[發明專利]基于相位光柵的太赫茲多波段相干接收系統

有效

• 申請號: 202110259647.6
• 申請日: 2021-03-10
• 公開（公告）號: CN113078956B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 任遠;劉冬;周康敏;史生才
• 申請（專利權）人: 中國科學院紫金山天文臺
• 主分類號: H04B10/61
• 分類號: H04B10/61;H04B10/90
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 金子娟

本發明公開了一種基于相位光柵的太赫茲多波段相干接收系統，其特征在于，包括相位光柵信號耦合系統和低溫離軸拋物面鏡背向耦合系統兩個子系統。所述相位光柵信號耦合系統由多波段本振信號源和反射式相位光柵組成；低溫離軸拋物面鏡背向耦合系統由制冷機、低溫離軸拋面鏡和超導HEB混頻器組成。本發明通過反射式相位光柵對多個波段入射信號的波前相位進行調制，最終由相同的角度反射輸出，將多波段的本振信號耦合至超導HEB混頻器的芯片一側，無需多級分光器級聯耦合多波段本振信號源，同時也無需超半球透鏡耦合本振信號，這樣不僅降低了系統復雜度，并實現了本振信號與探測信號的天然隔離，降低了信號損耗，最終實現了一種基于單一混頻器的高集成度多波段相干接收系統。

技術領域

本發明涉及天文觀測技術領域，具體為一種基于相位光柵的太赫茲多波段相干接收系統。

背景技術

太赫茲波段富含分子、原子、離子精細譜線，是開展宇宙演化、恒星和星系行程等研究的重要波段。高分辨率譜線觀測不僅能夠探測譜線的強度，還能夠辨析譜線的頻譜信息，為我們系統學習天體物理過程中的運動、溫度等特性提供了重要的科學手段。基于多波段相干接收機系統，針對不同指紋譜線的多譜段觀測對于深入認識和理解宇宙演化、恒星和星系行程等重要科學問題具有重要的意義。

1 THz以上的天文觀測研究中，超導熱電子（HEB）混頻器廣泛應用于國際先進天文觀測設施中。例如，美國NASA和德國DLR聯合研制的SOFIA機載紅外天文臺，以及美國NASA和荷蘭SRON聯合研制的GUSTO氣球天文臺都基于超導HEB陣列探測器，并覆蓋1.9 THz，2.5THz與4.7 THz等不同觀測波段。超導HEB混頻器基于低溫工作的超導薄膜與平面天線工藝，可以實現覆蓋1-5 THz寬帶范圍的高靈敏度信號探測。對于多波段協同觀測，同一超寬帶超導HEB混頻器覆蓋不同觀測波段，對于氣球天文臺以及空間或極地等無人值守射電天文觀測設施具有冗余保障等特別優勢。

雖然單個超導HEB探測器可以覆蓋上述的多個觀測波段，但是由于本振泵浦信號（半導體倍頻鏈路和量子級聯激光器）頻率調諧能力的限制，需要多套分別針對多個指紋譜線觀測波段的本振信號源。基于單一混頻器的多波段相干接收機系統其關鍵的技術挑戰在于高效的多波段本振信號分配技術。傳統多波段相干接收系統的本振信號通過多個分光器（通常為為Mylar、Kapton薄膜和wire grid等類型）將多波段本振信號耦合至混頻器。多套本振信號源需用多個分光器級聯耦合，這樣不可避免地增加本振信號的傳輸損耗，同時增加系統的復雜度。

發明內容

本發明的技術目的提出一種高集成度的基于相位光柵的太赫茲多波段相干接收系統，降低信號損耗，以克服現有多波段相干接收系統存在的不足。

本發明提供的技術方案為：

一種基于相位光柵的太赫茲多波段相干接收系統，其特征在于，包括相位光柵信號耦合系統和低溫離軸拋物面鏡背向耦合系統兩個子系統，其中：

相位光柵信號耦合系統由本振信號源和反射式相位光柵組成，所述本振信號源又包括1.9 THz本振信號源、2.5THz本振信號源和4.7 THz本振信號源；

低溫離軸拋物面鏡背向耦合系統由制冷機、低溫離軸拋物面鏡和超導HEB混頻器組成，所述低溫離軸拋物面鏡和超導HEB混頻器均安裝在制冷機的杜瓦內，超導HEB混頻器位于所述低溫離軸拋物面鏡的旁側；

所述制冷機的杜瓦側壁上設有本振信號入射窗口和探測信號入射窗口；

所述超導HEB混頻器包括混頻器芯片和用于探測待測信號的超半球透鏡，所述混頻器芯片安裝在所述超半球透鏡的背面；

待測信號通過超半球透鏡從正面耦合至混頻器芯片；