相关光子定标的符合测量精度分析

采用355nm连续激光泵浦BBO晶体产生参量下转换效应,搭建了相关光子辐射定标实验装置,使用时间数字转换和时间幅度转换两种符合测量方法进行比对测量,定标了不同光子速率下雪崩光电二极管在737nm波段的探测效率,分析了在高光子计数率下死时间和后脉冲等因素对符合测量选取符合门宽和意外符合的影响,比较了不同光子计数速率的测量结果并分析符合测量的修正因素,修正后两种测量结果的相对偏差优于0.25%.采用时间间隔技术测量了不同光子计数率的后脉冲概率,为提高单光子探测器的计数精度和相关光子定标的精度提供依据.     

基于连续和脉冲激光泵浦的相关光子实验比对

为在相关光子定标技术工程化过程中选择合适的泵浦机制及相位匹配模式,开展了基于连续和脉冲激光的相关光子比对实验.采用355nm连续激光泵浦偏硼酸钡晶体产生相关光子对,对晶体吸收、透射损耗以及光学元件透过率进行测量和修正,同时使用基于时间幅度转换的符合测量方法,得到单光子探测器量子效率为59.15%.利用518nm脉冲激光泵浦周期极化磷酸钛氧钾晶体,采用准相位匹配技术获取相同波段的相关光子,基于时间幅度转换的符合测量方法得到单光子探测器量子效率为59%.比对实验结果,两套定标装置方法的测量结果之差在0.25%以内,主要误差来源于单光子探测器的响应非线性、光路透过率修正误差和单光子探测量子效率面非均匀性.实验结果验证了相关光子定标技术可随时随地复现的优点,以及相关光子定标结果不受泵浦机制差异和实验装置差异的影响,可为相关光子技术工程化中的激光器工作模式和相位匹配方式的选择提供参考依据.     

Ⅰ类自发参量下转换光谱圆环空间分布

理论模拟了I类自发参量下转换产生的相关光子光谱圆环的空间辐射角度及光强分布,搭建了相关光子圆环光强分布的实验测量装置,该装置利用355 nm连续激光器泵浦BBO晶体产生I类自发参量下转换相关光子圆环,使用CMOS传感器作为相关光子圆环探测单元,通过2×2维点阵扫描方法探测了完整的相关光子圆环,测量的光谱分布为430～860 nm.实验结果表明:测量的相关光子圆环直径与理论值符合较好;Ⅰ类自发参量下转换过程产生的相关光子在空间呈同心圆环分布;相关光子光谱具有宽光谱分布特点.     

泵浦光的入射角对参量下转换的影响

利用参量下转换制备相关光子实现对各类探测器的量子效率的定标,是近年来兴起的新型定标技术。由于参量下转换的光子转换效率低,探测器输出信号信噪比小。采用短波激光器泵浦PPLN周期极化性晶体,可获得较大功率的参量光。分析了泵浦光在PPLN晶体端面的入射角对参量光的转换效率、空间分布、参量带宽及晶体周期的影响,并进行了数值模拟。分析发现当泵浦光正入射晶体端面时,参量光功率转换大,带宽小,发散角大;随着泵浦光入射角度逐渐增大,参量下转换的转换效率降低,相关光子的带宽变小,发散角变小且参量光的中心波长的空间位置会发生相对偏移。该研究结果可为相关光子探测、模拟探测器量子效率的高精度定标提供理论依据。     

光子计数器的线性测量和修正

依据自发参量下转换过程中泵浦光功率和相关光子的线性关系,搭建了光子计数器线性测量实验装置,分析了光子计数器非线性误差产生的机理,探讨其线性应用条件和修正方法.通过调节泵浦光功率改变入射至光子计数器的相关光子速率,实现了光子计数器线性的测量,并对实验测量值进行了修正.结果表明,通过线性测量和修正可以提高单光子计数器测量准确度,降低光子计数器的非线性误差,其入射光子速率最大线性工作范围可由10~5s~(-1)扩大到10~7s~(-1).     

共线和非共线模式下单光子探测器定标比对实验研究

采用相关光子法定标单光子探测器的量子效率对提高光学载荷的辐射定标准确度具有重要意义.利用355nm连续激光泵浦BBO晶体产生Ⅰ类自发参量下转换,在共线和非共线两种相位匹配模式下分别测量了单光子探测器雪崩光电二极管在736nm波段的量子效率.结果表明,共线和非共线两种模式测量结果的合成不确定度分别为0.71%和0.39%,相对偏差均优于0.4%,这两种模式都可以定标探测器量子效率,且具有很好的一致性.最后比较了两种模式定标探测器量子效率的优缺点,该研究为以后利用相关光子法对遥感器进行辐射定标提供了晶体相位匹配模式选择的依据.     

基于参量下转换自校准辐射基准源原理样机的光机设计

为满足全球气候观测、定量化遥感等超高精度定标需求,研制了基于参量下转换自校准辐射基准源原理样机,设计时充分考虑原理样机模块化、轻量化与集成化.对探测器模块关键部位结构进行静力学分析,结果显示由零件形变导致探测器光敏面位置偏移21μm,探测器光敏面直径为180μm,透镜聚焦的光子光斑直径为16μm,光斑可全部进入探测器光敏面,满足设计需求.用微光相机观察各探测器前光子光斑,结果显示光斑形状规则、大小完整,用单光子探测器采集相关光子,通过符合测量绘制出八通道四对相关光子符合峰,验证了原理样机整机结构设计达到设计目标.     

基于相关光子多模式相关性的InSb模拟探测器定标方法

利用基于参量下转换产生的相关光子可以实现“无溯源”的绝对定标. 将该方法推广应用于模拟探测器定标的过程中, 获取两路模拟光电流信号的有效相关信息是主要难点. 在相关光子的多模式相关性理论模型的基础上, 提出了一种新的光电流处理方案. 通过将某一时刻采集到的光电流所包含的电荷量转换为等效光子计数, 采用双光路平衡探测和双通道数据波动校正的技术思路, 开展了红外模拟探测器量子效率定标验证实验研究. 利用532 nm单波长激光器为抽运源、PPLN晶体为非线性晶体, 在25 ℃工作温度下获取了631和3390 nm的相关光子对, 定标了InSb红外模拟探测器在3390 nm处的绝对功率响应度. 结果表明, 对InSb模拟探测器的合成不确定度为7.785%. 根据量子效率与绝对功率响应度之间的函数关系, 定标结果与国内计量单位的校准结果的相对偏差为3.6%. 利用多模式相关性在模拟信号下实现红外模拟探测器的绝对功率响应度定标在国际上暂无此方面的报道, 该方法验证了应用多模式相关性理论开展模拟探测器定标方法的可行性, 对于探索基于相关光子的定标技术和拓宽辐射定标应用领域具有重要意义.