一種寬波段可見光和近紅外輻射同時測量的方法
2023-06-20 02:38:11
專利名稱：一種寬波段可見光和近紅外輻射同時測量的方法
技術領域：
本發明涉及一種寬波段可見光和近紅外輻射測量的方法，特別涉及一種寬波段可見光和近紅外輻射同時絕對測量的方法。
背景技術：
光輻射的絕對測量在定量化遙感、氣候監測、光電計量、光譜輻射計量等領域有重大意義，也是一切光電探測器件、光電測量儀器等定量化應用的基礎。目前對於電信號的測量達到了很高的精度，而對於光子的測量精度遠沒有達到電子那麼精確。光輻射的絕對測量和傳遞有兩條途徑，一是利用黑體作為標準輻射源，二是利用低溫輻射計作為標準探測器。黑體的絕對輻射度可以根據普朗克輻射定律和國際溫度標準來確定。低溫輻射計是利用光熱效應在液氦溫度下利用電加熱替代法實現絕對光輻射的測量。兩者都需要建立一定的傳遞鏈路，從高精度的初級標準逐級傳遞到用戶端。在當前光輻射的校準體系下，測量和傳遞過程的本質就是和上一級標準的比較。隨著測量和傳遞鏈路的增加，其測量不確定度也會逐級累加而增大。從國外的研究成果來看，短波紅外(Γ2.5) μ m初級光譜輻射測量精度達0.2%，而最終客戶應用端的測量精度很難優於5%(參見美國NASA M.King and R.Greenstone 1999年發表的，EOS Reference Handbook, EOSProject Science Office)。儘管目前國際公認光輻射測量的最高基準是低溫輻射計，但是由於存在傳遞鏈環節增加而最終測量精度難以提高的缺點。有必要研究可以復現在一個物理過程或現象上的光輻射絕對測量方法，開展「無標準傳遞」的光輻射測量校準。
基於相關光子的單光子探測器量子效率校準方法為實現「無標準傳遞」的光輻射絕對測量提供了很好的手段。1994年P.G.Kwait等利用351.1nm的氬離子雷射器泵浦KDP晶體，產生簡併(波長均為702nm)和非簡併(633nm和788nm)的兩對相關光子對。兩路探測器均採用光子計數模塊(SPCM)，系統分析了測量過程中引入的不確定度，得到測量不確定度低於 3% (參見《Appl.0pt.》，1994, 33: 1844-1851, Absolute efficiency andtime-response measurements of single-photon detectors)。2000 年，A.Czitrovszky等介紹了一種新型的利用一個探測器自定標量子效率的新方法(參見Metrologia，2000,37: 617-620.Measurement of quantum efficiency using correlated photon pairsand a single-detector technique)。近年來發展了基於相關光子的光輻射測量方法，但是目前方法研究僅局限在可見光波段的某個波長點，並且採用連續光源，參量下轉換效率很低，測量精度難以提高，難以滿足目前光輻射測量的要求。因此，現有技術存在缺陷，需要改進。
發明內容
本發明涉及一種利用自發參量下轉換技術產生寬調諧的相關光子對，用於校準可見光和近紅外輻射的絕對測量方法。具體是利用脈衝雷射泵浦周期極化非線性晶體，由參量下轉換過程產生相關雙光子，通過溫度調諧輸出寬光譜的相關光子對，校準可見光、近紅外單光子探測器的量子效率，從而實現可見光、紅外光輻射絕對測量。特別是指一種無標準傳遞的可見光和近紅外輻射絕對測量方法。本發明的技術方案如下一種寬波段可見光和近紅外輻射同時測量的方法，其中，包括以下步驟A :近紅外高功率脈衝雷射經非線性晶體，倍頻產生可見光波段的雷射；B:將所述可見光波段的雷射分成兩路，一路提供同步信號，另一路產生「可見光一短波紅外」非簡併信號、空閒相關光子對；C :實現信號光、空閒光高效的稱合到探測器，由稜鏡把泵浦雷射、信號光、空閒光從空間上分開，並吸收掉泵浦光；D :信號光、空閒光分別用InGaAs-APD單光子探測器、S1-APD單光子探測器進行接收，將所述InGaAs-APD單光子探測器及所述S1-APD單光子探測器輸出的電信號同時輸入到雙通道計數器，分別測量出兩個通道的光子數；E :將InGaAs-APD單光子探測器輸出的電信號一路直接進入時間幅度轉換器，S1-APD單光子探測器輸出電信號另一路通過精密延時模塊後輸入時間幅度轉換器；F :時間幅度轉換器把兩路不同時間到達的電信號轉換成幅度信號，再分別送入通道分析器和計數器，測量得到同步到達的脈衝和計數；G :所述InGaAs-AH)單光子探測器及所述S1-AH)單光子探測器的計數和同步到達的脈衝計數的比值分別為所述S1-APD單光子探測器及所述InGaAs-APD單光子探測器的量
子效率。所述的方法，其中，所述步驟A中，由脈衝光纖雷射器產生的近紅外高功率脈衝雷射或由窄線寬的單頻雷射經周期極化的非線性晶體倍頻產生可見光波段的雷射。所述的方法，其中，所述步驟B中，一路通過光電轉換產生的電脈衝信號經延時器，為單光子探測器提供同步信號，所述同步信號利用光路附近的雜散光經光電轉換來獲得；另一路雷射泵浦非線性晶體，通過參量下轉換產生「可見光一短波紅外」非簡併信號、空閒相關光子對。所述的方法，其中，所述參量下轉換的參量轉化過程的轉換效率達10_4。所述的方法，其中，所述步驟C中，光纖耦合器置於精密電控位移臺上，以實現信號光、空閒光高效的耦合到InGaAs-APD單光子探測器；由稜鏡把泵浦雷射、信號光、空閒光從空間上分開，利用光收集器吸收掉泵浦光。所述的方法，其中，所述光纖耦合器及所述稜鏡利用連續可調諧光源精確標定在各個波長點的透過率。所述的方法，其中，所述步驟F中，所述通道分析器用於選擇同步到達的光脈衝，獲得兩路相關信號的符合速率。所述的方法，其中，所述步驟F中，所述計數器為雙通道計數器，分別測量所述InGaAs-APD單光子探測器及所述S1-APD單光子探測器的計數，獲得相關光子流速率。所述的方法，其中，所述符合速率與所述光子流速率的比值為待測單光子探測器的量子效率；其中S1-APD的計數與同步計數的比值是InGaAs-APD的量子效率；InGaAs-APD的計數與同步計數的比值是S1-APD的量子效率。所述的方法，其中，所述量子效率與所述光子探測器的計數實現光輻射的絕對測量。採用上述方案，本發明不僅解決了現有技術存在的問題，而且明顯具有以下優勢I不需要傳遞標準，直接在可見光和近紅外兩個波段進行絕對測量，通過溫度調諧，產生寬光譜的相關光子對，實現可見光和近紅外中較寬光譜範圍內的校準。2現有基於相關光子的校準技術只在可見光波段的某個波長點進行測量，採用的連續雷射，參量下轉換的效率低，信噪比難以提高；3用脈衝雷射作為參量下轉換的泵浦，具備更高的轉換效率，有利於提高測量精度；4用周期極化晶體作為產生相關光子對的非線性晶體，自發參量下轉換的效率較非周期極化晶體約提高兩個量級；5設計的相關光子對非簡併輸出，在空間上容易分尚；6採用溫度調諧的周期極化非線性晶體，產生連續調諧的可見光近紅外相關光源實現可見光近紅外光輻射寬波段的絕對校準；7採用稜鏡分光方式，測量信噪比提高了三個數量級；8用單光子和雷射脈衝的同步，減少了意外符合概率事件的發生。
圖1為測量光路不意圖；圖2為一種符合測量示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施例，對本發明專利進行詳細說明。實施例一本發明的目的是提供一種利用相關光子同時在可見光和近紅外波段進行光輻射絕對測量的方法。利用PPLN (周期極化鈮酸鋰晶體)作為非線性介質，通過共線相位匹配產生非簡併相關光子(可見光和短波紅外波段)，同時利用非線性晶體的溫度調諧技術，產生寬光譜的相關光子對，利用Si單光子探測器和InGaAs單光子探測器實現了可見光和近紅外波段光輻射的同時絕對測量，測量不確定度優於1% (k=2)。本發明的目的可通過如下措施來實現如圖1及圖2所示，寬波段的可見光和近紅外輻射同時絕對測量方法，包括以下步驟①由脈衝光纖雷射器產生的近紅外高功率脈衝雷射，經非線性晶體，倍頻產生可見光波段的雷射；②該可見光波段的雷射經分束片分為兩路，一路通過光電轉換產生的電脈衝信號經延時器，為單光子探測器提供同步信號；另一路雷射泵浦非線性晶體，通過參量下轉換產生「可見光一短波紅外」非簡併信號、空閒相關光子對；同時利用非線性晶體的溫度調諧技術，產生寬光譜的相關光子對；③光纖耦合器置於精密電控位移臺上，以實現信號光、空閒光高效的耦合到InGaAs-APD單光子探測器；由稜鏡把泵浦雷射、信號光、空閒光從空間上分開，利用光收集器吸收掉泵浦光信號光(短波紅外)、空閒光(可見光波段)分別用InGaAs-APD單光子探測器、S1-APD單光子探測器進行接收，將兩種單光子探測器輸出的電信號同時輸入到雙通道計數器，分別測量出兩個通道的光子數；⑤把InGaAs-APD單光子探測器輸出的電信號另一路直接進入時間幅度轉換器，S1-APD單光子探測器輸出信號另一路通過精密延時模塊後輸入時間幅度轉換器；⑥時間幅度轉換器把兩路不同時間到達的電信號轉換成幅度信號，再分別送入通道分析器和計數器，測量得到同步到達的脈衝計數，通道分析器的作用是選擇同步到達的光脈衝；⑦兩種單光子探測器的計數和同步到達的脈衝計數的比值就分別表示了這兩種單光子探測器的量子效率。本發明的泵浦脈衝雷射是通過高功率窄線寬ps光纖雷射器產生窄線寬單頻雷射作為參量轉換的泵浦源。所述的參量下轉換過程是由窄線寬的單頻雷射經周期極化的非線性晶體實現，產生出「可見一紅外波段」非簡併相關光子對，參量過程選擇共線相位匹配。參量下轉換晶體通過溫度調諧輸出寬光譜的相關光子對，參量轉化過程的轉換效率達10_4。本發明採用稜鏡分光方式，保證信號光、空閒光測量的信噪比優於104。本發明利用連續可調諧光源精確標定了稜鏡、光耦合器、濾光片等光學器件在各個波長點的透過率。本發明校準了可見光單光子探測器S1-APD在700nnT900nm的量子效率，近紅外單光子探測器InGaAs-APD在900nnTl700nm的量子效率，評定的不確定度為O. 5% (k=2)。實施例二如圖1及圖2所示，可調諧寬波段的可見光、近紅外輻射同時絕對測量方法，舉例而言，是通過波長為1030nm，功率為IOW的高功率ps光纖雷射器，經KTP (磷酸氧鈦鉀)晶體倍頻產生的窄線寬單頻515nm雷射。一路作為參量下轉換的泵浦源，另一路通過光電轉換和延時器作為單光子探測器的同步信號。參量下轉換過程是由515nm雷射經PPLN非線性晶體實現，產生出「771nm—1550nm」非簡併相關光子對，參量過程選擇共線相位匹配。通過改變PPLN晶體的溫度，可輸出780nm和1515nm的相關光子對。相關光子對分別由S1-APD單光子探測器和在InGaAs-APD單光子探測器接收，把待測的單光子探測器輸出的電信號直接接入到時間幅度轉換器，另一路單光子探測器輸出的信號作為觸發信號，經過延時模塊後再輸入到時間幅度轉換器，另外利用雙通道計數器分別測量兩路單光子探測器的計數，獲得相關光子流速率。時間幅度轉換器把兩路不同時間內到達的電信號轉化成幅度信號，輸送到通道分析器選擇出同步到達的光子脈衝，獲得兩路相關信號的符合速率。符合速率與觸發信號光子速率的比值就是待測單光子探測器的量子效率。由單光子探測器的量子效率和光子計數值進而實現光輻射的絕對測量。實施例三一種寬波段可見光和近紅外輻射同時測量的方法，其中，包括以下步驟A :近紅外高功率脈衝雷射經非線性晶體，倍頻產生可見光波段的雷射；B:將所述可見光波段的雷射分成兩路，一路提供同步信號，另一路產生「可見光一短波紅外」非簡併信號、空閒相關光子對；C :實現信號光、空閒光高效的稱合到探測器，由稜鏡把泵浦雷射、信號光、空閒光從空間上分開，並吸收掉泵浦光；D :信號光、空閒光分別用InGaAs-APD單光子探測器、S1-APD單光子探測器進行接收，將所述InGaAs-APD單光子探測器及所述S1-APD單光子探測器輸出的電信號同時輸入到雙通道計數器，分別測量出兩個通道的光子數；E :將InGaAs-APD單光子探測器輸出的電信號一路直接進入時間幅度轉換器，S1-APD單光子探測器輸出電信號另一路通過精密延時模塊後輸入時間幅度轉換器；F :時間幅度轉換器把兩路不同時間到達的電信號轉換成幅度信號，再分別送入通道分析器和計數器，測量得到同步到達的脈衝和計數；G :所述InGaAs-AH)單光子探測器及所述S1-AH)單光子探測器的計數和同步到達的脈衝計數的比值分別為所述InGaAs-APD單光子探測器及所述S1-APD單光子探測器的量
子效率。優選的，所述步驟A中，由脈衝光纖雷射器產生的近紅外高功率脈衝雷射或由窄線寬的單頻雷射經周期極化的非線性晶體倍頻產生可見光波段的雷射。優選的，所述步驟B中，一路通過光電轉換產生的電脈衝信號經延時器，為單光子探測器提供同步信號，該同步信號也可以利用光路附近的雜散光經光電轉換來獲得；另一路雷射泵浦非線性晶體，通過參量下轉換產生「可見光一短波紅外」非簡併信號、空閒相關光子對。優選的，所述參量下轉換的參量轉化過程的轉換效率達10_4。優選的，所述步驟C中，光纖耦合器置於精密電控位移臺上，以實現信號光、空閒光高效的耦合到InGaAs-APD單光子探測器；由稜鏡把泵浦雷射、信號光、空閒光從空間上分開，利用光收集器吸收掉泵浦光。優選的，所述光纖耦合器及所述稜鏡利用連續可調諧光源精確標定在各個波長點的透過率。優選的，所述步驟F中，所述通道分析器用於選擇同步到達的光脈衝，獲得兩路相關信號的符合速率。優選的，所述步驟F中，所述計數器為雙通道計數器，分別測量所述InGaAs-APD單光子探測器及所述S1-APD單光子探測器的計數，獲得相關光子流速率。優選的，所述符合速率與所述光子流速率的比值為待測單光子探測器的量子效率；其中S1-APD的計數與同步計數的比值是InGaAs-APD的量子效率；InGaAs-APD的計數與同步計數的比值是S1-APD的量子效率。優選的，所述量子效率與所述光子探測器的計數實現光輻射的絕對測量。應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬於本發明專利所附權利要求的保護範圍。
權利要求
1.一種寬波段可見光和近紅外輻射同時測量的方法，其特徵在於，包括以下步驟: A:近紅外高功率脈衝雷射經非線性晶體，倍頻產生可見光波段的雷射； B:將所述可見光波段的雷射分成兩路，一路提供同步信號，另一路用來產生「可見光一短波紅外」非簡併信號、空閒相關光子對； C:實現信號光、空閒光高效的耦合到探測器，由稜鏡把泵浦雷射、信號光、空閒光從空間上分開，並吸收掉泵浦光； D:信號光、空閒光分別用InGaAs-APD單光子探測器、S1-APD單光子探測器進行接收，將所述InGaAs-APD單光子探測器及所述S1-APD單光子探測器輸出的電信號同時輸入到雙通道計數器，分別測量出兩個通道的光子數； E:將InGaAs-APD單光子探測器輸出的電信號一路直接進入時間幅度轉換器，S1-APD單光子探測器輸出電信號另一路通過精密延時模塊後輸入時間幅度轉換器； F:時間幅度轉換器把兩路不同時間到達的電信號轉換成幅度信號，再分別送入通道分析器和計數器，測量得到同步到達的脈衝和計數； G:所述InGaAs-Aro單光子探測器及所述S1-AH)單光子探測器的計數和同步到達的脈衝計數的比值分別為所述S1-APD單光子探測器及所述InGaAs-APD單光子探測器的量子效率。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟A中，由脈衝光纖雷射器產生的近紅外高功率脈衝雷射或由窄線寬的單頻雷射經周期極化的非線性晶體倍頻產生可見光波段的雷射。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵`在於，所述步驟B中，一路通過光電轉換產生的電脈衝信號經延時器，為單光子探測器提供同步信號；另一路雷射泵浦非線性晶體，通過參量下轉換產生「可見光一短波紅外」非簡併信號、空閒相關光子對。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述參量下轉換的參量轉化過程的轉換效率達10'
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述步驟C中，光纖耦合器置於精密電控位移臺上，以實現信號光、空閒光高效的耦合到InGaAs-Aro單光子探測器；由稜鏡把泵浦雷射、信號光、空閒光從空間上分開，利用光收集器吸收掉泵浦光。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述光纖耦合器及所述稜鏡利用連續可調諧光源精確標定在各個波長點的透過率。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述步驟F中，所述通道分析器用於選擇同步到達的光脈衝，獲得兩路相關信號的符合速率。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述步驟F中，所述計數器為雙通道計數器，分別測量所述InGaAs-APD單光子探測器及所述S1-APD單光子探測器的計數，獲得相關光子流速率。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述符合速率與所述光子流速率的比值為待測單光子探測器的量子效率。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述量子效率與所述光子探測器的計數實現光輻射的絕對測量。
全文摘要
本發明提供一種寬波段可見光和近紅外輻射同時測量的方法，利用周期極化晶體作為非線性介質，通過共線相位匹配產生非簡併相關光子(可見光和短波紅外波段)，同時利用非線性晶體的溫度調諧技術，產生寬光譜的相關光子對，利用Si單光子探測器和InGaAs單光子探測器實現了可見光和近紅外波段光輻射的同時絕對測量，測量不確定度優於1%(k=2)。
文檔編號G01J1/00GK103076085SQ201210594258
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月31日 優先權日2012年12月31日
發明者史學舜, 楊樂臣, 陳坤峰, 曾和平, 李健軍, 劉玉龍 申請人:中國電子科技集團公司第四十一研究所