一种太赫兹噪声辐射源及成像系统的制作方法

本发明属于光电信息技术领域，特别是涉及一种太赫兹噪声辐射源及成像系统。

背景技术：

噪声是无规则的扰动，对信号会起到干扰作用，因此通常情况下，需要通过技术手段对噪声进行抑制。但是在某些情况下，噪声源也有其应用价值，比如在成像应用中，噪声光源由于其相干性差，频谱范围宽，因此可以消除图像中的因干涉而引起的条纹等不均匀性，且不同频率分量可以使图像携带更多的信息；又如在研究噪声抑制技术时，需要先对器件或系统的噪声特性进行了解，此时，一个标准的噪声源则可以用来表征其噪声系数。

常用的噪声源是基于雪崩击穿机制的固态二极管，然而这种二极管的截止频率通常低于100GHz，不能作为太赫兹(terahertz，THz)的噪声源。黑体虽然也是一种很好的噪声源，可覆盖THz范围，但由于功率较弱，且其辐射频谱太宽，因此分配在所需频段内(如THz频段)的功率则更弱；而且黑体辐射源的调制只能通过斩波扇式的机械调制，无法采用电调制等高速调制手段。

鉴于此，有必要设计一种新的太赫兹噪声辐射源及成像系统用以解决上述技术问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种太赫兹噪声辐射源及成像系统，用于解决现有的太赫兹噪声源功率较弱、无法进行高速电调制的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种太赫兹噪声辐射源，所述太赫兹噪声辐射源包括：

黑体，用于在设定温度下输出噪声辐射；

光纤准直器，与所述黑体的输出口对准，用于将黑体输出的噪声辐射耦合至光纤；

第一掺饵光纤放大器，通过光纤与所述光纤准直器连接，用于对所述光纤准直器输出的噪声辐射进行初级功率放大，其中，经初级功率放大的噪声辐射的功率小于等于光调制器的最大输入功率；

光调制器，通过光纤与所述第一掺饵光纤放大器连接，用于通过输入的调制信号对经初级功率放大的噪声辐射进行电调制；

第二掺饵光纤放大器，通过光纤与所述光调制器连接，用于对经电调制的噪声辐射进行二级功率放大，其中，经二级功率放大的噪声辐射的功率小于等于光电转换器的最大输入功率；

光电转换器，通过光纤与所述第二掺饵光纤放大器连接，用于将经二级功率放大的噪声辐射进行光电转换，形成太赫兹噪声，并通过天线进行传输；

其中，所述光纤准直器、所述第一掺饵光纤放大器、所述光调制器、所述第二掺饵光纤放大器及所述光电转换器覆盖有共同的工作频段。

优选地，所述太赫兹噪声辐射源还包括设于所述黑体与所述光纤准直器之间的光阑，用于调节所述黑体的开口大小，使所述光纤准直器通过所述光阑的视野被所述黑体覆盖，控制通光量。

优选地，所述黑体的设定温度大于等于400K。

优选地，所述电调制包括强度调制。

优选地，通过调节所述第一、第二掺饵光纤放大器的电流控制所述第一、第二掺饵光纤放大器的输出功率。

优选地，所述光电转换器包括单行载流子光电二极管。

本发明还提供一种成像系统，所述成像系统包括上述任一项所述的太赫兹噪声辐射源。

优选地，所述成像系统包括：

上述任一项所述的太赫兹噪声辐射源，用于发射太赫兹噪声；

二维旋转台，用于承载被测物体，并使所述被测物体在X轴和Y轴方向进行旋转；

光路传输模块，用于传输所述太赫兹噪声并将其会聚至被测物体，及传输带有被测物体信息的太赫兹噪声并将其会聚至探测处理模块；

探测处理模块，用于对接收的带有被测物体信息的太赫兹噪声进行调制信号提取，并对提取出调制信号的带有被测物体信息的太赫兹噪声进行成像、显示；以及

调制信号模块，分别与所述太赫兹噪声辐射源及探测处理模块连接，用于向所述太赫兹噪声辐射源及探测处理模块提供调制信号。

优选地，所述光路传输模块包括：

第一拋面镜，用于接收所述太赫兹噪声辐射源发射的太赫兹噪声并将其转换为平行光束进行传输；

第二拋面镜，位于所述二维旋转台的一侧并与所述第一拋面镜在同一垂直中心线上，用于将所述第一拋面镜传输的平行光束会聚至被测物体上；

第三拋面镜，位于所述二维旋转台的另一侧并与所述第二拋面镜在同一中心线上，用于接收被测物体射出的带有被测物体信息的太赫兹噪声，并将其转换为平行光束进行传输；

第四拋面镜，位于所述第三拋面镜下方，且与所述第三拋面镜位于同一中心线上，用于将所述第三拋面镜传输的平行光束会聚至探测处理模块；

其中，所述第一拋面镜、所述第二拋面镜、所述第三拋面镜及所述第四拋面镜均与水平方向呈45度角。

优选地，所述探测处理模块包括：

探测器，用于探测所述光路传输模块传输的带有被测物体信息的太赫兹噪声，并将其进行传输；

锁相放大器，与所述探测器连接，用于从带有被测物体信息的太赫兹噪声中提取出调制信号；

成像显示单元，与所述锁相放大器连接，用于对提取出调制信号的带有被测物体信息的太赫兹噪声进行成像并显示。

如上所述，本发明的一种太赫兹噪声辐射源及成像系统，具有以下有益效果：

1.本发明所述太赫兹噪声辐射源通过将黑体辐射的噪声引入光纤，实现黑体辐射的噪声可高速电调制，并通过设置光调制器，实现所述太赫兹噪声辐射源还可调制高速参考信号。

2.本发明所述太赫兹噪声辐射源通过设置第一、第二掺饵光纤放大器，实现噪声的功率大小可快速调节。

3.本发明所述太赫兹噪声辐射源通过调节光电转换器及其天线的带宽，可实现所述太赫兹噪声辐射源辐射的噪声频率范围可选。

4.本发明所述太赫兹噪声辐射源由于其相干性差、频谱范围宽，可消除图像中因干涉引起的条纹不均匀，改善太赫兹成像的质量，对太赫兹成像和噪声标定等应用系统的开发具有重要意义。

附图说明

图1显示为本发明所述太赫兹噪声辐射源的结构示意图。

图2显示为本发明第二掺饵光纤放大器输出的噪声辐射经光电转换器后下变频为太赫兹噪声的过程示意图。

图3显示为本发明所述成像系统的结构示意图。

图4a为采用本发明所述太赫兹噪声辐射源进行成像时的成像效果图，图4b为采用太赫兹相干辐射光源进行成像时的成像效果图。

元件标号说明

1 太赫兹噪声辐射源

11 黑体

12 光纤准直器

13 第一掺饵光纤放大器

14 光调制器

15 第二掺饵光纤放大器

16 光电转换器

17 光阑

2 被测物体

3 二维旋转台

4 光路传输模块

41 第一拋面镜

42 第二拋面镜

43 第三拋面镜

44 第四拋面镜

5 探测处理模块

51 探测器

52 锁相放大器

53 成像显示单元

6 调制信号模块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图4b。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种太赫兹噪声辐射源1，所述太赫兹噪声辐射源1包括：

黑体11，用于在设定温度下输出噪声辐射；

光纤准直器12，与所述黑体11的输出口对准，用于将黑体11输出的噪声辐射耦合至光纤；

第一掺饵光纤放大器13，通过光纤与所述光纤准直器12连接，用于对所述光纤准直器12输出的噪声辐射进行初级功率放大，其中，经初级功率放大的噪声辐射的功率小于等于光调制器的最大输入功率；

光调制器14，通过光纤与所述第一掺饵光纤放大器13连接，用于通过输入的调制信号对经初级功率放大的噪声辐射进行电调制；

第二掺饵光纤放大器15，通过光纤与所述光调制器14连接，用于对经电调制的噪声辐射进行二级功率放大，其中，经二级功率放大的噪声辐射的功率小于等于光电转换器的最大输入功率；

光电转换器16，通过光纤与所述第二掺饵光纤放大器15连接，用于将经二级功率放大的噪声辐射进行光电转换，形成太赫兹噪声，并通过天线进行传输；

其中，所述光纤准直器12、所述第一掺饵光纤放大器13、所述光调制器14、所述第二掺饵光纤放大器15及所述光电转换器16覆盖有共同的工作频段。

具体的，所述黑体11的设定温度大于等于400K。

需要说明的是，为了避免环境背景辐射的影响，选取较高的设定温度时，可忽略相对较小的环境背景辐射，进而获得较高的准确性；优选地，在本实施例中，所述黑体11的设定温度为1000K；当然，在其它实施例中，所述黑体11的设定温度还可以为400K，800K，1200K等。

需要说明的是，所述黑体11的设定温度越高，所述黑体11的辐射越强，根据普朗克黑体辐射公式，可计算得出在设定温度下黑体输出的噪声辐射的频谱和功率；普朗克黑体辐射公式为：其中，ρ_v为能量密度，v为辐射频率，T为绝对温度，K为玻尔兹曼常数，C为真空中的光速，h为普朗克常数。

优选地，所述太赫兹噪声辐射源1还包括设于所述黑体11与所述光纤准直器12之间的光阑17，用于调节所述黑体11的开口大小，使所述光纤准直器12通过所述光阑17的视野被所述黑体11覆盖，控制通光量。

需要说明的是，所述光阑17为孔径光阑，所述光阑17的通光量与所述光阑17孔径的大小有关，可由普朗克黑体辐射公式计算。

具体的，通过调节所述第一掺饵光纤放大器13的电流控制所述第一掺饵光纤放大器13的输出功率。

需要说明的是，通过选取不同电流参数的第一掺饵光纤放大器13，可实现不同倍数的功率放大；优选地，在本实施例中，所述第一掺饵光纤放大器13的电流为100mA；当然，在其它实施例中，根据需要的不同功率放大倍数，其电流还可以为200mA，400mA，800mA等。

优选地，所述调制信号包括周期性方波或周期性正弦波；进一步优选地，在本实施例中，所述调制信号f₀为50kHz的正弦波。

具体的，所述电调制包括强度调制，其中，调制速率由所述光调制器的带宽决定，可高达数十GHz。

具体的，通过调节所述第二掺饵光纤放大器15的电流控制所述第二掺饵光纤放大器15的输出功率。

需要说明的是，通过选取不同参数的第二掺饵光纤放大器15，可实现不同倍数的功率放大；优选地，在本实施例中，所述第二掺饵光纤放大器15的电流为100mA；当然，在其它实施例中，根据需要的不同功率放大倍数，其电流还可以为200mA，400mA，800mA等。

具体的，所述光电转换器16将所述第二掺饵光纤放大器15输出的信号进行光滤除，并将光上携带的波长为λ的噪声转换为太赫兹噪声，如图2所示。

需要说明的是，通过选用不同工作带宽的光电转换器16及天线，可获得不同太赫兹频率的太赫兹噪声。

优选地，在本实施例中，所述光电转换器16包括单行载流子光电二极管，其中，所述单行载流子光电二极管及天线的工作带宽为90～140GHz。

优选地，在本实施例中，所述光纤准直器12、所述第一掺饵光纤放大器13、所述光调制器14、所述第二掺饵光纤放大器15、所述光电转换器16及所述光纤的工作频段为1550nm的光通信频段。

实施例二

如图3所示，本实施例提供一种成像系统，所述成像系统包括上述实施例一所述的太赫兹噪声辐射源1。

具体的，所述成像系统包括：

太赫兹噪声辐射源1，用于发射太赫兹噪声；

二维旋转台3，用于承载被测物体2，并使所述被测物体2在X轴和Y轴方向进行旋转；

光路传输模块4，用于传输所述太赫兹噪声并将其会聚至被测物体2，及传输带有被测物体信息的太赫兹噪声并将其会聚至探测处理模块5；

探测处理模块5，用于对接收的带有被测物体信息的太赫兹噪声进行调制信号提取，并对提取出调制信号的带有被测物体信息的太赫兹噪声进行成像、显示；以及

调制信号模块6，分别与所述太赫兹噪声辐射源1及探测处理模块5连接，用于向所述太赫兹噪声辐射源1及探测处理模块5提供调制信号。

具体的，所述太赫兹噪声辐射源1包括：

黑体11，用于在设定温度下输出噪声辐射；

光纤准直器12，与所述黑体11的输出口对准，用于将黑体输出的噪声辐射耦合至光纤；

第一掺饵光纤放大器13，通过光纤与所述光纤准直器12连接，用于对所述光纤准直器12输出的噪声辐射进行初级功率放大，其中，经初级功率放大的噪声辐射的功率小于等于光调制器的最大输入功率；

光调制器14，通过光纤与所述第一掺饵光纤放大器13连接，用于通过输入的调制信号对经初级功率放大的噪声辐射进行电调制；

第二掺饵光纤放大器15，通过光纤与所述光调制器14连接，用于对经电调制的噪声辐射进行二级功率放大，其中，经二级功率放大的噪声辐射的功率小于等于光电转换器的最大输入功率；

光电转换器16，通过光纤与所述第二掺饵光纤放大器15连接，用于将经二级功率放大的噪声辐射进行光电转换，形成太赫兹噪声，并通过天线进行传输；

其中，所述光纤准直器12、所述第一掺饵光纤放大器13、所述光调制器14、所述第二掺饵光纤放大器15及所述光电转换器16覆盖有共同的工作频段。

优选地，在本实施例中，所述光纤准直器12、所述第一掺饵光纤放大器13、所述光调制器14、所述第二掺饵光纤放大器15、所述光电转换器16及所述光纤的工作频段为1550nm的光通信频段。

优选地，在本实施例中，所述黑体11的设定温度为1000K。

优选地，所述太赫兹噪声辐射源1还包括设于所述黑体11与所述光纤准直器12之间的光阑17，用于调节所述黑体11的开口大小，使所述光纤准直器12通过所述光阑17的视野被所述黑体11覆盖，控制通光量。

优选地，在本实施例中，所述第一掺饵光纤放大器13的电流为100mA。

优选地，在本实施例中，所述第二掺饵光纤放大器15的电流为100mA。

优选地，在本实施例中，所述光电转换器16包括单行载流子光电二极管，其中，所述单行载流子光电二极管及天线的工作带宽为90～140GHz。

具体的，所述光路传输模块4包括：

第一拋面镜41，用于接收所述太赫兹噪声辐射源1发射的太赫兹噪声并将其转换为平行光束进行传输；

第二拋面镜42，位于所述二维旋转台3的一侧并与所述第一拋面镜41在同一垂直中心线上，用于将所述第一拋面镜41传输的平行光束会聚至被测物体2上；

第三拋面镜43，位于所述二维旋转台3的另一侧并与所述第二拋面镜42在同一中心线上，用于接收被测物体2射出的带有被测物体信息的太赫兹噪声，并将其转换为平行光束进行传输；

第四拋面镜44，位于所述第三拋面镜43下方，且与所述第三拋面镜43位于同一中心线上，用于将所述第三拋面镜43传输的平行光束会聚至探测处理模块5；

其中，所述第一拋面镜41、所述第二拋面镜42、所述第三拋面镜43及所述第四拋面镜44均与水平方向呈45度角。

具体的，所述探测处理模块5包括：

探测器51，用于探测所述光路传输模块4传输的带有被测物体信息的太赫兹噪声，并将其进行传输；

锁相放大器52，与所述探测器51连接，用于从带有被测物体信息的太赫兹噪声中提取出调制信号；

成像显示单元53，与所述锁相放大器52连接，用于对提取出调制信号的带有被测物体信息的太赫兹噪声进行成像并显示。

优选地，在本实施例中，所述调制信号模块6向所述太赫兹噪声辐射源1及探测处理模块5提供的调制信号f₀为50kHz的正弦波。

通过本实施例所述成像系统进行成像后，其最终成像效果图如图4a所示，而图4b为将本实施例中所述太赫兹噪声辐射源改为太赫兹相干辐射光源进行成像后的最终成像效果图；由此可见，采用太赫兹相干辐射光源进行成像时，图像中会出现由于干涉效应引起的不均匀性；而采用本实施例中的太赫兹噪声辐射源进行成像时，其图像背景更加均匀，成像质量明显提高。

综上所述，本发明的一种太赫兹噪声辐射源及成像系统，具有以下有益效果：

1.本发明所述太赫兹噪声辐射源通过将黑体辐射的噪声引入光纤，实现黑体辐射的噪声可高速电调制，并通过设置光调制器，实现所述太赫兹噪声辐射源还可调制高速参考信号。

2.本发明所述太赫兹噪声辐射源通过设置第一、第二掺饵光纤放大器，实现噪声的功率大小可快速调节。

3.本发明所述太赫兹噪声辐射源通过调节光电转换器及其天线的带宽，可实现所述太赫兹噪声辐射源辐射的噪声频率范围可选。

4.本发明所述太赫兹噪声辐射源由于其相干性差、频谱范围宽，可消除图像中因干涉引起的条纹不均匀，改善太赫兹成像的质量，对太赫兹成像和噪声标定等应用系统的开发具有重要意义。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。