以接收器为标准的辐射度计量

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第476页（2986字）

当要计量一束光的功率或能量时，可以用一种称为绝对辐射计的标准接收器。图9．3－5是两种不同形式的绝对辐射计原理结构图。当一束待测的光束照射到黑色的光吸收体时，光被吸收，引起接收面温度上升，从热电堆的输出信号，就可探测出温度升高了多少。遮断光照后，在电加热丝上通以一定的电流，并使接收面的温度上升到刚才受光照时所达到的温度，测出加热丝上的电流电压，即可知道加热电功率的大小，这也正好是被测光束的光功率。只要辐射计设计合理，尽可能达到光——电等效，这种绝对辐射计的不确度可达0．5%。把接收面做成空腔型(如图中的圆锥形)可以增加吸收率，使射进接收器的光束接近100%被吸收，提高测量的准确度，而且可在很宽的波段范围内无光谱选择性。但空腔型的绝对辐射计由于吸收体的质量比较大，使整个辐计的灵敏度较低，时间常数较大。而平面型则有响应快、灵敏度高等优点，但它的吸收率小于1(有一部分入射光线被反射掉)，其光谱响应的平坦性主要由黑色涂层的性能所决定。两种形式的绝对辐射计各有优缺点，适用于不同的测量对象。

图9．3－5 平面型和空腔型绝对辐射计

上述两种绝对辐射计工作在常温常压的条件下，容易受周围环境温度起伏的影响和杂散辐射的干扰，准确度受到限制。近年出现了工作在超低温(4K)和高真空密封装置里的绝对辐射计，不确定度可在0．1－0．01%之间。但由于建造费和运转费都很高昂，推广应用受到限制。

绝对辐射计测量的光功率一般只限于nW级到mW级，W级到kW级属于大功率的范围，测量原理同样是由光变热的过程，但需要光吸收体能够承受高功率密度的轰击，设计了一种流水式激光大功率计，目的是迅速地从吸收体带走热量，测量水的温度升高换算出光功率。

图9．3－6 流水式激光大功率计

还有一种应用光－热变换原理的标准接收器叫做热释电探测器，它利用某些晶体(如钽酸锂)的热释电现象，由探测释放出来的电量推测出温度的升高，而光－热转换仍然采用黑色涂层对光的吸收。这一类光探测器的突出优点是，其灵敏度大大高于热电堆作测温元件的绝对辐射计，而且利用某些优良的黑色涂层，可使这种探测器在很宽的波段范围内(从近紫外至中远红外)作到无光谱选择性。故这种探测器已相当广泛地用在红外光谱仪器上。它的缺点是，容易受振动和声音的干扰，因为热释电晶体往往还有压电效应。在制成有电加热丝的绝对型辐射计时，工艺比较困难，最后达到的总不确定度和以往的电代替式绝对辐射计差不多，故现在多数情况是作成相对型的、高灵敏宽波段探测器。

一般来讲，无论是内光电效应还是外光电效应的光探测器，其响应度的大小都是靠标准光源来标定的，无法从它们本身的结构参数推导出来。但是，在半导体器件的发展过程中，人们不但已能制出超纯硅，而且半导体物理学已能对器件内部的物理过程作相当详细的分析。在这个基础上，开始偿试不借助于别的标准，而只在硅光电二极管本身作一些分析和相对测定，以确定它的响应度(A／W)。美国标准局(NBS)的科学家首先进行了这种实验，并获得很大成功，随后各国仿效也获得成功，我国现在的激光小功率基准，就是建立在这种硅光电二极管自校准技术基础之上的。

硅光电二极管自校准技术的基本思路是这样的：当光线射到光电二极管的PN结上时，由光子激发出电子－空穴对，从而在外电路上产生光电流。现在的问题是：一个光子进来后是不是恰好产生一个电子－空穴对?产生的电子－空穴对能不能都被电极所收集而全部变成外电路的电流?

一个光子的能量可以用hv或hc／λ来表示，波长愈短，光子能量愈大，进入PN结后不但能打出一个电子－空穴对，而且还能产生类似碰撞电离反作用而形成的更多的电子－空穴对。相反，如果波长太长，则因能量不足而有时不能打出电子－空穴对。用“量子产额”来描述这种过程，则可以说量子产额η与波长有关，对短波来说η可能大于1，而对长波来说η可能小于1。经过理论计算，某些标准型结构的硅光电二极管对400－700nm的可见光来说，η确实等于1，即使有偏差，也不超过十万分之一。由此可以推断，这种硅光电二极管的光谱响应度为

式中 e——为电子的电荷；

h——为普朗克常数；

c——为光速；

λ——为波长。

剩下的问题是这些电子——空穴对是否都到达电极，因为在运动过程中会出现电子空穴对的复合。用收集效率ε(λ)来描述这种现象。又因为硅光电二极管表面对入射光总会有一定的反射，设反射比为ρ(λ)，则只有〔1－ρ(λ)〕的光实际进入PN结，于是9．3－6式变为：

式中，ε(λ)，ρ(λ)都可用相对测量法来确定，因此R(λ)成为一个已知量，这个硅光电二极管就成为一个响应度已知的光探测器，可以直接测量出波长为λ的一束光的功率，实现了光功率的绝对测量。一旦有了这么一个硅光电二极管，其他光电探测器都可以与其比较，确定他们的响应度，制成各种光功率计。

无论是热电型的标准辐射计还是光电型的标准辐射计，均可以按功率或辐射照度两种计量单位进行定标。当能够确保被测量的光束全部进入接收面(如激光束)时，可以按功率(如μW，mW，kW等)分度。当所接收的是发散光束，如一般光源发出或黑体发出的光时，辐射计的入口处放一个光栏，光栏限制了光束的大小，使光线只照射在有效的灵敏面上，且光栏有精确测定过的面积，从而可以把辐射计按辐射照度单位来分度。

【参考文献】：

［1］现代计量学概论，鲁绍曾主编，中国计量出版社，1987。

［2］现代计量测试技术，王江主编，中国计量出版社，1990。

［3］光度学，郝允祥等编着，北京师范大学出版社，1988。

［4］色度学，荆其诚等编着，科学出版社1979，。

［5］Principles Governing Photometry，Metrologia，19，97－101，1983．

［6］Accurate Measurement and Correction for Nonlinearities in Radiometers，J．Res．NBS，67A，1972．