弱光信号的非线性光学放大及其信噪比增强的方法及装置

摘要

本发明提供了一种基于部分相干光泵浦的弱光信号的非线性光学放大及其信噪比增强的方法及装置。本方法将部分相干的泵浦光与信号光同步入射光折变非线性系统，完成弱信号的放大以及噪声抑制过程，输出了信噪比提升的放大光信号；本装置包括激光源、分束镜A、部分相干光发生器、光折变非线性系统、高压模块、探测器和计算机，激光源发出激光经分束镜A分为两束，第一束激光经过部分相干光发生器射入光折变非线性系统，第二束激光照射远距离的目标物后，经光折变非线性系统射出后射入探测器，探测器与计算机连接，高压模块与光折变非线性系统连接。本发明对信号携带的噪声进行利用，降低了系统噪声，提高了输出信噪比，获得较高增益。

说明书

技术领域

本发明属于信号探测领域，具体涉及弱光信号的非线性光学放大及其信 噪比增强的方法与装置。

背景技术

在光信号处理领域，强噪声背景下弱光信号的探测是激光雷达、空间光 通信、海空对潜通信和光学遥感测量等应用领域关键技术，研究高增益、高 信噪比的非线性光放大技术有重要的应用意义。在信号的远距离传输过程中， 信号必然会被介质吸收散射而损耗变弱，并且还会混入随机噪声，有时为对 信号加密还特别加入调制噪声，因此这就对强噪声背景下弱信号的探测提出 了更高的要求，如何同时有效地提升强噪声背景下弱光信号的强度和信噪比 成为了信号探测中的关键技术环节。同时，人们对于噪声的传统认识是：噪 声总是有害的。从信号的探测环节来说，确实如此，噪声越大越不利于探测； 然而，如果噪声在光信号的放大和信噪比提升环节可以起到积极作用，强噪 声背景下弱信号检测问题将会获得新的突破。这一问题的解决对于军事、医 疗、通信等多个领域的发展进步和技术应用都有重大意义。

光折变晶体中两波耦合技术实现弱信号的放大有很广阔的研究和应用前 景。光折变效应是20世纪60年代由贝尔实验室意外发现的，由于这种效应 为非局域响应，用毫瓦量级的激光照射光折变晶体就足以产生明显的光致折 射率变化，因此，这种弱光效应被发现后就引起了人们极大的兴趣和普遍重 视。目前这种光折变材料在全息存储、光图像放大、相位共轭和空间光调制 等领域有重要用途。光折变非线性系统实现两波耦合光放大有以下优点，第 一，一定参数条件下，通过两波耦合过程可以使弱信号得到有效地放大；第 二，这一非线性过程只是对入射光场干涉得到的空间强度分布敏感，因此可 以滤除信号中的散射背景光噪声；第三，这是一种弱光非线性过程，只要辐 照时间够长（增加泵浦光强可以有效缩短这一时间），就足以产生能量的转移 使弱光放大。

目前主要有电学和光学两类方法实现弱信号的放大。第一，对于电学方 法，由于电学方法对信号放大的同时也会使信号中噪声得到放大，特别是强 噪声环境下传统电学方法更是无法实现对弱信号的提取和探测。第二，对于 光学方法，由光学方法实现弱信号放大的技术有多种，基于光折变非线性晶 体的优点，我们考虑利用光折变两波耦合技术实现弱光信号的非线性放大技 术，由于在信号光得到放大的同时光折变晶体中的散射光也会从泵浦光抽取 能量，产生扇形噪声（以下统称为系统噪声），这就影响到信号的增益和输出 信噪比。目前，国内外关于利用光折变非线性系统实现高信噪比光放大的主 要方法有以下几种。为了实现高信噪比的光信号放大，传统方法一是采取输 入第三束非相干光对系统噪声进行抑制，虽然这种方法的输出信号可以取得 较高的增益，但是需要两台激光源，结构复杂；传统方法二是写入-擦除反复 进行的方法，这种方法是方法一的改进，能获得更好的信噪比输出，但是也 需要引入另一束非相干光进行擦除，结构更加复杂且不易操作。传统方法三 是旋转晶体法，这种方法不仅降低了系统稳定性，而且输出信号增益较低； 传统方法四是自适应Wiener滤波法，这种方法主要目的是抑制噪声，但是噪 声得到抑制的同时信号能量也会减弱，所以这种方法并不利于微弱信号的探 测；传统方法五是低光强写入强短脉冲读出法，这种方法要求较弱的泵浦光 和信号光同时写入衍射信号光栅，依据产生系统噪声的阈值条件并不产生系 统噪声，强脉冲读出时可以短时间内输出高信噪比信号，正是由于需要首先 写入光栅，使得这一方法在实际信号探测中不能满足信号实时探测的应用要 求。因此新的方法和实验方案的提出仍然是解决这一问题的主要途径，结构 简单、性能稳定、高增益和高信噪比输出系统也依然是弱信号光折变非线性 放大技术研究和应用的关键。

发明内容

为了解决背景技术中关于弱光信号的放大与高信噪比输出的技术问题， 本发明提供了一种基于部分相干光泵浦的弱光信号的非线性光学放大及其信 噪比增强的方法及装置。

本发明所采用的技术方案是：

弱光信号的非线性光学放大及其信噪比增强的方法，其特殊之处在于：

1】产生两束偏振方向一致的激光；

2】第一束激光经过部分相干光发生器使其空间相干性退化，得到部分相 干的泵浦光；

3】第二束激光对远距离的目标物进行探测，返回携带目标物信息且含噪 声的微弱的信号光；

4】调节步骤2】得到的泵浦光和步骤3】得到的信号光的光路方向及光 斑大小，使两者同步入射光折变非线性系统，并给光折变非线性系统施加外 加电场，完成弱信号的放大以及噪声抑制过程，输出了信噪比提升的放大光 信号；

5】对步骤4】中输出的信噪比提升的放大光信号进行探测与计算，获得 光强和信噪比信息。

较佳的，在目标物与光折变非线性系统之间的光路上还依次设置有噪声 产生装置和第三透镜组。噪声产生装置可以是散射体，目的在于使信号光携 带一定噪声，降低信号光的信噪比，以此体现本发明的信噪比提升能力。

较佳的，在部分相干光发生器的入射光路上设置有第一透镜组，在部分 相干光发生器的出射光路上设置有第二透镜组。

较佳的，上述步骤3】中第二束激光照射目标物之前，对该束激光进行衰 减。衰减是为了获得微弱的光信号，目的在于体现下一步对微弱的信号光的 放大作用。

较佳的，上述部分相干光发生器选用毛玻璃或者是电压调制液晶屏。

较佳的，上述光折变非线性系统为SBN:60或者BaTiO₃或者KNSBN或 者Bi₁₂SiO₂₀。

较佳的，上述方法还包括步骤6】：通过控制泵浦光的相干度或者调节非 线性系统的外加电场强度调节输出信号的增益和信噪比。

较佳的，上述步骤1】中的两束激光由同一激光源经分束镜A分束产生。

弱光信号的非线性光学放大及其信噪比增强的装置，其特殊之处在于： 包括激光源、分束镜A、部分相干光发生器、光折变非线性系统、高压模块、 探测器和计算机，激光源发出激光经分束镜A分为两束，第一束激光经过部 分相干光发生器射入光折变非线性系统，第二束激光照射远距离的目标物后， 经光折变非线性系统射出后射入探测器，探测器与计算机连接，高压模块与 光折变非线性系统连接。

上述部分相干光发生器为旋转的毛玻璃或者是电压调制液晶屏。

上述光折变非线性系统可以是SBN:60或者BaTiO₃或者KNSBN或者 Bi₁₂SiO₂₀；仅需针对激光波长设计光折变非线性系统的尺寸、掺杂和切割方向 等参数。

上述目标物与光折变非线性系统之间还设置有噪声产生装置。噪声产生 装置可以是散射体，目的在于使信号光携带一定噪声，降低信号光的信噪比， 以此体现本发明的信噪比提升能力。

上述部分相干光发生器的入射光路上设置有第一透镜组，部分相干光发 生器的出射光路上设置有第二透镜组。

上述分束镜A与目标物之间的光路上设置有衰减器。

本发明的原理是：基于光折变晶体中的两波耦合过程，由激光源分出两 束光，其中一束作为信号光进行远距离探测，并返回含噪声的微弱信号；另 一束经过由计算机控制的部分相干光发生器变为部分相干的泵浦光；然后接 收到的信号光和泵浦光入射光折变非线性系统中，相干涉并产生调制光场， 从而写入信号光栅，通过部分相干泵浦光、弱信号光和非线性系统的相互作 用，完成弱信号的放大以及噪声抑制过程。这是一种相干光放大过程，信号 携带的背景噪声不会获得增益。基于光折变非线性晶体的性质，通过控制泵 浦光的相干度使输出信号的增益和信噪比可以达到一个最佳值；同样通过调 节非线性系统的外加电场强度也可以使得输出信号的信噪比处于另一个最佳 值。

本发明的优点是：

（1）本发明基于光折变非线性系统的二波耦合过程，采用部分相干光泵 浦，并且对信号携带的噪声进行利用，降低了系统噪声，提高了输出信噪比： 第一，与完全相干光相比，由于部分相干的泵浦光相干度低，在光折变晶体 中与其散射光在时间和空间上的重叠度较小，因此由其引入的系统噪声很小； 第二，信号携带的背景噪声可以一定程度上擦除晶体中产生的噪声栅，降低 系统噪声。

（2）信号携带的噪声在光折变非线性系统中在一定程度上起到调谐信号 增益的作用，使得输出信号获得较高增益。

（3）易于调试，稳定性较高，结构简单，不需要通过引入非相干光或者 转动晶体来减小系统噪声。

（4）无论对于较强光信号还是淹没在噪声中的微弱信号都有很好的放大 以及信噪比的提高效果。

附图说明

图1：本发明的原理框架图；

图2：本发明实施例的结构示意图；

图3：本发明实施例信号增益和输出信噪比随输入信号功率变化示意图；

图4中：a为本发明实施例理论模拟的原始图像信号；

b为含噪声的弱输入信号；

c-e为调整泵浦光的相干度由小变大时，探测器输出的图像信号；

f-h为调整非线性系统的外加电场强度由小变大时，探测器输出 的图像信号；

图5中：（a）为初始的弱光脉冲信号；

（b）为混入噪声后的低信噪比输入弱光信号；

（c）为获得的增强的光信号；

其中，1-激光源；2-分束镜A；3-第一透镜组；4-旋转的毛玻璃；5-第二 透镜组；6-第一全反镜；7-第二全反镜；8-第五透镜组；9-可调节的衰减器； 10-目标物；11-分束镜B；12-散射体；13-第三透镜组；14-光折变非线性系统； 15-第四透镜组；16-探测器；17-高压模块；18-计算机。

具体实施方式

本发明的原理是：基于光折变晶体中的两波耦合过程，由激光源1分出 两束光，其中一束作为信号光进行远距离探测，并返回含噪声的微弱信号； 另一束经过由计算机18控制的部分相干光发生器变为部分相干的泵浦光；然 后接收到的信号光和泵浦光入射光折变非线性系统中，完成弱信号的放大以 及噪声抑制过程。基于光折变非线性晶体的性质，通过控制泵浦光的相干度 输出信号的增益和信噪比可以达到一个最佳值；同样通过调节非线性系统的 外加电场强度也可以使得输出信号的信噪比处于另一个最佳值。

部分相干光作为泵浦光是本发明最大的特点，其对于降低系统噪声、提 升输出信噪比起到了很大作用。光折变非线性晶体中，由晶体缺陷引起散射 光的放大产生的系统噪声，会严重影响信号增益和信噪比。采用部分相干光 泵浦，由于部分相干的泵浦光相干度低，与完全相干光相比在光折变晶体中 与其散射光的在时间和空间上的重叠度较小，因此由其引入的系统噪声也很 小，由此泵浦光的能量会更多的向信号光转移，实现高信噪比的光放大。

如图1的原理框架图，弱光信号的非线性光学放大及其信噪比增强的方 法，包括以下步骤：

1】产生两束偏振方向一致的激光；第一束激光的能量作为泵浦光，其能 量大于第二束激光的能量；

2】第一束激光经过部分相干光发生器使其空间相干性退化，得到部分相 干的泵浦光；

3】第二束激光对远距离的目标物10进行探测，返回携带目标物10信息 且含噪声的微弱的信号光；

4】调节步骤2】得到的泵浦光和步骤3】得到的信号光的光路方向及光 斑大小，使两者同步入射光折变非线性系统中，并给非线性系统施加外加电 场，完成弱信号的放大以及噪声抑制过程，输出了信噪比提升的放大光信号； 图2中，泵浦光光路方向的调整通过第一全反镜6和第二全反镜7实现，光 斑大小调整通过第五透镜组8实现；

5】对步骤4】中输出的信噪比提升的放大光信号进行探测与计算，获得 光强和信噪比信息。

步骤1】中的两束激光由同一激光源1经分束镜A2分束产生。

部分相干光发生器可以选用旋转的毛玻璃4或者是电压调制液晶屏，旋 转的毛玻璃4或者是电压调制液晶屏由计算机18进行控制。

光折变非线性系统中使用0°切割5mm×5mm×5mm的SBN:60晶体并 施加外电场，也可以选用BaTiO₃或者KNSBN或者Bi₁₂SiO₂₀等光折变非线性 系统14，使用时针对激光波长设计晶体尺寸、掺杂和切割方向等参数。

步骤3】中第二束激光照射目标物10之前，对该束激光进行衰减，目的 是为了对信号光的强度进行控制，获得微弱光信号，便于下一步实现对微弱 光信号的放大和信噪比提升。

步骤3】中第二束激光照射目标物10之后，再依次经过噪声产生装置、 第三透镜组13，设置噪声产生装置（例如散射体12）目的在于使信号光携带 一定噪声，降低信号光的信噪比，以此体现本发明的信噪比提升能力；第三 透镜组13用于调整光斑大小。

该方法还包括步骤6】：通过控制泵浦光的相干度使输出信号的信噪比达 到一个最佳值，具体是通过调节毛玻璃的转速或者电压调制液晶屏的电压； 通过调节非线性系统的外加电场强度也可以使得输出信号的信噪比处于一个 最佳值；这两个最佳值一般是不同的。

输出信号的增益和信噪比并不能同时为最大，为使输出信号既能获得一 定的增益，信噪比又能获得理想的提升，需要均衡考虑，获取一个输出信号 的最佳的对比度。

本发明还提供了一种弱光信号的非线性光学放大及其信噪比增强的装 置。参见图2，该装置主要包括激光源1、分束镜A2、部分相干光发生器、 光折变非线性系统14、高压模块17、探测器16和计算机18。激光源1输出 一束激光，由分束镜A2分成两束，其中能量较多的一束（可占总能量的90%） 激光入射到部分相干光发生器，光电场的空间和时间相干性获得调制，得到 我们需要的部分相干泵浦光；能量较少的一束激光作为探测光，必要时，经 可调节衰减器9后对目标物10体进行照射，由分束镜B11反射出去的光作为 探测光，对目标物探测，返回的光经过散射体12，从而携带散射噪声，形成 携带噪声的弱光信号。

部分相干泵浦光与弱信号光同步射入光折变非线性系统14，射出后射入 探测器16，探测器16探测信号的光强分布，由计算机输出光信号的增益和信 噪比情况，评价此系统对弱光信号的处理能力，高压模块17与光折变非线性 系统连接。

在目标物10与光折变非线性系统之间的光路上还依次设置有噪声产生装 置和第三透镜组13。

较佳的，部分相干光发生器的入射光路上设置有第一透镜组3，用于调整 入射到部分相干光发生器上的光斑大小，控制相干度；部分相干光发生器的 出射光路上设置有第二透镜组5，用于对出射光束的整形，平行光出射；部分 相干泵浦光的相干度由第一透镜组3和部分相干光发生器共同控制。

光折变非线性系统中，部分相干的泵浦光、弱信号光以及非线性系统发 生相互作用，一方面，部分相干的泵浦光通过波耦合过程把能量转移到弱信 号光，实现弱光信号的放大；另一方面，调节泵浦光相干度，减小系统噪声 和控制信号增益，同时利用信号携带的噪声实现一定程度上对信号光增益的 调谐和系统噪声的抑制，完成高信噪比的增强信号输出。

部分相干光发生器选用旋转的毛玻璃4或者是电压调制液晶屏。

光折变非线性系统中我们使用0°切割5mm×5mm×5mm的SBN:60晶 体并施加外电场，还可以使用例如BaTiO₃、KNSBN或Bi₁₂SiO₂₀等光折变非 线性系统，仅需针对激光波长设计晶体尺寸和掺杂和切割方向等参数。还有 一些CdTe、GaAs等半导体材料也可以实现。通过调节非线性系统的外加电 场强度可以使得输出信号的信噪比处于一个最佳值。

探测光，对目标物10进行照射，由图2中分束镜B11反射出去的光作为 探测光，对目标物探测，返回的光经过散射体12，从而携带散射噪声，形成 携带噪声的弱光信号。

参见图3，其中曲线1为部分相干光泵浦下的输出信噪比变化，2为信号 增益变化，3为无泵浦光输入时的输出信噪比变化。可以看出，在光折变非线 性系统中，随泵浦光相干度增加输出信噪比和增益不能同时达到最优。因此， 同时考虑到增益和信噪比的影响，需要调节外加电场和泵浦光相干度使这两 种因素折中，从而输出高可辨识度增强光信号。

参见图4，理论模拟的探测器16输出的图像信号随泵浦光相干度和外加 电场变化示意图；其中，a-原始图像、b-含噪声的弱输入信号。首先，当调节 部分相干光发生器的相干度由小变大时，输出图像的信噪比先增大后变小， 这是因为随着泵浦光相干度的增大，信号获得增益变大的同时，系统噪声的 增益也变大，即部分相干光对系统噪声的抑制作用减弱，由此输出图像发生 （c-e）的变化；当调节非线性系统的外加电场强度由小变大时，晶体中空间 电荷场的调制度增大，信号获得增益变大，但是系统噪声的增益也变大，输 出图像的信噪比先增大后变小，即发生（f-h）的变化。可见，调节光折变非 线性系统的外加电场和泵浦光的相干度这两种因素可以控制非线性晶体的增 益系数，通过对这两种因素的调节可得到信噪比提升的放大光信号输出。

参见图5，图中（a）为初始的弱光脉冲信号，相当于装置中刚经过衰减器 9后的信号；（b）为混入噪声后的低信噪比输入弱光信号，相当于装置中经过 散射体12后的信号光；（c）为该装置中的输出的增强的光信号，可由探测器 16探测。由输出和输入信号的对比可见，其增益和输出信噪比都获得了很大 幅度的提升。