CN113485023B - 一种基于指向镜的偏振保持光路系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于指向镜的偏振保持光路系统，其包括：折转镜、望远镜次镜、望远镜主镜、45°指向镜和光源；所述折转镜设置于望远镜主镜和望远镜次镜之间，折转镜的入射光路与出射光路相互垂直，且折转镜的出射光路与望远镜次镜的光轴平行；所述45°指向镜设置于远离折转镜的望远镜次镜的另一侧，且45°指向镜的入射光路与折转镜的入射光路相互垂直；由光源发出的入射偏振光经过折转镜反射后依次进入望远镜次镜和望远镜主镜，之后入射到45°指向镜，最后经45°指向镜反射后出射。本发明解决了指向镜无法单独进行保偏镀膜的问题，在带有指向镜的光学接收系统中实现了偏振保持，有助于量子通信的发展。

Description

一种基于指向镜的偏振保持光路系统

技术领域

本发明属于光学设计领域，特别涉及一种基于指向镜的偏振保持光路系统。

背景技术

在量子通信领域，光子的偏振态直接可以代替经典二进制码(bit)对信号进行编码，从而实现量子密钥的分发，达到量子保密通信的目的。在量子通信时，偏振光都要通过光学系统接收或发射，偏振光在通过光学元件后其偏振态都或多或少会发生变化，导致系统达不到预期通信的目的。自由空间量子通信是量子通信领域的发展方向。在自由空间量子通信系统中，需要在星间或者星地之间实现发射端与接收端光轴的相互对准，但由于卫星的自身振动和相对位置的不断变化，通信终端需要实时调整量子光方向，确保处于对准状态。45°指向镜扫描是实现方式之一，具有转动惯量小、负载轻、扫描方式灵活等特点。但是指向镜无法单独进行保偏镀膜，指向镜的引入会导致偏振的退化，影响最终的通信效果。

因此亟待提出一种光路设计方案，解决因引入指向镜而导致的偏振退化问题，提高量子通信的效果。

发明内容

本发明提出了一种基于指向镜的偏振保持光路系统，采用同一批次反射镜制成的指向镜和折转镜，通过改变望远镜中折转光路的偏转方向补偿指向镜造成的偏振态扰动。

为实现上述目的，本发明提供一种基于指向镜的偏振保持光路系统，其包含：折转镜、望远镜次镜、望远镜主镜、45°指向镜和光源；所述折转镜设置于望远镜主镜和望远镜次镜之间，折转镜的入射光路与出射光路相互垂直，且折转镜的出射光路与望远镜次镜的光轴平行；所述45°指向镜设置于远离折转镜的望远镜次镜的另一侧，且45°指向镜的入射光路与折转镜的入射光路相互垂直；由光源发出的入射偏振光经过折转镜反射后依次进入望远镜次镜和望远镜主镜，之后入射到45°指向镜，最后经45°指向镜反射后出射；其中，所述折转镜和45°指向镜由同一批次的反射镜切割而成，其对偏振光的偏振退化程度相同，造成的偏振退化在传输过程中相互抵消，用于保持偏振光偏振消光比。

优选地，所述望远镜主镜的光轴中心和望远镜次镜的光轴中心在同一光轴上，且所述望远镜主镜的焦点和望远镜次镜的焦点位置重合。

优选地，所述折转镜和45°指向镜的面形精度RMS优于1/40λ@632.8nm，其表示所述入射偏振光在波长λ为632.8nm时，面型精度RMS低于波长的四十分之一，且所述折转镜和45°指向镜对水平、竖直偏振光的反射率差异低于2％。

优选地，所述的望远镜主镜为凹面镜，所述望远镜次镜为凸面镜，且对水平、竖直偏振光的反射率差异低于2％。

优选地，所述光源射出的入射偏振光包括水平线偏振光、竖直线偏振光、45°线偏振光及-45°线偏振光。

综上所述，与现有技术相比，本发明提供的一种基于指向镜的偏振保持光路设计，具有如下有益效果：(1)本发明解决了指向镜无法单独进行保偏镀膜的问题，在带有指向镜的光学接收系统中实现了偏振保持。(2)本发明操作简单，对传统光学接收系统改动小，易于实现。

附图说明

图1为本发明的基于指向镜的偏振保持光路系统三维示意图；

图2为本发明的基于指向镜的偏振保持光路系统沿x轴方向示意图；

图3为本发明的基于指向镜的偏振保持光路系统沿y轴方向示意图

图4为本发明基于指向镜的偏振保持光路系统的光学设计软件仿真出射量子光偏振状态对比图。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中的附图1～附图4，对本发明实施例中的技术方案、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。

需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

本发明提供了一种基于指向镜的偏振保持光路系统，如图1所示，该基于指向镜的偏振保持光路系统包括：折转镜1、望远镜次镜2、望远镜主镜3、45°指向镜4和光源5。其中望远镜主镜3和望远镜次镜2同轴共焦点，即望远镜主镜3的光轴中心和望远镜次镜2的光轴中心在同一光轴上，且两者焦点位置重合；折转镜1设置于望远镜主镜3和望远镜次镜2之间，折转镜1的入射光路与出射光路相互垂直，且折转镜1的出射光路与望远镜次镜2的光轴平行；45°指向镜4设置于远离折转镜1的望远镜次镜2的另一侧，且45°指向镜4的入射光路与折转镜1的入射光路相互垂直。

其中，所述折转镜1和45°指向镜4使用同一批次的反射镜切割而成，面形精度RMS(均方根误差)优于1/40λ@632.8nm，即在波长λ为632.8nm时，面型精度RMS低于波长的四十分之一，且对水平、竖直偏振光的反射率差异优于2％。

其中，所述的望远镜主镜3为凹面镜，所述望远镜次镜2为凸面镜，且对水平、竖直偏振光的反射率差异优于2％。

需要说明的是，在光学设计软件zemax中设置如图1所示的光路，折转镜1和45°指向镜4为同一批次的反射镜切割形成；折转镜1和45°指向镜4在初始状态时，与望远镜主镜3和望远镜次镜2的光轴垂直放置。本实施例中，如图1和图2所示，望远镜主镜3和望远镜次镜2的光轴为z轴，折转镜1的入射光路为y轴。所述折转镜1沿x轴方向(以x轴为旋转轴)顺时针倾斜45°；如图3所示，所述45°指向镜4沿y轴方向(以y轴为旋转轴)逆时针倾斜45°，使45°指向镜4的入射光路与折转镜1的入射光路相互垂直。如图1所示，光源5发出的入射偏振光(此实施例中的偏振光使用的是量子光)与折转镜1的入射夹角为45°，即入射量子光垂直纸面向外(如图3所示)，入射量子光经折转镜1反射后形成反射量子光，反射量子光沿平行于望远镜次镜2光轴(即z轴)的光路进入望远镜次镜2，然后反射量子光经望远镜次镜2扩束反射后传输至望远镜主镜3，进一步，经由望远镜次镜2扩束后的反射量子光再次经过望远镜主镜3扩束反射后以平行于望远镜主镜3光轴(即z轴)的平行量子光出射，平行量子光最后入射到45°指向镜4，平行量子光经45°指向镜4反射后，沿平行于x轴的方向射出，即出射光线垂直纸面向内(如图2所示)。基于上述光路设计，在zemax光学设计软件的偏振光瞳图中设置光源5发出的入射量子光为45°线偏振光，经模拟仿真后查看像面的偏振分布情况，结果如图4(a)所示，入射量子光的偏振态和出射量子光的偏振态相同，即入射45°线偏振光，出射仍为45°线偏振光。

进一步地，将45°指向镜4改为沿x轴方向(以x轴为旋转轴)顺时针倾斜45°，即45°指向镜4所在的平面与折转镜1所在的平面相互平行，同样地在zemax光学设计软件的偏振光瞳图中设置光源5发出的入射量子光为45°线偏振光，经模拟仿真后查看像面的偏振分布情况，结果如图4(b)所示，此时入射量子光的偏振态和出射量子光的偏振态不同，即入射45°线偏振光，出射为椭圆偏振光。经过上述实施例的对比可得到，将45°指向镜4和折转镜1的相对方位旋转形成90度时，可以在整个系统中实现偏振保持效果。

其中，光源5设置的入射偏振光还可以是水平线偏振光、竖直线偏振光和-45°线偏振光。

基于指向镜的偏振保持光路系统实现原理在于：同一批次的反射镜对偏振光的偏振退化程度接近甚至相同，若能使两片反射镜造成的偏振退化在传输过程中相互抵消，就可以实现保持偏振光偏振消光比的效果。通过在光学设计软件中模拟可得到，当两个反射镜的相对方位旋转形成90度，即折转镜1的入射光路和45°指向镜4的入射光路垂直，此时折转镜1的入射偏振光的偏振态和45°指向镜4的出射偏振光的偏振态相同，实现了偏振保持。

综上所述，与现有光路设计相比，本发明所提供的基于指向镜的偏振保持光路系统可以有效补偿指向镜造成的偏振态扰动，实现偏振保持等优势。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种基于指向镜的偏振保持光路系统，其特征在在于，包括：折转镜(1)、望远镜次镜(2)、望远镜主镜(3)、45°指向镜(4)和光源(5)；

所述折转镜(1)设置于望远镜主镜(3)和望远镜次镜(2)之间，折转镜(1)的入射光路与出射光路相互垂直，且折转镜(1)的出射光路与望远镜次镜(2)的光轴平行；

所述45°指向镜(4)设置于远离折转镜(1)的望远镜次镜(2)的另一侧，且45°指向镜(4)的入射光路与折转镜(1)的入射光路相互垂直；

由光源(5)发出的入射偏振光经过折转镜(1)反射后依次进入望远镜次镜(2)和望远镜主镜(3)，之后入射到45°指向镜(4)，最后经45°指向镜(4)反射后出射；

其中，所述折转镜(1)和45°指向镜(4)由同一批次的反射镜切割而成，其对偏振光的偏振退化程度相同，造成的偏振退化在传输过程中相互抵消，用于保持偏振光偏振消光比。

2.如权利要求1所述的一种基于指向镜的偏振保持光路系统，其特征在于，所述望远镜主镜(3)的光轴中心和望远镜次镜(2)的光轴中心在同一光轴上，且所述望远镜主镜(3)的焦点和望远镜次镜(2)的焦点位置重合。

3.如权利要求1所述的一种基于指向镜的偏振保持光路系统，其特征在于，所述折转镜(1)和45°指向镜(4)的面形精度RMS优于1/40λ@632.8nm，其表示所述入射偏振光在波长λ为632.8nm时，面型精度RMS低于波长的四十分之一，且所述折转镜(1)和45°指向镜(4)对水平、竖直偏振光的反射率差异低于2％。

4.如权利要求2所述的一种基于指向镜的偏振保持光路系统，其特征在于，所述的望远镜主镜(3)为凹面镜，所述望远镜次镜(2)为凸面镜，且对水平、竖直偏振光的反射率差异低于2％。

5.如权利要求2所述的一种基于指向镜的偏振保持光路系统，其特征在于，所述光源(5)射出的入射偏振光包括水平线偏振光、竖直线偏振光、45°线偏振光及-45°线偏振光。

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