基于表面等离子体双稳态的弱光信号重构装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型属于弱光信号重构技术领域，提供了一种基于表面等离子体双稳态的弱光信号重构装置，以解决现有技术无法提取纳秒级信号的弊端。该装置包括信号源、偏振控制器和反馈腔。反馈腔由第一分束镜、第二分束镜、第一反射镜、第二反射镜和Kretschmann组件构成。第一分束镜设置在偏振控制器的输出光路上，Kretschmann组件设置在第一分束镜的透射光路上，第二分束镜设置在Kretschmann组件的反射光路上，第一反射镜设置在第二分束镜的反射光路上，第二反射镜设置在第一反射镜的反射光路上，第一分束镜同时位于第二反射镜的反射光路上。Kretschmann组件的入射光束的入射角为43.6度～44.5度。
【专利说明】
基于表面等离子体双稳态的弱光信号重构装置
技术领域
[0001]本实用新型属于弱光信号的随机共振重构技术领域，具体涉及一种基于表面等离子体双稳态的弱光信号重构装置。
【背景技术】
[0002]弱光指有用的信号光振幅相对于背景噪声很小，接收端接收到的信噪比较低。在实际应用中，光学信号经常会被背景噪声所煙没而难以直接检测。在远距离光通信中，对图像造成干扰的背景噪声有很多种，包括闪电、雷击、大气电暴、宇宙噪声等自然噪声，以及外台信号、工业灯光辐射等人为噪声。这些混乱无序的干扰因素都会造成接收端信噪比降低使得有用信号难以被检测。因此，强噪声背景下的弱光信号非线性放大与信噪比提升技术有着极其重要的研究与应用价值。随着科学技术的不断进步，弱光检测的应用范围也得到更广泛地扩展。激光雷达、空间光通信、天基目标检测、光学遥感测量、气象监测、晨昏轨道微光云图、微光夜视、医学生物电信号检测等众多军事民用领域都对微弱光学信号提取与探测的关键技术环节提出了更高要求。因此，如何有效的从高强度背景噪声中识别出有序信号，并且能适应各种复杂环境，响应速度能够达到纳秒甚至更快的弱光信号重构技术已成为弱光技术与应用领域研究及发展关键问题。
[0003]由于背景噪声的特性以及探测系统本征噪声的作用，以滤波为主的常规弱光信号检测方式已逐渐不能完全满足人类对宏观与微观世界的探索需求。传统的滤波方式在输入信噪比较低的情况下，能够获得较好的信号提取效果，但是对于完全煙没在强噪声背景下的弱光信号，或者光信号与噪声信号频率相同或接近的情况下，以滤波为主的传统探测方式无能为力，因此研究强噪声背景下弱光信号的重构与增强迫在眉睫。
[0004]人们一般认为噪声是有害的，噪声越大信号越差。但是随机共振理论指出，当含有噪声的系统发生随机共振时，部分噪声能量会转化为有用的信号能量，从而使得系统输出信噪比大大提高，会提高信号检测性能。随机共振可以实现强噪声背景下的弱光信号提取，即使原有的噪声与信号同频率，这一点是常规的探测方法所不能实现的。现有随机共振方法主要包括两种:调制不稳定性以及双稳态。但二者都必须满足三个条件才可以产生:非线性系统、输入调制信号、噪声源。基于双稳态的随机共振技术可以满足这三个条件，并且可以实现时域信号的提取。但是由于产生机理不同，有的双稳态随机共振系统只能够响应到毫秒或秒级信号，对于纳秒甚至超快的信号却无能为力。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种响应速率可达纳秒级的基于表面等离子体双稳态的弱光信号重构方法及装置。
[0006]本实用新型的技术方案是所提供的基于表面等离子体双稳态的弱光信号重构装置包括信号源，其特殊之处在于:还包括:偏振控制器和反馈腔。偏振控制器设置在输入信号的传播路径上；反馈腔由第一分束镜、第二分束镜、第一反射镜、第二反射镜和Kretschmann组件构成，其中第一分束镜设置在偏振控制器的输出光路上，Kretschmann组件设置在第一分束镜的透射光路上，第二分束镜设置在Kretschmann组件的反射光路上，第一反射镜设置在第二分束镜的反射光路上，第二反射镜设置在第一反射镜的反射光路上，第一分束镜同时位于第二反射镜的反射光路上。第二分束镜的透射光路上设置有示波器。Kretschmann组件从上至下依次由棱镜、金属层和克尔介质组成，其中克尔介质位于最底层;Kretschmann组件的入射光束的入射角为43.6度?44.5度。
[0007]为本实用新型的输出信号时域畸变减小，上述Kretschmann组件的入射光束的入射角为43.9度;Kretschmann组件的金属层厚度为20nm，Kretschmann组件的宽度和总厚度不小于Kretschmann组件入射光波长的1/2;上述克尔介质为钠蒸汽。
[0008]上述第一分束镜的下表面(即第二反射镜的反射光入射到第一分束镜时的入射表面，也就是第一分束镜面向Kretschmann组件的那一面)镀有500?600nm高反膜，以减小第二反射镜的反射光入射到第二分束镜时第二分束镜的透射光强度，进而减小反馈腔内光束的能量损失，提高本实用新型的输出效率。
[0009]上述第二分束镜的分束比为50:50。
[0010]为使示波器尽可能完全接收本实用新型所还原的弱光信号(即第二分束镜的透射光束)，本实用新型在第二分束镜和示波器之间的光路上设置有准直透镜。
[0011 ]本实用新型采用由棱镜、金属层和克尔介质组成的Kretschmann组件，当TM偏振光入射到Kretschmann组件时，在其金属层和克尔介质的分界面上产生倏逝波，该倏逝波沿金属层和克尔介质的交界面传播时沿该交界面激发表面等离子体，致使Kretschmann组件对其入射光的反射率发生改变，Kretschmann组件对入射光的反射系数为入射光光强的函数(非线性)，进而产生双稳态随机共振;通过由第一分束镜、第二分束镜、第一反射镜、第二反射镜和Kretschmann组件构成反馈腔，可实现被噪声煙没的纳秒级弱光信号的还原。
[0012]本实用新型的优点是:
[0013](I)结构简单、光路易搭建，成本低；
[0014](2)输出信号时域畸变小，不存在明显的延迟现象
[0015]本实用新型可通过调整Kretschmann组件入射光的入射角的大小、金属层厚度来减小输出信号的时域畸变。当Kretschmann组件入射光的入射角为43.9度、金属层的厚度为20nm时，输出信号的时域畸变趋近于O。
[0016](3)本实用新型的输出信号与输入信号的互相关度增益对应的范围较大，输入信号中的信号强度与噪声强度比为1:5?1:30都可以实现互相关度增益高于6的输出信号。
【附图说明】
[0017]图1为本实用新型的结构原理不意图；
[0018]图2a为本实用新型在带有强噪声的输入信号图；
[0019]图2b为本实用新型提取的纳秒脉冲信号图；
[0020]其中:1-信号源;2-偏振控制器;3-第一分束镜;4-Kretschmann组件;41-棱镜;42-金属层;43-克尔介质；5-第二分束镜;6-第一反射镜;7-第二反射镜;8-准直透镜;9-不波器。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步的说明。
[0022]如图1所示，本实用新型所提供的基于表面等离子体双稳态的弱光信号重构装置包括信号源1、偏振控制器2和反馈腔。偏振控制器2设置在整个装置输入信号的传播路径上;反馈腔由第一分束镜3、第二分束镜5、第一反射镜6、第二反射镜7和Kretschmann组件4构成，其中第一分束镜3设置在偏振控制器2的输出光路上，Kretschmann组件4设置在第一分束镜3的透射光路上，第二分束镜7设置在Kretschmann组件4的反射光路上，第一反射镜6设置在第二分束镜5的反射光路上，第二反射镜7设置在第一反射镜6的反射光路上，第一分束镜3同时位于第二反射镜7的反射光路上。第二分束镜5的透射光路上设置有示波器9，用于检测所还原的弱光信号。Kretschmann组件4由棱镜41、金属层42和克尔介质43组成，其中棱镜41位于Kretschmann组件最上层，金属层42位于Kretschmann组件的中间层，克尔介质43位于Kretschmann组件的最底层。本实用新型的克尔介质43可采用钠蒸汽。为产生双稳态共振，Kretschmann组件的入射光束的入射角应为43.6度?44.5度。
[0023]为使本实用新型的输出信号时域畸变减至最小(即使输出信号与输入信号在时域上的相位差减至最小)，本实用新型Kr e t s c hmann组件4的入射光束的入射角的最佳值为43.9度，金属层42的厚度为20nm，Kretschmann组件4的宽度和总厚度不小于Kretschmann组件4入射光波长的1/2。
[0024]作为优化，本实用新型在第一分束镜3的下表面镀有500?600nm高反膜，以减小反馈腔内光束的能量损失，提高整个装置的输出效率(即输出信号强度/输入信号强度)；采用分束比为50:50的分束镜作为第二分束镜5，装置的输出效率最大，可达40%?50%。
[0025]为使示波器9尽可能完全接收本实用新型所还原的弱光信号(即第二分束镜5的透射光束)，本实用新型在第二分束镜5和示波器9之间的光路上设置有准直透镜8。
[0026]本实用新型的工作原理和工作过程为:
[0027]从信号源I输出的信号(带有强噪声背景的纳秒级脉冲源)作为整个装置的输入信号进入偏振控制器2，偏振控制器2用于将输入信号转变为TM偏振光(因为只有TM模式的入射光束可以发生表面等离子体的共振透射增强效应，而TE模式的入射光不会发生该效应)。
[0028]TM偏振光入射到第一分束镜3上，第一分束镜3的透射光束再入射到Kretschmann组件4上，Kretschmann组件4的入射光束在金属层42和克尔介质43的分界面上产生倏逝波(具体的是沿垂直于金属层42和克尔介质43分界面的方向产生倏逝波)，该倏逝波沿金属层42和克尔介质43的分界面传播时便可激发表面等离子体，由此导致Kretschmann组件4对其入射光的反射率发生改变，并且反射系数为入射光光强的非线性函数。
[0029]Kretschmann组件4的反射光束再入射到第二分束镜5上，第二分束镜5的反射光束入射到第一反射镜6上，第一反射镜6的反射光束入射到第二反射镜7上，第二反射镜7的反射光束最后再入射到第一分束镜3上，如此第一分束镜3、KretSchmann组件4、第二分束镜5、第一反射镜6和第二反射镜7便构成了一个反馈腔，将输入信号还原为弱光信号(即第二分束镜5的透射光束)，所还原的弱光信号通过准直透镜8入射到示波器9上，由示波器9检测。
[0030]评价本实用新型提取弱光信号能力的指标有两个:互相关度增益(单位:倍)和信噪比增益(单位:dB)，数值越大，提取弱光信号的性能越好。这两个指标的计算方法为:[0031 ] (I)互相关度增益的计算方法为:
[0032]X =〈纯净信号〉与〈输出信号〉的互相关度；
[0033]y =〈纯净信号〉与〈输入信号〉的互相关度；
[0034]互相关度增益=x/y
[0035](2)信噪比增益的计算方法为:
[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为输入信号的最大强度;a2为输入信号的基底强度;cI为输出信号的最大强度;c2为输出信号的基底强度。
[0040]下面结合图2a和图2b对本实用新型从某一强度噪声背景下提取弱光信号的能力进行详细说明(图2a和图2b可从示波器上直接显示)。
[0041]图2a为本实用新型的输入信号，其中黑色实曲线a为含强噪声的输入信号，黑色虚曲线b为未被噪声污染的纯净信号；图2b为本实用新型的输出信号，其中黑色实曲线c为所提取的纳秒脉冲信号。
[0042]从图2&和图213中可知:&1=0.65，&2= 0.54，。1=0.18，。2 = 0.015。
[0043](I)本实用新型在输入图2a所示的输入信号后，输出信号与输入信号的互相关度增益= x/y = corr2(b，c)/corr2(b，a) =0.7796/0.1126 = 6.9236倍。
[0044]注:corrf为将示波器显示的曲线数据(即图2a和图2b)读入matlab软件后，计算互相关度的通用指令。
[0045](2)本实用新型在输入图2a所示的输入信号后，输出信号的信噪比增益为:
[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]综上所述，本实用新型的输出信号与输入信号的互相关度增益值较大(可达6倍以上)，输出信号的信噪比接近50dB ο而传统的双稳态共振系统的输出信号与输入信号的互相关度增益值在2倍?3倍，输出信号的信噪比在1dB?20dB。由此可见，较之传统双稳态共振系统，本实用新型在强噪声背景下提取弱光信号的优势。
【主权项】
1.基于表面等离子体双稳态的弱光信号重构装置，包括信号源;其特征在于:还包括偏振控制器和反馈腔;所述偏振控制器设置在输入信号的传播路径上;所述反馈腔由第一分束镜、第二分束镜、第一反射镜、第二反射镜和Kretschmann组件构成;所述第一分束镜设置在偏振控制器的输出光路上，所述Kretschmann组件设置在第一分束镜的透射光路上，所述第二分束镜设置在Kretschmann组件的反射光路上，所述第一反射镜设置在第二分束镜的反射光路上，所述第二反射镜设置在第一反射镜的反射光路上，所述第一分束镜同时位于第二反射镜的反射光路上;所述第二分束镜的透射光路上设置有示波器;所述Kretschmann组件从上至下依次由棱镜、金属层和克尔介质组成，其中克尔介质位于最底层；所述Kretschmann组件的入射光束的入射角为43.6度?44.5度。2.根据权利要求1所述的基于表面等离子体双稳态的弱光信号重构装置，其特征在于:所述Kr e t s chmann组件的入射光束的入射角为43.9度。3.根据权利要求2所述的基于表面等离子体双稳态的弱光信号重构装置，其特征在于:所述Kretschmann组件的金属层厚度为20nm，Kretschmann组件的宽度和总厚度不小于Kretschmann组件入射光波长的1/2。4.根据权利要求3所述的基于表面等离子体双稳态的弱光信号重构装置，其特征在于:所述克尔介质为钠蒸汽。5.根据权利要求4所述的基于表面等离子体双稳态的弱光信号重构装置，其特征在于:所述第一分束镜的下表面镀有500?600nm高反膜。6.根据权利要求5所述的基于表面等离子体双稳态的弱光信号重构装置，其特征在于:所述第二分束镜的分束比为50:50。7.根据权利要求6所述的基于表面等离子体双稳态的弱光信号重构装置，其特征在于:所述第二分束镜和示波器之间的光路上设置有准直透镜。
【文档编号】G02B27/56GK205450466SQ201521132751
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年12月30日
【发明人】刘红军, 韩靖, 孙启兵, 黄楠
【申请人】中国科学院西安光学精密机械研究所