基于表面等離子體雙穩(wěn)態(tài)的弱光信號重構(gòu)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于弱光信號的隨機共振重構(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)的弱光信號重構(gòu)裝置。
【背景技術(shù)】
[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(yīng)用中，光學信號經(jīng)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(yè)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(shù)有著極其重要的研究與應(yīng)用價值。隨著科學技術(shù)的不斷進步，弱光檢測的應(yīng)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(jiān)測、晨昏軌道微光云圖、微光夜視、醫(yī)學生物電信號檢測等眾多軍事民用領(lǐng)域都對微弱光學信號提取與探測的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)提出了更高要求。因此，如何有效的從高強度背景噪聲中識別出有序信號，并且能適應(yīng)各種復雜環(huán)境，響應(yīng)速度能夠達到納秒甚至更快的弱光信號重構(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(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(tǒng)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(gòu)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(tǒng)發(fā)生隨機共振時，部分噪聲能量會轉(zhuǎn)化為有用的信號能量，從而使得系統(tǒng)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(xiàn)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(guī)的探測方法所不能實現(xiàn)的?，F(xiàn)有隨機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條件才可以產(chǎn)生:非線性系統(tǒng)、輸入調(diào)制信號、噪聲源?；陔p穩(wěn)態(tài)的隨機共振技術(shù)可以滿足這三個條件，并且可以實現(xiàn)時域信號的提取。但是由于產(chǎn)生機理不同，有的雙穩(wěn)態(tài)隨機共振系統(tǒng)只能夠響應(yīng)到毫秒或秒級信號，對于納秒甚至超快的信號卻無能為力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種響應(yīng)速率可達納秒級的基于表面等離子體雙穩(wěn)態(tài)的弱光信號重構(gòu)方法及裝置。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是所提供的基于表面等離子體雙穩(wěn)態(tài)的弱光信號重構(gòu)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(shè)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(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]為本發(fā)明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(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(nèi)光束的能量損失，提高本發(fā)明的輸出效率。
[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發(fā)明所還原的弱光信號(即第二分束鏡的透射光束)，本發(fā)明在第二分束鏡和示波器之間的光路上設(shè)置有準直透鏡。
[0011 ]本發(fā)明采用由棱鏡、金屬層和克爾介質(zhì)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(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沿該交界面激發(fā)表面等離子體，致使Kretschmann組件對其入射光的反射率發(fā)生改變，Kretschmann組件對入射光的反射系數(shù)為入射光光強的函數(shù)(非線性)，進而產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)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Krets chmann組件構(gòu)成反饋腔，可實現(xiàn)被噪聲煙沒的納秒級弱光信號的還原。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0013](1)結(jié)構(gòu)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(xiàn)象
[0015]本發(fā)明可通過調(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0。
[0016](3)本發(fā)明的輸出信號與輸入信號的互相關(guān)度增益對應(yīng)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(xiàn)互相關(guān)度增益高于6的輸出信號。
[0017]說明書附圖
[0018]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖；
[0019]圖2a為本發(fā)明在帶有強噪聲的輸入信號圖；
[0020]圖2b為本發(fā)明提取的納秒脈沖信號圖；
[0021 ] 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(zhì)；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】
[0022]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的說明。
[0023]如圖1所示，本發(fā)明所提供的基于表面等離子體雙穩(wěn)態(tài)的弱光信號重構(gòu)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(shè)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(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。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。本發(fā)明的克爾介質(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。
[0024]為使本發(fā)明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)，本發(fā)明Kretschmann組件4的入射光束的入