CN103698826B - 一种偏振态位相可调控宽光谱反射镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种偏振态位相可调控宽光谱反射镜，通过金属薄膜材料和多种介质薄膜材料的优化组合，实现反射镜光谱、偏振态和位相的三维一体精确调控。反射镜使用金属薄膜材料实现宽光谱范围的高反射率，利用周期性四分之一全介质反射膜堆实现反射镜局部光谱反射率的增强和偏振灵敏度的控制，利用多层非规整介质膜层实现反射镜反射位相的精确调控。该反射镜具有反射光谱范围宽，反射偏振态和位相精确可调，可实现局部光谱反射率增强等特点。
Description
技术领域
本发明涉及光学反射镜，具体是指利用金属及多种介质薄膜材料设计金属膜层与全介质膜层的组合结构，实现反射能量、偏振灵敏度和位相的调制，采用真空镀膜工艺制备的具有高效能量传输和精确偏振灵敏度与位相操控的宽光谱光学反射元件。
背景技术
量子通信是研究利用量子手段传递和处理信息的一门学科，相比于经典通信，量子通信有很多优势。利用量子通信技术可以建立无法破译的密钥系统，实现真正意义上的保密通信。
量子通信的应用方式有量子密钥分发、量子隐形传输等。其中，量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）的技术发展得最为成熟，已为各国研究者所验证，将来在量子通信中可能最早投入实用。由于通常通信的信道很长而衰减很大，量子通信并不适合于直接传送密文。量子密钥分发是在通信双方间先进行密钥的传输，然后再通过“一次一密”的方式，将明文加密后经由经典信道传输，实现保密通信。量子密钥分发的安全性依赖于量子力学中的海森堡测不准原理、量子不可分割定理和量子不可克隆定理。这些量子力学基本原理和定理客观存在于任何微观量子体系中，保证了未知的量子态不可能被精确复制，因此采用量子作为密钥载体的量子密钥分发能够准确地检测出是否存在窃听，从而在物理原理层面上确保安全通信的可靠性。
当前，量子密钥分发正处于从实验室走向实际应用的关键阶段。其验证试验的距离越来越远，成码率也越来越高，试验的结构网络也于近期得到了演示，波士顿的DARPA网络就是其中杰出工作的代表。现有的量子密钥分发的传输信道主要有光纤和自由空间两种。使用光纤传输能够保证在光子传输时受背景光噪声、天气等外部条件的影响较小，但是由于光纤材料的限制，光纤的损耗和双折射效应在传输过程中无法避免，使得光纤量子密钥分发系统的偏振保持成为一个严峻的问题。目前低损耗光纤的性能已经逼近理论极限，现有光纤量子密钥分发的最远距离约为200km，要进行更长距离的光纤密钥分发将变得非常困难。而自由空间信道中大气粒子的吸收和散射效应很小，且不存在双折射效应，几乎不对完全偏振光的偏振态产生影响，极为适合用作偏振编码的量子密钥分发信道。尤其在星地自由空间信道中，仅有一小段为大气信道，有效厚度仅约20公里，且越远离地面越为稀薄，影响越小，其余皆为真空信道，星地信道还能够克服地面信道的地球曲率限制。可见，利用空间平台作为中转的偏振编码自由空间量子密钥分发是实现全球量子保密通信网络的最有效手段之一。
但是在偏振编码的自由空间量子密钥分发中，其信道还是存在许多效应将作用于分发过程使得密钥分发性能受到影响，需要具体研究信道的作用及其抑制措施以推进量子密钥分发的实用化进程。当密钥光子从量子光源出射编码后，会经过漫长而复杂的光学信道，包括自由空间信道和光机系统，最终才为单光子探测器所接收。由于大气信道的非理想性和光机系统的不完善性，将引起量子密钥分发过程中量子密钥信号的效率、偏振态等参数的畸变，还将引入暗记数等外部噪声，从而使得量子密钥分发系统成码率下降，并在无窃听者条件下产生系统误码率。当成码率过低时，获得用于“一次一密”保密通信的量子密钥的时间代价就会增大。而当误码率过高时，就将使得窃听者在不被发现的情况下获得更多的有效信息，量子密钥分发的安全性受到威胁，甚至导致受到完美攻击或无成码而导致量子密钥分发完全失效。
在自由空间量子密钥分发实验中，反射镜是试验光学系统中不可缺少的光学元件。反射镜在光学能量高效传递，光学系统光路折转等方面的功能已经得到了广泛而成熟的应用。然而，反射镜在一定工作角度下使用时，其引入的额外偏振灵敏度及位相差会造成量子编码光子的畸变，造成量子通信误码率的升高，严重时甚至会导致量子通信的失败。
发明内容
本发明基于自由空间量子密钥分发实验对反射镜光学能量、偏振灵敏度和位相调制的要求，提出一种在光学基片上利用金属膜实现宽光谱稳定反射率、利用全介质反射堆提升指定波段光谱反射率并调整偏振灵敏度、利用优化的多层全介质非规整膜层实现反射位相的操控，解决了自由空间量子密钥分发实验中反射镜能量、偏振灵敏度、位相三维一体调控的难题。
本发明所述反射镜的结构如附图1所示，在光学基片1上依次生长金属膜层2，中心波长可调全介质反射堆3和位相调制非规整多层介质膜4。其中，金属膜层2实现反射镜宽光谱范围稳定的反射能量；中心波长可调全介质反射堆3实现反射镜局部光谱范围反射率的增强，降低能量损失，并调控该光谱范围的偏振灵敏度；位相调制非规整多层介质膜层4的各层光学厚度进行系统优化后，对反射镜特定光谱范围内的反射位相进行精确调控。以上所述的反射镜结构既保证了光学效率的高效传递，又对用于量子编码光子的偏振态与位相进行了操控与保持。
以一种空间量子密钥分配试验系统中光谱工作波段从可见光延伸到短波红外、量子编码波长在近红外波段的反射镜为例，该反射镜的构建步骤如下：
1）选择反射镜常用的基片材料如石英、微晶玻璃、碳化硅、金属铍等其中的一种作为光学基片1的材料；
2）选择在可见到近红外波段有稳定高反射率的金属如银（Ag）、铝（Al）、金（Au）等作为金属薄膜材料，其设计厚度以达到稳定反射率且不影响可靠性为宜，根据材料特性及工艺实施过程来确定；
3）选择两种介质薄膜材料分别作为中心波长可调全介质反射堆3的高折射率材料（nH）和低折射率材料（nL），根据反射率增强和偏振灵敏度调控波段设定全介质反射膜堆的中心波长λ0，中心波长可调全介质反射堆3的结构为：
(H L)x H
其中x为反射堆的周期，x=1-10，H为λ0/4膜厚的高折射率材料nH膜层，L为λ0/4膜厚的低折射率材料nL膜层，周期越大，反射率增强区域的反射率越高，偏振灵敏度越小；
4）选择与中心波长可调全介质反射堆3相同两种介质薄膜材料分别作为位相调制非规整多层介质膜4的高折射率材料（nH）和低折射率材料（nL），其结构为：
aH bL cH dL eH fL…
其中，a,b,c,d,e,f…为常数，代表位相调制非规整多层介质膜4各膜层的厚度系数，H为λ0/4膜厚的高折射率材料nH膜层，L为λ0/4膜厚的低折射率材料nL膜层，根据反射位相调控需要来确定位相调控膜的层数以及各层膜的厚度；
5）在薄膜生长设备上，利用热蒸发、电子束蒸发或溅射等方法，按照设计好的膜系结构，在光学基片1上逐层生长指定厚度的膜层，并完成反射镜的制备。
本发明的反射镜具有以下几个方面的优点：
1）金属膜层的选用保证了反射镜在较宽的光谱范围内，光学能量的高效传输；
2）多层介质膜层实现了反射镜局部光谱能量增强、偏振灵敏度的调控以及反射位相的精确调制，同时多层介质膜对金属膜层起到了保护作用；
3）该反射镜实现了在同一光学元件上宽光谱反射能量、偏振灵敏度和反射位相的三维一体调制与操控。
附图说明
图1偏振态位相可调控宽光谱反射镜结构示意图。
图2偏振态位相可调控宽光谱反射镜反射光谱曲线。
图3偏振态位相可调控宽光谱反射镜反射增强波段偏振光谱。
图4偏振态位相可调控宽光谱反射镜反射位相图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：以Ф30mm×6mm的单面抛光石英片作为基底，选择银（Ag）作为金属膜层，五氧化二钽（Ta2O5）和二氧化硅（SiO2）作为高折射率（nH）和低折射率（nL）介质材料，反射镜结构如示意图1所示。其工作角度为45°，工作波段500-1600nm，偏振灵敏度与反射位相调制波段为770-860nm。
金属银（Ag）膜层的厚度设计大约为80nm，该厚度即保证了可见红外波段的反射率，同时膜层具有较好的牢固度与可靠性。
中心波长可调全介质反射堆设计波长λ0=880nm，其膜系结构为：
（H L）5H
位相调制非规整多层介质膜的设计波长与全介质反射堆的设计波长相同，其膜系结构为：
0.525H 0.853L 0.758H 0.992L 0.977H 1.062L 0.977H 1.063L
该反射镜在可见光到近红外波段的反射光谱见图2所示，反射率增强波段S偏振光与P偏振光的能量见图3所示，反射位相见图4所示。
反射镜的工艺实施过程如下：1）对光学基片进行超声波清洗并烘干，然后将其放入真空室内工件架上，并对真空室抽真空达到1.0×10-4Pa；2）将工件架的转速调整到30rad/min，使用射频离子源对光学基片进行镀膜前的清洗和预处理，时间为10分钟；3）关闭离子源，使用电阻蒸发的方式生长Ag膜层，其蒸发速率为15nm/s；4）向真空室充入O2气体，并开启射频离子源，保持真空室压强在2.0～3.0×10-2Pa范围；5）按照全介质反射堆的膜系设计，采用电子束蒸发工艺完成全介质反射堆的制备，其中Ta2O5和SiO2材料的蒸发速率分别为0.2nm/s和0.8nm/s，各膜层厚度控制利用光学极值监控方式来实现；6）采用相同的工艺条件，按照位相调制多层介质膜的设计，完成其各膜层的制备，利用石英振荡控制仪对各非规整膜层厚度进行控制；7）完成各膜层制备后，关闭离子源及工作气体，保持真空30分钟后开启真空室取出样品。最终完成反射镜的制备。
Claims (1)
1.一种偏振态位相可调控宽光谱反射镜，在光学基片(1)上依次制备金属膜层(2)，中心波长可调全介质反射膜堆(3)以及位相调制非规整多层介质膜层(4)，其特征在于：
所述的光学基片(1)采用石英、微晶玻璃、碳化硅或金属铍；
所述的金属膜层(2)选择在可见到近红外波段有稳定高反射率的金属银、铝或金作为金属薄膜；
所述的中心波长可调全介质反射膜堆(3)选择两种介质薄膜材料分别作为中心波长可调全介质反射膜堆(3)的高折射率材料nH和低折射率材料nL，根据反射率增强和偏振灵敏度调控波段设定全介质反射膜堆的中心波长λ0，中心波长可调全介质反射膜堆(3)的结构为：
(H L)x H
其中x为反射堆的周期，x＝1-10，H为λ0/4膜厚的高折射率材料nH膜层，L为λ0/4膜厚的低折射率材料nL膜层；
所述的位相调制非规整多层介质膜层(4)选择与中心波长可调全介质反射膜堆(3)相同两种介质薄膜材料分别作为位相调制非规整多层介质膜层(4)的高折射率材料nH和低折射率材料nL，其结构为：
aH bL cH dL eH fL…
其中，a，b，c，d，e，f…代表位相调制非规整多层介质膜层(4)各膜层的厚度系数，H为λ0/4膜厚的高折射率材料nH膜层，L为λ0/4膜厚的低折射率材料nL膜层，位相调制非规整多层介质膜层的层数以及各层膜的厚度根据反射位相调控数据确定。
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