[发明专利]基于表面等离子体双稳态的弱光信号重构装置

说明书

技术领域

本发明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

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湮没而难以直接检测。 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。

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， 但是对于完全湮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。

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

为本发明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。

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，提高本发明的输出效率。

上述第二分束镜的分束比为50:50。

为使示波器尽可能完全接收本发明所还原的弱光信号(即第二分束镜的 透射光束)，本发明在第二分束镜和示波器之间的光路上设置有准直透镜。