一种基于随机激光的随机数生成器

本发明涉及信息加密、通讯、密码学等，具体而言，尤其涉及一种基于随机激光的随机数生成器。

背景技术：

1、随机数生成器在信息加密、通讯等方面具有重要的价值。根据随机数的产生方式通常有真随机和伪随机之分。其中伪随机数生成器是利用随机数字作为种子，通过算法得到随机数序列，该序列具有周期性。真随机数生成器是基于随机的不可预测的物理过程产生具有非再现性和非周期性的随机数序列，在加密、传输机密信息方面具有更强的安全性。

2、目前真随机数生成器的随机数来源通常包括热噪声、光电效应、混沌半导体激光等。其中基于混沌半导体激光的随机数生成器近些年来得到了快速的发展，最快生成速度甚至能够达到250tbit/s。但这些随机数生成器同样存在成本高、信号后处理繁琐等问题。而利用低成本的随机激光同样可以实现相对高质量和快速的随机数生成器，目前还鲜有人探究与报道。

技术实现思路

1、针对现有随机数生成器成本高、信号处理繁琐的技术问题，本发明提供一种基于随机激光的随机数生成器。本发明基于随机激光生成随机数，使得随机数的生成速度大幅提升。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种基于随机激光的随机数生成器，包括：非相干随机激光光源系统和数据后处理系统；

4、所述非相干随机激光光源系统包括激发光源、激光整形机构、pdms基底以及在pdms基底上表面滴加的染料溶液，其中所述激发光源用于输出泵浦激光，所述激光整形机构用于承接所述泵浦激光并对所述泵浦激光进行处理后照射所述pdms基底，处理后的泵浦激光以所述pdms基底表面滴加的染料溶液作为增益介质进而产生随机激光，所述激光整形机构包括柱面凹透镜和柱面微凸透镜阵列；

5、数据后处理系统包括光谱仪，所述光谱仪用于接收随机激光，并通过拟合、高阶有限差分和选取最低有效位的方式对激光数据进行后处理，从而生成随机数序列。

6、进一步地，所述pdms基底上表面具有沟槽微结构。

7、进一步地，pdms基底根据以下方法制得：

8、将硅胶溶液与交联剂以10:1的比例混合，放置在真空室中90分钟以去除气泡，制得pdms溶液；

9、将所述pdms溶液倒在鲍鱼壳内表面上，使其填充鲍鱼壳内表面上的凹槽结构；

10、在80℃下固化180分钟，将pdms层从鲍鱼壳内表面上剥离，形成负模板；

11、通过原子层沉积法在负模板具有凹槽的表面涂覆一层厚度为30nm的hfo2薄膜，形成防粘层，完成第一次pdms复刻；

12、对负模板进行第二次pdms复刻，最终成功制备实验所需的pdms基底。

13、进一步地，通过所述激光整形机构对泵浦激光进行处理，包括：

14、通过柱面凹透镜对所述泵浦激光进行横向扩束后，照射至所述柱面微凸透镜阵列；

15、通过柱面微凸透镜阵列对扩束后的激光进行纵向聚焦形成线型光斑，所述柱面微凸透镜阵列为16*16个柱面微凸透镜构成的方阵。

16、进一步地，所述染料溶液为1mm的rhodamine 640染料溶液，溶剂为乙醇。

17、进一步地，对随机激光进行拟合处理包括：

18、对光谱仪所收集得到的非相干随机激光光谱进行数据拟合，得到理论上的非相干随机激光光谱，再将非相干随机激光光谱减去理论上的非相干随机激光光谱，从而得到隐藏相干随机激光光谱信号。

19、进一步地，对隐藏相干随机激光光谱信号进行高阶有限差分，包括：

20、对隐藏相干随机激光光谱等波长差间隔的采样点作三阶差分计算采样点作三阶差分计算，即

21、

22、其中，m等于3，n表示相邻数据点间隔，i表示数据点的光谱强度，从而得到消除统计偏差后的光强序列。

23、进一步地，对消除统计偏差后的光强序列进行二进制转换，然后选取4位最低有效位生成随机数列。

24、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

25、1、本发明设计了一种基于随机激光光谱中隐藏模式的光学随机数生成器。随机激光由染料作为增益介质产生。实验中常见的非相干随机激光光谱通常含有一定的相干随机激光成分，这体现在光谱峰值处的许多小尖峰。通过扣除拟合非相干随机激光光谱(光滑的单峰曲线)可以得到一系列尖峰，即相干随机激光信号。由于多重散射的随机性，每一次脉冲得到的光谱信号都具有非再现性。对该光谱信号进行定义便可得到一串随机数序列。

26、2、通过改变散射强度、增益等条件能够调节相干与非相干随机激光的比例。此外，通过改变本发明所用的泵浦强度、泵浦条纹长度、泵浦条纹数目、染料浓度、重频、数字生成算法等条件，优化所得随机数序列，从而满足相应的测试要求。例如，相干随机激光的比例会随着泵浦强度、泵浦条纹长度、染料浓度的增加而增加等。

27、3、本发明能够大幅提高了随机数生成速率，理论可达810tbit/s,快于目前已知的所有基于后处理的光学随机数生成器。

1.一种基于随机激光的随机数生成器，其特征在于，包括：非相干随机激光光源系统和数据后处理系统；

2.根据权利要求1所述的一种基于随机激光的随机数生成器，其特征在于，所述pdms基底上表面具有沟槽微结构。

3.根据权利要求2所述的一种基于随机激光的随机数生成器，其特征在于，pdms基底根据以下方法制得：

4.根据权利要求1所述的一种基于随机激光的随机数生成器，其特征在于，通过所述激光整形机构对泵浦激光进行处理，包括：

5.根据权利要求1所述的一种基于随机激光的随机数生成器，其特征在于，所述染料溶液为1mm的rhodamine 640染料溶液，溶剂为乙醇。

6.根据权利要求1所述的一种基于随机激光的随机数生成器，其特征在于，对随机激光进行拟合处理包括：

7.根据权利要求6所述的一种基于随机激光的随机数生成器，其特征在于，对隐藏相干随机激光光谱信号进行高阶有限差分，包括：

8.根据权利要求7所述的一种基于随机激光的随机数生成器，其特征在于，对消除统计偏差后的光强序列进行二进制转换，然后选取4位最低有效位生成随机数列。