專利名稱：：利用金屬平面反射鏡對光學(xué)系統(tǒng)消偏振的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉^及光學(xué)元件、光偏振技術(shù)，具體指一種利用金屬平面反射鏡對光學(xué)系統(tǒng)消偏振的方法，它適用于以下領(lǐng)域-1、量子通信領(lǐng)域基于偏振的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，可以用于偏振光子的發(fā)射與探測系統(tǒng)；2、偏振遙感領(lǐng)域?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行精確識別；對農(nóng)作物和植被進(jìn)行偏振遙感探測；對大氣、河流等進(jìn)行污染監(jiān)測。
背景技術(shù)：
：在傳統(tǒng)的光學(xué)遙感領(lǐng)域,通常利用收發(fā)激光的飛行時間、回波信號強(qiáng)度、目標(biāo)的后向散射等特性對遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行遙感，而很少考慮到目標(biāo)的偏振特性,這不足以全面描述目標(biāo)的本質(zhì)及內(nèi)在特征，因而在對自然目標(biāo)和人造目標(biāo)進(jìn)行識別時存在一定的困難，尤其在對軍事目標(biāo)、農(nóng)業(yè)及植被的探測與識別方面存在明顯不足。偏振信息的利用是光學(xué)遙感技術(shù)的發(fā)展趨勢之一，偏振特性作為目標(biāo)的重要特征之一，能夠在目標(biāo)識別時提供更多的目標(biāo)信息，偏振遙感技術(shù)在植被分類以及隱藏軍事目標(biāo)的探測識別等方面有著特殊的能力。偏振技術(shù)的應(yīng)用能夠充分利用激光信息,可以提高和改善傳統(tǒng)激光雷達(dá)的遙感性能。另外，在量子通信領(lǐng)域，光子的偏振態(tài)直接可以代替經(jīng)典二進(jìn)制碼(bit)對信號進(jìn)行編碼，從而實現(xiàn)量子密鑰的分發(fā)，達(dá)到量子保密通信的目的?？偠灾?，對光偏振態(tài)探測及應(yīng)用是一個熱門的研究課題，其研究成果有著廣泛的應(yīng)用前景。不論是在偏振遙感還是在量子通信時，偏振光都要通過光學(xué)系統(tǒng)接收或發(fā)射，偏振光在光學(xué)系統(tǒng)傳輸過程中，都要經(jīng)過一系列光學(xué)元件的透射或反射。眾所周知，偏振光在通過光學(xué)元件后其偏振態(tài)都或多或少會發(fā)生變化，通過分析可知，平面金屬反射面對偏振光的影響最為嚴(yán)重。由于光的偏振態(tài)攜帶著要探測或傳播的信息，光學(xué)系統(tǒng)對偏振態(tài)的影響會直接影響偏振態(tài)探測的準(zhǔn)確度及精度，導(dǎo)致系統(tǒng)達(dá)不到預(yù)期探測或通信的目的。在對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的過程中，必須要考慮光學(xué)元件對偏振態(tài)的影響，設(shè)計出偏振保持的光學(xué)系統(tǒng)以滿足整個探測系統(tǒng)對偏振度的保偏要求，其中要重點考慮金屬反射鏡對偏振態(tài)變化的影響。國內(nèi)外研究文獻(xiàn)大都針對于偏振探測系統(tǒng)的工作機(jī)理進(jìn)行研究或分析，而特別針對偏振光在光學(xué)系統(tǒng)中因光學(xué)元件的特征引起的偏振變化涉及較少。本發(fā)明基于光學(xué)偏振理論，利用不同偏振方向的入射光在光學(xué)反射面的反射率及相位變化特征，通過光路設(shè)計，從而改變?nèi)肷涔獾钠穹较蚺c光學(xué)入射面的相對方向，最終達(dá)到偏振度保持的目的。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種消除金屬反射鏡偏振度退化的補(bǔ)償方法，解決在偏振遙感和量子通信領(lǐng)域偏振光經(jīng)過接收或發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)后偏振度退化問題。本發(fā)明的方法如附圖2所示，入射光經(jīng)過兩面平面金屬反射鏡3、4時，其入射面相互垂直，其中入射面是由入射光與反射光所組成的平面，由激光器1發(fā)出的光經(jīng)金屬平面反射鏡3、4反射后，光的一對偏振基矢中兩個分量的位置互換,從而使得偏振光經(jīng)過兩片金屬反射鏡后兩分量的相位差得到了補(bǔ)償，達(dá)到消偏振的目的。所說的金屬平面反射鏡3、4采用相同的普通金屬膜反射鏡，兩者間的面形偏差RMS值不大于義/2，反射率的偏差不大于2%。本方法的具體原理如下在光學(xué)理論中，偏振光分成線偏光、圓偏振光和橢圓偏振光。任何一種偏振光都可用瓊斯矩陣來表示，即認(rèn)為偏振光矢量可以分解到^軸和y軸兩個偏振方向上，即用通常所說的S、P光來表示，任意偏振光可以表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>歸一化之后可以表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(2)其中"^-《，表示S、P光的相位差。當(dāng)光波在金屬界面?zhèn)鞑r，對s、P光來說，經(jīng)過金屬面反射后，不僅兩種偏振光的反射系數(shù)有所不同，而且所產(chǎn)生的相位延遲也不盡相同，這樣就會導(dǎo)致偏振狀態(tài)的變化，反射后的狀態(tài)可以表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(3)其中^;為S偏振光的反射系數(shù)，。為P偏振光的反射系數(shù)，且^與都為復(fù)數(shù),可以表示為'p|V。為了保證反射前后的偏振狀態(tài)保持不變,則要求^與。相等，其中包括反射系數(shù)的幅值與相位變化量都要保持一致。而根據(jù)理論分析可知，對于金屬平面反射面來說，S、P光的反射系數(shù)幅值可以表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(4)S、P光的相位變化量滿足<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中^為入射角度，為入射介質(zhì)的折射率，^為金屬的復(fù)折射率且滿足"2=W，e"為復(fù)數(shù)折射角度，且"2、v2滿足"2CoWi廣"2。由于"2為金屬的特定屬性，當(dāng)光束入射到金屬面的角度確定后，S、P光的反射系數(shù)幅值與相位變化量也大致確定，且互不相同，這樣就會導(dǎo)致偏振光經(jīng)過金屬面反射后其偏振狀態(tài)發(fā)生變化,為了能準(zhǔn)確獲得接收光信號的偏振信息,就必須消除金屬反射鏡所導(dǎo)致的偏振態(tài)變化。根據(jù)理論本發(fā)明提出了如圖1所示的偏振補(bǔ)償方法:該方法主要靠改變金屬平面反射鏡的放置方式，讓金屬平面鏡3與金屬平面鏡4的入射面相互垂直，其中入射面是由入射光與反射光所組成的平面，這樣就使得金屬平面鏡3的S光變成了金屬平面鏡4的P光，同樣其P光變成了S光，系統(tǒng)經(jīng)過兩片金屬平面鏡的反射后，由于S光與P光互換后其相位與反射率相互補(bǔ)償，其狀態(tài)最終為、~乂、五"，由于。為常量，在測量消光比時可以忽略，系統(tǒng)經(jīng)過兩次反射后，其偏振狀態(tài)保持不變,只是能量有所減弱而已。本方法的優(yōu)點在于本發(fā)明方法簡單，利用不同偏振方向的入射光在光學(xué)反射面的反射率及相位變化特征，通過改變?nèi)肷涔獾钠穹较蚺c光學(xué)入射面的相對方向，使得光通過兩面金屬平面反射鏡時入射面相互垂直，就可以較好的保持偏振光的消光比，使入射前后光的偏振狀態(tài)基本保持不變。反射鏡的結(jié)構(gòu)簡單，光學(xué)系統(tǒng)可以直接采用改變兩塊金屬平面反射鏡的放置位置，使得金屬平面反射鏡的入射面相互垂直即能達(dá)到偏振補(bǔ)償?shù)男Ч?。圖1為金屬平面反射鏡消偏振原理演示圖。圖2為量子通信接收光學(xué)系統(tǒng)圖。具體實施方式1結(jié)合圖1所示給出驗證本方法一個較好的實施例子，如圖所示激光器1出射的激光經(jīng)過偏振片2后變成線偏振光，再經(jīng)過兩片金屬反射鏡3和4后，再通過檢偏器5、功率計6和計算機(jī)一起來檢驗線偏光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后其偏振消光比的變化情況，其中金屬平面反射鏡3和4采用金屬銀膜反射鏡，兩片反射鏡的面形偏差腹S值小于義/2，反射率的偏差小于2%，入射光在金屬平面反射鏡上的入射面相互垂直，其中入射面是由入射光與反射光所組成的平面。我們分別對3種不同狀態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)做了對比實驗1)一片金屬平面反射鏡；2)入射面不變的2片金屬平面反射鏡；3)入射面相互垂直的2片金屬平面反射鏡，即互補(bǔ)放置情況。為了實驗方便，分別對45°與135°線偏光做了相關(guān)實驗，實驗數(shù)據(jù)見表l所示。實驗表明入射消光比為1300:l的線偏振光經(jīng)過1片或2片金屬平面反射鏡后，其消光比退化的非常嚴(yán)重，線偏光最終向橢圓偏振光變化，而線偏光經(jīng)過互補(bǔ)情況下的系統(tǒng)后，出射光的偏振消光比與入射偏振光保持在同一個量級，考慮到實驗條件等限制所帶來的誤差，可以認(rèn)為偏振光在通過互補(bǔ)光學(xué)系統(tǒng)后消光比基本保持不變，即偏振態(tài)基本保持不變。表l消光比測量結(jié)果對比表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>具體實施方式2下面結(jié)合圖2給出本方法一個較好的實施例子，并予以進(jìn)一步詳細(xì)說明圖2所示為本方法用于量子接收光路中單光子偏振態(tài)檢測的光路圖。接收光學(xué)系統(tǒng)通過探測出某一時刻的單光子偏振情況，獲得發(fā)射端所傳輸?shù)拿荑€信息，從而實現(xiàn)通信系統(tǒng)中量子密鑰的分發(fā)，完成自由空間的量子通信。圖2所示線偏振量子光經(jīng)過大氣傳輸后進(jìn)入接收光學(xué)系統(tǒng)視場，通過調(diào)節(jié)金屬反射鏡8的角度使得量子光與卡式系統(tǒng)同軸，量子光再經(jīng)過卡式系統(tǒng)主鏡9與次鏡10的反射后，為了減小系統(tǒng)體積，用平面反射鏡11將光反射到卡式系統(tǒng)的頂端，此時,線偏振量子光經(jīng)過多片金屬平面反射鏡的反射后，其偏振消光比不斷減小，即線偏振不斷向橢圓偏振演化；為了使量子光保持原有線偏振狀態(tài)，通過改變金屬平面反射鏡12的擺放方式,使得量子光經(jīng)過金屬平面鏡12反射后其出射方向垂直于紙面，再經(jīng)過準(zhǔn)直鏡13和金屬平面反射鏡14后進(jìn)入量子光接收模塊，其中金屬平面鏡8和14入射面相互垂直且偏振相互補(bǔ)償、金屬平面鏡11和12的入射面相互垂直且偏振相互補(bǔ)償，其中入射面是由入射光與反射光所組成的平面，兩片金屬平面反射鏡之間的面形偏差RMS值小于;i/2，反射率的偏差小于2%。此時系統(tǒng)中的4片平面金屬反射鏡兩兩進(jìn)行補(bǔ)償，則偏振光經(jīng)過前端光學(xué)系統(tǒng)后會有較好的消偏振效果，達(dá)到了偏振保持的目的，使得量子光進(jìn)入到量子接收模塊前其偏振變化較小。線偏振的量子光進(jìn)入到量子接收模塊后，通過偏振分束器15將S光與P光分開，當(dāng)入射光子為S偏振時，其通過前端系統(tǒng)后仍大致保持為S偏振，S偏振光經(jīng)過偏振分束器15時發(fā)生透射，偏振光再經(jīng)過窄帶濾光片16、會聚鏡18后被單光子探測器20所接收，此時傳輸?shù)男畔?;當(dāng)入射光子為P偏振時，同理,其通過前端系統(tǒng)后也大致保持為P偏振，P偏振光經(jīng)過偏振分束器15時發(fā)生反射，再經(jīng)過窄帶濾光片17、會聚鏡19后被單光子探測器21所接收，此時傳輸?shù)男畔?。接收到傳輸信息后完成量子密鑰的分發(fā)。權(quán)利要求1.一種利用金屬平面反射鏡對光學(xué)系統(tǒng)消偏振的方法，其特征在于它采用改變兩片金屬平面反射鏡的放置方式，使兩片金屬平面反射鏡的由入射光與反射光所組成的入射面相互垂直的方法來消除光學(xué)系統(tǒng)的偏振。2.稂據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用金屬平面反射鏡對光學(xué)系統(tǒng)消偏振的方法，其特征在于所述的兩片金屬平面反射鏡(3)和(4)具有相同的金屬反射膜層，兩者間的面形偏差RMS值小于A/2,反射率的偏差小于2%。全文摘要本發(fā)明公開了一種利用金屬平面反射鏡對光學(xué)系統(tǒng)消偏振的方法，它特別適用于對偏振消光比有較高要求的且具有多片金屬平面反射面的光學(xué)系統(tǒng)。該方法基于光學(xué)偏振理論，利用不同偏振方向的入射光在光學(xué)反射面的反射率及相位變化特性，通過光路設(shè)計，從而改變?nèi)肷涔馄穹较蚺c光學(xué)入射面的相對方向，最終達(dá)到偏振補(bǔ)償?shù)哪康?。文檔編號G02B27/28GK101446688SQ20081020456公開日2009年6月3日申請日期2008年12月15日優(yōu)先權(quán)日2008年12月15日發(fā)明者何志平,吳金才,楊世驥,昊江,王建宇,嶸舒,賈建軍申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所