基于参量下转换的中波红外辐亮度定标技术研究

摘要

在红外辐射度学和辐射定标研究过程中，对红外辐射源辐亮度的定标是其中的一项基本内容。本文研究了一种新型的基于参量下转换实现红外辐射源辐亮度的绝对定标方法，它与传统定标方法的不同在于它不依赖外加的初级标准源和标准传递链。基于参量下转换的定标方法是通过测量单位模式光子数来实现对辐亮度的计算，因为测量过程中不需要测量立体角和面积因子，所以可以减少测量中的不确定度，理论上基于参量下转换的定标方法具有更高的精度。
　　在对参量下转换效应在计量领域的应用和进展调研的基础上，建立了中波红外辐亮度定标系统。本实验中的选择的泵浦光波长为532nm，它是由二极管激光器出射的具有高功率的激光。泵浦光源与非线性介质PPLN晶体发生非线性作用后，产生可见～红外（631nm和3390nm）的相关光子对。根据非线性晶体的特性，选择准相位共线相位匹配方式，利用短波带通滤光片、二向色镜以及单色仪实现对相关光子对中信号光子的选取及探测、残余泵浦光消除及背景噪声的衰减。实验中分别测量的是自发参量下转换和受激参量下转换过程输出的信号光光子数，通过计算受激/自发的信号光子计数的比值R，实现对待测辐射源（OPO出射的3390nm）辐亮度的绝对定标。实验中到达晶体前端的泵浦光功率和待测中波红外辐射源的功率分别为17mW和1.48mW，实验结果与利用传统方法计算的结果都在同一量级内，且两种方法的相对标准偏差为4.22％。根据分析主要测量不确定性的来源，得出了OPO激光器在3390nm波段辐亮度的合成标准不确定度优于1.18％的定标结果。随后，我们继续利用该方法测量并且计算了水浴黑体五个温度点的辐亮度值，进而通过普朗克公式反演实际温度，将反演温度与预设温度比较，发现两者的偏差在5.17％。
　　上述两个实验结果初步证实了通过探测可见波段光子计数实现红外辐射源的辐亮度定标的原理可行性。研究结果将有望应用于基于受激参量下转换的红外波段高精度定标以及红外OPO激光器等领域。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 辐射定标的意义和作用

1．1．1 辐射定标的意义

1．1．2 辐射定标的类型和作用

1．2 传统的辐射定标方法

1．2．1 基于标准辐射源传递的辐射定标

1．2．2 基于标准探测器传递的辐射定标

1．3 基于参量下转换SPDC的新型辐射定标方法

1．3．1 SPDC辐射定标方法机理

1．3．2 SPDC辐射定标技术发展现状

1．4 本论文的主要研究工作

第2章 基于参量下转换辐亮度定标方法原理

2．1 自发参量下转换和受激参量下转换

2．2 参量下转换输入输出光子数关系

2．3 辐射源辐亮度与单位模式光子数关系

2．3．1 单位模式光子数

2．3．2 单位模式光子数与辐亮度关系

2．3．3 不同偏振态辐射源辐亮度

2．4 本章小结

第3章 基于参量下转换中波红外辐亮度定标系统

3．1 基于参量下转换中波红外辐亮度定标实验方案

3．2 相关光子产生装置设计

3．2．1 泵浦光源

3．2．2 非线性晶体

3．2．3 格兰泰勒棱镜

3．2．4 半波片

3．2．5 二向色镜

3．2．6 带通滤光片

3．2．7 聚焦透镜及孔径光阑

3．2．8 待测辐射源

3．3 相关光子探测系统设计

3．3．1 单色仪

3．3．2 单光子探测器

3．3．3 放大器和甄别器

3．3．4 计数器

3．3．5 数据采集软件

3．4 定标系统构建

3．5 本章小结

第4章 测量结果及分析

4．1 相关动态范围估算

4．1．1 探测器前下转换光通量计算

4．1．2 探测器允许的最大计数及计数器最大计数速率

4．1．3 泵浦光功率和单位模式光子数估算

4．1．4 待测激光红外辐亮度和光功率动态范围的估算

4．2 中波红外辐射源辐亮度测量

4．2．1 信号光波段输出位置的确定

4．2．2 自发参量下转换过程产生验证

4．2．3 连续波段光谱与泵浦功率关系

4．2．4 自发参量下转换输出光子数与泵浦光功率的关系

4．2．5 受激参量下转换过程产生验证

4．2．6 背景噪声的测量

4．2．7 比值R的测量

4．3 待测中波红外辐射源辐亮度计算及不确定度分析

4．3．1 待测中波红外辐射源辐亮度计算及修正

4．3．2 参量下转换信号光子数测量的不确定度评估

4．4 水浴黑体辐亮度测量

4．4．1 黑体光谱辐射出射度

4．4．2 黑体辐射源的辐亮度测量系统

4．4．3 辐亮度计系统的稳定性

4．4．4 水浴黑体辐射源的辐亮度测量值及温度反演

4．4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文