赵伟强，刘 慧，闫劲云，苏 颖

(中国计量科学研究院 光学与激光计量科学研究所，北京 100029)

引言

探测器光谱灵敏度的准确测量属于光辐射测量的基础性工作，是提高光辐射测量准确度的关键因素[1,2]。光度探测器匹配为与标准光度观察者的光谱光视效率函数V(λ)接近的光谱响应度，在可见光谱的蓝端和红端响应度较低。在实际使用过程中，尤其是在非A光源的条件下，需要依据探测器的光谱响应度计算光谱失配修正因数。目前可见波段的探测器的相对光谱响应度测量中一般使用宽光谱光源如卤素灯经双单色仪分光得到单色光，作为参考光源。该方法的明显缺点是短波长区的辐射功率小，测量时探测器的信噪比低，测量误差大。

本文基于光学参量振荡器(optical parametric oscillator，OPO)可调谐激光器作为单色参考光源，使用电流积分法和电压积分法，进行光度探头的光谱响应度的标定。由于OPO可调谐激光具有自动化，波长可调整范围大能覆盖近紫外至近红外区域，波长准确度高、功率高等特点，同传统的单色仪分光法相比蓝端功率可以提高两个数量级以上，蓝端的信噪比得到显著改善。

一些国家的计量院如美国NIST、英国NPL和韩国KRISS均开展了将OPO激光应用于探测器光谱响应度标定的研究工作[3-5]。OPO可调谐脉冲激光在探测器上产生的光电流是纳秒数量级的脉冲电流，用示波器做高精度捕捉存在困难。NIST采用静电计对电流积分获得电荷量的方法，测量硅光电二极管的光谱响应度，测量不确定度达到了连续激光器法的水平Urel=0.07%(k=2)。但该方法仍存在一定的局限，只能应用于硅光电光二极管的测量，不能用于带有电流电压(I/V)转化器的集成光度探测器的测量[6]。本文提出采用电压积分法来展宽脉冲信号宽度，以降低信号采集时对热噪声水平要求的方法，实现基于可调谐OPO激光器的带有I/V转换器的光度探头光谱响应度的标定。

1 电流积分法与电压积分法

电流积分法是在固定的测量时间内，对探测器产生的脉冲电流进行积分，计算得出电荷量，如式(1)所示：

(1)

测量原理是脉冲电流i(t)对静电计的电容C充电，通过测量充电电容的电压V，计算出对应的电荷量Q，从而得到探测器的响应值。实验中所用的OPO可调谐激光器频率为1 kHz，每个脉冲的脉宽约5 ns。

电压积分法是脉冲电流经过I/V转换器转化为电压信号，测量该电压信号的时间积分值。当短脉冲的电流输入到慢速的I/V转换器时，由于转换器内部固有的延迟效应，使得输出脉冲信号被展宽成宽脉冲电压信号，测量电压信号对时间的积分值，作为探测器的响应值。图1为实测的电压信号电压波形，波形宽度约1 ms。

图1 实测脉冲电流经I/V转换后电压的波形图Fig.1 The waveform of the voltage out of the I/V converter

2 测量装置

基于可调谐OPO激光器的光度探头光谱响应度测量系统的示意图见图2。 装置利用激光器的出射单色激光作为参比光源，在同一位置先后放置标准探头(STD)和被校准探头(DUT)，用替代法比较被测探头和标准探头在特定波长单色光的响应值。

图2 基于OPO可调谐激光源光度探头光谱响应度测量系统示意图Fig.2 Schematic for the photohead spectral response measurement based on OPO laser

可调谐OPO激光器产生单色激光，导入多模光纤，经过超声振动器后，入射到积分球内。积分球直径为5 cm，光出射口的直径约为0.5 cm，背面有光陷阱阻挡杂散光。单色激光在积分球内部混光后，通过出射口，在探头的工作面形成均匀的脉冲光照场。工作面附近有一个与工作光路垂直的直线位移台。该位移台使用步进电机控制，实现被测探头和标准探头的切换，使得测量时，两探头交替移动至同一测量位置。在光路一则约45°位置上有一监控探头(MD)，用于监测测量过程中OPO激光的稳定性，并进行稳定性修正。当测量硅光电二极管时，探头直接连接至静电计采用电流积分法进行测量；当测量集成有I/V转换器的光度头时，用高速电压采集仪(数字转换仪)测量经I/V转化后的电压。在LABVIEW 环境下开发了专门的软件，控制OPO可调谐激光光源的波长切换、快门(光开关)的开启/关闭、标准/被测探测器的位置切换、静电计和电压采集仪的数据采集。

在测量过程中尤其要注意光开关与光电信号采集仪的时序匹配，如图3所示。确保在每一个测量点，先触发静电计/电压采集仪开始测量(积分开始)，然后打开光开关，光源照射在标准/被测探测器上，经过设定的采样时间后关闭光开关,最后触发静电计/电压采集仪停止采样(积分结束)。即确保光开关打开时静电计/电压采集仪一直处于采样工作模式。

图3 静电计/电压采集仪表和光开关的动作时序关系Fig.3 Timeline for electrometer/voltage digitizer and the shutter

依据替代比较法，当设定OPO的输出激光的峰值波长位置在λnm时，被测探头相对响应度为

(2)

由于被测探头是光度探头，在555 nm对响应值进行归一，此波长的相对响应度为1。归一化系数k的计算表达式为

(3)

3 实验数据

实验所用的标准探测器为S1337型陷阱探测器，溯源至PQED(量子可预测探测器)，标准探测器的光谱响应度相对不确定度为0.05%(k=1)。被测探头是某商业公司生产的实验室级光度探头，标准陷阱探测器和被测探头分别使用电流积分法和电压积分法进行信号采集。测量的光谱范围为405～780 nm，每一个波长点重复测量5次，相对实验标准差见图4。

图4 每个波长点5次测量的相对实验标准偏差Fig.4 Experimental standard deviation of 5 readings

从图4中可以看出，在波长405～440 nm范围内，测量结果的相对实验标准偏差为3.2%～0.1%；在波长450～610 nm范围内，相对实验标准偏差小于0.1%； 在波长620～680 nm 范围内，相对实验标准偏差为0.13%～2.9%；波长690～780 nm 范围内, 相对实验标准偏差大于3%。在光谱的蓝端和红端由于光度探头的响应度低产生的光电流非常小，因此电子噪声较大，测量结果的波动较大，相对实验标准偏差明显增大。

图5 被测光度探头的相对光谱响应度Fig.5 The spectral response of a photohead under test

对上述测量结果进行初步的不确定度分析，在波长450～610 nm范围内，光度探测器的光谱响应度相对测量不确定度达到Urel=0.2%(k=2)，见表1。

表1 光谱响应度相对测量不确定度的评估

4 结语

基于OPO可调谐激光器的光度探头定标技术，为准确地进行探测器光谱失配误差的修正、减小LED 测量结果的偏差、开展基于LED 的发光强度单位量值的复现提供了支撑，同时给出了提高光度辐射探测器光谱响应度测量可靠性的新技术路径，通过选择不同的激光源可拓展至紫外、红外波段，促进光辐射测量技术的革新，该技术具有广泛的应用前景。