专利名称：一种宽波段可见光和近红外辐射同时测量的方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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(Γ2.5) μ m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NASA M.King and R.Greenstone 1999年发表的，EOS Reference Handbook, EOSProject Science Office)。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.0pt.》，1994, 33: 1844-1851, Absolute efficiency andtime-response measurements of single-photon detectors)。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.Measurement of quantum efficiency using correlated photon pairsand a single-detector technique)。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。

发明内容
本发明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。本发明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“可见光一短波红外”非简并信号、空闲相关光子对；C :实现信号光、空闲光高效的稱合到探测器，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、S1-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S1-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，S1-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-AH)单光子探测器及所述S1-AH)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S1-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“可见光一短波红外”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S1-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S1-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S1-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，本发明不仅解决了现有技术存在的问题，而且明显具有以下优势I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，在空间上容易分尚；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。


图1为测量光路不意图；图2为一种符合测量示意图。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例，对本发明专利进行详细说明。实施例一本发明的目的是提供一种利用相关光子同时在可见光和近红外波段进行光辐射绝对测量的方法。利用PPLN (周期极化铌酸锂晶体)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)。本发明的目的可通过如下措施来实现如图1及图2所示，宽波段的可见光和近红外辐射同时绝对测量方法，包括以下步骤①由脉冲光纤激光器产生的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；②该可见光波段的激光经分束片分为两路，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；另一路激光泵浦非线性晶体，通过参量下转换产生“可见光一短波红外”非简并信号、空闲相关光子对；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；③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信号光(短波红外)、空闲光(可见光波段)分别用InGaAs-APD单光子探测器、S1-APD单光子探测器进行接收，将两种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；⑤把InGaAs-APD单光子探测器输出的电信号另一路直接进入时间幅度转换器，S1-APD单光子探测器输出信号另一路通过精密延时模块后输入时间幅度转换器；⑥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，通道分析器的作用是选择同步到达的光脉冲；⑦两种单光子探测器的计数和同步到达的脉冲计数的比值就分别表示了这两种单光子探测器的量子效率。本发明的泵浦脉冲激光是通过高功率窄线宽ps光纤激光器产生窄线宽单频激光作为参量转换的泵浦源。所述的参量下转换过程是由窄线宽的单频激光经周期极化的非线性晶体实现，产生出“可见一红外波段”非简并相关光子对，参量过程选择共线相位匹配。参量下转换晶体通过温度调谐输出宽光谱的相关光子对，参量转化过程的转换效率达10_4。本发明采用棱镜分光方式，保证信号光、空闲光测量的信噪比优于104。本发明利用连续可调谐光源精确标定了棱镜、光耦合器、滤光片等光学器件在各个波长点的透过率。本发明校准了可见光单光子探测器S1-APD在700nnT900nm的量子效率，近红外单光子探测器InGaAs-APD在900nnTl700nm的量子效率，评定的不确定度为O. 5% (k=2)。实施例二如图1及图2所示，可调谐宽波段的可见光、近红外辐射同时绝对测量方法，举例而言，是通过波长为1030nm，功率为IOW的高功率ps光纤激光器，经KTP (磷酸氧钛钾)晶体倍频产生的窄线宽单频515nm激光。一路作为参量下转换的泵浦源，另一路通过光电转换和延时器作为单光子探测器的同步信号。参量下转换过程是由515nm激光经PPLN非线性晶体实现，产生出“771nm—1550nm”非简并相关光子对，参量过程选择共线相位匹配。通过改变PPLN晶体的温度，可输出780nm和1515nm的相关光子对。相关光子对分别由S1-APD单光子探测器和在InGaAs-APD单光子探测器接收，把待测的单光子探测器输出的电信号直接接入到时间幅度转换器，另一路单光子探测器输出的信号作为触发信号，经过延时模块后再输入到时间幅度转换器，另外利用双通道计数器分别测量两路单光子探测器的计数，获得相关光子流速率。时间幅度转换器把两路不同时间内到达的电信号转化成幅度信号，输送到通道分析器选择出同步到达的光子脉冲，获得两路相关信号的符合速率。符合速率与触发信号光子速率的比值就是待测单光子探测器的量子效率。由单光子探测器的量子效率和光子计数值进而实现光辐射的绝对测量。实施例三一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“可见光一短波红外”非简并信号、空闲相关光子对；C :实现信号光、空闲光高效的稱合到探测器，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、S1-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S1-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，S1-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-AH)单光子探测器及所述S1-AH)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InGaAs-APD单光子探测器及所述S1-APD单光子探测器的量
子效率。优选的，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。优选的，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，该同步信号也可以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“可见光一短波红外”非简并信号、空闲相关光子对。优选的，所述参量下转换的参量转化过程的转换效率达10_4。优选的，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。优选的，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。优选的，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。优选的，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S1-APD单光子探测器的计数，获得相关光子流速率。优选的，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S1-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S1-APD的量子效率。优选的，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。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明专利所附权利要求的保护范围。
权利要求
1.一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“可见光一短波红外”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、S1-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S1-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，S1-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-Aro单光子探测器及所述S1-AH)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S1-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的激光。
3.如权利要求2所述的方法，其特征`在于，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；另一路激光泵浦非线性晶体，通过参量下转换产生“可见光一短波红外”非简并信号、空闲相关光子对。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述参量下转换的参量转化过程的转换效率达10'
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，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-Aro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。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，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。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，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。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，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S1-APD单光子探测器的计数，获得相关光子流速率。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，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。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，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。
全文摘要
本发明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)。
文档编号G01J1/00GK103076085SQ201210594258
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者史学舜, 杨乐臣, 陈坤峰, 曾和平, 李健军, 刘玉龙 申请人:中国电子科技集团公司第四十一研究所