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1、(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202310570748.4(22)申请日 2023.05.19(71)申请人 中国科学院合肥物质科学研究院地址 230031 安徽省合肥市蜀山湖路350号(72)发明人 李健军史佳庆胡友勃丁蕾宋耀东金致含汪文韬(74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责任公司 11251专利代理师 杨学明(51)Int.Cl.G01J 1/08(2006.01)G01J 1/10(2006.01)G01J 1/44(2006.01)(54)发明名称基于355nm泵浦的自校准微光辐亮度计及测量方法(57)摘要本。
2、发明提供一种基于355nm泵浦的自校准微光辐亮度计及测量方法，包括自校准和辐射观测。在自校准模式下，复用光路模块周期性地导入自发参量下转换相关光子，光子计数与符合探测模块实现三个通道的绝对量子效率定标。在辐射观测模式下，复用光路模块导入微光目标辐射，同时获取观测目标460nm1550nm波段绝对光谱辐亮度，通过自校准模式获取的定标系数对观测结果进行修正。本发明从基于自发参量下转换的相关光子方法定标单光子探测器量子效率的基本原理出发，实现了可见光至近红外波段微光光谱辐亮度的高精度观测，解决了微光观测仪器在空间平台量值溯源的科学问题，在气候监测、微光辐射计量、单光子源辐亮度测量中发挥重要作用。权利。
3、要求书1页 说明书5页 附图2页CN 116608945 A2023.08.18CN 116608945 A1.一种基于355nm泵浦的自校准微光辐亮度计，其特征在于：包括相关光子产生模块、自校准和辐射观测复用模块、光子计数与符合计数测量模块、信号采集与处理模块；所述相关光子产生模块包括355nm的泵浦激光器、格兰泰勒棱镜、半波片、会聚透镜和BBO晶体，通过激光器泵浦4块非线性晶体产生460nm至1550nm波段范围内相位匹配的相关光子；所述自校准和辐射观测复用模块包括电机带动旋转的扫描切换反射镜、离轴抛物面反射镜、八字形滤光模块、二向色镜；相关光子或微光经过扫描切换反射镜反射后通过离轴抛物面。
4、镜准直进入八字形滤光模块，分别经过两块二向色镜反射和透射形成460nm685nm、737nm910nm和1550nm波段的光进入三个汇聚通道；所述光子计数与符合计数测量模块包括第一缩束镜组，第二缩束镜组，第一会聚透镜组，第二会聚透镜组，第三会聚透镜组，第一光子计数探测器，第二光子计数探测器，第三光子计数探测器和符合测量仪；所述第一缩束镜组和第二缩束镜组各由两块透镜构成，实现相关光子或微光光斑的进一步压缩，第一会聚透镜组，第二会聚透镜组和第三会聚透镜组将光束分别耦合进第一光子计数探测器，第二光子计数探测器和第三光子计数探测器的光敏面，第一光子计数探测器，第二光子计数探测器和第三光子计数探测器分别。
5、对信号光和空闲光光子进行探测，符合测量仪记录信号光和空闲光同时到达的相关光子事件；所述信号采集与处理模块包括数据采集器和上位机的测量软件，完成各通道计数值的高速采集和存储，以及系统测量流程的时序控制，上位机的测量软件对自校准模式和辐射观测模式获得的各个物理量进行自动化控制和处理。2.根据权利要求1所述的一种基于355nm泵浦的自校准微光辐亮度计的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)打开电源控制箱，实现对355nm泵浦激光器、半波片、晶体位移台、扫描切换反射镜、第一滤光片转轮、第二滤光片转轮、第一光子计数探测器、第二光子计数探测器、第三光子计数探测器、符合测量仪、数据采集器、上位机预热。
6、30分钟；步骤(2)将355nm泵浦激光器经格兰泰勒棱镜、半波片、会聚透镜后入射到BBO晶体中，将电机控制的扫描切换反射镜旋转到相关光子定标光路中；步骤(3)相关光子光源经离轴抛物面镜反射准直后经八字形滤光模块，第一二向色镜后，公共光路反射光经第一缩束镜组、第一滤光片转轮、第一会聚透镜组会聚后被第一光子计数探测器接收；公共光路透射光经第二二向色镜后，反射光经第二缩束镜组、第二滤光片转轮、第二会聚透镜组会聚后被第二光子计数探测器接收，透射光经第三会聚透镜组会聚后被第三光子计数探测器接收；步骤(4)利用符合测量仪、数据采集器、上位机分别测量成对相关光子的光子数率、符合测量光子数率，获得自校准和辐射。
7、观测共用通道的量子效率、相关光子光谱光子数率；步骤(5)将电机控制的扫描切换反射镜旋转到观测光路中，利用微光积分球光源进行辐射观测，光路传播方向和相关光子的传播方向一致，通过上位机的测量软件获取微光辐亮度数据。权利要求书1/1 页2CN 116608945 A2基于355nm泵浦的自校准微光辐亮度计及测量方法技术领域0001本发明涉及气候监测、微光辐射计量、单光子源辐亮度测量等领域，尤其涉及一种基于355nm泵浦的自校准微光辐亮度计及测量方法。背景技术0002随着卫星遥感器数量的迅速增加以及光电技术的发展，对于定量遥感卫星,微光辐射定标研究受到普遍关注，目前采用的每个载荷独立实施定标的技术可行。
8、性下降，不同载荷定标时相、气象条件、定标设备和定标操作流程的差异，导致观测数据存在难以避免的绝对值可比较性的困难。对于光学载荷的辐射定标精度，可见光近红外的绝对精度要求由目前的710，普遍提高到优于5，一些特殊科学应用例如气候监测提出了优于0.1的超高精度要求。面对超高精度辐射测量这技术挑战，保证遥感器观测数据具备可溯源性，必须研究和应用针对微光探测的辐射基准源技术。0003过去30年里，国内外已逐步建立并成功实施了在轨场地定标、星上定标和实验室定标三种主要的定标技术手段，以确定和校正遥感器响应特性的变化。SNPP卫星搭载可见光红外成像辐射计VIIRS，通过三个增益阶段传递定标方法实现辐射定标。
9、,在微弱月光条件下，辐射定标不确定度设计指标为15。北京空间机电研究所研制的微光相机使用三级联积分球传递模型，利用均匀光源在每个输出辐射水平上具有恒定光谱，通过传递测量的方法测量微光各级次下光谱辐亮度，在4501000nm范围内测量不确定度为18。从提高微光辐亮度计量精度的角度出发，通过客观物理效应替代实物标准器，降低由于标准器传递链引入的逐级累积误差，可以提升微光辐射测量精度，通过自发参量下转换效应进行探测器响应度的绝对定标，能够在不依赖于外部基准的条件下实现绝对辐射观测。0004目前，在轨场地定标和星上定标两种主要的发射后定标技术手段为了保证了所有光辐射探测器都可以溯源到共同的基准，需要建。
10、立高精度的初级标准和一条标准传递链，这限制了探测器精度的有效提高。初级标准一般仅由国家标准计量部门建立和保持，以保证其精度、稳定性和权威性，而光电探测器的实际应用领域、工作平台和使用条件千差万别，相应地需要设计和建立不同的传递链，这在增加定标时间和经费开支的同时，不可避免地造成精度随传递环节的增加而逐级降低。此外各级标准本身的不确定性也会逐级传递，最终累积在用户探测器上。如果需要进行分光谱的定标，则必须精细测量分光器件(单色仪、滤光片等)在其通光波段内的光谱透过率，这始终是限制精度提高的一项重要因素。0005采用相关光子自发参量下转换工作体制的主要优势有：(1)相关光子光源具有时间和空间相互关。
11、联、天然的宽光谱和绝对量值可复现等技术特点，具有足够高的绝对精度；(2)自校准和辐射观测一体化设计，实时监测和校正响应特性的变化，保持响应特性的长期稳定，提高观测数据的可溯源性和准确度。解决相关光子光源的制备和量值传递、泵浦杂散光抑制、相关光子高精度高效率耦合、空间单光子探测器紫外抗辐照和封装加固工艺、自校准和辐射观测一体化设计等关键技术。说明书1/5 页3CN 116608945 A3发明内容0006为解决上述技术问题，本发明提供一种基于355nm泵浦的自校准微光辐亮度计及测量方法，辐亮度测量范围为1109W/(cm2srnm)1106W/(cm2srnm)，包括自校准和辐射观测。在自校准模。
12、式下，复用光路模块周期性地导入自发参量下转换相关光子，光子计数与符合探测模块实现三个通道的绝对量子效率定标。在辐射观测模式下，复用光路模块导入微光目标辐射，同时获取观测目标460nm1550nm波段绝对光谱辐亮度，通过自校准模式获取的定标系数对观测结果进行修正。0007本发明从基于自发参量下转换的相关光子方法定标单光子探测器量子效率的基本原理出发，实现了可见光至近红外波段微光光谱辐亮度的高精度观测，解决了微光观测仪器在空间平台量值溯源的科学问题，在气候监测、微光辐射计量、单光子源辐亮度测量中发挥重要作用。0008为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：0009一种基于355nm泵浦的自校准微光。
13、辐亮度计，包括相关光子产生模块、自校准和辐射观测复用模块、光子计数与符合计数测量模块、信号采集与处理模块；0010所述相关光子产生模块包括355nm的泵浦激光器、格兰泰勒棱镜、半波片、会聚透镜和BBO晶体，通过激光器泵浦非线性晶体产生460nm至1550nm波段范围内相位匹配的相关光子；0011所述自校准和辐射观测复用模块包括电机带动旋转的扫描切换反射镜、离轴抛物面反射镜、八字形滤光模块、二向色镜；相关光子或微光经过模式切换镜反射后通过离轴抛物面镜准直进入八字形滤光模块，分别经过两块二向色镜反射和透射形成460nm685nm、737nm910nm和1550nm波段的光进入三个汇聚通道；0012。
14、所述光子计数与符合计数测量模块包括第一缩束镜组，第二缩束镜组，第一会聚透镜组，第二会聚透镜组，第三会聚透镜组，第一光子计数探测器，第二光子计数探测器，第三光子计数探测器和符合测量仪；所述第一缩束镜组和第二缩束镜组由两块透镜构成，实现相关光子或微光光斑的进一步压缩，第一会聚透镜组，第二会聚透镜组和第三会聚透镜组将光束分别耦合进第一光子计数探测器，第二光子计数探测器和第三光子计数探测器的光敏面，第一光子计数探测器，第二光子计数探测器和第三光子计数探测器分别对信号光和空闲光光子进行计数，符合测量仪记录信号光和空闲光同时到达的相关光子事件。0013所述信号采集与处理模块包括数据采集器和上位机的测量软件。
15、，完成各通道计数值的高速采集和存储，以及系统测量流程的时序控制，上位机的测量软件对自校准模式和辐射观测模式获得的各个物理量进行自动化控制和处理。0014本发明还提供一种基于355nm泵浦的自校准微光辐亮度计的测量方法，包括如下步骤：0015步骤(1)打开电源控制箱，实现对355nm泵浦激光器、半波片、晶体位移台、扫描切换反射镜、第一滤光片转轮、第二滤光片转轮、第一光子计数探测器、第二光子计数探测器、第三光子计数探测器、符合测量仪、数据采集器、上位机预热30分钟；0016步骤(2)将355nm泵浦激光器经格兰泰勒棱镜、半波片、会聚透镜后入射到BBO晶体中，将电机控制的扫描切换反射镜旋转到相关光子。
16、定标光路中；0017步骤(3)相关光子光源经离轴抛物面镜反射准直后经八字形滤光模块，第一二向说明书2/5 页4CN 116608945 A4色镜后，公共光路反射光经第一缩束镜组、第一带通滤光片、第一会聚透镜组会聚后被第一光子计数探测器接收；公共光路透射光经第二二向色镜后，反射光经第二缩束镜组、第二带通滤光片、第二会聚透镜组会聚后被第二光子计数探测器接收，透射光经第三会聚透镜组会聚后被第三光子计数探测器接收；0018步骤(4)利用符合测量仪、数据采集器、上位机分别测量成对相关光子的光子数率、符合测量光子数率，获得自校准和辐射观测共用通道的量子效率、相关光子光谱光子数率；0019步骤(5)将电机控。
17、制的扫描切换反射镜旋转到观测光路中，利用微光积分球进行辐射观测，光路传播方向和相关光子的传播方向一致，通过上位机的测量软件获取微光辐亮度数据。0020本发明的有益效果是：0021本发明通过建立基于自发参量下转换相关光子的自校准微光辐亮度计，周期性准确地定标辐射观测光路，实现对微光仪器460nm1550nm波段辐亮度的精确测量，从根本上解决受限于辐射基准量值传递的环节误差和观测光路光学衰变、电子学衰变对微光辐亮度测量精度的影响。现有的可见光近红外波段有效载荷无论是发射前的实验室定标还是发射后的星上定标，其绝对精度稳定在37左右，进一步提高精度的潜力已非常有限，难以满足气候观测日益增加的定标精度的。
18、要求。基于相关光子定标则无需溯源实验室高精度的初级标准和冗长的标准传递链，利用参量下转换过程产生的相关光子，获得时间、空间和偏振关联的定标光源，可以获得更高的定标精度。附图说明0022图1为自校准微光辐亮度计量值溯源图；0023图2为本发明的基于355nm泵浦的自校准微光辐亮度计原理示意图。具体实施方式0024为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。0025如图1所示，本发。
19、明的一种基于355nm泵浦的自校准微光辐亮度计的传递链路包括相关光子标准光源、自校准微光辐亮度计、微光积分球和微光仪器四个部分。传递过程为：由相关光子标准光源经过自校准微光传递辐射计实现相关光子自校准后，再通过切换模式，对微光积分球光源进行辐射观测，最后应用于微光仪器，依次得到自校准和辐射观测共用通道的量子效率、微光光源辐亮度和微光仪器的定标系数。0026如图2所示，本发明的一种基于355nm泵浦的自校准微光辐亮度计包括相关光子产生模块、自校准和辐射观测复用模块、光子计数与符合计数测量模块、信号采集与处理模块。0027所述相关光子产生模块主要由355nm的泵浦激光器1、格兰泰勒棱镜2、半波片3。
20、、会聚透镜4、BBO晶体5和晶体位移台6组成。根据非线性光学的二阶非线性效应和晶体I类相位说明书3/5 页5CN 116608945 A5匹配条件，通过激光器泵浦非线性晶体产生460nm至1550nm波段范围内相位匹配的相关光子，相关光子在光子数率、出射方向、时间、频率、偏振等方面具有严格的相关性，确定一个光子就可以预测与其对应的另外一个光子的存在。0028所述自校准和辐射观测复用模块主要由电机带动旋转的模式切换反射镜7、微光积分球光源8、离轴抛物面反射镜9、八字形滤光模块10、第一二向色镜11、第二二向色镜16构成。相关光子(或微光光源)经过模式切换反射镜反射后通过离轴抛物面反射镜准直进入八。
21、字形滤光模块10，分别经过第一二向色镜11、第二二向色镜16反射和透射形成460nm685nm、737nm910nm和1550nm波段的光进入三个汇聚通道。0029所述光子计数与符合计数测量模块主要由第一缩束镜组12、第二缩束镜组17，第一滤光片转轮13、第二滤光片转轮18、第一会聚透镜组14、第二会聚透镜组19，第三会聚透镜组21、第一光子计数探测器15(Si单光子探测器)、第二光子计数探测器20(Si单光子探测器)第三光子计数探测器22(InGaAs单光子探测器)和符合测量仪23构成，第一缩束镜组12和第二缩束镜组17各由两块透镜构成，实现相关光子或微光光斑的进一步压缩，第一滤光片转轮13。
22、和第二滤光片转轮18实现光束的滤光，第一会聚透镜组14、第二会聚透镜组19和第三会聚透镜组21分别将光束耦合进第一光子计数探测器15、第二光子计数探测器20和第三光子计数探测器22的光敏面，第一光子计数探测器15、第二光子计数探测器20和第三光子计数探测器22分别对信号光和空闲光光子进行计数，符合测量仪23记录信号光和空闲光同时到达的相关光子事件。0030所述信号采集与处理模块主要由数据采集器24和上位机25的测量软件构成，完成各通道计数值的高速采集和存储，以及系统测量流程的时序控制，上位机25的测量软件对自校准模式和辐射观测模式获得的各个物理量进行自动化控制和处理。0031本发明的一种基于3。
23、55nm泵浦的自校准微光辐亮度计的测量方法包括如下步骤：0032步骤(1)打开电源控制箱，实现对355nm泵浦激光器1、半波片3、晶体位移台6，扫描切换反射镜7、第一滤光片转轮13、第二滤光片转轮18、第一光子计数探测器15、第二光子计数探测器20，第三光子计数探测器22，符合测量仪23、数据采集器24、上位机25预热30分钟；0033步骤(2)将355nm泵浦激光器1经格兰泰勒棱镜2、半波片3、会聚透镜4后入射到BBO晶体5中，将电机控制的扫描切换反射镜7旋转到相关光子定标光路中；0034步骤(3)相关光子光源经离轴抛物面镜反射准直后经八字形滤光模块10，第一二向色镜11后，公共光路反射光经。
24、第一缩束镜组12、第一滤光片转轮13、第一会聚透镜组14会聚后被第一光子计数探测器15接收；公共光路透射光经第二二向色镜16后，反射光经第二缩束镜组17、第二滤光片转轮18、第二会聚透镜组19会聚后被第二光子计数探测器20接收，透射光经第三会聚透镜组21会聚后被第三光子计数探测器22接收；0035步骤(4)利用符合测量仪23、数据采集器24、上位机25分别测量成对相关光子的光子数率、符合测量光子数率，获得自校准和辐射观测共用通道的量子效率、相关光子光谱光子数率；0036步骤(5)将电机控制的扫描切换反射镜7旋转到观测光路中，利用微光积分球光源8进行辐射观测，光路传播方向和相关光子的传播方向一致，通过上位机25内置软件获取微光辐亮度数据。0037所述的八字形滤光模块10包含两片呈45 位置放置的二向色镜，中间放置一窄带说明书4/5 页6CN 116608945 A6干涉滤光片，滤除剩余的泵浦杂散光，同时最大效率的透过相关光子和微光辐射光。0038本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。说明书5/5 页7CN 116608945 A7图1说明书附图1/2 页8CN 116608945 A8图2说明书附图2/2 页9CN 116608945 A9。