CN116465491A - 一种平衡零拍探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化的低频段高增益平衡零拍光电探测器,属于光学实验设备技术领域。针对音频及亚音频段各种噪声耦合导致的噪声高增益低的探测问题,通过将两个光电二极管产生的光电流信号相减,然后经交流耦合电容分为低频直流信号和高频交流信号,直流信号经跨阻放大后后直接输出直流电压信号,交流信号经跨阻放大后又经过反相比例放大电路进行二级放大,最后经过交流输出电阻转换为交流电压信号。同时为了排除外界因素干扰,将探测器体积做小,使用硬铝外壳材料设计外壳,为探测器进行电磁屏蔽,外壳与底座一体化,进一步增强探测器的稳定性,从而实现对低频段平坦的散粒噪声的测量。

Description

一种平衡零拍探测器
技术领域
本发明属于光学实验设备技术领域,具体涉及一种小型化的低频段高增益平衡零拍光电探测器。
背景技术
目前,以激光干涉引力波探测器为代表的精密测量技术是当前最前沿的研究领域之一。在退耦合所有的环境噪声和热噪声以后,测量装置的灵敏度最终受限于光场的量子噪声。未来第三代LIGO(LaserInterferometer Gravitational-WaveObservatory)的升级或建造计划均将突破量子噪声极限的压缩光应用作为提升探测灵敏度的重要措施。将非经典光源的测量频率拓展到亚音频段,可以推动基于非经典光源的量子精密测量技术继续向前发展。为了准确地探测到音频以及亚音频段的压缩光源噪声,首先需要测量所感兴趣频段的散粒噪声,但一些技术噪声的耦合可能会破坏傅里叶频率低于数十kHz的散粒噪声测量。其中,光电探测器的电子学噪声、增益成为限制光电探测器测量量子噪声的最关键因素。
平衡零拍探测方法具有能够放大信号光,并且直接表征信号光的正交起伏分量的特点,因而成为测量光场压缩态量子噪声起伏的最佳手段之一。当所测得的散粒噪声与平衡零拍探测器电子学噪声的差值小于压缩态光场的压缩度时,就无法准确测量压缩态光场的压缩度,因此探测器必须具备足够低的电子学噪声来有效地识别这一微弱信号。为了探测压缩态的噪声起伏,又要求平衡零拍探测器必须具备足够高的增益来放大微弱的量子噪声起伏信号。由于本地振荡光的存在,所以平衡零拍探测器还必须具有高饱和功率的特性。
现有的平衡零拍光电探测器有两种不同的电子学设计,一种是可变增益设计,在该设计中,测量的光电流通过单独电路板上的跨阻后立即放大,然后通过减法器计算这两个信号之间的差值,这种电路可以独立改变两个检测器之间的增益,从而补偿不均匀的光功率和光电二极管响应中的差异。而另一种是光电流自减方案设计,其中两个光电二极管的光电流在经过跨阻放大器前相减,这种设计没有可变的电子增益,平衡操作必须通过光学方式完成。通过对比以上两种技术方案,发现实现两个性能完全相同的光电探测器比较困难,而平衡零拍探测中两个光电二极管产生的光电流经同一个运算放大器芯片进行放大,产生的信号具有很好的一致性。此外,现有的商用平衡零拍探测器只能在较高的分析频段产生高的增益,在音频及亚音频段许多噪声耦合并未解决,且饱和功率为微瓦量级,不适用于平衡探测方案,故无法测量更低频段压缩光源的量子噪声。
因此,为了测量更低频段光场压缩态噪声起伏,推动该频段范围内量子精密测量技术的进一步提升,现亟需设计一款针对低频段的、高增益、高稳定性的小型化平衡零拍光电探测器。
发明内容
针对音频及亚音频段各种噪声耦合导致的噪声高、增益低的探测问题,本发明提供了一种高信噪比的小型平衡零拍探测器,用于准确测量低频段非经典光源的正交分量噪声。
为了解决上述问题,本发明采用了下列技术方案:
一种平衡零拍探测器,包括:光信号采集模块1、光电转换模块2和交直流采集模块3、直流输出电阻R7、交流输出电阻R6、交流输出电容C9;
所述光信号采集模块1包括第一光电二极管PD1、第二光电二极管PD2;所述光电转换模块2包括跨阻放大器N1、直流反馈电阻R1、直流反馈电容C7;所述交直流采集模块3包括低噪声精密放大器N2、交流耦合电阻R2、交流采样电阻R3、交流接地电阻R4、交流反馈电阻R5、交流耦合电容C8;
所述第一光电二极管PD1的阴极连接正电压,所述第二光电二极管PD2的阳极连接负电压,所述第一光电二极管PD1的阳极和第二光电二极管PD2的阴极相连,结点为a;结点a与跨阻放大器N1的输入端连接,经过跨阻放大器N1的输出端分别与直流输出电阻R7和交流耦合电阻R2的一端连接,所述直流输出电阻R7的另一端和直流信号的LEMO输出端连接;所述交流耦合电阻R2的另一端与交流耦合电容C8的一端连接,所述交流耦合电容C8的另一端分别与低噪声精密放大器N2的输入端和交流采样电阻R3的一端连接,所述交流采样电阻R3的另一端接地,所述低噪声精密放大器N2的输出端与交流输出电阻R6的输入端连接,交流输出电阻R6的输出端与交流输出电容C9的输入端连接,交流输出电容C9的输出端于交流信号的LEMO输出端连接。
进一步,所述光信号采集模块1还包括穿心电容C1、钽电容C2、电容C3、电容C4、钽电容C5、穿心电容C6、磁珠FER1、磁珠FER2。
进一步,所述第一光电二极管PD1的阴极分别与钽电容C2的正极和电容C3的一端连接,第一光电二极管PD1的阴极还经过穿心电容C1与磁珠FER1的一端连接,钽电容C2的负极与电容C3的另一端以及穿心电容C1的一端共同连接到地,磁珠FER1的另一端与正电压连接;
所述第二光电二极管PD2的阳极分别与钽电容C5的负极和电容C4的一端连接,第二光电二极管PD2的阳极还经过穿心电容C6与磁珠FER2的一端连接,钽电容C5的正极与电容C4的另一端以及穿心电容C2的一端共同连接到地,磁珠FER2的另一端与负电压连接;
所述第一光电二极管PD1的阳极与第二光电二极管PD2的阴极相连,结点为a。
进一步,所述跨阻放大器N1为跨阻放大芯片AD797包括引脚2、引脚3、引脚4、引脚6和引脚7;结点a与跨阻放大芯片AD797的引脚2连接,跨阻放大芯片AD797的引脚3接地,跨阻放大芯片AD797的引脚2和引脚6之间并联有反馈电容C7和反馈电阻R1,跨阻放大芯片AD797的引脚6分别与直流输出电阻R7和交流输出电阻R2连接,跨阻放大芯片AD797的引脚7和引脚4分别与经过滤波的低噪声+15V和-15V电源连接。
进一步,所述低噪声精密放大器N2为低噪声精密放大芯片AD797包括引脚2、引脚3、引脚4、引脚6和引脚7;所述低噪声精密放大芯片AD797的引脚2与接地电阻R4连接,所述低噪声精密放大芯片AD797的引脚3与交流耦合电容C8的一端连接,所述低噪声精密放大芯片AD797的引脚6与交流输出电阻R6的一端连接,所述低噪声精密放大芯片的引脚2和引脚6之间并联有反馈电阻R5,所述低噪声精密放大芯片AD797的引脚7和引脚4分别与经滤波的+15V和-15V电源连接。低噪声精密放大芯片AD797具有低的输入电压噪声和低的输入失调电压。该探测器通过交流耦合电容将交直流分开,并将交流通过放大芯片进行二级放大,所以该探测器具有低的噪声和高的增益以及足够的饱和光功率。
进一步,所述第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2是结电容为25pF的高响应度光电二极管。光电二极管低的结电容有利于增加跨阻放大电路的带宽,高的响应度在相同光功率下能实现高的信噪比。
进一步,与所述磁珠FER1所连接的正电压为+10V电压;与所述磁珠FER2所连接的负电压为-10V电压。
如上述一种平衡零拍探测器的应用,用于稳定测量音频以及亚音频段的散粒噪声基准,同时探测音频及亚音频段的非经典光源噪声。
如图1所示的是本发明所述的低频段高增益平衡零拍探测器结构图,原理是基于一种低噪声的跨阻放大芯片,通过将两个光电二极管产生的光电流信号相减,然后经交流耦合电容分为低频直流信号和高频交流信号,直流信号经跨阻放大后直接输出直流电压信号,交流信号经跨阻放大后又经过反相比例放大电路进行二级放大,最后经过交流输出电阻转换为交流电压信号。
本发明中的平衡零拍探测器设计让两个光电二极管的光电流直接相减,相减的光信号再经过跨阻放大器放大并转换为电信号,此时无法从电路上设计可变增益使平衡探测器的两边相等,但是由于光电二极管之后的所有电子组件是共用的,此时电流减法设计电路可以进一步降低光场经典噪声对探测器测量的影响,直流信号经过跨阻放大后直接输出,通过监测放大的直流信号可以保证两个光电二极管产生的光电流相等,然后将交流信号经过一个反向比例放大电路进行二级放大,在保证探测器两臂直流信号平衡的情况下提高交流信号的放大倍数,使探测器具有足够的增益从而满足探测微弱信号的条件。除此之外,1/f噪声是限制低频探测精度的重要因素,其功率谱密度与频率成反比,导致噪声在越低频段越大。
与现有技术相比本发明具有以下优点:
本发明提供的探测器通过将光电转换模块和信号采集模块集成一体化,电路板上的运放选择低噪声高精度运放,选择低容差、低温漂、高精度的电阻、电容,尽量减小元器件以及电路板自身对于探测器噪声的影响。同时为了排除外界因素干扰,将探测器体积做小,使用硬铝外壳材料设计外壳,为探测器进行电磁屏蔽,外壳与底座一体化,进一步增强探测器的稳定性,从而实现对低频段平坦的散粒噪声的测量。
附图说明
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明,其中:
图1为本发明所述的低频段高增益平衡零拍探测器结构图;
图2为本发明所述的低频段高增益平衡零拍探测器电路图;
图3为本发明所述的光信号采集电路结构图;
图4为本发明所述的光电转化电路结构图;
图5为本发明所述的电信号采集电路结构图;
图6为本发明所述的平衡零拍探测器测试低频段散粒噪声抬高的工作原理图;
图7-8为本发明所述的平衡零拍探测器在不同频段测量散粒噪声抬高以及线性度测试的测量结果图;
图9为本发明所述的平衡零拍探测器单双管测试噪声结果对比图。
图10为本发明所述的小型化平衡零拍探测器实物尺寸图。
图6中:1-光信号采集模块、2-光电转化模块以及DC电信号采集模块、3-AC电信号采集模块、PD1-FD500、PD2-FD500、N1-AD797、N2-AD797、4-高反镜、5-高反镜、6-半波片、7-分束镜、8-高反镜、9-半波片、10-偏振分束棱镜、11-高反镜、12-高反镜、13-平衡零拍探测器、14-示波器、15-频谱仪。
具体实施方式
本发明的所有电路均印刷在电路板上,电路板采用双面板并且双面铺地,芯片周围不铺地,信号线与电源线之间地隔离。
本发明中的平衡零拍探测器采用抗电磁干扰技术,将电路板装在定制的铝质金属壳内,交直流输出信号采用LEMO接头。
实施例1
一种平衡零拍探测器,包括:光信号采集模块1、光电转换模块2和交直流采集模块3、直流输出电阻R7、交流输出电阻R6、交流输出电容C9;
所述光信号采集模块1包括第一光电二极管PD1、第二光电二极管PD2;所述光电转换模块2包括跨阻放大器N1、直流反馈电阻R1、直流反馈电容C7;所述交直流采集模块3包括低噪声精密放大器N2、交流耦合电阻R2、交流采样电阻R3、交流接地电阻R4、交流反馈电阻R5、交流耦合电容C8;
所述第一光电二极管PD1的阴极连接正电压,所述第二光电二极管PD2的阳极连接负电压,所述第一光电二极管PD1的阳极和第二光电二极管PD2的阴极相连,结点为a;结点a与跨阻放大器N1的输入端连接,经过跨阻放大器N1的输出端分别与直流输出电阻R7和交流耦合电阻R2的一端连接,所述直流输出电阻R7的另一端和直流信号的LEMO输出端连接;所述交流耦合电阻R2的另一端与交流耦合电容C8的一端连接,所述交流耦合电容C8的另一端分别与低噪声精密放大器N2的输入端和交流采样电阻R3的一端连接,所述交流采样电阻R3的另一端接地,所述低噪声精密放大器N2的输出端与交流输出电阻R6的输入端连接,交流输出电阻R6的输出端与交流输出电容C9的输入端连接,交流输出电容C9的输出端于交流信号的LEMO输出端连接。
实施例2
一种平衡零拍探测器,包括:光信号采集模块1、光电转换模块2和交直流采集模块3、直流输出电阻R7、交流输出电阻R6、交流输出电容C9;
所述光信号采集模块1包括第一光电二极管PD1、第二光电二极管PD2、穿心电容C1、钽电容C2、电容C3、电容C4、钽电容C5、穿心电容C6、磁珠FER1、磁珠FER2;所述光电转换模块2包括跨阻放大器N1、直流反馈电阻R1、直流反馈电容C7;所述交直流采集模块3包括低噪声精密放大器N2、交流耦合电阻R2、交流采样电阻R3、交流接地电阻R4、交流反馈电阻R5、交流耦合电容C8;
所述第一光电二极管PD1的阴极分别与钽电容C2的正极和电容C3的一端连接,第一光电二极管PD1的阴极还经过穿心电容C1与磁珠FER1的一端连接,钽电容C2的负极与电容C3的另一端以及穿心电容C1的一端共同连接到地,磁珠FER1的另一端与正+10V电压连接;
所述第二光电二极管PD2的阳极分别与钽电容C5的负极和电容C4的一端连接,第二光电二极管PD2的阳极还经过穿心电容C6与磁珠FER2的一端连接,钽电容C5的正极与电容C4的另一端以及穿心电容C2的一端共同连接到地,磁珠FER2的另一端与负-10V电压连接;
所述第一光电二极管PD1的阳极与第二光电二极管PD2的阴极相连,结点为a;如图3光信号采集电路结构图所示,该电路中两个光电二极管反向偏置,供电电压分别为-10V和+10V,两个光电二极管产生的光电流直接相减,结点为a,结点a直接进入跨阻放大芯片。由于相减后的光电流共用所有的电子组件,可以进一步降低光场经典噪声对探测器测量的影响。
所述跨阻放大器N1为跨阻放大芯片AD797包括引脚2、引脚3、引脚4、引脚6和引脚7;结点a与跨阻放大芯片AD797的引脚2连接,跨阻放大芯片AD797的引脚3接地,跨阻放大芯片AD797的引脚2和跨阻放大芯片AD797的引脚6之间并联有反馈电容C7和反馈电阻R1,跨阻放大芯片AD797的引脚6分别与直流输出电阻R7和交流输出电阻R2的一端连接,所述直流输出电阻R7的另一端和直流信号的LEMO输出端连接;跨阻放大芯片AD797的引脚7和跨阻放大芯片AD797的引脚4分别与经过滤波的+15V和-15V电源连接。如图4光电转化电路结构图所示,相减后的光电流直接进入跨阻放大芯片,跨阻放大电路N1选用超低失真、超低噪声的跨阻放大芯片AD797;反馈电阻选用10kΩ的超低噪声电阻;反馈电容选用4.7pF的低容差电容,跨阻放大芯片AD797连接经过滤波后的±15V电源,跨阻放大电路并联电容具有提高信号质量,减少自激振荡的作用。跨阻放大电路将光电二极管采集的电流信号经过反馈电阻转换为电压信号,输入到下一级(DC/AC)以便采集处理。
所述低噪声精密放大器N2为低噪声精密放大芯片AD797包括引脚2、引脚3、引脚4、引脚6和引脚7;所述低噪声精密放大芯片AD797的引脚2与接地电阻R4连接,所述低噪声精密放大芯片AD797的引脚3与交流耦合电容C8的一端连接,所述低噪声精密放大芯片AD797的引脚6与交流输出电阻R6的一端连接,所述低噪声精密放大芯片的引脚2和引脚6之间并联有反馈电阻R5,所述低噪声精密放大芯片AD797的引脚7和引脚4分别与经滤波的+15V和-15V电源连接。如图5电信号采集电路结构图所示,跨阻放大芯片直接输出后由一个低容差电容将电信号的交直流分开,一路的直流输出电阻选择48.7Ω的低噪声电阻直接输出DC信号;另一路的交流输出端首先选择一个0Ω的低噪声电阻,相当于很窄的电流通路,能够有效地限制环路电流,使噪声得到抑制,之后通过交流耦合电容,电容选用一个低容差的10μF电容,将交流信号输入反相比例放大电路,放大芯片同样选用低噪声的AD797,反馈网络中电阻R4和R5分别为750Ω和40kΩ,输出电阻R6为49.9Ω,输出电容C9为0μF。
所述交流耦合电阻R2的另一端与交流耦合电容C8的一端连接,所述交流耦合电容C8的另一端分别与低噪声精密放大器N2的输入端和交流采样电阻R3的一端连接,所述交流采样电阻R3的另一端接地,所述低噪声精密放大器N2的输出端与交流输出电阻R6的输入端连接,交流输出电阻R6的输出端与交流输出电容C9的输入端连接,交流输出电容C9的输出端于交流信号的LEMO输出端连接。
第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2是结电容为25pF的高响应度光电二极管。
本发明平衡零拍探测器的交流输出具有低噪声、高增益的特点,直流输出能够监视两个光电二极管的输入光功率。
实施例3
图6为本发明所述的平衡零拍探测器测试低频段散粒噪声抬高的工作原理图。其中4、5、8、11、12均为高反镜,用于改变光的传播方向;6、9为半波片,用于调节线偏振光经分束棱镜后两束光的功率比;7为分束镜,用于分开走激光的一部分功率用作后续使用;10为偏振分束棱镜,用于调节两束光平衡输出;13为测量散粒噪声基准的平衡零拍光电探测器;14为示波器,用于监视两个光电两个光电二极管经过平衡零拍探测器相减后DC输出端的变化情况;15为频谱仪,用于测量两个光电二极管功率相等的情况下,光电流相减后的散粒噪声基准。
图7为本发明所述的平衡零拍探测器单双管测试噪声结果对比图。谱线从上到下分别为本地光进入单个光电二极管时探测器的噪声抬高、本地光进入双管时探测器的噪声抬高以及探测器不打光时的电子学噪声,可以看出单管探测时,光场的噪声在低频段仍然很高,但是通过平衡零拍探测,双管的噪声相较于单管降低至少40dB,从而极大地抑制了经典噪声对低频段非经典光源噪声探测的影响。
图8-9为本发明所述的平衡零拍探测器在不同频段增益以及线性度测试的结果图。图8为0Hz-100kHz的测量结果,在100kHz以下可以探测到平坦的散粒噪声基准。为了更清晰地表征更低频段的噪声,图9为0Hz-1kHz的测量结果,谱线从下到上分别为平衡零拍探测器的电子学噪声以及不同光功率下的散粒噪声基准,可以看出当光功率翻倍时,散粒噪声提高3dB。当打光为2mW时,散粒噪声抬高有20dB,此时的增益已经足够用来探测非经典光源的正交分量噪声。
图10为本发明所述的小型化平衡零拍探测器实物尺寸图。整体探测器的尺寸为75mm*26mm*105mm,其中包括40mm高的底座。底座与探测器一体化为一体化设计,增加整体稳定性,整个外壳采用硬铝材料,为探测器设计电磁屏蔽,小型化的平衡零拍探测器可以进一步促进集成化、一体化的非经典光源的制备。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述,以便于本技术领的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种平衡零拍探测器,其特征在于:包括:光信号采集模块1、光电转换模块2和交直流采集模块3、直流输出电阻R7、交流输出电阻R6、交流输出电容C9;
所述光信号采集模块1包括第一光电二极管PD1、第二光电二极管PD2;所述光电转换模块2包括跨阻放大器N1、直流反馈电阻R1、直流反馈电容C7;所述交直流采集模块3包括低噪声精密放大器N2、交流耦合电阻R2、交流采样电阻R3、交流接地电阻R4、交流反馈电阻R5、交流耦合电容C8;
所述第一光电二极管PD1的阴极连接正电压,所述第二光电二极管PD2的阳极连接负电压,所述第一光电二极管PD1的阳极和第二光电二极管PD2的阴极相连,结点为a;结点a与跨阻放大器N1的输入端连接,经过跨阻放大器N1的输出端分别与直流输出电阻R7和交流耦合电阻R2的一端连接,所述直流输出电阻R7的另一端和直流信号的LEMO输出端连接;所述交流耦合电阻R2的另一端与交流耦合电容C8的一端连接,所述交流耦合电容C8的另一端分别与低噪声精密放大器N2的输入端和交流采样电阻R3的一端连接,所述交流采样电阻R3的另一端接地,所述低噪声精密放大器N2的输出端与交流输出电阻R6的输入端连接,交流输出电阻R6的输出端与交流输出电容C9的输入端连接,交流输出电容C9的输出端于交流信号的LEMO输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种平衡零拍探测器,其特征在于:所述光信号采集模块1还包括穿心电容C1、钽电容C2、电容C3、电容C4、钽电容C5、穿心电容C6、磁珠FER1、磁珠FER2。
3.根据权利要求2所述的一种平衡零拍探测器,其特征在于:所述第一光电二极管PD1的阴极分别与钽电容C2的正极和电容C3的一端连接,第一光电二极管PD1的阴极还经过穿心电容C1与磁珠FER1的一端连接,钽电容C2的负极与电容C3的另一端以及穿心电容C1的一端共同连接到地,磁珠FER1的另一端与正电压连接;
所述第二光电二极管PD2的阳极分别与钽电容C5的负极和电容C4的一端连接,第二光电二极管PD2的阳极还经过穿心电容C6与磁珠FER2的一端连接,钽电容C5的正极与电容C4的另一端以及穿心电容C2的一端共同连接到地,磁珠FER2的另一端与负电压连接;
所述第一光电二极管PD1的阳极与第二光电二极管PD2的阴极相连,结点为a。
4.根据权利要求1所述的一种平衡零拍探测器,其特征在于:所述跨阻放大器N1为跨阻放大芯片AD797包括引脚2、引脚3、引脚4、引脚6和引脚7;结点a与跨阻放大芯片AD797的引脚2连接,跨阻放大芯片AD797的引脚3接地,跨阻放大芯片AD797的引脚2和引脚6之间并联有反馈电容C7和反馈电阻R1,跨阻放大芯片AD797的引脚6分别与直流输出电阻R7和交流输出电阻R2连接,跨阻放大芯片AD797的引脚7和引脚4分别与经过滤波的+15V和-15V电源连接。
5.根据权利要求1所述的一种平衡零拍探测器,其特征在于:所述低噪声精密放大器N2为低噪声精密放大芯片AD797包括引脚2、引脚3、引脚4、引脚6和引脚7;所述低噪声精密放大芯片AD797的引脚2与接地电阻R4连接,所述低噪声精密放大芯片AD797的引脚3与交流耦合电容C8的一端连接,所述低噪声精密放大芯片AD797的引脚6与交流输出电阻R6的一端连接,所述低噪声精密放大芯片的引脚2和引脚6之间并联有反馈电阻R5,所述低噪声精密放大芯片AD797的引脚7和引脚4分别与经滤波的+15V和-15V电源连接。
6.根据权利要求1所述的一种平衡零拍探测器,其特征在于:所述第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2是结电容为25pF的高响应度光电二极管。
7.根据权利要求3所述的一种平衡零拍探测器,其特征在于:所述磁珠FER1的另一端与正电压连接中正电压为+10V电压;所述磁珠FER2的另一端与负电压连接中负电压为-10V电压。
8.一种如权利要求1所述的一种平衡零拍探测器的应用,其特征在于:用于稳定测量音频以及亚音频段的散粒噪声基准,同时探测音频及亚音频段的非经典光源噪声。
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