源模块100一侧，将相关光子定标源引入到后续光路中。相关光子源模块由泵浦激光器101，起偏器102，半波片103，激光功率稳定器104，非线性晶体105，相关光子准直镜106，光路匹配扩束镜107和光路折叠反射镜108组成。泵浦激光器101出射的单色激光经过起偏器102后偏振态调整为线偏振光，当线偏振光进入半波片103，转动半波片改变其光轴方向可以改变线偏振光的光矢量方向，进而保证进入非线性晶体中后满足或不满足Ⅰ类自发参量下转换条件，进而实现I类自发参量下转换物理效应的开启和关闭。经过半波片后的激光进入激光功率稳定器104，对激光的强度进行稳定，进而保证后续产生的相关光子源的稳定性。激光经激光功率稳定器104稳定后，进入非线性晶体105，如果半波片的状态满足I类自发参量下转换“开启”状态，则在非线性晶体105内部产生I类自发参量下转换效应，生成宽谱段的相关光子环，相关光子环经过相关光子准直镜106准直后输出，再经过光路匹配扩束镜107进行扩束后，由光路折叠反射镜108导入后续光路中。相关光子准直镜106的作用是准直相关光子环，方便后续光路对相关光子的全部收集。光路匹配扩束镜107的作用是改变经相关光子准直镜106准直后的相关光子发散角，保证相关光子和观测光路中无限远目标的视场角一致，进而方便后续的共光路设计。

相关光子源经过光路折叠反射镜108后，入射到旋转扫描反射镜200上，此时旋转扫描反射镜200的镜面面向相关光子源模块100，经镜面反射将相关光子导入到无焦望远镜模块300中。无焦望远镜模块300由离轴抛物面主镜301，光阑302和离轴抛物面反射镜303组成。相关光子源经过离轴抛物面主镜301后会聚到光阑302处，光阑302的大小保证相关光子全部通过光阑，光阑302的作用充当消杂光光阑。相关光子光束经过光阑302后，经离轴抛物面次镜303准直后，进入后续光路。

相关光子光束经过无焦望远镜模块300后，光束仍为准直光束，光束口径变小，有利于后续光学元件尺寸的减小。相关光子光束入射到二向色镜400后，宽谱段的相关光子光束分为两个光谱区间，一路为信号光光谱区间，另一轮为空闲光光谱区间。信号光经二向色镜400反射后，经双通道泵浦光抑制模块500中的长波通滤光片一521，长波通滤光片二522和吸收式长波通滤光片523后，进入信号光采集模块。双通道泵浦光抑制模块500中的长波通滤光片一521和二522技术参数完全相同，其作用都是截止泵浦光。长波通介质膜滤光片一521和二522均呈45°放置，两者相互垂直，可避免产生干涉效应。泵浦激光经过长波通介质膜滤光片一521和二522截止后，仍会残留部分强度无法进一步衰减。在长波通介质膜滤光片二522后端配置吸收式长波通滤光片523，进一步吸收残留的泵浦光。准直状态的信号光进入信号光采集模块600后，经过离轴抛物面耦合镜一601后发生会聚，通过光路折叠反射镜一602后，将会聚的信号光引入到单色仪一603中，单色仪一603调谐输出某个信号光波长，光子计数探测器一604探测该信号光波长下的读数值。空闲光透射经过二向色镜400后，经双通道泵浦光抑制模块500中的长波通滤光片三511，长波通滤光片四512和吸收式长波通滤光片513后，进入空闲光采集模块700。双通道泵浦光抑制模块500中的长波通滤光片三511和四512技术参数完全相同，其作用都是截止泵浦光。长波通介质膜滤光片三511和四512均呈45°放置，两者相互垂直，可避免产生干涉效应。泵浦激光经过长波通介质膜滤光片三511和四512截止后，仍会残留部分强度无法进一步衰减。在长波通介质膜滤光片四512后端配置吸收式长波通滤光片513，进一步吸收残留的泵浦光。准直状态的空闲光进入空闲光采集模块700后，经过离轴抛物面耦合镜二701后发生会聚，通过光路折叠反射镜二702后，将会聚的空闲光引入到单色仪二703中，单色仪二703调谐输出某一个空闲光波长。光子计数探测器二704探测该空闲光波长下的读数值。在自定标模式下，单色仪一603和单色仪二703输出的波长彼此相关。

光子计数探测器一604和二704的输出信号一605和二705传输到双路符合器800中，得到各自的计数值和符合计数值，测量结果通过通讯线801传输给控制计算机900中，在控制计算机900中的软件中实时显示测量结果。

（2）观测模式的工作方式

在观测模式下，参考图2，旋转扫描反射镜200镜面翻转到面向目标辐射000一侧，将目标辐射000引入到无焦望远镜模块300中。目标辐射000经过无焦望远镜模块300中的离轴抛物面主镜301后会聚到光阑302处，光阑302用来限制观测目标的视场角大小，光阑302的作用充当视场光阑。目标辐射000经过光阑302后，经离轴抛物面次镜303准直后，进入后续光路。

目标辐射000经过无焦望远镜模块300后，入射到二向色镜400上，二向色镜400将目标辐射000分为两个光谱区间，经二向色镜400反射的目标辐射000光束到经双通道泵浦光抑制模块500中的长波通滤光片一521、长波通滤光片二522和吸收式长波通滤光片523后，进入信号光采集模块600。双通道泵浦光抑制模块500中的长波通滤光片一521、长波通滤光片二522和吸收式长波通滤光片523的作用是抑制自定标模式下的泵浦光，在观测模式下，双通道泵浦光抑制模块500并非必需。由于采用了观测、自定标模式共光路的设计，在观测模式下，双通道泵浦光抑制模块500会影响波长小于泵浦光波长的目标辐射000信息的探测，如果所需的目标辐射000最小波长大于泵浦光波长，则双通道泵浦光抑制模块500不会影响目标的观测。经过离轴抛物面耦合镜一601、光路折叠反射镜一602后耦合入单色仪一603，单色仪一603调谐输出任意波长，光子计数探测器一604采集读数，并经信号线传输到双路符合器800中。透过二向色镜400的目标辐射000光束经双通道泵浦光抑制模块500中的长波通滤光片三511、长波通滤光片四512和吸收式长波通滤光片513后，进入空闲光采集模块700。经过离轴抛物面耦合镜二701、光路折叠反射镜二702后耦合入单色仪二703，单色仪二703调谐输出任意波长，光子计数探测器二704采集读数，并经信号线传输到双路符合器800中。

双路符合器800读取光子计数探测器一604和二704的读数，经过通讯线801传输给控制计算机900，结合自定标模式下获得的响应度定标结果，得到目标的辐射000的辐射信息，实现目标辐射000的辐射信息探测。