基于相关光子的多模式空间相关性定标光电倍增管的量子效率

从理论和实验上介绍了一种基于相关光子的多模式空间纠缠特性新型定标方法,实现了光电倍增管的量子效率绝对定标。该方法利用355 nm连续紫外激光器抽运BBO非线性晶体,不仅制备了一对710 nm/710 nm的简并相关光子和一对700 nm/720 nm的非简并相关光子,并且定标了光电倍增管的量子效率。同时介绍了实验原理和定标装置,并且对定标结果进行了不确定度分析。结果表明,利用相关光子的多模式相关性光辐射定标方法的相对合成不确定度小于4.7%。基于相关光子多模式空间相关性获得光电倍增管的量子效率,修正后并与出厂检测结果进行了比对,信号光通道的相对差异分别为10.3%、10.2%,空闲光通道的相对差异分别为12.9%、8.95%。初步验证不依赖时间符合测量的方法,只需对两路的光子计数进行统计,即可实现探测器量子效率的绝对定标。     

基于参变下转换效应的光辐射定标方法

介绍了一种新型的基于参变下转换效应的光辐射绝对定标方法,利用固体钛宝石激光器倍频后产生的351 nm的激光光源抽运非线性BBO晶体,制备了一对简并的参变下转换光子对(波长为702 nm),并利用晶体的角度调谐特性,制备了另一对非简并的参变下转换光子对(波长为633 nm和789 nm).定标了光电倍增管的量子效率,介绍了实验原理和定标装置,系统分析了测量过程中引入的不确定度.结果表明,参变下转换效应光辐射定标方法的相对合成不确定度小于5.5%.参变下转换定标方法与传统的基于标准探测器的辐射定标方法作了一个比对,表明两种定标方法相对误差小于10%.     

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.     

基于相关光子的单光子探测器量子效率测量系统

为准确测量近红外波段单光子探测器量子效率,搭建了基于自发参量下转换效应的测量系统.系统利用中心波长为518nm的脉冲激光泵浦周期极化磷酸氧钛钾晶体,通过自发参量下转换过程产生相关光子对,分别测量了Si和InGaAs雪崩光电二极管单光子探测器在778nm和1 550nm波长点的量子效率,并对测量不确定度进行了分析.实验表明,该装置可以测量近红外单光子探测器量子效率参量,测量不确定度均优于1%.     

Ⅰ类自发参量下转换相关光子圆环的时间相关特性研究

基于自发参量下转换产生相关光子的定标方法具有基于客观物理效应、无需溯源的优点,有望成为未来光辐射定标技术发展的新趋势.目前利用该技术定标光子计数型探测器的最低不确定度为0.18%,仍有进一步提高定标精度的潜力.由于相关光子圆环具有高光子速率特性,能够显著提高定标过程中信号光和空闲光的光子速率.为了提高该方法定标精度及利用相关光子定标模拟探测器,研究相关光子圆环的时间相关特性具有非常重要的意义.本文理论计算了Ⅰ类自发参量下转换产生的宽谱段相关光子圆环出射角度的空间分布,使用ZEMAX光学设计软件设计了用于接收宽谱段(450—1000 nm)相关光子圆环并能够滤除抽运光的光学系统,利用微光相机拍摄到了光学系统接收的430—860 nm波段的相关光子圆环;搭建了双通道相关光子圆环时间相关特性测量系统,观测到了1 m W连续激光器抽运非线性晶体产生的685 nm和736.89 nm波段相关光子圆环对具有明显的符合峰现象,从实验上验证了Ⅰ类自发参量下转换产生的相关光子圆环具有时间相关特性.     

碲镉汞模拟探测器量子效率定标方法

为测量红外模拟探测器量子效率,搭建了基于参量下转换效应的测量系统.利用光学参量振荡器调谐输出的2 576.5nm波长连续激光束作为泵浦源、ZnGeP2晶体作为非线性晶体,获取了3.42μm和10.4μm的相关光子对.实验中通过将采集到的两个通道的光电流/电压信号转换为等效光子计数,并利用两光路平衡测量的方法对每个模式的平均光子计数进行校正,实现了碲镉汞红外模拟探测器在10.4μm处的绝对功率响应度定标,得到了相对合成不确定度优于4.53%的定标结果.     

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.     

多波段相关光子光谱分布与时间相关性测量实验研究

基于相关光子的定标技术能够实现“无标准传递”绝对定标,研究相关光子的光谱辐射特性及时间相关特性对遥感器在宽波段的辐射定标具有重要意义。为满足光电探测器在宽谱段量子效率定标需求,基于相关光子的定标技术有必要从单一波段向更多波段扩展。根据自发参量下转换所满足的相位匹配条件,推导出相关光子在晶体内的非共线角计算公式,通过数值模拟相关光子光谱辐射角度分布规律,优化晶体相位匹配角,使得自发参量下转换产生的相关光子具有宽光谱分布,并且相关光子辐射角度与光谱波长能够一一对应。根据光谱分布数值模拟结果,建立了多波段相关光子的光谱分布和时间相关性测量实验系统,利用该系统测量了四对相关光子的光谱分布、符合计数、相关时间以及偏振特性。其中,测量的光谱分布范围为633~808 nm,最大光谱分布测量偏差为1.51 mm,光谱分布实验测量结果与数值模拟结果符合一致;测量了四对相关光子对的相关时间,最小相关时间为0.32 ns,并在实验中观察到了“符合三峰”现象;相关光子单光子计数及符合计数与泵浦光的偏振方向呈正弦函数关系。实验研究表明,相关光子对具有可见光~近红外宽波段分布、时间相关及偏振特性。论文研究结果在国内外尚属首次报道,该研究结果有望应用于光电探测器在多波段的辐射定标。     

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.     

Research in absolute calibration of single photon detectors by means of correlated photons

There are two general methods in radiometric calibration of detectors, one is based on radiation sources and the other based on detectors. Because the two methods need to establish a primary standard of high precision and a transfer chain, precision of the standard will be reduced by extension of the chain. A new calibration method of detectors can be realized by using correlated photons generated in spontaneous parametric down-conversion (SPDC) effect of nonlinear crystal, without needing transfer chain. Using 351.1-nm output of a tunable laser to pump β-barium borate (BBO) crystal, an absolute calibration experimental system of single photon detectors based on correlated photons is performed. The quantum efficiency of photomultiplier (PMT) at 702.2 nm is measured by the setup. Advantages of this method over traditional methods are also pointed out by comparison.     

Quantum efficiency calibration of opto-electronic detector by means of correlated photons method

A new calibration method of detectors can be realized by using correlated photons generated in spontaneous parametric down-conversion (SPDC) effect of nonlinear crystal.An absolute calibration system of detector quantum efficiency is performed.And its principle and experimental setup are introduced.A continuouswave (CW) ultraviolet (351 nm),diode-pumped,frequency-doubled,and solid-state laser is used to pump BBO crystal.The quantum efficiencies of the photomultiplier at 633,702,and 789 nm are measured respectively.The coincidence peaks are observed using coincidence circuit.Some measurement factors including the filter bandwidth of trigger channel,the detector position alignment and polarization of the pump light are analyzed.The uncertainties of this calibration method are also analyzed,and the relative uncertainties of total calibration are less than 5.8%.The accuracy of this method could be improved in the future.     

基于纠缠光子方法测量光电探测器量子效率的研究

光辐射传感器的定标是保证遥感数据精度及可利用价值的基础支撑技术。现行辐射定标方法都需要建立高精度初级标准及标准传递链，传递环节是误差的主要来源。纠缠光子理论为实现“无标准传递”的辐射定标开辟了崭新的技术途径。报道了在光子计数模式下利用非线性光学的非经典效应绝对定标光电探测器的新方法，测量是通过BBO非线性晶体的参量下转换形成的702nm简并的纠缠光子方法来实现的。实验测得光电倍增管在该波长处的量子效率，结果显示有0.1%的偏差。该方法本身具有绝对性，不依赖于任何外部定标的辐射标准。     

三波段成像光学系统的辐射定标

系统的成像波段分别为近紫外（300 nm~380 nm）波段,可见光（380 nm~760 nm）波段和近红外（760 nm~1 100 nm）波段。通过搭建与该光学系统相对应的辐射定标装置,建立辐射定标数学模型,对已研制的三波段成像光学系统进行绝对辐射定标的研究。针对系统成像波段光谱范围较宽的特点,以分波段辐射定标方法对于测量得到的定标数据,采用最小二乘线性拟合法进行处理,对算法进行修正,再对定标数据进行处理。通过实验验证了2种方法的定标精度,结果表明:修正后的算法可得到精度更高的定标曲线,测量相对误差不超过5%,定标结果满足实际工程需求。     

Analysis and modeling of radiometric error caused by imaging blur in optical remote sensing systems

Imaging blur changes the digital output values of imaging systems. It leads to radiometric errors when the system is used for measurement. In this paper, we focus on the radiometric error due to imaging blur in remote sensing imaging systems. First, in accordance with the radiometric response calibration of imaging systems, we provide a theoretical analysis on the evaluation standard of radiometric errors caused by imaging blur. Then, we build a radiometric error model for imaging blur based on the natural stochastic fractal characteristics of remote sensing images. Finally, we verify the model by simulations and physical defocus experiments. The simulation results show that the modeling estimation result approaches to the simulation computation. The maximum difference of relative MSE (Mean Squared Error) between simulation computation and modeling estimation can achieve 1.6%. The physical experimental results show that the maximum difference of relative MSE between experimental results and modeling estimation is only 1.29% under experimental conditions. Simulations and experiments demonstrate that the proposed model is correct, which can be used to estimate the radiometric error caused by imaging blur in remote sensing images. This research is of great importance for radiometric measurement system evaluation and application.     

Calibration chain design based on integrating sphere transfer radiometer for SI-traceable on-orbit spectral radiometric calibration and its uncertainty analysis

In order to satisfy the requirement of SI-traceable on-orbit absolute radiation calibration transfer with high accuracy for satellite remote sensors,a transfer chain consisting of a fiber coupling monochromator(FBM) and an integrating sphere transfer radiometer(ISTR) was designed in this paper.Depending on the Sun,this chain based on detectors provides precise spectral radiometric calibration and measurement to spectrometers in the reflective solar band(RSB) covering 300–2500 nm with a spectral bandwidth of 0.5–6 nm.It shortens the traditional chain based on lamp source and reduces the calibration uncertainty from 5% to 0.5% by using the cryogenic radiometer in space as a radiometric benchmark and trap detectors as secondary standard.This paper also gives a detailed uncertainty budget with reasonable distribution of each impact factor,including the weak spectral signal measurement with uncertainty of 0.28%.According to the peculiar design and comprehensive uncertainty analysis,it illustrates that the spectral radiance measurement uncertainty of the ISTR system can reach to 0.48%.The result satisfies the requirements of SI-traceable on-orbit calibration and has wider significance for expanding the application of the remote sensing data with high-quality.     

4m直径均匀扩展定标光源

针对目前光学口径不断增大的空间光学遥感器实验室辐射定标的需求,基于近距离扩展源照明方法设计了400～900 nm谱段内最大积分辐射亮度为200 W/(m²·sr)的4 m直径均匀扩展定标光源。该定标光源内径为4 000 mm,出光面直径为1 600 mm。对该定标光源光机结构进行了详细设计,利用光纤光谱仪监视输出的相对光谱分布,CPLD结合单片机实现输出光谱辐亮度值无人值守智能化远程自动控制。使用PR 735光谱辐射计测量该光源400～900 nm谱段内最大积分辐射亮度为222.62 W/(m²·sr),通过对定标光源的稳定性、面均匀性及角度均匀性测试,分析了定标光源的测量不确定度为3.57%。实验结果表明:该定标光源可以满足口径1 600 mm以下可见/近红外空间光学载荷的实验室辐射定标需要,并可实现智能程控化控制,提高了定标测试精度。