基于表面等離子體雙穩態的弱光信號重構裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型屬于弱光信號重構技術領域，提供了一種基于表面等離子體雙穩態的弱光信號重構裝置，以解決現有技術無法提取納秒級信號的弊端。該裝置包括信號源、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組件構成。第一分束鏡設置在偏振控制器的輸出光路上，Kretschmann組件設置在第一分束鏡的透射光路上，第二分束鏡設置在Kretschmann組件的反射光路上，第一反射鏡設置在第二分束鏡的反射光路上，第二反射鏡設置在第一反射鏡的反射光路上，第一分束鏡同時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態的弱光信號重構裝置
技術領域
[0001]本實用新型屬于弱光信號的隨機共振重構技術領域，具體涉及一種基于表面等離子體雙穩態的弱光信號重構裝置。
【背景技術】
[0002]弱光指有用的信號光振幅相對于背景噪聲很小，接收端接收到的信噪比較低。在實際應用中，光學信號經常會被背景噪聲所煙沒而難以直接檢測。在遠距離光通信中，對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，以及外臺信號、工業燈光輻射等人為噪聲。這些混亂無序的干擾因素都會造成接收端信噪比降低使得有用信號難以被檢測。因此，強噪聲背景下的弱光信號非線性放大與信噪比提升技術有著極其重要的研究與應用價值。隨著科學技術的不斷進步，弱光檢測的應用范圍也得到更廣泛地擴展。激光雷達、空間光通信、天基目標檢測、光學遙感測量、氣象監測、晨昏軌道微光云圖、微光夜視、醫學生物電信號檢測等眾多軍事民用領域都對微弱光學信號提取與探測的關鍵技術環節提出了更高要求。因此，如何有效的從高強度背景噪聲中識別出有序信號，并且能適應各種復雜環境，響應速度能夠達到納秒甚至更快的弱光信號重構技術已成為弱光技術與應用領域研究及發展關鍵問題。
[0003]由于背景噪聲的特性以及探測系統本征噪聲的作用，以濾波為主的常規弱光信號檢測方式已逐漸不能完全滿足人類對宏觀與微觀世界的探索需求。傳統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提取效果，但是對于完全煙沒在強噪聲背景下的弱光信號，或者光信號與噪聲信號頻率相同或接近的情況下，以濾波為主的傳統探測方式無能為力，因此研究強噪聲背景下弱光信號的重構與增強迫在眉睫。
[0004]人們一般認為噪聲是有害的，噪聲越大信號越差。但是隨機共振理論指出，當含有噪聲的系統發生隨機共振時，部分噪聲能量會轉化為有用的信號能量，從而使得系統輸出信噪比大大提高，會提高信號檢測性能。隨機共振可以實現強噪聲背景下的弱光信號提取，即使原有的噪聲與信號同頻率，這一點是常規的探測方法所不能實現的。現有隨機共振方法主要包括兩種:調制不穩定性以及雙穩態。但二者都必須滿足三個條件才可以產生:非線性系統、輸入調制信號、噪聲源。基于雙穩態的隨機共振技術可以滿足這三個條件，并且可以實現時域信號的提取。但是由于產生機理不同，有的雙穩態隨機共振系統只能夠響應到毫秒或秒級信號，對于納秒甚至超快的信號卻無能為力。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種響應速率可達納秒級的基于表面等離子體雙穩態的弱光信號重構方法及裝置。
[0006]本實用新型的技術方案是所提供的基于表面等離子體雙穩態的弱光信號重構裝置包括信號源，其特殊之處在于:還包括:偏振控制器和反饋腔。偏振控制器設置在輸入信號的傳播路徑上；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組件構成，其中第一分束鏡設置在偏振控制器的輸出光路上，Kretschmann組件設置在第一分束鏡的透射光路上，第二分束鏡設置在Kretschmann組件的反射光路上，第一反射鏡設置在第二分束鏡的反射光路上，第二反射鏡設置在第一反射鏡的反射光路上，第一分束鏡同時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、金屬層和克爾介質組成，其中克爾介質位于最底層;Kretschmann組件的入射光束的入射角為43.6度?44.5度。
[0007]為本實用新型的輸出信號時域畸變減小，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第二分束鏡的透射光強度，進而減小反饋腔內光束的能量損失，提高本實用新型的輸出效率。
[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用新型所還原的弱光信號(即第二分束鏡的透射光束)，本實用新型在第二分束鏡和示波器之間的光路上設置有準直透鏡。
[0011 ]本實用新型采用由棱鏡、金屬層和克爾介質組成的Kretschmann組件，當TM偏振光入射到Kretschmann組件時，在其金屬層和克爾介質的分界面上產生倏逝波，該倏逝波沿金屬層和克爾介質的交界面傳播時沿該交界面激發表面等離子體，致使Kretschmann組件對其入射光的反射率發生改變，Kretschmann組件對入射光的反射系數為入射光光強的函數(非線性)，進而產生雙穩態隨機共振;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組件構成反饋腔，可實現被噪聲煙沒的納秒級弱光信號的還原。
[0012]本實用新型的優點是:
[0013](I)結構簡單、光路易搭建，成本低；
[0014](2)輸出信號時域畸變小，不存在明顯的延遲現象
[0015]本實用新型可通過調整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的時域畸變。當Kretschmann組件入射光的入射角為43.9度、金屬層的厚度為20nm時，輸出信號的時域畸變趨近于O。
[0016](3)本實用新型的輸出信號與輸入信號的互相關度增益對應的范圍較大，輸入信號中的信號強度與噪聲強度比為1:5?1:30都可以實現互相關度增益高于6的輸出信號。
【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型的結構原理不意圖；
[0018]圖2a為本實用新型在帶有強噪聲的輸入信號圖；
[0019]圖2b為本實用新型提取的納秒脈沖信號圖；
[0020]其中:1-信號源;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；5-第二分束鏡;6-第一反射鏡;7-第二反射鏡;8-準直透鏡;9-不波器。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步的說明。
[0022]如圖1所示，本實用新型所提供的基于表面等離子體雙穩態的弱光信號重構裝置包括信號源1、偏振控制器2和反饋腔。偏振控制器2設置在整個裝置輸入信號的傳播路徑上;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構成，其中第一分束鏡3設置在偏振控制器2的輸出光路上，Kretschmann組件4設置在第一分束鏡3的透射光路上，第二分束鏡7設置在Kretschmann組件4的反射光路上，第一反射鏡6設置在第二分束鏡5的反射光路上，第二反射鏡7設置在第一反射鏡6的反射光路上，第一分束鏡3同時位于第二反射鏡7的反射光路上。第二分束鏡5的透射光路上設置有示波器9，用于檢測所還原的弱光信號。Kretschmann組件4由棱鏡41、金屬層42和克爾介質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43位于Kretschmann組件的最底層。本實用新型的克爾介質43可采用鈉蒸汽。為產生雙穩態共振，Kretschmann組件的入射光束的入射角應為43.6度?44.5度。
[0023]為使本實用新型的輸出信號時域畸變減至最小(即使輸出信號與輸入信號在時域上的相位差減至最小)，本實用新型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]作為優化，本實用新型在第一分束鏡3的下表面鍍有500?600nm高反膜，以減小反饋腔內光束的能量損失，提高整個裝置的輸出效率(即輸出信號強度/輸入信號強度)；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40%?50%。
[0025]為使示波器9盡可能完全接收本實用新型所還原的弱光信號(即第二分束鏡5的透射光束)，本實用新型在第二分束鏡5和示波器9之間的光路上設置有準直透鏡8。
[0026]本實用新型的工作原理和工作過程為:
[0027]從信號源I輸出的信號(帶有強噪聲背景的納秒級脈沖源)作為整個裝置的輸入信號進入偏振控制器2，偏振控制器2用于將輸入信號轉變為TM偏振光(因為只有TM模式的入射光束可以發生表面等離子體的共振透射增強效應，而TE模式的入射光不會發生該效應)。
[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43的分界面上產生倏逝波(具體的是沿垂直于金屬層42和克爾介質43分界面的方向產生倏逝波)，該倏逝波沿金屬層42和克爾介質43的分界面傳播時便可激發表面等離子體，由此導致Kretschmann組件4對其入射光的反射率發生改變，并且反射系數為入射光光強的非線性函數。
[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便構成了一個反饋腔，將輸入信號還原為弱光信號(即第二分束鏡5的透射光束)，所還原的弱光信號通過準直透鏡8入射到示波器9上，由示波器9檢測。
[0030]評價本實用新型提取弱光信號能力的指標有兩個:互相關度增益(單位:倍)和信噪比增益(單位:dB)，數值越大，提取弱光信號的性能越好。這兩個指標的計算方法為:[0031 ] (I)互相關度增益的計算方法為:
[0032]X =〈純凈信號〉與〈輸出信號〉的互相關度；
[0033]y =〈純凈信號〉與〈輸入信號〉的互相關度；
[0034]互相關度增益=x/y
[0035](2)信噪比增益的計算方法為:
[0036]SNI^i\=20*log(al/a2);
[0037]SNI^細= 20*log(cl/c2);
[0038]信噪比增益= SNI^細
[0039]式中al為輸入信號的最大強度;a2為輸入信號的基底強度;cI為輸出信號的最大強度;c2為輸出信號的基底強度。
[0040]下面結合圖2a和圖2b對本實用新型從某一強度噪聲背景下提取弱光信號的能力進行詳細說明(圖2a和圖2b可從示波器上直接顯示)。
[0041]圖2a為本實用新型的輸入信號，其中黑色實曲線a為含強噪聲的輸入信號，黑色虛曲線b為未被噪聲污染的純凈信號；圖2b為本實用新型的輸出信號，其中黑色實曲線c為所提取的納秒脈沖信號。
[0042]從圖2&和圖213中可知:&1=0.65，&2= 0.54，。1=0.18，。2 = 0.015。
[0043](I)本實用新型在輸入圖2a所示的輸入信號后，輸出信號與輸入信號的互相關度增益= 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據(即圖2a和圖2b)讀入matlab軟件后，計算互相關度的通用指令。
[0045](2)本實用新型在輸入圖2a所示的輸入信號后，輸出信號的信噪比增益為:
[0046]信噪比增益=SNR$細-SNR$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，本實用新型的輸出信號與輸入信號的互相關度增益值較大(可達6倍以上)，輸出信號的信噪比接近50dB ο而傳統的雙穩態共振系統的輸出信號與輸入信號的互相關度增益值在2倍?3倍，輸出信號的信噪比在1dB?20dB。由此可見，較之傳統雙穩態共振系統，本實用新型在強噪聲背景下提取弱光信號的優勢。
【主權項】
1.基于表面等離子體雙穩態的弱光信號重構裝置，包括信號源;其特征在于:還包括偏振控制器和反饋腔;所述偏振控制器設置在輸入信號的傳播路徑上;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組件構成;所述第一分束鏡設置在偏振控制器的輸出光路上，所述Kretschmann組件設置在第一分束鏡的透射光路上，所述第二分束鏡設置在Kretschmann組件的反射光路上，所述第一反射鏡設置在第二分束鏡的反射光路上，所述第二反射鏡設置在第一反射鏡的反射光路上，所述第一分束鏡同時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、金屬層和克爾介質組成，其中克爾介質位于最底層；所述Kretschmann組件的入射光束的入射角為43.6度?44.5度。2.根據權利要求1所述的基于表面等離子體雙穩態的弱光信號重構裝置，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.根據權利要求2所述的基于表面等離子體雙穩態的弱光信號重構裝置，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.根據權利要求3所述的基于表面等離子體雙穩態的弱光信號重構裝置，其特征在于:所述克爾介質為鈉蒸汽。5.根據權利要求4所述的基于表面等離子體雙穩態的弱光信號重構裝置，其特征在于:所述第一分束鏡的下表面鍍有500?600nm高反膜。6.根據權利要求5所述的基于表面等離子體雙穩態的弱光信號重構裝置，其特征在于:所述第二分束鏡的分束比為50:50。7.根據權利要求6所述的基于表面等離子體雙穩態的弱光信號重構裝置，其特征在于:所述第二分束鏡和示波器之間的光路上設置有準直透鏡。
【文檔編號】G02B27/56GK205450466SQ201521132751
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年12月30日
【發明人】劉紅軍, 韓靖, 孫啟兵, 黃楠
【申請人】中國科學院西安光學精密機械研究所