基于主动通量稳定与分数塔尔伯特自成像技术实现超稳定空间均匀单色光束生成的新方法及其在辐射计量中的应用

本研究针对高精度光学测量中对时空稳定、均匀单色光源的迫切需求，开发了一套基于商用光学元件的创新型光学系统。通过结合主动激光功率控制(LPC)与微透镜阵列(MLA)分束均化技术，实现了±40 ppm的超高时间稳定性与99.6%的空间均匀性，输出光束扩展至45×45 mm2。该系统为光谱辐射测量、光伏器件标定与荧光显微成像等领域提供了可靠且可溯源的校准平台，其扩展不确定度低至0.46%，显著提升了光学测量的准确性与可比性。

　　

在环境科学、光伏技术、生物成像与光学仪器校准等领域，高质量的单色光源扮演着至关重要的角色。这类光源不仅需要具备高度的单色性和空间均匀性，还必须保持长时间的时间稳定性，以满足精密测量与标准化实验的需求。例如，在太阳光谱辐照度（SSI）测量中，高精度光谱辐射计需定期在实验室进行特性表征与校准，而传统方法往往存在系统复杂、校准链长、无法同时兼顾时间稳定性与空间均匀性等问题。此外，新型多结光伏（PV）电池在单色光与宽带光下的响应差异显著，亟需波长可调、光斑均匀且时间稳定的单色光源进行准确标定。尽管当前已有基于积分球或折射型光束整形器的均光系统，但其往往存在能量损耗高、输出光束尺寸固定、易产生荧光干扰等问题，难以同时满足多项高性能指标。

为此，来自瑞士达沃斯物理气象观测台与世界辐射中心（PMOD/WRC）的Salim Ferhat与Julian Gr?bner团队在《Optics》上发表了一项研究，提出了一种基于主动通量稳定与分数塔尔伯特自成像（Fractional Talbot Self-Imaging）的新型光学系统，旨在实现超稳定、高均匀度的单色光束输出，并为各类光学测量与仪器校准提供可靠平台。

该研究主要依托以下几项关键技术方法：首先，采用激光功率控制器（LPC）与高速液晶调制器实时反馈控制激光通量，实现长时间尺度下的超高时间稳定性（最低至±40 ppm）。其次，通过空间滤波器对激光高斯光束进行滤波与准直，提升其空间质量。最关键的是，研究团队设计了一套基于双微透镜阵列（MLA）的均化扩束系统，结合负透镜扩束与分数塔尔伯特效应，将激光转换为均匀分布的“平顶”光束。此外，借助基于菲涅耳衍射与傅里叶分析的数值模型，对光束传播与均化过程进行仿真与优化，指导实验参数选择与系统配置。实验验证部分则通过高灵敏度光电二极管扫描与光束分析相机，对输出光束的时间稳定性和空间均匀性进行定量评估。

3.1. 辐照度空间均匀性

通过微透镜阵列均化器与分数塔尔伯特效应，研究团队成功将初始的高斯光束转化为空间分布高度均匀的扩束光束。模拟与实验结果表明，在距均化器360 mm的最佳观测平面上，光束可扩展至55×55 mm2，其中央45×45 mm2区域内的空间均匀性高达99.6%，不均匀性低于0.4%。该均匀性水平优于多数现有均化技术，且可通过调整传播距离进一步优化。

3.2. 时间稳定性

在时间稳定性方面，系统表现极为出色。未扩束的原始高斯激光光束在48小时连续运行中，其通量波动保持在300 ppm以内，且在最佳稳定阶段可达40 ppm（持续6小时以上）。即便经过扩束与均化处理后，光束的时间稳定性虽略有下降，但仍能维持在500 ppm水平（16小时测量），完全满足绝大多数高精度光学测量的需求。

3.3. 光学通量与不确定度预算

系统最终输出的光束通量为2 mW，在360 mm处产生的辐照度为870 mW·m?2，与室外太阳光谱在475 nm附近的辐照度属同一量级，非常适用于太阳模拟与光伏标定等应用。通过对空间均匀性和时间波动等主要不确定度来源的综合评估，该系统所生成辐照度值的扩展相对不确定度（k=2）仅为0.46%，优于多数已报道的均光系统。

该研究通过巧妙地结合主动反馈稳定技术与衍射光学均化手段，成功开发出一套高性能、易搭建的单色光束生成系统。其不仅在时间稳定性和空间均匀性方面达到领先水平，还具备输出光斑尺寸可调、系统兼容性强、能量损失低等优势，克服了传统积分球系统荧光干扰与能量效率低的局限。该成果为光学计量、器件标定、成像系统校准等领域提供了极为可靠的光源解决方案，尤其有助于提升太阳辐射测量、多结光伏电池表征、荧光显微镜定量分析等应用的准确性与可重复性。未来，通过选用更高功率激光器并优化光学镀膜，还可进一步提高输出功率与系统效率，拓展其应用范围。