基于表面等離子體雙穩(wěn)態(tài)的弱光信號(hào)重構(gòu)裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型屬于弱光信號(hào)重構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種基于表面等離子體雙穩(wěn)態(tài)的弱光信號(hào)重構(gòu)裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)無法提取納秒級(jí)信號(hào)的弊端。該裝置包括信號(hào)源、偏振控制器和反饋腔。反饋腔由第一分束鏡、第二分束鏡、第一反射鏡、第二反射鏡和Kretschmann組件構(gòu)成。第一分束鏡設(shè)置在偏振控制器的輸出光路上，Kretschmann組件設(shè)置在第一分束鏡的透射光路上，第二分束鏡設(shè)置在Kretschmann組件的反射光路上，第一反射鏡設(shè)置在第二分束鏡的反射光路上，第二反射鏡設(shè)置在第一反射鏡的反射光路上，第一分束鏡同時(shí)位于第二反射鏡的反射光路上。Kretschmann組件的入射光束的入射角為43.6度～44.5度。
【專利說明】
基于表面等離子體雙穩(wěn)態(tài)的弱光信號(hào)重構(gòu)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于弱光信號(hào)的隨機(jī)共振重構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于表面等離子體雙穩(wěn)態(tài)的弱光信號(hào)重構(gòu)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]弱光指有用的信號(hào)光振幅相對(duì)于背景噪聲很小，接收端接收到的信噪比較低。在實(shí)際應(yīng)用中，光學(xué)信號(hào)經(jīng)常會(huì)被背景噪聲所煙沒而難以直接檢測。在遠(yuǎn)距離光通信中，對(duì)圖像造成干擾的背景噪聲有很多種，包括閃電、雷擊、大氣電暴、宇宙噪聲等自然噪聲，以及外臺(tái)信號(hào)、工業(yè)燈光輻射等人為噪聲。這些混亂無序的干擾因素都會(huì)造成接收端信噪比降低使得有用信號(hào)難以被檢測。因此，強(qiáng)噪聲背景下的弱光信號(hào)非線性放大與信噪比提升技術(shù)有著極其重要的研究與應(yīng)用價(jià)值。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，弱光檢測的應(yīng)用范圍也得到更廣泛地?cái)U(kuò)展。激光雷達(dá)、空間光通信、天基目標(biāo)檢測、光學(xué)遙感測量、氣象監(jiān)測、晨昏軌道微光云圖、微光夜視、醫(yī)學(xué)生物電信號(hào)檢測等眾多軍事民用領(lǐng)域都對(duì)微弱光學(xué)信號(hào)提取與探測的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)提出了更高要求。因此，如何有效的從高強(qiáng)度背景噪聲中識(shí)別出有序信號(hào)，并且能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，響應(yīng)速度能夠達(dá)到納秒甚至更快的弱光信號(hào)重構(gòu)技術(shù)已成為弱光技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域研究及發(fā)展關(guān)鍵問題。
[0003]由于背景噪聲的特性以及探測系統(tǒng)本征噪聲的作用，以濾波為主的常規(guī)弱光信號(hào)檢測方式已逐漸不能完全滿足人類對(duì)宏觀與微觀世界的探索需求。傳統(tǒng)的濾波方式在輸入信噪比較低的情況下，能夠獲得較好的信號(hào)提取效果，但是對(duì)于完全煙沒在強(qiáng)噪聲背景下的弱光信號(hào)，或者光信號(hào)與噪聲信號(hào)頻率相同或接近的情況下，以濾波為主的傳統(tǒng)探測方式無能為力，因此研究強(qiáng)噪聲背景下弱光信號(hào)的重構(gòu)與增強(qiáng)迫在眉睫。
[0004]人們一般認(rèn)為噪聲是有害的，噪聲越大信號(hào)越差。但是隨機(jī)共振理論指出，當(dāng)含有噪聲的系統(tǒng)發(fā)生隨機(jī)共振時(shí)，部分噪聲能量會(huì)轉(zhuǎn)化為有用的信號(hào)能量，從而使得系統(tǒng)輸出信噪比大大提高，會(huì)提高信號(hào)檢測性能。隨機(jī)共振可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)噪聲背景下的弱光信號(hào)提取，即使原有的噪聲與信號(hào)同頻率，這一點(diǎn)是常規(guī)的探測方法所不能實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)有隨機(jī)共振方法主要包括兩種:調(diào)制不穩(wěn)定性以及雙穩(wěn)態(tài)。但二者都必須滿足三個(gè)條件才可以產(chǎn)生:非線性系統(tǒng)、輸入調(diào)制信號(hào)、噪聲源?；陔p穩(wěn)態(tài)的隨機(jī)共振技術(shù)可以滿足這三個(gè)條件，并且可以實(shí)現(xiàn)時(shí)域信號(hào)的提取。但是由于產(chǎn)生機(jī)理不同，有的雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振系統(tǒng)只能夠響應(yīng)到毫秒或秒級(jí)信號(hào)，對(duì)于納秒甚至超快的信號(hào)卻無能為力。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種響應(yīng)速率可達(dá)納秒級(jí)的基于表面等離子體雙穩(wěn)態(tài)的弱光信號(hào)重構(gòu)方法及裝置。
[0006]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是所提供的基于表面等離子體雙穩(wěn)態(tài)的弱光信號(hào)重構(gòu)裝置包括信號(hào)源，其特殊之處在于:還包括:偏振控制器和反饋腔。偏振控制器設(shè)置在輸入信號(hào)的傳播路徑上；反饋腔由第一分束鏡、第二分束鏡、第一反射鏡、第二反射鏡和Kretschmann組件構(gòu)成，其中第一分束鏡設(shè)置在偏振控制器的輸出光路上，Kretschmann組件設(shè)置在第一分束鏡的透射光路上，第二分束鏡設(shè)置在Kretschmann組件的反射光路上，第一反射鏡設(shè)置在第二分束鏡的反射光路上，第二反射鏡設(shè)置在第一反射鏡的反射光路上，第一分束鏡同時(shí)位于第二反射鏡的反射光路上。第二分束鏡的透射光路上設(shè)置有示波器。Kretschmann組件從上至下依次由棱鏡、金屬層和克爾介質(zhì)組成，其中克爾介質(zhì)位于最底層;Kretschmann組件的入射光束的入射角為43.6度?44.5度。
[0007]為本實(shí)用新型的輸出信號(hào)時(shí)域畸變減小，上述Kretschmann組件的入射光束的入射角為43.9度;Kretschmann組件的金屬層厚度為20nm，Kretschmann組件的寬度和總厚度不小于Kretschmann組件入射光波長的1/2;上述克爾介質(zhì)為鈉蒸汽。
[0008]上述第一分束鏡的下表面(即第二反射鏡的反射光入射到第一分束鏡時(shí)的入射表面，也就是第一分束鏡面向Kretschmann組件的那一面)鍍有500?600nm高反膜，以減小第二反射鏡的反射光入射到第二分束鏡時(shí)第二分束鏡的透射光強(qiáng)度，進(jìn)而減小反饋腔內(nèi)光束的能量損失，提高本實(shí)用新型的輸出效率。
[0009]上述第二分束鏡的分束比為50:50。
[0010]為使示波器盡可能完全接收本實(shí)用新型所還原的弱光信號(hào)(即第二分束鏡的透射光束)，本實(shí)用新型在第二分束鏡和示波器之間的光路上設(shè)置有準(zhǔn)直透鏡。
[0011 ]本實(shí)用新型采用由棱鏡、金屬層和克爾介質(zhì)組成的Kretschmann組件，當(dāng)TM偏振光入射到Kretschmann組件時(shí)，在其金屬層和克爾介質(zhì)的分界面上產(chǎn)生倏逝波，該倏逝波沿金屬層和克爾介質(zhì)的交界面?zhèn)鞑r(shí)沿該交界面激發(fā)表面等離子體，致使Kretschmann組件對(duì)其入射光的反射率發(fā)生改變，Kretschmann組件對(duì)入射光的反射系數(shù)為入射光光強(qiáng)的函數(shù)(非線性)，進(jìn)而產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振;通過由第一分束鏡、第二分束鏡、第一反射鏡、第二反射鏡和Kretschmann組件構(gòu)成反饋腔，可實(shí)現(xiàn)被噪聲煙沒的納秒級(jí)弱光信號(hào)的還原。
[0012]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是:
[0013](I)結(jié)構(gòu)簡單、光路易搭建，成本低；
[0014](2)輸出信號(hào)時(shí)域畸變小，不存在明顯的延遲現(xiàn)象
[0015]本實(shí)用新型可通過調(diào)整Kretschmann組件入射光的入射角的大小、金屬層厚度來減小輸出信號(hào)的時(shí)域畸變。當(dāng)Kretschmann組件入射光的入射角為43.9度、金屬層的厚度為20nm時(shí)，輸出信號(hào)的時(shí)域畸變趨近于O。
[0016](3)本實(shí)用新型的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的互相關(guān)度增益對(duì)應(yīng)的范圍較大，輸入信號(hào)中的信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度比為1:5?1:30都可以實(shí)現(xiàn)互相關(guān)度增益高于6的輸出信號(hào)。
【附圖說明】
[0017]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理不意圖；
[0018]圖2a為本實(shí)用新型在帶有強(qiáng)噪聲的輸入信號(hào)圖；
[0019]圖2b為本實(shí)用新型提取的納秒脈沖信號(hào)圖；
[0020]其中:1-信號(hào)源;2-偏振控制器;3-第一分束鏡;4-Kretschmann組件;41-棱鏡;42-金屬層;43-克爾介質(zhì)；5-第二分束鏡;6-第一反射鏡;7-第二反射鏡;8-準(zhǔn)直透鏡;9-不波器。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。
[0022]如圖1所示，本實(shí)用新型所提供的基于表面等離子體雙穩(wěn)態(tài)的弱光信號(hào)重構(gòu)裝置包括信號(hào)源1、偏振控制器2和反饋腔。偏振控制器2設(shè)置在整個(gè)裝置輸入信號(hào)的傳播路徑上;反饋腔由第一分束鏡3、第二分束鏡5、第一反射鏡6、第二反射鏡7和Kretschmann組件4構(gòu)成，其中第一分束鏡3設(shè)置在偏振控制器2的輸出光路上，Kretschmann組件4設(shè)置在第一分束鏡3的透射光路上，第二分束鏡7設(shè)置在Kretschmann組件4的反射光路上，第一反射鏡6設(shè)置在第二分束鏡5的反射光路上，第二反射鏡7設(shè)置在第一反射鏡6的反射光路上，第一分束鏡3同時(shí)位于第二反射鏡7的反射光路上。第二分束鏡5的透射光路上設(shè)置有示波器9，用于檢測所還原的弱光信號(hào)。Kretschmann組件4由棱鏡41、金屬層42和克爾介質(zhì)43組成，其中棱鏡41位于Kretschmann組件最上層，金屬層42位于Kretschmann組件的中間層，克爾介質(zhì)43位于Kretschmann組件的最底層。本實(shí)用新型的克爾介質(zhì)43可采用鈉蒸汽。為產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)共振，Kretschmann組件的入射光束的入射角應(yīng)為43.6度?44.5度。
[0023]為使本實(shí)用新型的輸出信號(hào)時(shí)域畸變減至最小(即使輸出信號(hào)與輸入信號(hào)在時(shí)域上的相位差減至最小)，本實(shí)用新型Kr e t s c hmann組件4的入射光束的入射角的最佳值為43.9度，金屬層42的厚度為20nm，Kretschmann組件4的寬度和總厚度不小于Kretschmann組件4入射光波長的1/2。
[0024]作為優(yōu)化，本實(shí)用新型在第一分束鏡3的下表面鍍有500?600nm高反膜，以減小反饋腔內(nèi)光束的能量損失，提高整個(gè)裝置的輸出效率(即輸出信號(hào)強(qiáng)度/輸入信號(hào)強(qiáng)度)；采用分束比為50:50的分束鏡作為第二分束鏡5，裝置的輸出效率最大，可達(dá)40%?50%。
[0025]為使示波器9盡可能完全接收本實(shí)用新型所還原的弱光信號(hào)(即第二分束鏡5的透射光束)，本實(shí)用新型在第二分束鏡5和示波器9之間的光路上設(shè)置有準(zhǔn)直透鏡8。
[0026]本實(shí)用新型的工作原理和工作過程為:
[0027]從信號(hào)源I輸出的信號(hào)(帶有強(qiáng)噪聲背景的納秒級(jí)脈沖源)作為整個(gè)裝置的輸入信號(hào)進(jìn)入偏振控制器2，偏振控制器2用于將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)門M偏振光(因?yàn)橹挥蠺M模式的入射光束可以發(fā)生表面等離子體的共振透射增強(qiáng)效應(yīng)，而TE模式的入射光不會(huì)發(fā)生該效應(yīng))。
[0028]TM偏振光入射到第一分束鏡3上，第一分束鏡3的透射光束再入射到Kretschmann組件4上，Kretschmann組件4的入射光束在金屬層42和克爾介質(zhì)43的分界面上產(chǎn)生倏逝波(具體的是沿垂直于金屬層42和克爾介質(zhì)43分界面的方向產(chǎn)生倏逝波)，該倏逝波沿金屬層42和克爾介質(zhì)43的分界面?zhèn)鞑r(shí)便可激發(fā)表面等離子體，由此導(dǎo)致Kretschmann組件4對(duì)其入射光的反射率發(fā)生改變，并且反射系數(shù)為入射光光強(qiáng)的非線性函數(shù)。
[0029]Kretschmann組件4的反射光束再入射到第二分束鏡5上，第二分束鏡5的反射光束入射到第一反射鏡6上，第一反射鏡6的反射光束入射到第二反射鏡7上，第二反射鏡7的反射光束最后再入射到第一分束鏡3上，如此第一分束鏡3、KretSchmann組件4、第二分束鏡5、第一反射鏡6和第二反射鏡7便構(gòu)成了一個(gè)反饋腔，將輸入信號(hào)還原為弱光信號(hào)(即第二分束鏡5的透射光束)，所還原的弱光信號(hào)通過準(zhǔn)直透鏡8入射到示波器9上，由示波器9檢測。
[0030]評(píng)價(jià)本實(shí)用新型提取弱光信號(hào)能力的指標(biāo)有兩個(gè):互相關(guān)度增益(單位:倍)和信噪比增益(單位:dB)，數(shù)值越大，提取弱光信號(hào)的性能越好。這兩個(gè)指標(biāo)的計(jì)算方法為:[0031 ] (I)互相關(guān)度增益的計(jì)算方法為:
[0032]X =〈純凈信號(hào)〉與〈輸出信號(hào)〉的互相關(guān)度；
[0033]y =〈純凈信號(hào)〉與〈輸入信號(hào)〉的互相關(guān)度；
[0034]互相關(guān)度增益=x/y
[0035](2)信噪比增益的計(jì)算方法為:
[0036]SNI^i\=20*log(al/a2);
[0037]SNI^細(xì)= 20*log(cl/c2);
[0038]信噪比增益= SNI^細(xì)
[0039]式中al為輸入信號(hào)的最大強(qiáng)度;a2為輸入信號(hào)的基底強(qiáng)度;cI為輸出信號(hào)的最大強(qiáng)度;c2為輸出信號(hào)的基底強(qiáng)度。
[0040]下面結(jié)合圖2a和圖2b對(duì)本實(shí)用新型從某一強(qiáng)度噪聲背景下提取弱光信號(hào)的能力進(jìn)行詳細(xì)說明(圖2a和圖2b可從示波器上直接顯示)。
[0041]圖2a為本實(shí)用新型的輸入信號(hào)，其中黑色實(shí)曲線a為含強(qiáng)噪聲的輸入信號(hào)，黑色虛曲線b為未被噪聲污染的純凈信號(hào)；圖2b為本實(shí)用新型的輸出信號(hào)，其中黑色實(shí)曲線c為所提取的納秒脈沖信號(hào)。
[0042]從圖2&和圖213中可知:&1=0.65，&2= 0.54，。1=0.18，。2 = 0.015。
[0043](I)本實(shí)用新型在輸入圖2a所示的輸入信號(hào)后，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的互相關(guān)度增益= x/y = corr2(b，c)/corr2(b，a) =0.7796/0.1126 = 6.9236倍。
[0044]注:corrf為將示波器顯示的曲線數(shù)據(jù)(即圖2a和圖2b)讀入matlab軟件后，計(jì)算互相關(guān)度的通用指令。
[0045](2)本實(shí)用新型在輸入圖2a所示的輸入信號(hào)后，輸出信號(hào)的信噪比增益為:
[0046]信噪比增益=SNR$細(xì)-SNR$tA=20*log(cl/c2)-20*log(al/a2) = 20*log(0.18/
0.015)-20*log(0.65/0.54)=45.99dB。
[0047]綜上所述，本實(shí)用新型的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的互相關(guān)度增益值較大(可達(dá)6倍以上)，輸出信號(hào)的信噪比接近50dB ο而傳統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)共振系統(tǒng)的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的互相關(guān)度增益值在2倍?3倍，輸出信號(hào)的信噪比在1dB?20dB。由此可見，較之傳統(tǒng)雙穩(wěn)態(tài)共振系統(tǒng)，本實(shí)用新型在強(qiáng)噪聲背景下提取弱光信號(hào)的優(yōu)勢。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于表面等離子體雙穩(wěn)態(tài)的弱光信號(hào)重構(gòu)裝置，包括信號(hào)源;其特征在于:還包括偏振控制器和反饋腔;所述偏振控制器設(shè)置在輸入信號(hào)的傳播路徑上;所述反饋腔由第一分束鏡、第二分束鏡、第一反射鏡、第二反射鏡和Kretschmann組件構(gòu)成;所述第一分束鏡設(shè)置在偏振控制器的輸出光路上，所述Kretschmann組件設(shè)置在第一分束鏡的透射光路上，所述第二分束鏡設(shè)置在Kretschmann組件的反射光路上，所述第一反射鏡設(shè)置在第二分束鏡的反射光路上，所述第二反射鏡設(shè)置在第一反射鏡的反射光路上，所述第一分束鏡同時(shí)位于第二反射鏡的反射光路上;所述第二分束鏡的透射光路上設(shè)置有示波器;所述Kretschmann組件從上至下依次由棱鏡、金屬層和克爾介質(zhì)組成，其中克爾介質(zhì)位于最底層；所述Kretschmann組件的入射光束的入射角為43.6度?44.5度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于表面等離子體雙穩(wěn)態(tài)的弱光信號(hào)重構(gòu)裝置，其特征在于:所述Kr e t s chmann組件的入射光束的入射角為43.9度。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于表面等離子體雙穩(wěn)態(tài)的弱光信號(hào)重構(gòu)裝置，其特征在于:所述Kretschmann組件的金屬層厚度為20nm，Kretschmann組件的寬度和總厚度不小于Kretschmann組件入射光波長的1/2。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于表面等離子體雙穩(wěn)態(tài)的弱光信號(hào)重構(gòu)裝置，其特征在于:所述克爾介質(zhì)為鈉蒸汽。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于表面等離子體雙穩(wěn)態(tài)的弱光信號(hào)重構(gòu)裝置，其特征在于:所述第一分束鏡的下表面鍍有500?600nm高反膜。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于表面等離子體雙穩(wěn)態(tài)的弱光信號(hào)重構(gòu)裝置，其特征在于:所述第二分束鏡的分束比為50:50。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于表面等離子體雙穩(wěn)態(tài)的弱光信號(hào)重構(gòu)裝置，其特征在于:所述第二分束鏡和示波器之間的光路上設(shè)置有準(zhǔn)直透鏡。
【文檔編號(hào)】G02B27/56GK205450466SQ201521132751
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2015年12月30日
【發(fā)明人】劉紅軍, 韓靖, 孫啟兵, 黃楠
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所