光谱辐射照度测试研究

　　0　引言

　　光谱辐射照度是光辐射领域测量的基本参量,通常用于光辐射探测器的校准和目标源的测试,从而获得目标源的辐射强度和光谱辐射特性.高温黑体作为理想的黑体源,被广泛地应用于光辐射计量中作为辐射的最高标准,通过对光辐射领域的各个参量进行定标与测试,实现光辐射量值的传递.如俄罗斯的全俄物理光学研究院研制的大口径高温黑体,具有很高的稳定性及非常好的光斑均匀性,其温度范围覆盖了1 380~3 100 K,在4 h内稳定性达到了0.05%[1],以优良的特性完成了量值的复现,从而实现了光谱辐射照度的精确测量.

　　1　光谱辐射照度的复现与测量

　　该方法分为三部分,首先用滤光辐射计[1]对高温黑体温度进行测量[2],其次复现高温黑体的光谱辐照度,最后对光谱辐照度标准灯进行测量,实现光谱辐射的量值传递[3].

　　1)高温黑体温度的测量

　　在传统的测温系统中,一般使用定点黑体进行温度量值的复现与传递,由于金点的温度(1 337.33K)低,因而对高温黑体的温度(1 800~3 200K)复现只能采用外延法进行测量与计算,这给高温黑体温度的测量带来了很大的不确定度.为了准确测量高温黑体的温度,本文采用了滤光辐射计和新型辐射测温法,新型辐射测温法的核心是通过一系列光辐射理论和几何原理推倒出辐射温度与辐射光功率的关系,通过对辐射光功率的绝对测量来完成温度的复现,实现该测温方法的硬件基础是滤光辐射计.

        黑体是一个理想的辐射源,在距离它出口l处滤光辐射计的输出光电流I(A)可由式(1)给出

　　式中Φ(λ)为黑体光谱辐射通量,S(λ)为滤光辐射计的绝对光谱响应[4-5],可由低温辐射计[6]标定.由于

　　式中A1是接收器的光栏面积,A2是黑体精密光栏面积,l是黑体精密光栏与接收器的距离.I(λ)为光谱辐射强度,E(λ)为光谱辐射照度.将式(2)代入式(1)可得到

　　能够在任何温度下全部吸收任何波长的入射辐射的物体称为绝对黑体.实际上,绝对黑体并不存在,实际黑体的辐射量除依赖于辐射波长及黑体温度外,还与构成黑体的材料性质及传输介质有关,即发射率和介质的折射率.因此,普朗克公式(单位为W·cm-3·sr-1)可写为

　　式中c1为第一辐射常量,其值为3.741 8×10-12W·cm2,c2为第二辐射常量,其值为1.438 8 cm·K,n为空气折射率,ε为黑体发射率(=0.999),T为黑体的温度,λ为波长.将式(4)代入式(3),得

　　由式(5)可知,精确测量A1、A2、l、S(λ),由此就可获得高温黑体温度的准确测量.

　　2)高温黑体的光谱辐照度量值复现

　　当高温黑体的温度已知时,可根据普朗克公式计算出波长为λ的黑体源的光谱辐亮度Lλ,根据上述建立光谱辐照度的数学模型,可知在积分球入射小孔处的黑体产生的光谱辐照度为