CN105387933A - 一种宽波段布儒斯特窗口调节装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种宽波段布儒斯特窗口调节装置，He-Ne激光器产生632.8nm的可见激光；激光功率稳定装置用于提高激光的功率稳定性；经过起偏器和检偏器组成的偏振调节装置，使得入射光的偏振方向为平行于入射界面的线偏振光；入射的线偏振光在通过布儒斯特窗口时发生反射和透射，反射光由监视探测器实时监视。本发明可以在紫外到远红外较宽的波段范围内实现低温辐射计布儒斯特窗口的高精度调节，尤其是在国内首次实现了在紫外、短波红外、中波红外以及远红外波段布儒斯特窗口的精确调节，填补了国内在该面技术研究的空白。

Description

一种宽波段布儒斯特窗口调节装置及方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种宽波段布儒斯特窗口调节装置，还涉及一种宽波段布儒斯特窗口调节方法。

背景技术

低温辐射计可以在极宽的光谱范围内实现光辐射极低不确定度测量，普遍作为光辐射基准用以实现光辐射的高精度校准量传。高性能的光电探测器被广泛的作为传递标准，其量值溯源到低温辐射计，因而实现光电探测器量值的高精度定标溯源是极其重要的。

基于低温辐射计进行光电探测器光辐射定标时，为了最大限度地保证偏振光束的无损耗传输，实现较高的复现性，低温辐射计在研制中特意设计了布儒斯特窗口。利用光学窗口的反射特性与激光光束偏振特性的相互关系，使得垂直于界面方向的线偏振入射光以布儒斯特角入射时，理论上可以实现无损耗传输。

实际的定标过程中，可见光波段主要通过观察或监测反射光法进行调节，由于可见光波段光辐射测量具备成熟的器件和测量技术，而且可见光光斑具有极好可观察特性。因此，可见光波段低温辐射计的布儒斯特窗口调节的难度并不是很大，其窗口反射率可以达到10^-5量级，可复现性较好。

然而对于紫外和红外波段，由于其可观察性、可测量性都很差，尤其是红外波段，即使在辅助设备的辅助下也很难观察，而且易受到外界环境的影响，因此，传统可见光的布儒斯特窗口调节方法很难适应于这些波段，调节是极其困难，调节结果很难评估，因此采用一种新方法实现布儒斯特窗口的高精度调节是极其必要的。

目前针对在紫外波段和红外波段布儒斯特窗口无法有效评估调节的问题，普遍采用了两种方法：其一是放弃布儒斯特窗口的调节，适当的增大因此而带来的测量不确定度；其二是通过折射率公式和布儒斯特角定义，计算得到对应的布儒斯特窗口的角度，用可见光作为参考光进行角度调节，但这种方法操作起来极为困难。

因此，现有技术不具备解决紫外到远红外宽波段范围内的布儒斯特窗口调节能力，在紫外和红外波段采用的两种解决方法并不能具备高准确度、可操作性好的特点。

发明内容

本发明提出一种宽波段布儒斯特窗口调节装置及方法，旨在从紫外到远红外这个较宽的波段范围内，实现低温辐射计布儒斯特窗口的精确调节，提高低温辐射计的高精度量传提供保障。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种宽波段布儒斯特窗口调节装置，He-Ne激光器产生632.8nm的可见激光；激光功率稳定装置用于提高激光的功率稳定性；经过起偏器和检偏器组成的偏振调节装置，使得入射光的偏振方向为平行于入射界面的线偏振光；入射的线偏振光在布儒斯特窗口位置发生反射和透射，反射光由监视探测器实时监视。

可选地，所述监视探测器的输出信号经过前置放大器放大处理。

基于上述装置，本发明还提出了一种宽波段布儒斯特窗口高精度调节方法，采用632.8nm激光作为参考激光光束，632.8nm的激光从大气中入射到光学窗口时，对应的光学窗口折射率为n₀，利用布儒斯特角定义公式得到此时对应的布儒斯特角θ_B0；对于其他波段任意波长λ₁，对应的光学窗口的折射率为n₁，对应的布儒斯特角为θ_B1；

测试时，将参考光束入射到光学窗口上，测量得到入射光的光功率为P，将监视探测器置于反射光束的光路上，调节窗口，改变窗口与光束的相对位置，微调偏振状态，使得监视探测获得的光辐射最小，记录此时的响应电压值V₀，此时的窗口状态即为632.8nm时布儒斯特窗口要求的状态，入射角等于对应的布儒斯特角θ_B0，有θ_B0和n₀，通过菲涅耳公式得到垂直入射面的偏振分量反射率ρ_s0，然后通过探测器的响应率R，得到反射光中垂直偏振分量的光功率P_s0；

对于波长λ₁，其折射率通过校准得到或者通过柯西公式计算得到，其值为n₁，对应的布儒斯特角为θ_B1；假设参考光束的入射角等于θ_B1时，通过菲涅耳公式得到垂直分量的反射率ρ_s1和平行分量的反射率ρ_p1，则此时监视探测器获得光辐射为两个分量的反射光之和，其值为：

$V_1=P\×{\mathrm{\ρ}}_{p1}\×R-\frac{V_0}{{\mathrm{\ρ}}_{s0}}\×({\mathrm{\ρ}}_{p1}-{\mathrm{\ρ}}_{S1})$

在保证入射光状态不变的前提下，调节布儒斯特窗口的空间位置，观察监视探测器的响应输出，使得响应输出电压等于V₁时，此时对应的窗口状态即为波长为λ₁时对应的布儒斯特窗口状态。

可选地，首先通过光路调节使得参考光的光功率为1mW，功率不稳定性小于0.01％30min。

可选地，采用Si作为紫外到近红外波段的光学窗口材料，ZnSe作为近红外到远红外的光学窗口材料。

本发明的有益效果是：

(1)实现紫外到远红外宽波段范围的布儒斯特窗口调节；

(2)通过数字化监视技术，以及相关理论计算，将布儒斯特窗口的状态通过监视输出表现出来，改进了现有的布儒斯特窗口调节评估方法，提高了调节精度；

(3)由于布儒斯特窗口调节的数字化监视评估的实现，使得窗口调节具有很好的复现性，因而本发明可以为布儒斯特窗口的线下状态复现提供技术支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明布儒斯特窗口调节装置的原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在基于低温辐射计进行光辐量传时，低温辐射的光学窗口要求与入射激光光束之间的角度为布儒斯特角，该光学窗口称为布儒斯特窗口，该窗口可以实现垂直于界面方向的线偏振光近似无损耗传输，具有极好的重复性。

目前在可见光波段，通过人眼观察或者借助探测器技术可以实现布儒斯特窗口调节的有效评估。然而该种方法在紫外、红外波段并不适用，国内外并没有提出有效技术来解决在紫外和红外波段布儒斯特窗口调节的评估问题。

本发明旨在解决紫外到远红外宽波段范围内布儒斯特窗口的高精度调节的问题，为提高低温辐射计的高精度量传提供保障。

图1所示为本发明的宽波段布儒斯特窗口调节装置，He-Ne激光器产生632.8nm的可见激光；激光功率稳定装置用于提高激光的功率稳定性，使得激光的功率稳定性小于0.01％30min；之后经过起偏器和检偏器组成的偏振调节装置，使得入射光的偏振方向为平行于入射界面的线偏振光；入射的线偏振光在布儒斯特窗口位置发生反射和透射，反射光由监视探测器实时监视，以便于评估窗口的状态。

监视探测器的输出信号需要经过前置放大器放大处理，因为当窗口进入布儒斯特状态时，监视探测器接受的反射光非常微弱，需要前置放大器实现有效信号的放大和噪声的抑制，提高信号探测的信噪比。

布儒斯特窗口相对入射光束空间位置的调节主要是通过图1中布儒斯特窗口中1、2、3三个旋钮旋转精确调节。本发明的装置可以满足在宽波段范围内实现布儒斯窗口的精确调节，很好的解决了在基于低温辐射计进行紫外、红外波段光电探测器绝对光谱实验布儒斯特窗口调节困难的问题，同时由于本发明将布儒斯特窗口调节的评估方式由视觉观察改变为数字化显示，减少因为人员因素带来的误差，具有传统方法不可比拟的复现性，因此，在本发明的基础上还可以实现布儒斯特窗口的线下复原，便于在线下完成窗口相关技术特性实验研究。

基于上述装置，本发明还提出了一种宽波段布儒斯特窗口高精度调节方法，下面对本发明的方法进行详细说明。

一束激光在两种介质的界面上反射和折射时，激光的偏振态不同，在界面上的反射率不同。当反射光线与折射光线的夹角为90度时，基于菲涅耳公式和折射定律可知偏振方向与入射面平行的的分量反射率为0，对应的入射角为布儒斯特角。如果入射光是偏振方向与入射面平行的线偏振光，理论上可以无损耗的通过光学窗口介质，对应的反射光为0，此时透射光具有最好的重复性。布儒斯特窗口正是基于此原理研制的。因此，布儒斯特窗口调节的评估基础正是通过监视反射光束的最小值或者透射光束的最大值。对于同一个窗口，不同波长对应不同的折射率，因而有不同的布儒斯特角，布儒斯特窗口调节的目的既是符合布儒斯特角。

本发明采用632.8nm激光作为参考激光光束，采用Si作为紫外到近红外波段的光学窗口材料，ZnSe作为近红外到远红外的光学窗口材料，下面本发明以Si为材料的光学窗口为例进行说明。

632.8nm的激光从真空中入射到光学窗口，真空中光的折射率为1，设632.8nm的激光入射到光学窗口时的折射率为n₀，利用布儒斯特角定义公式可以得到此时对应的布儒斯特角θ_B0，即入射角为θ_B0。

通过激光功率稳定***以及光束整形***，使得参考激光光束为高稳定度、高偏振度的线偏振光，采用高精度的紫外Si陷阱探测器作为监视探测器，监视探测器要求具有极好的稳定性、重复性以及较小的暗噪声，可以有效测量10nW的波长为632.8nm的光辐射。监视探测器置于布儒斯特窗口下端，用以监视反射光的强度。对于其他波段任意波长λ₁，对应的光学窗口的折射率为n₁，对应的布儒斯特角为θ_B1。

首先通过光路调节使得参考激光光束的光功率为1mW，功率不稳定性小于0.01％30min，平行于入射面的线偏振具有较高的偏振比。

测试时将参考激光光束入射到光学窗口上，测量得到入射光的光功率为P，将反馈探测器置于反射光束的光路上，调节窗口，改变窗口与光束的相对位置，适当微调偏振状态，使得监视探测获得的光辐射最小，记录得到此时的响应电压值V₀，此时的窗口状态即为632.8nm时布儒斯特窗口要求的状态，入射角等于对应的布儒斯特角θ_B0，有θ_B0和n₀，通过菲涅耳公式可以得到垂直入射面的偏振分量反射率ρ_s0，然后通过探测器的响应率R，可以得到反射光中垂直偏振分量的光功率P_s0。

对于波长λ₁，其折射率可以通过校准得到或者通过柯西公式计算得到，其值为n₁，对应的布儒斯特角为θ_B1。假设参考光束的入射角等于θ_B1时，通过菲涅耳公式可以得到垂直分量的反射率ρ_s1和平行分量的反射率ρ_p1，则此时，监视探测器获得光辐射为两个分量的反射光之和。其值为：

$V_1=P\×{\mathrm{\ρ}}_{p1}\×R-\frac{V_0}{{\mathrm{\ρ}}_{s0}}\×({\mathrm{\ρ}}_{p1}-{\mathrm{\ρ}}_{S1})$

在保证入射光状态不变的前提下，调节布儒斯特窗口的空间位置，观察监视探测器的响应输出，使得响应输出电压等于V₁时，此时对应的窗口状态即为波长为λ₁时，Si材料的光学窗口对应的布儒斯特窗口状态。

本发明可以在紫外到远红外较宽的波段范围内实现低温辐射计布儒斯特窗口的高精度调节，尤其是在国内首次实现了在紫外、短波红外、中波红外以及远红外波段布儒斯特窗口的精确调节，填补了国内在该面技术研究的空白。

本发明通过理论计算与数字化监视，实现了布儒斯特窗口调节的数字化评估，使得调节结果更为精确，为相应的理论分析提供必要的数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种宽波段布儒斯特窗口调节装置，其特征在于，He-Ne激光器产生632.8nm的可见激光；激光功率稳定装置用于提高激光的功率稳定性；经过起偏器和检偏器组成的偏振调节装置，使得入射光的偏振方向为平行于入射界面的线偏振光；入射的线偏振光在布儒斯特窗口位置发生反射和透射，反射光由监视探测器实时监视。

2.如权利要求1所述的宽波段布儒斯特窗口调节装置，其特征在于，所述监视探测器的输出信号经过前置放大器放大处理。

3.基于权利要求1或2所述装置的一种宽波段布儒斯特窗口高精度调节方法，其特征在于，采用632.8nm激光作为参考激光光束，632.8nm的激光从大气中入射到光学窗口时，光学窗口对应的折射率为n₀，利用布儒斯特角定义公式得到此时对应的布儒斯特角θ_B0；对于其他波段任意波长λ₁，对应的光学窗口的折射率为n₁，对应的布儒斯特角为θ_B1；

测试时，将参考激光光束入射到光学窗口上，测量得到入射光的光功率为P，将监视探测器置于反射光束的光路上，调节窗口，改变窗口与光束的相对位置，微调偏振状态，使得监视探测器获得的光辐射最小，记录此时的响应电压值V₀，此时的窗口状态即为632.8nm时布儒斯特窗口要求的状态，入射角等于对应的布儒斯特角θ_B0，有θ_B0和n₀，通过菲涅耳公式得到垂直入射面的偏振分量反射率ρ_s0，然后通过监视探测器的响应率R，得到反射光中垂直入射面偏振分量的光功率P_s0；

对于波长λ₁，其折射率通过校准得到或者通过柯西公式计算得到，其值为n₁，对应的布儒斯特角为θ_B1；假设参考光束的入射角等于θ_B1时，通过菲涅耳公式得到垂直分量的反射率ρ_s1和平行分量的反射率ρ_p1，则此时监视探测器获得光辐射为两个分量的反射光之和，其值为：

$V_1=P\×{\mathrm{\ρ}}_{p1}\×R-\frac{V_0}{{\mathrm{\ρ}}_{s0}}\×({\mathrm{\ρ}}_{p1}-{\mathrm{\ρ}}_{S1})$

在保证入射光状态不变的前提下，调节布儒斯特窗口的空间位置，观察监视探测器的响应输出，使得响应输出电压等于V₁时，此时对应的窗口状态即为波长为λ₁时对应的布儒斯特窗口状态。

4.如权利要求3所述的宽波段布儒斯特窗口调节方法，其特征在于，首先通过光路调节使得参考激光光束的光功率为1mW，功率不稳定性小于0.01％30min。

5.如权利要求3所述的宽波段布儒斯特窗口调节方法，其特征在于，采用Si作为紫外到近红外波段的光学窗口材料，ZnSe作为近红外到远红外的光学窗口材料。