CN107664781B - 一种基于离子束溅射沉积薄膜的面形可控保偏分色片 - Google Patents
一种基于离子束溅射沉积薄膜的面形可控保偏分色片 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107664781B CN107664781B CN201710760255.1A CN201710760255A CN107664781B CN 107664781 B CN107664781 B CN 107664781B CN 201710760255 A CN201710760255 A CN 201710760255A CN 107664781 B CN107664781 B CN 107664781B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- polarization
- color separation
- maintaining
- film layer
- film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
- G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
- G02B1/11—Anti-reflection coatings
- G02B1/113—Anti-reflection coatings using inorganic layer materials only
- G02B1/115—Multilayers
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
- G02B27/286—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising for controlling or changing the state of polarisation, e.g. transforming one polarisation state into another
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Surface Treatment Of Optical Elements (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于离子束溅射沉积薄膜的面形可控保偏分色片。该保偏分色片以石英为基底，Ta2O5和SiO2分别作为高、低折射率镀膜材料，光线22.5°倾斜入射。采用离子束溅射薄膜沉积工艺，基片的一侧镀制保偏分色膜层，实现光谱分色控制以及保偏控制；基片的另一侧镀制应力匹配的增透膜层，在保证保偏分色片分色性能及保偏性能的同时，抵消主镀膜面的部分应力值，减小主镀膜表面的曲率半径，实现保偏分色片面形的控制。其应用于量子通信实验中，具有分色性能高效，保偏性能优异，面形可控等特点。
Description
技术领域
本发明涉及光学薄膜技术，具体指在离子束溅射沉积工艺下，利用增透膜层对保偏分色片的背部进行应力匹配，在保证保偏分色片保偏及分色性能的同时，抵消主镀膜面的部分应力值，减小主镀膜表面的曲率半径，实现对保偏分色片的面形控制。
背景技术
量子通信基于量子物理学的基本原理，通过建立无法破译的秘钥系统，克服了经典加密技术内在的安全隐患，实现了真正意义上的保密通信。目前，基于光纤的城域和城际量子通信技术正在走向实用化和产业化，我国在这方面已经走在了世界前列。但由于光纤的固有损耗、双折射效应以及单光子状态的不可复制性，目前点对点光纤量子通信的距离难以突破百公里量级。现有的光纤量子秘钥分发的最远距离约为200km，已经逼近了低损耗光纤的理论极限。因此，要实现广域乃至全球化的量子通信网络，还需要借助卫星的中转。
2016年8月16号，世界上第一颗从事空间尺度量子科学实验的“墨子号”科学实验卫星，在我国酒泉卫星发射中心成功发射。在多个地面站的配合下，“墨子号”实现了星地高速量子秘钥分发、星地双向量子纠缠分发以及空间尺度量子非定域检验、地星量子隐形传态等实验。
在量子秘钥分发和双向量子纠缠分发实验中，保偏分色片(Dichroic beam-spliter，DBS)作为实验光学系统中的光学元件，承担着光谱分光及偏振控制的功能。在“墨子号”实验卫星上，10°、22.5°、35°和45°等几种保偏分色片，被应用于秘钥分发实验和纠缠分发实验中。然而，由于这些保偏分色片膜层设计复杂，膜层总物理厚度大，在离子束溅射沉积过程中会产生较大应力。这会导致镀膜表面产生凹凸变形，进而影响光学系统中的发散角和光束形状，严重时会导致量子通信实验的失败。
发明内容
本发明针对离子束溅射沉积工艺下，保偏分色片在镀膜之后，由于应力过大而导致的表面变形问题，提出了一种通过在基片背部镀制应力匹配的增透膜层，来控制面形的解决方法。
膜层应力是薄膜的重要力学特性，主要产生于制备过程中。薄膜器件的应力状态与薄膜沉积工艺，沉积温度、基片选取、镀膜材料、膜系结构等因素有关。在相同的薄膜沉积条件下，膜层的总物理厚度和高、低折射率材料的物理厚度比值会直接影响薄膜的应力状态。
根据Stoney公式，在其它参量不变的情况下，薄膜的应力与镀膜后基片曲率半径的倒数呈线性关系。曲率半径越大，薄膜的应力越大。本发明在测试中使用激光干涉仪，对基片镀膜前后的面形进行测量。通过面形的变化，推导出膜层应力的变化情况。
本发明的技术方案是：采用离子束溅射沉积工艺，在基片的一侧镀制保偏分色膜层(DBS)，在基片的背部镀制应力匹配的增透膜层(Anti-reflecting Coating，AR)。在不应影响基片保偏特性的同时，实现对基片表面的面形控制。
根据以上分析，该保偏分色片的实现包括以下步骤：
1.根据保偏分色片的指标要求，选取两种介质薄膜材料分别作为高(H)、低折射率(L)镀膜材料，利用Film Wizard薄膜优化设计软件，对保偏分色膜层进行优化设计。
2.计算保偏分色膜层中高(H)、低(L)折射率材料的膜层物理总厚度以及比值。在基片背部设计膜层物理厚度和比值与保偏分色膜层接近的背部增透膜层，使其应力状态与保偏分色膜层相匹配。从而能够抵消主镀膜面的部分应力值，降低薄膜表面的曲率半径，实现对面形的控制。
3.使用离子束溅射真空镀膜设备，在光学基片的一侧镀制保偏分色膜层；取出基片并翻面，在基片的另一侧镀制背部增透膜层，完成保偏分色片的研制。
4.使用分光光度计，测量保偏分色片的透过率曲线；使用激光干涉仪，测量保偏分色片表面的曲率半径；使用设计搭建的偏振检测装置(见图1和图2)，完成对保偏分色片偏振特性的测试。
一种基于离子束溅射沉积薄膜的面形可控保偏分色片包括基底1、保偏分色膜层2和增透膜层3，其中：
所述的保偏分色片以石英为基底1，在基底一面镀制保偏分色膜层2，在基底的另一面镀制应力匹配的增透膜层3；
通过计算保偏分色膜层2中高、低折射率膜层的物理总厚度及比值，对所述背部增透膜层3进行应力匹配设计。
本发明的保偏分色片具有以下几个方面的优点：
1.主镀膜面的保偏分色膜层，实现了保偏分色片的光谱分色控制以及保偏控制；
2.背部的应力匹配增透膜层，实现了保偏分色片的面形控制；
3.在单个光学基片上，同时满足了光谱分色控制、保偏控制和面形控制的技术要求。
附图说明
图1为反射量子光偏振检测装置图。
图2为透射量子光偏振检测装置图。
图3为保偏分色片结构示意图。
图4为镀制保偏分色膜层(DBS)和镀制应力匹配增透膜层后(DBS+AR)样品的透过率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：以腰圆直径Φ30mm，厚度为6mm的双面抛光JGS-1石英作为基底，应力匹配的保偏分色片结构示意图如图3所示，主要技术指标见下表1：
表1保偏分色片的主要技术指标
| 技术参数 | 指标要求 |
| 780±3nm透过率 | >90％ |
| 780±3nm透射消光比 | >3000:1 |
| 810±5nm反射率 | >95％ |
| 810±5nm反射消光比 | >5000:1 |
| 面形RMS值 | <0.1λ(@630nm) |
根据上述技术要求，保偏分色膜系采用五氧化二钽(Ta2O5)和二氧化硅(SiO2)分别作为高(H)、低折射率(L)材料，工作角度为22.5°，设计膜系如下：
入射角为22.5°的780T/810R的保偏分色膜系为：
基底/1H 1L 1H 1L 2H 1L 1H 1L 1H 1L 2.419H.293L 2.419H 2.733L.473H.68L2.696H.669L 3.14H 1.973L 2.603H 2.227L 1.782H 2.637L 2.352H.351L 3.156H.673L2.373H 2.284L.91H.387L 1.755H.218L.477H.395L 2.484H 1.893L 1.075H 3.35L3.261L 2.642H 2.119L 3.193H.75L 2.271H 2.341L 3.148H 1.139L.2H 1.611L/空气(λ0@790nm)
上述膜系中，膜层总厚度为9.57μm。高、低折射率材料的总物理厚度分别为4.51μm和5.06μm，高低折射率材料的总厚度比值为0.89。镀制保偏分色膜系后，样品的透过率测试曲线如图4所示。偏振测试结果如下表2所示。
表2镀制保偏分色膜层(DBS)后样品的保偏测试结果
背部增透膜层采用五氧化二钽(Ta2O5)和二氧化硅(SiO2)分别作为高(H)、低折射率(L)材料，采用非规整膜系进行优化设计。具体膜层结构为：
基底/2.016H 3.143L 2.071H 2.901L 2.37H 2.2L 3.468H 2.082L 2.044H1.696L 1.845H 2.05L 1.659H 2.868L 1.822H 1.402L 2.387H 3.122L/空气(λ0@795nm)
可以看到，上述背部增透膜层总物理厚度为4.83μm。高、低折射率材料的总物理厚度分别为2.04μm和2.79μm，比值为0.73，与保偏分色膜层的比值接近。这样能够保证，在同样的镀制工艺下，背部的应力情况与主镀膜面的应力情况相近。通过相互抵消，可以降低主镀膜面的应力，减小主镀膜面的曲率半径，实现对镀膜器件面形的控制。
在基片背部镀制增透膜层后，样品的透过率测试曲线如图4所示。偏振测试结果如表3所示。可以看出，在镀制应力匹配的背部增透膜层后，保偏分色片在透射区的平均透射率大于92％，反射区的平均反射率大于97％，满足样品对于光谱分色的要求。在780nm波长处的消光比大于3000：1，在810nm波长处的消光比大于7000：1，满足样品对于保偏性能的要求。通过激光干涉仪对样品表面的曲率半径进行测试，显示样品表面的曲率半径由0.344λ降为0.108λ，表面面形得到了有效控制，能够满足量子通信实验中的使用要求。
表3背部进行应力匹配(DBS+AR)后样品的保偏测试结果
基于离子束溅射沉积薄膜的面形可控保偏分色片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的夹具盘上，使用机械泵和低温泵，让真空室的压强达到2.0x 10-3Pa以下；2)以100rad/min的速度公转夹具盘，将基片温度加热至90℃，保持120min；2)使用辅助RF离子源，对基片进行预清洗处理，时间为10min；4)对于主膜系，采用光控和时间控结合的方法，完成各个膜层的镀制，其中Ta2O5和SiO2的溅射沉积速率分别为0.36nm/s和0.26nm/s；5)主膜系镀制完成后，待基片温度降至50℃以下，对真空室放气，取出基片；6)翻转基片，采用时间控制的方法，溅射沉积背部增透膜系，完成保偏分色片的研制。
VEECO离子束溅射真空镀膜设备的具体工艺参数见下表4。
表4离子束溅射真空镀膜设备的具体工艺参数
Claims (1)
1.一种基于离子束溅射沉积薄膜的面形可控保偏分色片，包括基底(1)、保偏分色膜层(2)和增透膜层(3)，其特征在于：
所述的保偏分色片以石英为基底(1)，在基底一面镀制保偏分色膜层(2)，在基底的另一面镀制应力匹配的增透膜层(3)；
通过计算保偏分色膜层(2)中高、低折射率膜层的物理总厚度及比值，对所述增透膜层(3)进行应力匹配设计；
所述的面形可控保偏分色片的表面RMS值在0.1λ以内，λ的波长为632.8nm；采用离子束溅射沉积工艺的膜系结构在780±3nm波长处具有高效透射以及大消光比，在810±5nm波长处具有高效反射以及大消光比；其中：
所述的保偏分色膜层(2)的膜系结构为：
基底/1H 1L 1H 1L 2H 1L 1H 1L 1H 1L 2.419H 0.293L 2.419H 2.733L0.473H0.68L 2.696H 0.669L 3.14H 1.973L 2.603H 2.227L 1.782H 2.637L 2.352H0.351L3.156H 0.673L 2.373H 2.284L 0.91H 0.387L 1.755H 0.218L 0.477H0.395L 2.484H1.893L 1.075H 3.35L 3.261L 2.642H 2.119L 3.193H 0.75L 2.271H2.341L 3.148H1.139L 0.2H 1.611L/空气；
所述的增透膜层(3)的膜系结构为：
基底/2.016H 3.143L 2.071H 2.901L 2.37H 2.2L 3.468H 2.082L 2.044H1.696L1.845H 2.05L 1.659H 2.868L 1.822H 1.402L 2.387H 3.122L/空气；
膜系中:L表示光学厚度为λ0/4的SiO2膜层，H表示膜厚度为λ0/4的Ta2O5膜层，λ0为中心波长，其中保偏分色膜层(2)的λ0为790nm，增透膜层(3)的λ0为795nm；H、L前的数字为该膜层的厚度系数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710760255.1A CN107664781B (zh) | 2017-08-30 | 2017-08-30 | 一种基于离子束溅射沉积薄膜的面形可控保偏分色片 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710760255.1A CN107664781B (zh) | 2017-08-30 | 2017-08-30 | 一种基于离子束溅射沉积薄膜的面形可控保偏分色片 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107664781A CN107664781A (zh) | 2018-02-06 |
| CN107664781B true CN107664781B (zh) | 2023-03-14 |
Family
ID=61098144
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710760255.1A Active CN107664781B (zh) | 2017-08-30 | 2017-08-30 | 一种基于离子束溅射沉积薄膜的面形可控保偏分色片 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107664781B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113061861A (zh) * | 2019-12-13 | 2021-07-02 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种大曲率光学元件曲率半径控制方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101025548A (zh) * | 2006-02-17 | 2007-08-29 | 上海信诚至典网络技术有限公司 | 三镜头反射式液晶板投影机 |
| CN101178440A (zh) * | 2006-11-07 | 2008-05-14 | 北京有色金属研究总院 | 高折射率光学薄膜用LaTiO3蒸发材料及其制备方法和用途 |
| CN101776776A (zh) * | 2010-01-14 | 2010-07-14 | 北京大学第三医院 | 分色眼镜片及其制备方法 |
| CN207281318U (zh) * | 2017-08-30 | 2018-04-27 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 基于离子束溅射沉积薄膜的面形可控保偏分色片 |
-
2017
- 2017-08-30 CN CN201710760255.1A patent/CN107664781B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107664781A (zh) | 2018-02-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104216034B (zh) | 一种用于大曲率透镜表面的0.532微米与1.064微米倍频减反射膜 | |
| WO2010025536A1 (en) | Thin film optical filters with an integral air layer | |
| TW201841002A (zh) | 光學偏振濾光器 | |
| CN107664781B (zh) | 一种基于离子束溅射沉积薄膜的面形可控保偏分色片 | |
| CN103245983A (zh) | 可见近红外谱段反射和红外多谱段透过分色片及制备方法 | |
| CN204166153U (zh) | 一种分光膜及分束镜 | |
| CN109112479B (zh) | 可见及近红外光波段减反射膜及制造方法 | |
| CN105242340B (zh) | 荧光分析用消偏振分色滤光片 | |
| CN207281318U (zh) | 基于离子束溅射沉积薄膜的面形可控保偏分色片 | |
| Begou et al. | Complex optical interference filters with stress compensation for space applications | |
| CN204166157U (zh) | 一种通带波段为430-450nm的带通滤光片及陈米筛选系统 | |
| CN101900848B (zh) | 一种树脂基底窄带负滤光膜膜系、滤光片及其制备方法 | |
| CN114249546B (zh) | 一种镀类碳膜的红外硫系玻璃镜片及其制备方法和应用 | |
| CN106019485B (zh) | 一种基于棱镜耦合导模共振的窄带光学滤波器 | |
| CN103245993A (zh) | 8.4～8.8μm透过的长波红外滤光片及制备方法 | |
| CN103018796A (zh) | 一种光学显示用双膜系pc镜片及其制备方法 | |
| Kumar et al. | Ion assisted deposition of Silica-Titania multilayer optical filter for beam steering of Nd: YAG laser | |
| CN103245995B (zh) | 10.3～11.3μm透过长波红外滤光片及制备方法 | |
| Yang et al. | The study of a nano-porous optical film with the finite difference time domain method | |
| CN109445120A (zh) | 一种干涉截止滤光片结构的偏振分光镜制作方法 | |
| CN108957608A (zh) | 一种宽角度近红外热反射镜的设计及其制备 | |
| Lin et al. | Numerical simulation on optical characteristics of ZnO/Cu/ZnO thin film | |
| CN210573034U (zh) | 一种消偏振分光装置 | |
| CN105629355A (zh) | 一种介质金属膜堆的低偏振灵敏度分色膜的制作方法 | |
| CN107561614B (zh) | 一种大口径均匀性滤光片及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |