辐射与发光 光源与照明光学

TM923.32 2006042837用同步辐射源建立紫外及真空紫外光谱区光谱辐射度基准的研究=Ultraviolet and vacuum ultraviolet spectral ra-diance standard with synchrotron radiation source[刊,中]/熊利民(中国计量科学研究院光学处.北京(100013)) ,刘金元…∥光学学报.—2006 ,26(4) .—547-550叙述了中国科学技术大学国家同步辐射实验室800MeV电子储存环同步辐射的特性及作为光谱辐射亮度基准的原理和方法,精确计算出同步辐射光源光谱功率空间分布,并在计量学上将同步辐射“经典”理论与标定氘灯光谱辐射亮度结合起来,对“同步辐射作为标…     

用合肥800 MeV同步辐射光源标定氘灯的光谱辐射亮度

利用合肥800 MeV电子存储环同步辐射(HESYR)作为紫外真空紫外光谱辐射测量的绝对标准,标定了传递标准氘灯光源的光谱辐亮度。采用德国国家物理技术研究院(PTB)的数据处理及不确定度分析方法,得到了两支氘灯在115~300nm波段的光谱辐亮度数据,其相对定标不确定度为12.1%。详细分析了相关参量对定标不确定度的贡献,指出辐射计量系统偏振特征量的不确定度贡献最大。在164~300 nm波段,德国德国国家物理技术研究院在BESSYⅡ同步辐射装置上标定的绝对光谱辐亮度值与本实验在中国合肥同步辐射装置上标定的绝对光谱辐亮度值之间一致性优于±20%,在给定的不确定度范围内两光谱辐射标准定标结果一致。     

基于激光的光谱辐射定标

随着地面遥感、航空与航天遥感、等离子体物理、定量光谱学等研究的发展,对光谱辐射定标精度提出了越来越高的要求,推动了基于可调谐激光的光谱辐射定标新型技术的发展。国际上英国、美国、德国等国家的计量科研机构相继建立了溯源于低温辐射计、低不确定度的基于可调谐激光的光谱辐射定标装置,用于探测器、遥感仪器光谱响应度定标和特性研究。其中美国国家标准技术研究院(NIST)的均匀光源光谱辐照度和辐亮度响应度定标装置(SIRCUS)和德国物理技术研究院(PTB)的光度学可调谐激光装置(TULIP)最具代表性。相对于灯-单色仪系统,在辐射定标应用中,基于激光的光谱辐射定标具有光谱带宽窄、波长精度高、定标不确定度低等众多优点。本文介绍了基于激光的光谱辐射定标的发展状况和以英国国家物理实验室(NPL)、NIST和PTB为代表的基于激光的辐射定标装置结构与性能,分析了基于激光的光谱辐射定标技术优势,并进一步阐述了此技术的应用。基于激光的光谱辐射定标装置可广泛应用于重要的高精度系统级辐射定标测量,包括亮度温度、空间遥感仪器辐照度和辐亮度定标,推动航空航天、大气物理、光谱学、生物科学等科研、工业领域的发展。     

影响光谱辐亮度标定因素的分析

在利用漫反射板标定光谱辐亮度的实验装置中,标准灯完全可以近似为点光源。通过对进入光谱仪的辐射通量的数值积分,可以对应求出仪器的实测光谱辐亮度的计算公式。计算表明,实测光谱辐亮度并不等于漫反射板表面的光谱辐亮度,而有一个随标定条件变化的微小差值。通过计算,对光谱仪与漫反射板的距离、光谱仪入射挟缝的光轴与漫反射板法线的夹角以及标准灯与漫反射板的距离等影响光谱仪标定的因素进行分析,得到了最佳的标定条件。讨论了理想标定情况、光谱仪视场趋于一点的极限情况和采用实际的双向反射分布函数已知的漫反射板标定时,实测光谱辐亮度的计算情况。     

两种紫外-真空紫外光谱辐射标准的比对

研究了紫外 真空紫外波段壁稳氩弧光谱辐射标准光源及基于同步辐射标准的传递标准光源———氘灯的光谱辐射特性 ,建立了高精度光谱辐射计量系统 ,在 16 5～ 30 0nm之间 ,将两种类型光谱辐射标准进行比对 ,相对光谱分布的一致性好于± 5 %。     

EAST上电荷交换复合光谱诊断波长标定研究

电荷交换复合光谱诊断(CXRS)是在核聚变装置上测量离子温度和旋转速度分布的常规诊断方式之一。通过测量等离子体中完全电离的碳离子(C6+)与高能中性氘之间发生电荷交换辐射出的碳谱线(C VI,529.059nm,n=8→7)的多普勒频移来计算C6+的速度,而准确测量的前提是波长的精确标定。介绍了东方超环托卡马克装置(EAST)上CXRS系统的离线波长标定和实时波长标定方法,详细分析了二者的优缺点,针对EAST等离子体及CXRS诊断现状提出了一套应用激光(波长为532.1nm)作为波长实时标定光源的方案,同时对该方法的有效性进行了仿真分析及实验验证。结果表明使用该方案和利用常用标准灯得到的标定结果一致。     

硫酸钡漫反射板在250～400 nm光谱辐射亮度标定中的应用研究

表面喷涂硫酸钡的漫反射板正入射时是最接近朗伯特性的用于标定光谱辐射亮度的实用漫反射板。通过实验测量硫酸钡漫反射板 2 5 0～ 4 0 0nm的半球反射率和双向反射分布函数表明 ,实测的双向反射分布函数与假定漫反射板为朗伯表面根据测量的半球反射率计算的双向反射分布函数的相对差值为 6 7% ,实测的双向反射分布函数随散射角的变化可达 2 8%。为提高光谱辐射亮度标定的准确性 ,考虑双向反射分布函数的微小变化和漫反射板上的光谱辐射照度的不均匀性 ,通过对光谱仪视场内每一小面元积分 ,最后可精确求得所测光谱辐射亮度 ,并标定光谱仪的光谱辐射亮度     

200—350nm合肥同步辐射光谱分布测量

英国国家物理实验室传递标准光源ＭｇＦ２窗口氘灯为标准，测量了２００－３５０ｎｍ合肥同步辐射光谱分布。结果表明，在实验误差范围内，测量结果与依Ｓｃｈｗｉｎｇｅｒ理论计算值具有较好的一致性，２００ｎｍ处偏差为６％，２４０ｎｍ处为１．５％。     

10～200000 cd/m2宽量程亮度量值复现

为了应对高亮度量程计量溯源需求并提高国家亮度计量标准的复现能力,建立了可覆盖10～200 000 cd/m2量程的新一代国家亮度工作基准装置.研制了双光束注入式可调高亮度均匀光源并在光源出口安装了精密孔径限制光阑,研究了基于积分球亮度源法复现亮度绝对值的方法,对光源的稳定性及空间输出特性、复现装置定位精度、标准照度计的线性及光谱失配误差等关键计量特性进行了实验及分析,最终将复现的亮度标准值保存至标准亮度计用于未来的量值传递工作.实验结果表明:基于亮度源法的亮度复现装置在10～200 000 cd/m2量程量值复现相对扩展不确定度为0.7%(包含因子为2);其复现量值与基于灯板法的3～1 500 cd/m2国家亮度工作基准的偏差小于0.2%;装置测量范围上限较原基准提高了2个量级,基本覆盖了常规亮度计的量程,可很好地满足当前更高亮度应用领域的计量校准需求.     

新一代高温黑体和同步辐射装置及其在地外太阳光谱辐照度测量中的应用

在地外太阳光谱辐照度测量和大气定量遥感等项研究的推动下,近二、三十年,国际上光谱辐射计量技术发展十分迅速。基于先进的高温技术、优异的高温热解石墨材料和独特的设计,全俄光学物理测量研究所(VNIIOFI)研制出温度高达3 200～3 500 K、具有高均匀性和高稳定性的大面积普朗克高温黑体光源。基于低温绝对辐射计的滤光片辐射计迭代测温技术,使高温黑体温度测量不确定度小于0.5 K。在德国物理技术研究院(PTB),将这种高温黑体直接用于国际空间站地外太阳光谱测试仪器(SOLSPEC)的辐射定标,定标综合不确定度小于0.5%～1%。2008年德国物理技术研究院(PTB)建成名为计量光源(MLS)的新一代专用同步辐射存储环并投入使用。为调节同步辐射的光谱分布,稳态下其能量可设置为105～630 MeV任意值,相应特征波长随之从735 nm改变至3.4 nm。为在不改变光谱分布情况下改变光强,电子束流可调节 11个量级,即从 1个存储电子(相当于1 pA)到200 mA。美国国家标准技术研究院(NIST)在同步辐射紫外辐射装置(SURF Ⅲ)3号光束线上建立了使用同步辐射的光谱辐照度定标装置(FICUS),为紫外传递标准光源定标,光谱范围200～400 nm,相对测量不确定度1.2% (k=2)。新一代同步辐射装置为地外太阳光谱辐照度测量仪器,如SUSIM,SOLSTICE,SBUV,SIM和SOLSPEC等,短波段高精度辐射定标奠定了技术基础。该文描述新型高温黑体和同步辐射装置的建立与发展,光谱辐照度和光谱辐亮度标准的传递及国际比对并评述它们在太阳光谱辐照度测量中的应用。     

星载太阳紫外光谱监视器的地面辐射定标

星载太阳紫外光谱监视器是一种小型化、高精度紫外-真空紫外光谱辐射计,它有两种工作模式,即探测太阳紫外光谱辐照度的太阳模式和探测大气的太阳后向散射紫外光谱辐亮度的大气模式。对应这两种工作模式分别建立了紫外-真空紫外光谱辐照度和紫外光谱辐亮度定标装置。光谱辐照度标准灯直接辐照仪器的漫反射板进行仪器的光谱辐照度响应度定标,光谱辐照度标准灯辐照标准漫反射板形成朗伯面光源进行仪器的光谱辐亮度响应度定标。误差分析表明:160~250 nm光谱辐照度绝对定标误差为6.5%,250~400 nm为4.3%;250~400 nm光谱辐亮度绝对定标误差为5.9%。星载太阳紫外光谱监视器获得的地外太阳紫外光谱辐照度与大气的太阳后向散射光谱辐亮度数据,同国际上的观测结果相比一致性达±10%。     

大口径积分球光源绝对辐射定标技术研究

为了实现大口径积分球光源高精度绝对辐射定标,研究了基于钨带灯比对的光谱辐射亮度定标方法,通过同心圆扫描分析了空间光谱辐射均匀性定标方法,研制了绝对辐射定标装置,校准了出光口径为Ф300 mm积分球光源的光谱辐射亮度、亮度、色温值,实验验证光谱辐射亮度绝对定标的不确定度优于4%。     

外场用红外目标模拟器辐射特性测量研究

野外便携式红外目标模拟器作为红外目标辐射源,广泛应用于各军兵种武器装备的效能测试评估中.针对外场模拟辐射源不能精确标定的问题,采用标准面源黑体和红外傅里叶光谱辐射计相结合标定的方法,对红外模拟器特定温度下的光谱辐亮度进行测量,计算出感兴趣波段的积分辐亮度,根据模拟器辐射面积给出用户需要的模拟器各设定温度下的辐射强度.分析计算表明:计算出的感兴趣波段的积分辐亮度值和理论曲线相比较,取得了良好的一致性,间接验证了该方法的正确性.     

大气遥感远紫外光谱仪绝对光谱辐照度响应度定标方法研究

主要针对可应用于空间高层大气遥感的远紫外光谱仪的光谱辐照度响应度定标方法进行研究。针对远紫外波段光谱测试标准装置少,实验系统所需真空度高,实验稳定性难以维持,传统漫反射板和积分球辐亮度定标方法在远紫外波段局限性大、难以利用等特点,研究了适用于远紫外光谱仪器的光谱辐照度绝对辐射定标方法,搭建了相应的真空实验系统,以一台远紫外光谱仪原理样机为对象对研究方法进行了实验验证。实验系统以标准氘灯、真空紫外单色仪和准直系统组成照射系统,将出射准直光辐照度用标准探测器进行标定,三者共同组成了标准光谱辐照度光源;利用该光源照射原理样机并读出相应信号,最终获得光谱辐照度响应度,从而实现了利用标准探测器进行照度传递的远紫外光谱仪器绝对光谱辐射定标,有效的进行了仪器定标。该方法定标不确定度约为7.7%,对远紫外波段空间高层大气遥感光谱仪的地面辐射定标研究具有重要意义。     

远紫外光学遥感载荷在轨定标技术研究进展

远紫外波段（115～200 nm）光学遥感是在卫星上获得空间环境参数,如O,N₂和O₂等中性大气原子分子柱密度及廓线分布、电离层电子密度TEC、电子密度廓线、等离子体含量、大气温度廓线、太阳EUV流量、能量粒子沉降等信息的重要探测技术,也是最具发展潜力的空间天气探测方法之一。定量获得这些物理参量的重要过程之一是载荷的辐射定标,包括发射前实验室定标和在轨定标。发射前定标给出载荷的原始定标系数,而在轨定标则给出仪器在轨运行一段时间后定标系数的变化。远紫外探测技术用于中高层大气、电离层、磁层、太阳活动等方面的研究从19世纪70年代就已经开始,以美国为代表的一些国家已将远紫外探测列入空间天气监测的长期规划,并且开展了大量的在轨定标技术研究,确保载荷数据的长期定量化应用。我国在本世纪初才开展远紫外波段载荷技术的研究,在轨定标技术基本属于空白。在轨定标方法包括基于外部标准辐射源定标、基于内部辐射标准源定标和替代定标三种。以国际上具有代表性的远紫外探测载荷为例,分析和总结这三种定标方法分别用于成像探测、光谱成像探测和光度计三种主要的探测类型仪器上的定标方案、在轨定标数据处理方法及处理结果。对多种类型载荷及不同定标源定标方法及结果分析表明,对于视场较大,且具备深空观测能力的远紫外波段成像仪器及成像光谱仪,首选外定标源法,即采用远紫外辐射相当稳定且已知光辐射强度的的紫外恒星作为辐射标准源,根据运行轨道进行定标模式合理设计,并结合实验室定标数据,实现在轨全视场定标;对于光度计类的单点探测仪器,由于视场限制,极少有恒星观测条件,故推荐采用替代定标方式,实现载荷在轨长期监测,但在定标数据的选取及时空匹配方面应详细分析,以提高定标精度;而利用内部标准源进行定标的方法,标准源本身的衰减问题是亟待解决的问题。     

高光谱遥感器现场光谱定标精度验证方法研究

鉴于精确的光谱辐射定标精度验证对于高光谱遥感器的现场定标和数据应用非常必要,以SVC光谱辐亮度计为例,利用多波段辐亮度标准传递探测器和新型的光谱可调积分球参考光源,设计了一种高光谱遥感器光谱定标精度的验证方法。该方法利用新型光谱可调积分球参考光源在待测波段内分别输出光谱形状单调上升和单调下降的光谱辐亮度状态,通过光谱匹配技术,即平移改变SVC光谱辐亮度计的波长,分析比对MRSTD和SVC光谱辐亮度计测量辐亮度的相对偏差。比对结果为光谱定标验证精度优于±0.2 nm,辐射定标验证精度小于5%。