低温辐射计黑体腔吸收率分析

低温辐射计是目前国际上光辐射功率计量中准确度最高的测量系统,其光辐射测量不确定度可达10-5量级,目前国内仅有少数研究机构从国外引进低温辐射计开展计量研究,亟待发展国产低温辐射计替代进口产品。由于低温辐射计采用低温超导状态下的电替代测量原理进行光辐射功率测量,发展低温辐射计的难点之一在于研制黑体吸收腔这一核心光辐射接收器件,并要求黑体腔在各波长下的吸收率都要达到0.999 9以上。为研制超高光谱吸收率的黑体吸收腔,系统性分析了各影响黑体腔光谱吸收率因素,在此基础上利用蒙特卡罗光线追迹方法重点研究了光谱波长、腔体长度、黑材料漫反射系数、黑材料吸收率和入射光空间位置等对斜底黑体腔光谱吸收率的影响。研究结果表明：在300～1 100 nm波长范围内黑体腔吸收率与其内壁涂黑材料的吸收率呈正相关,且在300～1 000 nm范围内的吸收率都达到了0.999 9以上,其中在700 nm处的吸收率取得最大值0.999 941 5,表明采用该类型黑材料的黑体腔只在300～1 000 nm范围内满足低温辐射计设计要求,后续需要根据仿真和测试结果对低温辐射计在不同波长下的光电不等效性进行修正;在黑体腔结构和口径确定的情况下,黑体腔吸收率将随腔长增加而逐渐升高,在40 mm后变化趋缓,并在65 mm后逐渐趋于平衡,考虑到低温辐射计低温舱对腔体尺寸的限制,认为腔体长度与口径之比为6.5时较为合适;黑体腔吸收率还受黑材料的漫反射系数影响,随着黑材料漫反射系数的提高,腔体吸收率呈现近似线性下降,所以在选择黑体腔涂黑材料时,在吸收率等指标相同的情况下应尽量选择镜面吸收黑;黑材料吸收率从0.8到1的变化过程中,腔体吸收率提升了0.05个百分点,且黑材料吸收率为0.92时腔体吸收率可达到0.999 9以上,表明黑材料在其有效工作波长范围内任一点的光谱吸收率都要大于0.92;腔体吸收率还受入射光投射的空间位置影响,光线位置越靠近斜底腔顶点处,腔体吸收率越高,但整体吸收率变化不明显,光线位置对腔体吸收率影响只有不到0.004个百分点,几乎可以忽略,认为斜底腔不同位置处的吸收率是均匀的。研究结果对低温辐射计黑体腔研制有一定参考价值。     

绝对辐射计溯源至低温辐射计实验测试

开展了绝对辐射计溯源至低温辐射计的计量技术研究。选用激光作为光源,采用光斑非全覆盖绝对辐射计接收面的辐射功率模式进行校准实验。利用溯源至低温辐射计的陷阱探测器作为标准器定标激光器功率,然后通过替代法将量值传递至绝对辐射计。通过绝对辐射计光阑面积校准,实现激光功率与绝对辐射计测量辐照度的转化。通过对陷阱探测器的校准、绝对辐射计锥腔不同位置空间响应均匀性、锥腔的波长选择性等特性的分析,对实验所用绝对辐射计校准不确定度进行了详细评估,得到的校准不确定度为0.86%(包含因子k=2)。     

低温辐射计热结构设计与分析

低温辐射计利用低温超导下的电替代测量原理,将光辐射计量溯源到可以精确测量的电参数测量,是目前国际上光功率测量的最高基准.本文实验研究了低温辐射计的热路结构,系统分析了腔体组件与热链材料的热学特性对低温辐射计响应率和时间常数特性参数影响的机理.在此基础上,设计了由黑体腔、热链和支撑结构组成的热结构机械件,搭建了低温辐射计特性参数测试系统,并针对OHFC铜、6061铝、304不锈钢和聚酰亚胺四种不同热链材料测试了低温辐射计的时间常数和响应率,时间常数跨度为23—506 s,响应率跨度为35.5—714.8 K/W.结果表明,在腔体组件确定的情况下,通过调节热链的材料和结构,可以实现对低温辐射计特性参数的调控.实验结果对低温辐射计特性参数指标分配和指导下一代低温辐射计的研制具有一定参考价值.     

低温辐射计测量系统中的光路调整

低温辐射计是目前光辐射测量不确定度最低的仪器。测量不确定度主要依赖于光路的调整和实验环境条件的控制。本文介绍了用低温辐射计测量激光功率的实验装置和调节方法 ,并提出了一种用直角棱镜观察、调节低温辐射计的新方法     

低温辐射计的结构优化方案设计

传统低温辐射计的布儒斯特窗口会对传递探测器的绝对光谱响应率定标产生较大的影响。文中阐述了低温辐射计对传递探测器的传统定标过程;分析定标过程中因布儒斯特窗口及窗口复现导致定标精度降低的原因;提出一种新的定标结构。该结构中低温辐射计和传递探测器安置于同心弧形轨道上,二者通过精密电机的控制可以分时切入定标光路,实现传递探测器相对于低温辐射计的绝对定标。新的定标结构能够完全消除布儒斯特窗口在传递探测器定标过程中的影响,降低测量激光功率约50%的不确定度,可以进一步降低辐射定标溯源基准的不确定度,提高定标的精度。     

光纤激光功率溯源至低温辐射计方法

介绍了1.3 μm/1.5 μm光纤激光功率溯源至低温辐射计的测量方法,与传统溯源至绝对辐射计的方法相比较,最终利用低温辐射计法通过633 nm波长稳定光源标定陷阱式探测器,然后用陷阱式探测器将量值传递到陷阱式量传探测器,最后通过1310 nm/1550 nm通信用光功率稳定光源通过热释电光功率计标定InGaAs光电探测器并用于测量光纤功率。实验结果表明,溯源至低温辐射计的光纤功率测量方法在1310 nm及1550 nm波长点处对一标准光功率计修正系数测量的相对标准差分别为0.0011及0.0007,其测量不确定度可优于0.6％(k=2),在保证量值一致性的同时有效降低了测量不确定度,提高量值传递精度。     

低温辐射计光功率修正因子测试与分析EI北大核心CSCD

为了确保低温辐射计测量准确度,开展了低温辐射计光功率修正因子的研究。介绍了低温辐射计测试系统光路结构和光功率的测量过程。分析了影响低温辐射计光电加热等效替代的四个主要因素。利用搭建的影响因子测试装置,对布儒斯特窗口透过率、杂散光和黑体腔吸收率三个影响因子进行了测试;采用有限元分析方法,对光电加热不等效性因子进行了仿真计算。测试和仿真计算了自主研制低温辐射计光电加热等效替代修正因子,结果显示,布儒斯特窗口在632.8 nm处的透过率为0.996817,杂散光修正因子为0.999013,黑体腔吸收率为0.999950,光电不等效性修正因子为1.009240±0.000010。该研究结果可用于低温辐射计的修正,对低温辐射计各功能模块的设计、测量不确定度的提高以及低温辐射计的研制具有一定参考价值。     

基于低温辐射计的InGaAs陷阱探测器高精度光辐射定标研究

介绍了以InGaAs陷阱探测器作为传递探测器,基于低温辐射计的高精度光辐射定标和标准传递实验与研究。在红外(944-1589nm)三个波长初步给出了InGaAs陷阱探测器绝对光谱响应率定标结果。InGaAs陷阱探测器绝对光谱响应率的联合不确定最大为0.655%,最小为0.026%。     

低温辐射计紫外探测器光谱响应度测试技术研究北大核心CSCD

通过研制真空多光路切换组件,结合Y型真空比较通道、探测器真空舱,在保证超高真空环境的前提下,实现激光、紫外连续可调单色光以及真空紫外单色光3个光路的快速切换,从而以低温辐射计为基准,以紫外增强硅陷阱探测器为传递标准,实现波长115 nm~400 nm紫外探测器绝对光谱响应度的测量,实验验证绝对光谱响应度测量不确定度在115 nm~230 nm可达到0.8%~1.5%(k=2),在230 nm~400 nm可达到0.5%~1.0%(k=2)。     

Ba原子吸收系数的光腔衰荡光谱测量

建立了一套脉冲激光腔衰荡光谱实验装置,并将光腔衰荡光谱技术用于原子束吸收光谱的测量,得到了Ba原子的6s6p^1P1←6s6s^1S0吸收线,进一步得出Ba原子在553．548nm附近的吸收系数,同时对吸收系数与原子炉温度的关系进行了分析,得到了较好的实验结果。     

溯源至低温辐射计的硅陷阱探测器紫外波段绝对光谱响应度测量

介绍了溯源至低温辐射计的紫外绝对光谱响应度测量装置,对硅陷阱探测器在三个激光波长点进行了绝对光谱响应度校准实验.测量了硅陷阱探测器的空间均匀性和非线性系数,分析了影响测量准确度的各不确定度分量.实验表明:硅陷阱探测器在紫外波段266、325、379 nm三个激光波长点处的绝对光谱响应度测量扩展不确定度分别为0.19％、0.14％、0.11％,可作为紫外波段光辐射功率基准保持和传递的标准探测器,用于提高紫外波段光谱辐射度的校准能力.     

阈值电路特性对腔衰荡光谱测量影响的实验研究

腔衰荡光谱技术(cavity ring-down spectroscopy, CRDS)是一种高灵敏的激光吸收光谱技术,被广泛应用于镜片反射率测量、光谱分析以及痕量气体检测等研究领域。首先从理论上描述了CRDS技术的实验原理,然后基于555定时器自行设计了一种可应用于CRDS技术的阈值电路,并通过实验进行了验证。为了优化阈值电路的性能,研究了不同输入阻抗及容抗下阈值电路对衰荡事件测量的影响。通过直接接入不同值的电容与电阻,发现输入电容越大,输入阻抗越小,对衰荡事件的测量影响越大,尤其当阈值电路输入电阻小于50 Ω时,衰荡事件的线型严重扭曲。对不同输入电阻与输入电容时C₂H₂气体在6 531.780 5 cm-1处的吸收信号进行了采集与分析,发现输入电容与输入电阻的改变对测量结果有很大的影响,得到的吸收信号会失真,甚至无法进行拟合。最终给出了阈值电路的最佳设计方案,在阈值电路的设计中选取的输入阻抗越大越好,最小要在100 Ω以上,选取的容抗越小越好,最好低于1 nF,同时要保证阈值电路的时间常数远小于衰荡时间。该研究对于CRDS技术应用过程中阈值电路的设计具有重要的参考价值。     

自然循环预冷和低温热管耦合系统的初步实验研究

介绍的高效低温传热方法主要包括 :自然循环冷却法和基于自然循环预冷及低温热管的高效低温冷却方法。自然循环冷却法的特点是在大温差条件下实现物体的快速冷却。一旦被冷却物体到达或接近低温液体的温度 ,将产生循环动力不足的情况 ,必须采用诸如气体引射或容器自增压等方法加以解决。而低温热管的特点在于能在小温差条件下 ,传递大量的热能。文中将自然循环预冷法及低温热管技术有机结合 ,综合自然循环和低温热管的优点 ,取长补短 ,既可以在很短的时间内使被冷却物体的温度降低下来 ,又可以保证被冷却物体的温度波动较小。文中还详细给出了基于自然循环预冷及低温热管的高效低温传热单元的设计及试验结果     

微型红外辐射探测芯片的设计及实验研究

针对太阳辐照度测量仪器高性能及微型化的要求,研究了一种绝对辐射计的关键器件——微机电系统(MEMS)微型红外辐射探测芯片.该芯片以在红外宽光谱范围内具备高吸收率的镍磷黑膜层吸收辐射,以高机械性能、高热导率且绝缘的金刚石材料作为基片,利用集成的薄膜电阻丝进行电加热等效.制备的镍磷黑红外吸收膜层的表面具有较多无规则微孔,其...     

硅微机械FP腔器件机电特性模拟

介绍了一种硅微机械FP腔器件,该器件作为光学滤波器、光学衰减器等在光纤通信技术中具有广泛应用.采用化学气相沉积、刻蚀、金属蒸发等工艺对该器件进行加工,并利用湿法腐蚀释放使其形成悬空结构,悬空膜采用静电激励驱动.分析了器件的基本原理、工作范围、静电激励的阈值电压等特性,并指出了影响阈值电压大小的因素.     

高光谱地基CO_2太阳辐射计的定标

介绍了一种用于大气CO2太阳吸收光谱地基观测的高光谱太阳辐射计,包括仪器的设计结果及相对光谱辐射亮度的测量原理。以可调谐红外激光器加积分球作为定标光源,详细介绍了波长、仪器线型函数的定标过程和方法。定标结果表明,在仪器有效工作波段(1560~1575nm)内,光谱分辨能力为0.097nm,杂散光水平在0.5%左右。定性比较了仪器的大气CO2太阳吸收光谱测量结果与LBLRTN软件的理论计算结果,两者在吸收峰的强度、位置、形状等方面都具有较好的吻合度。     

低温液体流动沸腾数值计算中的动量模拟

采用双流体模型计算了液氮在垂直管内的过冷流动沸腾过程,着重考察了相间动量传输模型对数值预测结果准确性的影响。研究表明,相间非曳力,尤其是壁面润湿力对于数值预测的准确性有着决定性的作用。此外,正确地估计沸腾系统中气泡的平均直径对于两相流传输特性的准确预测也有着十分重要的作用。