低温辐射计测量系统中的光路调整

　　1　引　言

　　低温辐射计是目前光辐射绝对功率测量最精密的仪器,它在光学计量中的应用范围很广,已逐渐成为光度、辐射度、光谱光度、光谱辐射度和激光功率、能量计量的基础。激光功率测量是低温辐射计最基本的应用,目前世界上许多国家的计量标准实验室已采用低温辐射作为激光功率测量的基准装置,替代了原来广泛采用的自校准硅光电二极管[1],最低的测量不确定度达到了0.005%[2]。在1999年国际计量局组织的利用低温辐射计测量激光功率的国际比对中,测量的不确定度和一致性达到了前所未有的高度[3]。

　　低温辐射计需工作在高真空、超低温的条件下,对实验室环境条件要求高,要考虑温度场热辐射和气流产生的影响。低温辐射计测量激光功率最佳的功率水平在200μW～600μW,对测量结果产生影响的噪声等效功率在几个nW水平。在测量光路中光学元件较多,要充分考虑激光束的散射、反射、干涉和衍射现象,调整不当就会引入额外的误差。所以每一个光学元件的调整对于测量结果都很重要。

　　2　低温辐射计的结构

　　低温辐射计的结构如图1所示。其接收腔(cavity)为无氧铜制作的圆柱斜底腔,内壁镀有新型Ni-P黑层,腔体的吸收率可达0.9999以上。腔体底部镀有薄膜加热器和Ge电阻温度传感器,腔体通过热联管(thermal link)Ⅱ与控制在5K的热沉(referenceblock)相联,热沉通过热联管I与4.2K的液氦杜瓦瓶(He4reservoir)相联。整个辐射计内的真空度为2.66×10-5Pa,使液氦可保持较长的时间且消除了热对流。接收腔外是一层4.2K的屏蔽套,以阻挡热辐射,而接收腔又只与处于5K的热沉相联,与外界没有热传导。所以接收腔与外界处于绝热状态。液氦杜瓦瓶外面是一个大的保温液氮杜瓦瓶(N2reservoir),温度为77K,用于减少液氦的消耗量。辐射计入射窗口为一Brewster窗口,对线偏振光的透射比可达0.9997。当光辐射射入接收腔后,首先光能转化为热能,腔体温度升高,温度传感器记录下温度值;然后关掉光源,用腔体底部的薄膜加热器对腔体加热到同样的温度,记录下此时的加热电流和电压,计算出电功率,在考虑光热不等效性的条件下可计算出入射光的光功率。

　　3　激光功率测量光路及其调整

　　用低温辐射计测量激光功率的光路如图2所示。激光器为线偏振光输出,出射光经过铌酸锂电光晶体后由两块全反镜折返穿过三个偏振棱镜,电光晶体与第一个偏振棱镜组成电光强度调制器,它是激光功率稳定器的控制单元,调节加在电光晶体上面的控制电压可以改变激光束的透射比。后两个偏振棱镜组成一个可调衰减器,转动中间的棱镜可以自由调节激光束的透射功率。显微物镜、针孔、光阑和准直物镜组成一个空间滤波器,用于消除激光束中携带的杂散光,并将高斯型球面波变为平行光。监视探测器用来监视稳定后的激光功率变化,反馈探测器为激光功率稳定器提供采样信号。人眼在光路调节过程中通过直角棱镜的后表面观察低温辐射计窗口的情况。电动快门在测量过程中根据低温辐射计测量的要求控制激光束的通断。陷阱式探测器放在低温辐射计前的一个平移导轨上,当用低温辐射计可以为其定标时,可以滑入滑出光路,用于低温辐射计量值的传递和比对。