阅读说明：本技术 用于星敏感器的量子效率标定装置 (Quantum efficiency caliberating device for star sensor ) 是由 何立平 王加朋 张鑫 杜继东 吴柯萱 孙红胜 于 2018-05-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于星敏感器的量子效率标定装置,该装置包括：激光器、光阑、起偏器、半波片、非线性晶体、待标定星敏感器、标准星敏感器、第一滤光片、第二滤光片、杂光陷阱、符合计数模块和数据处理及分析模块,非线性晶体在偏振状态调整后的激光的作用下产生纠缠光子对,纠缠光子对的一个光子经过第一滤光片进入待标定星敏感器,纠缠光子对的另一个光子经过第二滤光片进入标准星敏感器,符合计数模块用于对待标定星敏感器和标准星敏感器进行符合计数,数据处理及分析模块用于根据符合计数结果完成待标定星敏感器的量子效率标定。应用本发明的技术方案,以解决现有技术中星敏感器在极弱星光照度条件下的量子效率无法标定的技术问题。(The present invention provides a kind of quantum efficiency caliberating devices for star sensor, the device includes: laser, diaphragm, the polarizer, half-wave plate, nonlinear crystal, star sensor to be calibrated, standard star sensor, first optical filter, second optical filter, veiling glare trap, coincidence counting module and data processing and analysis module, nonlinear crystal generates entangled photon pairs under the action of polarization state laser adjusted, one photon of entangled photon pairs enters star sensor to be calibrated by the first optical filter, another photon of entangled photon pairs enters standard star sensor by the second optical filter, coincidence counting module is used to carry out coincidence counting to star sensor to be calibrated and standard star sensor, the quantum efficiency that data processing and inversion module is used to complete star sensor to be calibrated according to coincidence counting result is demarcated.It applies the technical scheme of the present invention, to solve the technical issues of quantum efficiency of star sensor under the conditions of extremely weak starlight illumination can not demarcate in the prior art.)

用于星敏感器的量子效率标定装置

技术领域

本发明涉及光电仪器量子效率标定和测量技术领域，尤其涉及一种用于星敏感器的量子效率标定装置。

背景技术

星敏感器是当前广泛应用的天体敏感器，它是天文导航系统中一个很重要的组成部分，它为系统提供卫星姿态数据，并可用来修正惯性导航系统的漂移。星敏感器通过敏感恒星辐射来测定飞行器相对天球坐标系的三轴姿态，为航天器的姿态控制和天文导航提供高精度测量数据。

星敏感器敏感恒星辐射属于弱光探测，当前敏感的星光等级一般可以到达6等星(大约为10^-8lx)。

目前，随着光电探测技术的发展，在空间目标探测和生物医疗等领域对微弱光照度的测量也提出了越来越高的测量要求，空间探测目标的照度大约在10^-11lx水平，生物医疗领域的荧光照度甚至更低。随着定量化要求的不断提升，此类光电探测系统在出厂前也需要进行量子效率定标。

极弱光当前在计量系统中，星光照度仅能对10^-3至10^-5lx光照度进行量值溯源，更弱的光信号无法计量，更无法在小于10^-5lx光照度条件下对星敏感器或光电探测系统进行准确的量子效率标定，由此给极弱光条件下的高精度星敏感器和光电探测器系统的使用带来隐患。

发明内容

本发明提供了一种用于星敏感器的量子效率标定装置，能够解决现有技术中星敏感器在极弱星光照度条件下的量子效率无法标定的技术问题。

本发明提供了一种用于星敏感器的量子效率标定装置，量子效率标定装置包括：激光器，激光器用于提供激光光源；光阑，光阑设置在激光器和起偏器之间，光阑用于消除激光器发出的激光中的杂散光；起偏器，起偏器用于对消除杂散光后的激光的线偏振度进行优化；半波片，半波片用于调整优化后的激光的偏振状态；非线性晶体、待标定星敏感器和标准星敏感器，标准星敏感器用于为待标定星敏感器提供参考标准，非线性晶体在偏振状态调整后的激光的作用下产生纠缠光子对以用于为待标定星敏感器以及标准星敏感器提供光子；第一滤光片和第二滤光片，第一滤光片透过的波长与第二滤光片透过的波长互为共轭，纠缠光子对的一个光子经过第一滤光片进入待标定星敏感器，纠缠光子对的另一个光子经过第二滤光片进入标准星敏感器；杂光陷阱，杂光陷阱设置在非线性晶体的正后方，杂光陷阱用于滤除非线性晶体后的杂光；符合计数模块，符合计数模块分别与待标定星敏感器和标准星敏感器电连接，符合计数模块用于对待标定星敏感器和标准星敏感器进行符合计数；数据处理及分析模块，数据处理及分析模块与符合计数模块电连接，数据处理及分析模块用于根据符合计数模块所获取的计数结果完成待标定星敏感器的量子效率标定。

进一步地，待标定星敏感器的量子效率η_A可根据η_A＝N_C/N_B来获取，其中N_C为符合计数率，N_B为标准星敏感器的计数率，符合计数率N_C以及标准星敏感器的计数率N_B均可通过符合计数模块测量获取。

进一步地，符合计数模块包括双通道门光子计数平台，双通道门光子计数平台能够实现光子计数以及准确计数修正。

进一步地，起偏器将消除杂散光后的激光的线偏振度优化为小于或等于10^-4水平。

进一步地，起偏器包括格兰棱镜。

进一步地，量子效率标定装置还包括电动旋转镜架，起偏器设置在电动旋转镜架上，电动旋转镜架可带动起偏器转动以自动扫描获取满足非线性晶体相位匹配条件的最佳格兰-泰勒角度。

进一步地，非线性晶体包括β相偏硼酸钡晶体，β相偏硼酸钡晶体在偏振状态调整后的激光的作用下产生非线性光学效应以生成纠缠光子对。

进一步地，激光器包括氩离子连续激光器，氩离子连续激光器具有功率稳定模式以及自动Power-Track功能，自动Power-Track功能在保证氩离子连续激光器功率输出稳定的同时实现一定电流下最优的功率输出状态。

应用本发明的技术方案，提供了一种用于星敏感器的量子效率标定装置，该装置使用两条测量通道对光子数进行计数测量，通过标准星敏感器和待标定星敏感器采集光信号数据，再经过符合技术模块的运算和数据处理及分析模块的数据处理，可以在积极弱光条件下得到待标定星敏感器的量子效率。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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示出了根据本发明的具体实施例提供的用于星敏感器的量子效率标定装置的结构示意图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的符合计数模块的工作原理图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、激光器；20、光阑；30、起偏器；40、半波片；50、非线性晶体；60、待标定星敏感器；70、标准星敏感器；80、第一滤光片；90、第二滤光片；100、杂光陷阱；110、符合计数模块；120、数据处理及分析模块。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种用于星敏感器的量子效率标定装置，该量子效率标定装置包括激光器10、光阑20、起偏器30、半波片40、非线性晶体50、待标定星敏感器60、标准星敏感器70、第一滤光片80、第二滤光片90、杂光陷阱100、符合计数模块110和数据处理及分析模块120，激光器10用于提供激光光源，光阑20设置在激光器10和起偏器30之间，光阑20用于消除激光器10发出的激光中的杂散光，起偏器30用于对消除杂散光后的激光的线偏振度进行优化，半波片40用于调整优化后的激光的偏振状态，标准星敏感器70用于为待标定星敏感器60提供参考标准，非线性晶体50在偏振状态调整后的激光的作用下产生纠缠光子对以用于为待标定星敏感器60以及标准星敏感器70提供光子，第一滤光片80透过的波长与第二滤光片90透过的波长互为共轭，纠缠光子对的一个光子经过第一滤光片80进入待标定星敏感器60，纠缠光子对的另一个光子经过第二滤光片90进入标准星敏感器70，杂光陷阱100设置在非线性晶体50的正后方，杂光陷阱100用于滤除非线性晶体50后的杂光，符合计数模块110分别与待标定星敏感器60和标准星敏感器70电连接，符合计数模块110用于对待标定星敏感器60和标准星敏感器70进行符合计数，数据处理及分析模块120与符合计数模块110电连接，数据处理及分析模块120用于根据符合计数模块110所获取的计数结果完成待标定星敏感器60的量子效率标定。

应用此种配置方式，提供了一种用于星敏感器的量子效率标定装置，该装置使用两条测量通道对光子数进行计数测量，通过标准星敏感器和待标定星敏感器采集光信号数据，再经过符合技术模块的运算和数据处理及分析模块的数据处理，可以在积极弱光条件下得到待标定星敏感器的量子效率。

进一步地，在本发明中，为了能够保证激光器功率输出稳定且输出状态最优，可将激光器10配置为包括氩离子连续激光器，氩离子连续激光器具有功率稳定模式以及自动Power-Track功能，自动Power-Track功能在保证氩离子连续激光器功率输出稳定的同时实现一定电流下最优的功率输出状态。

作为本发明的一个具体实施例，氩离子连续激光器的输出波长为351.1nm，最大输出功率约100mW，输出偏振态为垂直偏振，光斑直径2mm左右。氩离子连续激光器发出的高能量光源照射在非线性晶体50上会使晶体产生极化。氩离子连续激光器具有功率稳定模式控制，同时具有自动Power-Track功能，Power-Track功能在保证功率输出稳定的同时，可以自动调节内部腔镜实现一定电流下最优的功率输出状态。

此外，在本发明中，激光器10发出激光光源后，激光光源会进入光阑20，光阑20设置在激光器10和起偏器30之间，光阑20能够消除激光器10发出的激光中的杂散光，消除杂散光后的激光进入起偏器30。为了实现在积极弱光条件下获得待标定星敏感器的量子效率，起偏器30将消除杂散光后的激光的线偏振度优化为小于或等于10^-4水平，偏振方向为垂直偏振光。

此外，在本发明中，起偏器30包括包括格兰棱镜，为了能够自动扫描寻找满足非线性晶体50相位匹配条件的最佳格兰-泰勒角度，可将量子效率标定装置配置为还包括电动旋转镜架，起偏器30设置在电动旋转镜架上，电动旋转镜架可带动起偏器30转动以自动扫描获取满足非线性晶体50相位匹配条件的最佳格兰-泰勒角度。

进一步地，在本发明中，激光器10发出的激光经过光阑20和起偏器30后会进入半波片40，半波片40用于调整优化后的激光的偏振状态。具体地，半波片40属于相位延迟器件，它使通过波片的两个互相正交的偏振分量产生相位偏移，可用来调整光束的偏振状态。半波片(1/2波片或1/2λ波片)是指晶体厚度恰恰能使光线的o光(寻常光)和e光(非常光)间光程差为1/2λ的晶体器件。例如，设线偏振光振动方向与晶体光轴夹角为α，通过半波片后，仍为线偏振光，但是其振动方向会变为2ɑ。因此将半波片放置在起偏器和非线性晶体50之间时，如果将半波片(光轴)旋转45°后，泵浦光偏振方向会旋转90°，由此，起到纠缠光子开关的功能。

此外，在本发明中，半波片40在对优化后的激光的偏振状态进行调整之后，激光光束会进入非线性晶体50。在本发明中，非线性晶体50在强光或其他外场(如直流或低频电场、磁场、应变场等)的作用下，能够产生非线性光学效应。作为本发明的一个具体实施例，优选β相偏硼酸钡晶体作为非线性晶体50，非线性晶体50在偏振状态调整后的激光的作用下产生非线性光学效应，非线性晶体发生非线性电极化响应，导致光的频率、强度、偏振态及传播方向等发生改变。具体地，如图1所示，非线性晶体50在泵浦光的照射下能够自发地辐射出频率为和的波，并且频率和相位满足自发参量下转换关系，相位匹配条件为基于能量守恒条件可以对下转换纠缠光子波长进行计算：

根据上述公式，在获知了泵浦光波长λ₀和任何一个光子的波长后，另一个共轭的光子波长就可以被唯一地确定，此处所说的泵浦光波长λ₀即为入射激光的波长。具体地，假如泵浦光波长λ₀和标准星敏感器中的光子波长λ₂是已知的，那么根据即可获得待标定星敏感器中的光子波长λ₁。与此类似，假如泵浦光波长λ₀和待标定星敏感器中的光子波长λ₁是已知的，那么根据即可获得标准星敏感器中的光子波长λ₂。

进一步地，在本发明中，为了从下转换的宽带光子场中提取出需要波长点的光子，本发明的标定装置分别在待标定星敏感器60前设置了第一滤光片80，第一滤光片80的透过波长为λ₁，标准星敏感器70前设置了第二滤光片90，第二滤光片90的透过波长为λ₂。非线性晶体50在泵浦光的照射下能够自发地辐射出频率为和的波，频率为的光波经过第一滤光片80后进入待标定星敏感器60，待标定星敏感器60接收波长为λ₁的光子；频率为的光波经过第二滤光片90后进入标准星敏感器70，标准星敏感器70接收波长为λ₂的光子。

对于纠缠光子而言，两个光子是同时发生的，属于符合事件。符合计数模块110在同时接收到两个探测器的脉冲后，便可输出一个符合脉冲，具体工作原理如图2所示。数据处理及分析模块120与符合计数模块110电连接，数据处理及分析模块120根据符合计数模块110所获取的计数结果可完成待标定星敏感器60的量子效率标定。

具体地，假设第一通道为信号光，第二通道为闲置光，信号光和闲置光中分别对应探测器A和探测器B，探测器A和探测器B分别以量子效率η_A、η_B俘获抽运激光在非线性晶体50中发生参量下转换过程所产生的信号光光子和闲置光光子，如果单位时间内产生N对光子，则待标定的探测器A中会测得N_A个信号光子，N_A＝η_A×N。探测器B可作为触发探测器，它的一个计数就表明测到一个闲置光子，计数率设为N_B＝η_B×N。由于光子是成对产生的，因此在探测器A处必定有一个信号光子(但不一定被探测器A记录到)。对于每一次被探测器B探测到的事件，通过符合电路来检测探测器A是否探测到相应的事件，符合计数率则为N_C＝η_A×η_B×N，因此可以推出，探测器A的量子效率η_A就表示为η_A＝N_C/N_B。同理交换两个通道的信号，通过信号光子通道的单通道计数值及符合计数值又可得到闲置光子通道探测器的量子效率η_B＝N_C/N_A。

为了对本发明有进一步的了解，下面以待标定星敏感器60作为探测器A，标准星敏感器70作为探测器B进行详细说明。符合计数模块110分别与待标定星敏感器60和标准星敏感器70电连接，符合计数模块110对待标定星敏感器60和标准星敏感器70的光子数目进行计数，并将记录结果输入数据处理及分析模块120。如果两个光子分别进入待标定星敏感器60和标准星敏感器70中，将待标定星敏感器60和标准星敏感器70输出的脉冲同时引出到符合计数模块110的符合电路输入端时，便可输出一个符合脉冲。

具体地，假设第一通道为信号光，第二通道为闲置光，信号光对应待标定星敏感器60，闲置光对应标准星敏感器70，待标定星敏感器60以量子效率η_A俘获抽运激光在非线性晶体50中发生参量下转换过程所产生的信号光光子，标准星敏感器70以量子效率η_B俘获抽运激光在非线性晶体50中发生参量下转换过程所产生的闲置光光子，如果单位时间内产生N对光子，则待标定星敏感器60中会测得N_A个信号光子，N_A＝η_A×N。标准星敏感器70可作为触发探测器，它的一个计数就表明测到一个闲置光子，计数率设为N_B＝η_B×N。由于光子是成对产生的，因此在待标定星敏感器60处必定有一个信号光子(但不一定被待标定星敏感器60记录到)。对于每一次被标准星敏感器70探测到的事件，通过符合电路来检测待标定星敏感器60是否探测到相应的事件，符合计数率则为N_C＝η_A×η_B×N，因此可以推出，待标定星敏感器60的量子效率η_A就表示为η_A＝N_C/N_B。其中N_C为符合计数率，N_B为标准星敏感器70的计数率，符合计数率N_C以及标准星敏感器70的计数率N_B均可通过符合计数模块110测量获取。

进一步地，在本发明中，为了防止杂光对待标定星敏感器60和标准星敏感器70的计数造成影响，在非线性晶体50的正后方设置有杂光陷阱100。杂光陷阱100能够有效吸收除了分别进入待标定星敏感器60和标准星敏感器70中的频率为和的其他任何杂光，此处所说的杂光不仅包括非线性晶体50所发出的不是用于进入待标定星敏感器60和标准星敏感器70的其他光，还包括直接由激光器10发出的频率为的透射光。

此外，作为本发明的一个具体实施例，可将符合计数模块110配置为包括双通道门光子计数平台，双通道门光子计数平台利用符合计数数学模型，设置合适的符合计数参数，能够实现光子计数以及准确计数修正。具体地，可选用SR400双通道门光子计数平台作为符合计数模块110。

综上所述，本发明提供了一种用于星敏感器的量子效率标定装置，该装置使用两条测量通道对光子数进行计数测量，通过标准星敏感器和待标定星敏感器采集光信号数据，再经过符合技术模块的运算和数据处理及分析模块的数据处理，可以实现在积极弱光条件下得到待标定星敏感器的量子效率。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。