УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГРАДУИРОВКИ ФОТОДИОДНЫХ ПРИЕМНИКОВ ПО АБСОЛЮТНОЙ МОЩНОСТИ ПОТОКА ИЗЛУЧЕНИЯ
DEVICE FOR CALIBRATION OF PHOTODIODE RECEIVERS BY ABSOLUTE POWER OF RADIATION FLUX

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для градуировки фотодиодных приемников по абсолютной мощности потока излучения в инфракрасном диапазоне и может быть использовано в метрологии для первичной аттестации фотодиодных измерителей мощности и энергетической яркости излучающих объектов.
Известен способ измерения квантовой эффективности фотоприемников, в котором используют устройство, включающее измерительную фотоячейку с единичной квантовой эффективностью (Авт. свид. СССР, №1562711, МКИ G01J 1/04, опубл. 1990).
Также известен способ градуировки измерителя спектральной освещенности по абсолютной чувствительности, в котором используют устройство с дополнительным осветителем, выполненным в виде интегрирующей сферы и отверстии в ней (Авт. свид. СССР, №1257412, МКИ G01J 1/16, опубл. 1986).
Известно устройство для измерения спектральной чувствительности фотоприемника, в состав которого входят источник излучения, расположенные последовательно по ходу излучения на одной оптической оси первую фокусирующая система, монохроматор, вторая фокусирующая система, оптический коммутатор и фотоприемник (Авт. свид. СССР, №1758446, МКИ G01J 1/04, опубл. 1992).
Известно устройство для калибровки фотоприемников, в состав которого входят два излучателя (галогеновая лампа и модель абсолютно черного тела), двойной монохроматор, блок фокусирующей оптики, вакуумная камера для фотоприемников, блок оптических фильтров, сменные апертуры, модулятор и набор зеркал (Дунаев А.Ю., Крутиков В.Н., Морозова С.П., Саприцкий В.И. Установка для калибровки фотоприемников в диапазоне длин волн 0,25-14 мкм // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение фотоники», 14-17 апреля 2015, Москва, ФГУП «ВНИИОФИ» С. 27-30.). Недостатки данного устройства заключаются в дополнительной погрешности измерений, возникающей из-за использования неполяризованного излучения, часть которого отражается от входного окна вакуумной камеры. Неучет данного отражения или его учет путем введения некоего поправочного коэффициента дополнительно повышает погрешность измерений. Кроме того, устройство довольно громоздко и требует длительного времени для подготовки и выполнения измерений.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для градуировки фотоприемников по спектральной чувствительности (прототип), содержащее монохроматический осветитель, состоящий из излучателя и монохроматора, расположенные по ходу излучения фокусирующую оптическую систему, апертурную диафрагму и держатель градуируемого фотоприемника с механизмом ввода-вывода градуируемого фотоприемника из монохроматического пучка излучения, а также эталонный источник излучения и механизм, обеспечивающий последовательно оптическую связь опорного фотоприемника с монохроматическим осветителем и эталонным источником излучения, при этом монохроматический осветитель дополнительно содержит поляризатор, установленный между источником излучения и монохроматором, опорный фотоприемник выполнен в виде спектрорадиометра, состоящего из расположенных последовательно по ходу излучения входного фокусирующего поворотного зеркала, монохроматора, второго поляризатора и фотоприемника, эталонный источник излучения выполнен в виде электронного накопительного кольца, держатель градуируемого фотоприемника расположен между апертурной диафрагмой и входным фокусирующим поворотным зеркалом, причем апертурная диафрагма, держатель градуируемого фотоприемника с механизмом ввода-вывода градуируемого фотоприемника и входное фокусирующее поворотное зеркало жестко связаны между собой и с механизмом, обеспечивающим последовательно оптическую связь опорного фотоприемника с монохроматическим осветителем и эталонным источником излучения, при этом входное фокусирующее поворотное зеркало образует с фокусирующей оптической системой афокальную оптическую систему, апертурная диафрагма расположена в задней фокальной плоскости фокусирующей системы, излучающая область эталонного источника излучения и выходная щель монохроматора монохроматического осветителя являются оптически сопряженными относительно соответственно входного фокусирующего поворотного зеркала и афокальной оптической системы с входной спектральной щелью монохроматора спектрорадиометра, а оба поляризатора ориентированы таким образом, что направления их осей совпадают (Авт. свид. СССР, №1314237, МКИ G01J 1/10, опубл. 1987).
Общие недостатки всех перечисленных способов и устройств, включая прототип, заключаются в следующем:
Во всех устройствах используется эталонный источник излучения, излучаемая мощность которого известна с некоторой погрешностью, поэтому при передаче значения мощности к исследуемому фотоприемнику данная погрешность суммируется с погрешностью измерений и увеличивает суммарную погрешность градуировки.
Кроме того, в перечисленных устройствах исследуемый фотоприемник сравнивается с эталонным фотоприемником, спектральная чувствительность которого также известна с некоторой погрешностью. Это дополнительно увеличивает погрешность измерений.
Не все из перечисленных устройств позволяют выполнять измерения в широком диапазоне изменения мощности потока излучения, падающего на исследуемый фотоприемник. Поэтому с помощью данных устройств сложно получить ватт-амперную характеристику фотодиодного приемника, которая является важной характеристикой при последующем выборе режима работы приемника для его эксплуатации.
Цель изобретения - повышение точности градуировки с одновременным упрощением конструкции устройства, расширение градуируемого диапазона по мощности и сокращение длительности измерений.
Указанная цель достигается тем, что устройство для градуировки фотодиодных приемников по абсолютной мощности потока излучения, содержит блок измерения сигналов, монохроматический излучатель, расположенные последовательно по ходу излучения нейтральный поглощающий фильтр, первый и второй поляризаторы, фотоприемник и абсолютный криогенный радиометр, состоящий из расположенных последовательно по ходу излучения входного окна Брюстера и приемной полости, обладающей, в пределах заданной точности, коэффициентом поглощения теплового излучения, близким к единице, при этом фотоприемник и абсолютный криогенный радиометр установлены на трансляторе положения, обеспечивающем ввод-вывод их из монохроматического пучка излучения, первый поляризатор установлен на держателе с возможностью точного позиционирования его углового положения для изменения оси поляризации, а ось второго поляризатора параллельна плоскости падения излучения на входное окно абсолютного криогенного радиометра под углом Брюстера.
На фиг. 1 изображена схема устройства для градуировки фотодиодных приемников по абсолютной мощности потока излучения.
Устройство содержит монохроматический излучатель 1, нейтральный поглощающий фильтр 2, первый поляризатор с держателем для углового позиционирования 3, второй поляризатор 4, транслятор положения 5, абсолютный криогенный радиометр 6, состоящий из входного окна Брюстера 7 и приемной полости 8, исследуемый фотодиодный приемник 9, блок измерения и обработки сигналов 10.
max
Монохроматический излучатель 1 представляет собой либо лазер с фиксированной мощностью и длиной волны излучения, либо лазер с фиксированной мощностью и регулируемой (задаваемой) длиной волны, например, лазер типа суперконтинуум. Нейтральный поглощающий фильтр 2 выполняет функцию согласования динамического диапазона мощности фотодиодного приемника и мощности излучения монохроматического излучателя 1. Требуемый коэффициент пропускания фильтра 2 рассчитывается исходя из значения максимальной мощности P, которую необходимо измерить абсолютным криогенным радиометром, например, равной 1 мВт. При этом учитывают, что мощность потока излучения, прошедшего последовательно через два поляризационных светофильтра, равна:
где
max
0
min
0
max
0
ф
α - угол между плоскостями поляризации светофильтров. Максимальное значение мощности потока излучения наблюдается, когда плоскости поляризации светофильтров параллельны, т.е. при α=0 → P=1/2Р. Минимальное значение соответствует случаю, когда плоскости поляризации взаимно перпендикулярны, т.е. при α=90° → P=0. С учетом этого, максимальная мощность излучения, которое попадает на первый поляризатор 3, должна быть равна Р=2P, т.е. в рассматриваемом примере Р=2 мВт. Коэффициент пропускания k нейтрального светофильтра 2 рассчитывают по соотношению:
ф
1
0
k=Р/Р,
1
где Р - мощность монохроматического излучателя 1 (лазера).
ф
1
0
ф
1
0
Пусть, например, задана фиксированная мощность монохроматического излучателя 1, равная 100 мВт, в этом случае коэффициент пропускания фильтра 2 должен составлять k=Р/Р=100/2=50. Для мощности излучателя 10 мВт, коэффициент пропускания фильтра 2 должен составлять k=Р/Р=10/2=5. Поляризаторы 3,4 поляризуют входное излучение в задаваемой плоскости, при этом плоскость поляризации первого поляризатора 3 изменяема путем его вращения относительно оптической оси, а плоскость поляризации второго поляризатора 4 неизменна и установлена параллельно плоскости падения излучения на входное окно абсолютного криогенного радиометра под углом Брюстера. Абсолютный криогенный радиометр 6 выполняет функцию измерения абсолютной мощности падающего излучения, прошедшего без отражения через окно Брюстера 7 и полностью поглощенного приемной полостью 8. Коэффициент поглощения излучения абсолютным криогенным радиометром составляет не менее 0.9999, а погрешность измерения мощности не превышает 0,01%. Фотодиодный приемник 9 может состоять как из одного, так и из нескольких фотодиодов, например, 3-х фотодиодный трап-детектор. Блок измерения сигналов 10 предназначен для измерения фототока исследуемого фотодиодного приемника и мощности излучения, поглощенного абсолютным криогенным радиометром.
Измерение величины спектральной чувствительности фотодиодного приемника к потоку излучения заключается в измерении на заданной длине волны мощности излучения, поглощенного приемной полостью радиометра с последующим облучением этим излучением исследуемого фотоприемника, измерением его сигнала и расчетом его спектральной чувствительности по соотношению:
ф
где I - фототок, генерируемый фотодиодным приемником от падающего излучения, А; Р(λ) - спектральная мощность падающего излучения, Вт; S(λ) - спектральная чувствительность фотодиодного приемника излучения, калибруемого по току, А/Вт.
Получение ватт-амперной характеристики фотодиодного приемника заключается в получении зависимостей фототока приемника и его спектральной чувствительности от мощности падающего излучения в диапазоне от минимальной мощности, эквивалентной мощности шума, до максимальной, эквивалентной мощности насыщения фотодиода.
Устройство работает следующим образом.
ф
1
1
1
ф
С помощью монохроматического излучателя 1 генерируется монохроматического излучение на заданной длине волны λ. Проходя через фильтр 2, оно ослабляется в k раз и поступает на вход первого поляризатора 3, где поляризуется под заданным углом α. Значением угла си задается требуемая мощность излучения, для этого поляризатор 3 поворачивается на заданный угол. Поляризованное излучение с выхода поляризатора 3 поступает на вход второго поляризатора 4, проходя через который, поляризуется под углом α и поступает на входное окно, ориентированное под углом Брюстера. При этом угол поляризации второго поляризатора 4 α с заданной точностью равен углу Брюстера, т.е. плоскость поляризации излучения, падающего на входное окно Брюстера совпадает с плоскостью, проходящей через продольную ось эллипса входного окна Брюстера 7 и центр входного апертуры приемной полости 8. Поляризованное излучение пройдя через окно Брюстера попадает в приемную полость 8, где происходит ее нагрев и замещение мощности падающего излучения электрической мощностью Р(λ), которая измеряется блоком измерения сигналов 10. Таким образом, с помощью абсолютного криогенного радиометра 6 измеряется абсолютная мощность падающего в него излучения. Затем с помощью транслятора положения 5 абсолютный криогенный радиометр 6 выводят из пучка излучения и в него вводят градуируемый фотодиодный приемник 9, с помощью блока 10 измеряют фототок I приемника 9. Рассчитывают спектральную чувствительность фотодиодного приемника 9, расчет выполняют по соотношению (1).
Для получения ватт-амперной характеристики с помощью первого поляризатора 3 (путем его вращения) задают разные требуемые мощности излучения и для каждой мощности выполняют операции, перечисленные выше.
Для измерения спектральной чувствительности и ватт-амперной характеристики фотоприемника 9 для другой длины волны либо используют другой монохроматический излучатель (лазер), либо, если используется лазер суперконтинуум, с помощью органа регулировки изменяют длину волны и выполняют измерения согласно операциям, описанным выше.
max
max
2
2
-6
Одновременное использование в устройстве двух поляризаторов с одной стороны, позволяет выполнять плавную регулировку мощности в диапазоне от 0 до P, и обеспечивает широкий диапазон градуировки по мощности. В частности, с помощью предлагаемого устройства можно измерять спектральную чувствительность при мощностях излучения от 1 мкВт до 1 мВт. При этом дискретность измерений может быть очень мала -существующие прецизионные держатели для поляризаторов обеспечивают чувствительность углового позиционирования не хуже 5 угловых секунд, что соответствует шагу по мощности: ΔP=P(1-cos(Δα))=1-cos(5''=l,9⋅10мкВт. Это позволяет получать точную ватт-амперную характеристику фотоприемника.
С другой стороны, применение установленных последовательно двух поляризаторов сводит к минимуму погрешность измерений, обусловленную отражением излучения от входного окна Брюстера, которое в данном устройстве не превышает 0,03% от падающей мощности.
В сравнении с аналогами и прототипом предложенное устройство имеет более простую и надежную конструкцию, позволяет существенно сократить длительность измерений, при этом обеспечивает высокую точность измерений, характеризуемую относительной погрешностью, которая не превышает 0,05%.