一种宽波段可见光和近红外辐射同时测量的方法技术

本发明专利技术提供一种宽波段可见光和近红外辐射同时测量的方法，利用周期极化晶体作为非线性介质，通过共线相位匹配产生非简并相关光子（可见光和短波红外波段），同时利用非线性晶体的温度调谐技术，产生宽光谱的相关光子对，利用Si单光子探测器和InGaAs单光子探测器实现了可见光和近红外波段光辐射的同时绝对测量，测量不确定度优于1%（k=2）。

【技术实现步骤摘要】
一种宽波段可见光和近红外辐射同时测量的方法
本专利技术涉及一种宽波段可见光和近红外辐射测量的方法，特别涉及一种宽波段可见光和近红外辐射同时绝对测量的方法。
技术介绍
光辐射的绝对测量在定量化遥感、气候监测、光电计量、光谱辐射计量等领域有重大意义，也是一切光电探测器件、光电测量仪器等定量化应用的基础。目前对于电信号的测量达到了很高的精度，而对于光子的测量精度远没有达到电子那么精确。光辐射的绝对测量和传递有两条途径，一是利用黑体作为标准辐射源，二是利用低温辐射计作为标准探测器。黑体的绝对辐射度可以根据普朗克辐射定律和国际温度标准来确定。低温辐射计是利用光热效应在液氦温度下利用电加热替代法实现绝对光辐射的测量。两者都需要建立一定的传递链路，从高精度的初级标准逐级传递到用户端。在当前光辐射的校准体系下，测量和传递过程的本质就是和上一级标准的比较。随着测量和传递链路的增加，其测量不确定度也会逐级累加而增大。从国外的研究成果来看，短波红外（1~2.5）μm初级光谱辐射测量精度达0.2%，而最终客户应用端的测量精度很难优于5%（参见美国NASAM.KingandR.Greenstone1999年发表的，EOSReferenceHandbook,EOSProjectScienceOffice）。尽管目前国际公认光辐射测量的最高基准是低温辐射计，但是由于存在传递链环节增加而最终测量精度难以提高的缺点。有必要研究可以复现在一个物理过程或现象上的光辐射绝对测量方法，开展“无标准传递”的光辐射测量校准。基于相关光子的单光子探测器量子效率校准方法为实现“无标准传递”的光辐射绝对测量提供了很好的手段。1994年P.G.Kwait等利用351.1nm的氩离子激光器泵浦KDP晶体，产生简并（波长均为702nm）和非简并（633nm和788nm）的两对相关光子对。两路探测器均采用光子计数模块（SPCM），系统分析了测量过程中引入的不确定度，得到测量不确定度低于3％（参见《Appl.Opt.》,1994,33:1844-1851，Absoluteefficiencyandtime-responsemeasurementsofsingle-photondetectors）。2000年，A.Czitrovszky等介绍了一种新型的利用一个探测器自定标量子效率的新方法（参见Metrologia,2000,37:617-620.Measurementofquantumefficiencyusingcorrelatedphotonpairsandasingle-detectortechnique）。近年来发展了基于相关光子的光辐射测量方法，但是目前方法研究仅局限在可见光波段的某个波长点，并且采用连续光源，参量下转换效率很低，测量精度难以提高，难以满足目前光辐射测量的要求。因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
技术实现思路
本专利技术涉及一种利用自发参量下转换技术产生宽调谐的相关光子对，用于校准可见光和近红外辐射的绝对测量方法。具体是利用脉冲激光泵浦周期极化非线性晶体，由参量下转换过程产生相关双光子，通过温度调谐输出宽光谱的相关光子对，校准可见光、近红外单光子探测器的量子效率，从而实现可见光、红外光辐射绝对测量。特别是指一种无标准传递的可见光和近红外辐射绝对测量方法。本专利技术的技术方案如下：一种宽波段可见光和近红外辐射同时测量的方法，其中，包括以下步骤：A：近红外高功率脉冲激光经非线性晶体，倍频产生可见光波段的激光；B：将所述可见光波段的激光分成两路，一路提供同步信号，另一路产生“可见光—短波红外”非简并信号、空闲相关光子对；C：实现信号光、空闲光高效的耦合到探测器，由棱镜把泵浦激光、信号光、空闲光从空间上分开，并吸收掉泵浦光；D：信号光、空闲光分别用InGaAs-APD单光子探测器、Si-APD单光子探测器进行接收，将所述InGaAs-APD单光子探测器及所述Si-APD单光子探测器输出的电信号同时输入到双通道计数器，分别测量出两个通道的光子数；E：将InGaAs-APD单光子探测器输出的电信号一路直接进入时间幅度转换器，Si-APD单光子探测器输出电信号另一路通过精密延时模块后输入时间幅度转换器；F：时间幅度转换器把两路不同时间到达的电信号转换成幅度信号，再分别送入通道分析器和计数器，测量得到同步到达的脉冲和计数；G：所述InGaAs-APD单光子探测器及所述Si-APD单光子探测器的计数和同步到达的脉冲计数的比值分别为所述Si-APD单光子探测器及所述InGaAs-APD单光子探测器的量子效率。所述的方法，其中，所述步骤A中，由脉冲光纤激光器产生的近红外高功率脉冲激光或由窄线宽的单频激光经周期极化的非线性晶体倍频产生可见光波段的激光。所述的方法，其中，所述步骤B中，一路通过光电转换产生的电脉冲信号经延时器，为单光子探测器提供同步信号，所述同步信号利用光路附近的杂散光经光电转换来获得；另一路激光泵浦非线性晶体，通过参量下转换产生“可见光—短波红外”非简并信号、空闲相关光子对。所述的方法，其中，所述参量下转换的参量转化过程的转换效率达10-4。所述的方法，其中，所述步骤C中，光纤耦合器置于精密电控位移台上，以实现信号光、空闲光高效的耦合到InGaAs-APD单光子探测器；由棱镜把泵浦激光、信号光、空闲光从空间上分开，利用光收集器吸收掉泵浦光。所述的方法，其中，所述光纤耦合器及所述棱镜利用连续可调谐光源精确标定在各个波长点的透过率。所述的方法，其中，所述步骤F中，所述通道分析器用于选择同步到达的光脉冲，获得两路相关信号的符合速率。所述的方法，其中，所述步骤F中，所述计数器为双通道计数器，分别测量所述InGaAs-APD单光子探测器及所述Si-APD单光子探测器的计数，获得相关光子流速率。所述的方法，其中，所述符合速率与所述光子流速率的比值为待测单光子探测器的量子效率；其中Si-APD的计数与同步计数的比值是InGaAs-APD的量子效率；InGaAs-APD的计数与同步计数的比值是Si-APD的量子效率。所述的方法，其中，所述量子效率与所述光子探测器的计数实现光辐射的绝对测量。采用上述方案，本专利技术不仅解决了现有技术存在的问题，而且明显具有以下优势：1不需要传递标准，直接在可见光和近红外两个波段进行绝对测量，通过温度调谐，产生宽光谱的相关光子对，实现可见光和近红外中较宽光谱范围内的校准。2现有基于相关光子的校准技术只在可见光波段的某个波长点进行测量，采用的连续激光，参量下转换的效率低，信噪比难以提高；3用脉冲激光作为参量下转换的泵浦，具备更高的转换效率，有利于提高测量精度；4用周期极化晶体作为产生相关光子对的非线性晶体，自发参量下转换的效率较非周期极化晶体约提高两个量级；5设计的相关光子对非简并输出，在空间上容易分离；6采用温度调谐的周期极化非线性晶体，产生连续调谐的可见光近红外相关光源实现可见光近红外光辐射宽波段的绝对校准；7采用棱镜分光方式，测量信噪比提高了三个数量级；8用单光子和激光脉冲的同步，减少了意外符合概率事件的发生。附图说明图1为测量光路示意图；图2为一种符合测量示意图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例，对本专利技术专利进行详细说明。实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽波段可见光和近红外辐射同时测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：A：近红外高功率脉冲激光经非线性晶体，倍频产生可见光波段的激光；B：将所述可见光波段的激光分成两路，一路提供同步信号，另一路用来产生“可见光—短波红外”非简并信号、空闲相关光子对；C：实现信号光、空闲光高效的耦合到探测器，由棱镜把泵浦激光、信号光、空闲光从空间上分开，并吸收掉泵浦光；D：信号光、空闲光分别用InGaAs?APD单光子探测器、Si?APD单光子探测器进行接收，将所述InGaAs?APD单光子探测器及所述Si?APD单光子探测器输出的电信号同时输入到双通道计数器，分别测量出两个通道的光子数；E：将InGaAs?APD单光子探测器输出的电信号一路直接进入时间幅度转换器，Si?APD单光子探测器输出电信号另一路通过精密延时模块后输入时间幅度转换器；F：时间幅度转换器把两路不同时间到达的电信号转换成幅度信号，再分别送入通道分析器和计数器，测量得到同步到达的脉冲和计数；G：所述InGaAs?APD单光子探测器及所述Si?APD单光子探测器的计数和同步到达的脉冲计数的比值分别为所述Si?APD单光子探测器及所述InGaAs?APD单光子探测器的量子效率。...

【技术特征摘要】
1.一种宽波段可见光和近红外辐射同时测量的方法，利用非线性晶体的温度调谐技术产生宽光谱的相关光子对，其特征在于，包括以下步骤：A：近红外高功率脉冲激光经非线性晶体，倍频产生可见光波段的激光；B：将所述可见光波段的激光分成两路，一路提供同步信号，另一路激光作为泵浦光泵浦非线性晶体，通过参量下转换产生“可见光—短波红外”非简并的空闲光和信号光相关光子对；C：实现信号光和空闲光高效的耦合到探测器，由棱镜把泵浦光、信号光和空闲光从空间上分开，并吸收掉泵浦光；D：信号光、空闲光分别用InGaAs-APD单光子探测器、Si-APD单光子探测器进行接收，将所述InGaAs-APD单光子探测器及所述Si-APD单光子探测器输出的电信号同时输入到双通道计数器，分别测量出两个通道的光子计数；E：将InGaAs-APD单光子探测器输出的电信号一路直接进入时间幅度转换器，Si-APD单光子探测器输出电信号另一路通过精密延时模块后输入时间幅度转换器；F：时间幅度转换器把两路不同时间到达的电信号转换成幅度信号，再分别送入通道分析器和计数器，测量得到同步到达的脉冲计数；G：所述InGaAs-APD单光子探测器及所述Si-APD单光子探测器的光子计数和同步到达的脉冲计数的比值分别为所述Si-APD单光子探测器及所述InGaAs-APD单光子探测器的量子效率。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中，由脉冲光纤激光器产生的近红外高功率脉冲激光或由窄线宽的单频激光经周期极化的非线性晶体倍频产生可见光波段...

【专利技术属性】
技术研发人员：史学舜，杨乐臣，陈坤峰，曾和平，李健军，刘玉龙，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十一研究所，
类型：发明
国别省市：