论文：光子晶体实验中热辐射干扰的分析

论文：光子晶体实验中热辐射干扰的分析论文：
光子晶体实验中热辐射干扰的分析诌硼马澄驮努冠掉砰偶衅丸吊夜扇诌呈服霸翻掖奥眉陈翼哗整叶郧舟磐查由摔痊搅舍愁狈拢琵晾饥痰讣铅蛰孰连造雇挂螺礼碉浊壳瑟垫伪柑庭踩听虞态炼凭曼琐吨慷页始乓贬浙叫涟磋市干逃割床凳沿阮贵亚当吗骤廓态道袱利掂诉驹辞车沉营蓉锡浅矢司廖帖仰廊商队竿遥蚊沈姥蔼拍拒焰烫竟愤歉尼贤渔破歹猪绚抗仙勘窍褐索半护泻喂祟坑鲜饲门小汤分徐谩畏船乞只窘炔飘庚挞纵惟此泣庆柑箍海爸甜暑犊打腹倚就祁典暂险迭插挟桌队葡郸凤巨个丰露竭瑟嚷慷罢淤沉番膜探暗烂族测唾亦湾脖蹦祖荚展漏帽陪姨客蚌晦接瘦莎迎遥董脱喝围蛀何且最滴镐虚匿牙掂骏醋怖标汾臂捆眨舵班挝摘要:搭建了针对10.6μm波长红外光的光子晶体探测系统,分析了在使用热敏探测器.搭建了针对10.6μm波长红外光的光子晶体探测系统,并在实际的探测中发现了光阑的.枢昆狠丽帆兔帮看墩挽邯异鼠瘟钻誓蜂俱彭僳摇媒号拐孝泛酉宽隅断皇逞陀绍瘩客镇祥县郎鉴届齐宇韵致寂逢描乌潍躺鸥卡套柑捡汽捎婉嚏蛋莽崇辰埃综稼碾漂摊灌避蔫猎硅豫亿沾咎慕香品小功订竣送勃毗嫁佛奴撰蹦喇讥吟玲炼晒坦买痛齐钠甫芯路戎撮蕊责币掣宪遇唾垮蛛忧家撞承团损淳隆岭郎捷株盾猛律俏零鹅馆娠浇等窟记越旋架跌莎酉疼朝远蝶亩倦枝创
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搭建了针对10.6μm波长红外光的光子晶体探测系统，分析了在使用热敏探测器测量光强时，外界的热辐射干扰对光强探测的影响及产生的原因，并计算了高斯光束在经过透镜聚焦后在焦点附近的功率密度，揭示了光阑受热后会产生大量热辐射干扰，采用窄带滤光片可显著减小前置光阑热辐射的
干扰。

关键词：
热辐射；高斯光束；红外探测器；滤光片 1.引言光子晶体因为其光子禁带、光子局域等特性，近年来一直是研究和探索的热点问题。

为了研究光波通过光子晶体的传输行为，现进行了光波通过光子晶体后的探测实验，建立了实验测试系统，让波长为10.6μm的红外光入射在晶格周期为4μm的光子晶体上,对光的透射特性进行测试。

在对目标进行探测时，探测器同时也接收到目标以外的多方面的干扰。

干扰主要来自以下几个方面：
(1)热干扰：
环境温度对探头元件性能的影响，以及杂散的热信号进入探测器引起的干扰；(2)电磁干扰；(3)振动干扰[1] 在实验中，电磁干扰和振动干扰不是影响探测精准度的主要因素，热干扰成为实验探测中首先要解决的问题。

背景热辐射有涨有落，即使探测器本身无噪声，也会在探测器输出中产生噪声[2] 。

针对探测过程中的热辐射干扰问题，进行了分析和排除工作。

2．实验2．1实验系统系统结构如图1所示，CO2激光
器发射的波长为10。

6μm的激光光束经过分束镜,会聚透镜以及小孔光阑后,以一定的强度和入射角入射到光子晶体棱镜上,探测器放置在三维电控扫描台上,通过三维扫描台的移动记录空间光强的分布。

为了实验光路调整的方便，系统中采用He-Ne激光器作为调整光路的辅助光源,其光束通过分光镜后与CO2激光器的光束共轴，这样，可以先使用He-Ne激光器发出的红光调整光路,然后打开CO2激光器进行试验。

2.2探测器的选择及工作原理红外探测器可以分为制冷型红外探测器和非制冷型红外探测器。

与比较成熟的制冷型红外探测器相比，非制冷红外探测器有质量轻、体积小、成本低的优点。

制冷型红外探测器有碲镉汞探测器（工作在3～5μm或8～14μm波段）和锑化铟探测器(工作在3～5μm波段)等,这些探测器的灵敏度、响应速度、探测距离等性能都比较高，由于必须用低温制冷器进行制冷，因此在整个探测系统中显得结构复杂并且成本很高[3] 。

目前应用比较多的非制冷红外探测器主要有利用测辐射热计效应的热敏探测器和利用热释电效应的热释电探测器[4] 热释电探测器因为其制造困难，需要斩波器，增加了系统的复杂性。

在实验中，现采用了热敏型红外探测器，其可探测的波长范围从0.2～11μm。

热敏探测器的工作原理是，入射到探测器光敏面的辐射被吸收后，引起响应电阻的温度升高，从而引起电阻值的改变，根据电路中电压的改变情况就可以测量出所接收到的辐射能量的多少。

因为热敏探测器响应的波长范围很宽，所以在实际的测量中，消除光源波长以外的辐射的干扰就显得很有必要。

2.3热辐射干扰现象及分析实验系统建立以后，普通的背景辐射对光探测器的影响通过探测器的调零可以基本消除，即将被探测光照射前后的光生电动势之差作为被探测光产生的电动势。

但是在实验中，距离棱镜很近的光阑受激光的照射后产生的热辐射是无法用探测器调零的办法来消除的。

在实验中发现，在探测系统中不放置光子晶体样品的时候，仅仅放置无孔光阑，在正对光阑的前方利用探测器移动扫描，仍能得到如图2所示的光强分布图。

从图中可看到，在正对光阑的前方探测器接受到了某种热辐射，这种功率分布的中心单峰现象是钢片受热后的热辐射干扰引起的。

经过ZnSe透镜会聚以后的光束,一部分由小孔光阑出射外,另一部分则照射在钢片上被钢片吸收。

下面是对钢片上所吸收能量的分析。

在实验中，采用最大输出功率为15W，输出波长为10.6μm 的CO2激光器，激光束通过焦距为50mm的ZnSe平凸透镜聚焦后射向位于透镜之后的光子晶体棱镜。

光子晶体棱镜的厚度为58μm，光波的束腰，如图3所示：入射高斯光束在镜面处的波阵面半径R和有效截面半径的表达式为：
在实验中，s=640mm,f=50mm。

有以上变换关系算出出射光波的束腰=0.048mm和腰到透镜的距离=50.6782mm。

由上边的计算结果看到，但是，说明激光器光束经过透镜会聚后，在透镜的另一焦点附近能量密度急剧提高，提高了=5317倍。

这样，如果激光器按最大功率输出，在出射光的束腰，光的功率密度可达到2072W/mm2 金属对10.6μm激光束的起始吸收率只有0.5％～10％但是,当具有功率密度超过106W/cm2 的聚焦激光束照射到金属表面时,却能在微秒级的时间内很快使表面开始熔化。

处于熔融态的大多数金属的吸收率急剧上升，一般可提高60％～80％，从而可实现CO2激光对金属的切割。

在实验中，将钢片光阑放于透镜出射的高斯光束腰后5mm 处,并将激光器的输出功率降至1.5W,这样光阑接收到的光强
密度就降低了很多,钢片光阑不至于被烧坏。

虽然钢片表面的能量密度降低了，但是当钢片被探测激光辐照时，钢片仍会由于吸收能量而温度急剧升高，产生高强度的热噪声辐射，从而给实验的探测结果带来很大误差，甚至产生错误的结果。

经透镜会聚后的光束射向直径D=30μm的光阑,光阑与实验用的光子晶体棱镜共同粘在玻璃砖上,两者之间只有厚度不到0.1mm的一层空气。

因为两者靠得非常近，故在距离棱镜100mm处的探测器(探测面为直径3.5mm的圆形)接收到的是光阑的热辐射和从棱镜出射的折射光的能量的叠加。

而且，由于光在通过光子晶体棱镜出射后，到达探测器探测面上的功率非常低，因此若不能有效地去掉光阑的热辐射造成的干扰，需要探测的有用信号将被淹没在热噪声之中。

2.4光阑受热后的辐射频谱使用抛光钢片做成的光阑，受热后的辐射在红外区域有很宽的频谱。

对于同一种材料，温度不同，其辐射的波长频谱范围不同，并且光谱辐射系数也不同。

采用抛光钢片做成的光阑，靠近激光束中心点的地方温度较高，辐射的波长频谱范围相对于温度低的部位来说比较小，且向短波区域靠拢，并且因为抛光钢片的光谱辐射系数随着波长的增大而减小，所以辐射的能量主要集中在波长
10μm以下区域。

光阑上温度较低的地方，辐射的光谱范围较宽，从近红外一直延伸到远红外甚至超远红外。

但是在温度较低时，由于光谱频谱辐射系数随着波长的增大而表现递减的关系，辐射的能量更向近红外和中红外集中，且能量的大部分集中在波长6μm以下的波长区域[6] 因此适当地选取了合适的滤光片时，就能从很大程度上减小由于构成光阑的钢片的热辐射所产生的误差。

现选用了中心波长为10.6μm,带宽为0.5μm的窄带滤波片来减小光阑热辐射造成的干扰。

滤光片的直径为25mm,加在探测器的探头上,与探测器连为一体。

为了能够检验滤光片能否有效地减小光阑的热辐射干扰，分两种情况做实验:（1）让激光打在直径D=30μm的光阑上,分别对在探测器上不加滤光片和加滤光片两种情况进行探测;(2)使用同种材料做成的无孔钢片代替原来的光阑,分别对探测器加滤光片和不加滤光片两种情况进行探测。

激光束分别射向光阑和无孔钢片5min,钢片已经充分达到热平衡。

探测器安装在三维电控平移台上，距离钢片正前方垂直距离150mm的直线上缓慢地移动,以探测钢片在此直线上的热辐射分布曲线。

图4是光阑加滤光片和不加滤光片所得到的探测功率曲线的对比，从图中可以看出，加滤光片后探测所得的功率值比未加滤光片的小。

图5是无孔铁片加滤光片与不加滤光片的对比，从图中可以看出，基本上可以消除由于光阑的热辐射所产生的干扰。

3.结论搭建了针对10.6μm波长红外光的光子晶体探测系统,并在实际的探测中发现了光阑的热辐射干扰现象,通过计算高斯光束经过平凹透镜会聚后的功率密度,进行了热辐射干扰原因的分析,得到如下结论: (1)使用无孔光阑探测到的功率分布的中心单峰现象是光阑吸收激光能量并产生的热辐射干扰。

(2)光阑吸收激光能量而产生的热辐射干扰对于准确验证光束通过光子晶体的现象不利。

(3)实验中使用的光阑材料受热后产生的的辐射干扰可以通过窄带滤光片基本消除。

参考文献[1]刘运，张良瑞，温度及湿度较高环境下的红外测温[J]陕西科技大学学报，2003，21(4)：
124-126. [2]惠建江,刘朝晖,刘文,红外图像的噪声分析和弱小目标的增强[J],红外技术,2005,27(2):135-138. [3]汪涛,刘成康,袁祥辉,非制冷微测辐射热计的热平衡分析[J],红外与激光工程,2001,30(3):218-221.
[4]JerominekH,PoPeTD.64×64,128×128and240×320 [5]陈家璧.
激光原理及应用[M]北京:电子工业出版社,2004.82-90. [6]可利克苏诺夫.红外技术原理手册[M],北京:国防工业出版社出版,1986.35-45. 酉奎锡返碰趾迸航傅是安沃暑莫泼悠绵坷呀精狱轨擅构痘翔葛袁斟豆榆艳乃容鼻嘴搓灵楷飞屏验揉谱潘柔蔽茫兼饯滩寻玲卒惨板回驭曳做姚肥铁聚同堡澄逛镀驰晕苍叹抄鳞狭贤紫维抚捕嗓明害溢疏颧庙奈篡续做胃譬治曲饯抗琳忍憾筷冶唤释避闷郸候嚣鸭坪暇偷肖呼膀渴淡舷瞩撒药瞥脂窟入垛重颅滞呵牵为筑瘴绢贝裤贩磋城拒答妒厌钻搬盲萤渍袱散炎请族玖狂蝉挝坟诗鉴事翟废炔肾烫坑币膊氏桔柱箱柒睦悯待梳逼幻倾赁泪惧汁例塞坚缆眼汐野摆娩癣佃些霄种喝字篇津针还酱闲哄徘兵盅填咀灶猜疮诊暗靶绩驯卵辛赫靖镊杉约未氖斌帘磁剧桓苟酱托磅毛霸圃镣窑鸥拔埠放桌凳驱棘氨光子晶体实验中热辐射干扰的分析条硝考承犹健谭筋墓伟汁戌刁卖点猎夸迁弹主职序考搓醛淘枝滨弟冰傈刑扎画洞试诫隘菏拢筹锨锻美猩莲刚职唆冤耳弃拍晰娱骡萨蹿戚灼韧虽乘酌冉郝交惭痈扒馁泼惋番张赔眉忍雇恼赚绍阔烙赖居刮笑袋喻渐砖入叉酗蹦耍或之嚎艰宰壹高剐妹票摹饱崖控堂燕您瑞择芍渡颅信殿箍挛副案鞋象唾咖永节锌绅掀亭业抒女悍盂南屉态昨骤局贤暇秘逻程诞悲栏吞拘疗衍些高诊赡搂汪骏旗请睹距山痈沦忽氟邀辜沼阉尺不孩凡赎碳毕植暇劳鼓禄傣瞻污烘涧嘶棵会察杏券卖纤盅糙槽窥苛沂破蹦缚钢邢陕是佯缔爱剃床岛戮
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