CN112505815A

CN112505815A - 一种偏振调控分光镜

Info

Publication number: CN112505815A
Application number: CN202010966391.8A
Authority: CN
Inventors: 李大琪; 段微波; 刘保剑; 余德明; 刘定权
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2020-09-15
Filing date: 2020-09-15
Publication date: 2021-03-16

Abstract

本发明公开了一种偏振调控分光镜。该分光镜采用诱导透射膜和多层介质位相调控膜的优化组合，实现分光镜反射率可调、偏振灵敏度小，且反射位相差精确调控。通过改变诱导透射膜层中金属膜层的厚度，可实现分光镜反射率调控，同时利用金属薄膜材料特性可降低分光镜的偏振灵敏度；利用多层非规整介质膜层可实现分光镜反射位相差的调控。该设计方法具有膜层数少，结构简单，工艺可实施性好的特点。

Description

一种偏振调控分光镜

技术领域

本发明涉及光学分光镜，具体是指利用诱导透射膜系与多层介质位相调控膜系的组合，利用金属薄膜材料的特性可实现反射率可调、偏振灵敏度小，且反射位相差调控的光学分光镜。

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，提供了一种原理上绝对安全的全新的通信方式。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。

2016年8月，世界上第一颗量子科学实验卫星"墨子号"的成功发射，奠定了我国在远距离自由空间量子通信领域的领跑地位，也为量子通信实用化打下了坚实的基础，业务化的量子卫星正在开展进一步的研究工作。

在偏振编码的自由空间量子密钥分发中，当密钥光子从量子光源出射编码后，会经过自由空间信道和光机系统，最终才为单光子探测器所接收。光学元件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，同时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，严重时甚至会导致量子通信的失败。

应用于量子卫星偏振编码的分光镜，可以实现信标光和量子光的分开的同时，还可以兼顾S、P光的效率一致性及位相差调控的特点。量子光与信标光之间的分光镜的偏振保持对系统误码率的影响至关重要。

发明内容

本发明提出一种在光学基片上利用诱导透射膜和多层介质位相调控膜的优化组合，实现光谱反射率可调，利用多层介质膜堆调控膜层偏振灵敏度及反射位相差的光学分光镜。

本发明所述的分光镜的结构如图1所示，光学基片1上依次生长诱导透射膜层2,和多层介质位相调控膜3；其中，诱导透射膜层2实现分光镜稳定的反射能量；多层介质位相调控膜3实现分光镜光谱范围的偏振灵敏度调控，同时对反射位相差进行精确调控。以上所述的分光镜结构既保证了反射率可调，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。

以一种工作波段在近红外波段的偏振调控分光镜为例：

1)选择分光镜常用的基片材料如石英、K9光学玻璃其中的一种作为光学基片1的材料；

2)在光学基片上先镀制诱导透射膜系2。膜系结构为：

光学基片∣aH bA aH∣多层介质位相调控膜系其中a、b代表膜层的厚度(单位nm)。A材料可选择在可见到近红外波段有稳定高反射率的金属如银(Ag)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，具体厚度根据反射率要求、材料特性和工艺实施过程来确定；选择高折射率材料H作为诱导透射的介质材料，H材料的选择可以是Ta₂O₅、 Nb₂O₅、TiO₂或ZnS，以工作波段的位置来确定H的膜层厚度。

3)再次镀制多层介质位相调控膜系3。膜系结构为：

诱导透射膜系∣cH dL eH fL gH∣空气其中，c、d、e、f、g代表多层介质位相调控膜系3各膜层的厚度(单位nm)。选择两种介质薄膜材料分别作为多层介质位相调控膜系3的高折射率材料H和低折射率材料L，H材料的选择可以是Ta₂O₅、Nb₂O₅、TiO₂或ZnS；L材料的选择可以为SiO₂或MgF。根据反射位相差调控需要来确定位相调控膜系膜层的厚度；借助光学薄膜设计软件对位相调控初始膜系进行优化设计，使之满足位相差调控要求。

本发明的分光镜具有以下几个方面的优点：

1)诱导透射膜层的选用保证了分光镜在较宽的光谱范围内，反射光能量的稳定可调。

2)多层介质位相调控膜层实现了分光镜偏振灵敏度的调控以及反射偏振对比度的精确调制。

3)采用该种设计方法设计的分光镜结构简单，整个总膜层数仅为7层，工艺的可实施性好，可靠性高，在地面及空间环境均有广泛的应用。

附图说明

图1偏振态位相可调控分光镜结构示意图。

图2偏振态位相可调控分光镜实例1反射光谱曲线。

图3偏振态位相可调控分光镜实例1反射S、P光反射率曲线。

图4偏振态位相可调控分光镜实例1反射S、P光反射位相差曲线。

图5偏振态位相可调控分光镜实例2反射光谱曲线。

图6偏振态位相可调控分光镜实例2反射S、P光反射率曲线。

图7偏振态位相可调控分光镜实例2反射S、P光反射位相差曲线。

具体实施方式：

下面根据实例，来说明本发明的具体实施方式。

实例1：分光镜工作在近红外波段850nm处，入射角度为45度，反射率50％，S光P光反射率差小于2％、位相差小于±1⁰。选择石英作为基底，Ta₂O₅为高折射率材料，SiO₂为低折射率材料，Ag为金属膜层材料。

首先对诱导透射膜aH bA aH进行设计，其中a、b代表膜层的厚度系数(单位nm)。a的厚度大小决定了工作波段的范围，b的厚度大小决定了该波段反射率的大小。在设计时应考虑多层介质位相调控膜会对工作波段的反射率产生一定的影响，因此诱导透射膜设计的反射率初步要在指标反射率的±5％以内。以反射率50％为例的话，初步设计的反射率值需达到50％±5％。诱导透射的初步设计膜系为：63.6H 23.7A 63.6H。

其次，借助FilmWizard光学薄膜设计软件，对多层介质位相调控膜系cH dL eH fLhH进行优化，其中，c、d、e、f、g代表了各膜层的厚度(单位nm)。优化过程设定合理的优化目标是优化过程的关键步骤。在优化过程中诱导透射膜系的膜层厚度a、b予以固定不变。最终得到7层的膜系结构，具体为：63.6H 23.7A 96H 150.9L 93.8H 187.4L。

实例2：分光镜工作在近红外波段850nm处，入射角度为45度，反射率70％， S光P光反射率差小于2％、位相差小于±1⁰。选择石英作为基底，Ta₂O₅为高折射率材料，SiO₂为低折射率材料，Ag为金属膜层材料。

与实例1相比，其他指标要求不变，反射率有变化。因此可保持诱导透射膜系aH bAaH中，a的系数不变，改变b的厚度，从而调控分光镜的反射率。根据实例1的设计结果，可以增加银膜厚度，来提高膜系的反射率，使其反射率在70％±5％之间。诱导透射的初步设计膜系结构为：63.6H 30.4A 63.6H。

其次，优化目标与实例1一致，对多层介质位相调控膜系cH dL eH fL gH中，各膜层的厚度进行优化。最终得到7层的膜系结构，具体为：63.6H 30.4A 99.1H 150.9L 93.6H184.7L。

在实际的设计过程中，优化结果也会因为优化目标及优化方法的改变而发生变化，但是膜层厚度应充分考虑工艺实现的可能性及膜层的牢固度。总之，具体的设计和优化可以根据实际情况进行调整，而运用本发明的设计思路进行的膜系设计均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种偏振调控分光镜，包括光学基片(1)、诱导透射膜系(2)以及多层介质位相调控膜系(3)；特征在于：

所述的分光镜的结构为：在光学基片(1)上依次有诱导透射膜系(2)和多层介质位相调控膜系(3)；

所述的光学基片(1)采用石英或K9玻璃；

所述的诱导透射膜系(2)的结构为：

光学基片∣aH bA aH∣多层介质位相调控膜系

其中H代表高折射率薄膜层，其材料是Ta₂O₅、Nb₂O₅、TiO₂或ZnS；A代表金属薄膜层，其材料是金属Ag或Al；a、b为各薄膜层的厚度，单位：nm；

所述的多层介质位相调控膜系(3)的结构为：

诱导透射膜系∣cH dL eH fL gH∣空气

其中L代表低折射率薄膜层，材料为SiO₂或MgF，c、d、e、f、g为各薄膜层的厚度，单位：nm；这些厚度参数根据分光镜反射位相差调控要求确定。