[发明专利]中远红外波段光栅、光纤耦合多波束相干接收系统

说明书

本发明提供了一种中远红外波段光栅、光纤耦合多波束相干接收系统，用于在中红外波束实现多波束相干信号检测。在一个2x2多波束超导接收系统中，利用阶梯光栅与低温光纤分配耦合本振信号，采用中远红外波段高灵敏度超导HEB混频器，实现高效本振信号分配与耦合，最终实现中远红外波段高灵敏度高分辨率多波束频谱接收。本发明无需利用超导HEB混频器的超半球透镜耦合本振信号，而直接将光纤输出端对准超导HEB混频器芯片一侧，实现了本振信号与探测信号的隔离，有效加载本振信号。这样不仅降低探测信号损耗，提高接收系统灵敏度，同时结合多像元阶梯光栅实现了中远红外波段有效可行的多波束本振分配加载系统，易于向更大规模阵列扩展。

技术领域

本发明属于多波束相干探测领域，具体涉及一种中远红外频段基于光栅和光纤耦合本振信号的多波束相干接收系统。

背景技术

远红外、中红外频段（4-20m）的高分辨率谱线观测对于研究宇宙状态和演化，包括早期宇宙演化、恒星和星系形成以及行星系统形成等研究方面具有非常重要的意义，在现代天文学研究中具有不可替代的作用。高分辨率相干接收系统不仅能够精确探测分子谱线的信号强度，并且能够清晰地识别各个谱线的频谱信息，为我们系统地研究恒星和星系形成，行星以及行星系形成过程中的运动、温度、以及其他物理特性提供了重要的科学手段。

国际上基于中红外频段高分辨率频谱接收机仅有：美国NASA研制的HIPWAC（Heterodyne Instrument for Planetary Wind and Composition）以及德国科隆大学研制的iCHIPS（Infrared Compact Heterodyne Instrument for Planetary Science）。这两台仪器均是以碲镉汞（HgCdTe）探测器作为混频器，以及量子级联激光器（QCL）作为本振信号源。2019年紫金山天文台研究小组率先实现了以超导热电子混频器（HEB，Hot-electronbolometer）和量子级联激光器的中红外相干接收系统。以上相干接收系统均采用单像元混频器，以及利用分光器（通常为Mylar、Kapton薄膜和wire grid等类型）将本振信号与探测信号共同耦合至混频器的工作方式。

我们知道，多波束相干探测技术在太赫兹频段已经在天文观测、环境监测和安检领域得到了广泛的应用，例如有JCMT望远镜的HARP-B（4×4 波束）、KOSMA望远镜的（5×5波束）接收机、HHT望远镜的SuperCam（8×8 波束）和我国13.7米毫米波望远镜的超导阵列成像频谱仪（3×3波束）等多波束接收机。然而在频率更高的中远红外频段多波束相干接收系统还未见报道。其中关键的技术挑战在于中远红外频段多像元间本振信号分配技术。传统单像元中红外接收系统的本振信号通过分光器耦合至混频器，而分光器不可避免地将增加探测信号的损耗，进而恶化混频器的灵敏度。此外通过分光器级联耦合的方式也很难实现二维阵列本振耦合需求，无法实现大规模像元阵列接收系统。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种中远红外波段光栅、光纤耦合多波束相干接收系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

中远红外波段光栅、光纤耦合多波束相干接收系统，其特征在于，包括：中远红外本振信号源、光栅分光器、多波束光纤耦合系统、2×2像元中远红外超导HEB混频器、多通道直流偏置电源、多通道低温低噪声放大器和常温中频及其匹配高分辨频谱处理单元；所述中远红外本振信号源产生本振信号，并聚焦于光栅分光器表面，所述光栅分光器将入射的本振信号反射分离为2×2共四束反射本振信号，四束本振信号通过多波束光纤耦合系统耦合至光纤端面，然后经由光纤传输至低温杜瓦中2×2像元中远红外超导HEB混频器的一侧，实现本振信号的分配与耦合；探测信号与本振信号由2×2像元中远红外超导HEB混频器进行混频，产生四路中频信号，四路中频信号先经过多通道低温低噪声放大器进行放大，再通过常温中频及其匹配高分辨频谱处理单元进行高分辨频谱处理；所述多通道直流偏置电源与2×2像元中远红外超导HEB混频器相连，用于向2×2像元中远红外超导HEB混频器提供直流偏置。