一種偏振態(tài)位相可調(diào)控寬光譜反射鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種偏振態(tài)位相可調(diào)控寬光譜反射鏡，通過金屬薄膜材料和多種介質(zhì)薄膜材料的優(yōu)化組合，實現(xiàn)反射鏡光譜、偏振態(tài)和位相的三維一體精確調(diào)控。反射鏡使用金屬薄膜材料實現(xiàn)寬光譜范圍的高反射率，利用周期性四分之一全介質(zhì)反射膜堆實現(xiàn)反射鏡局部光譜反射率的增強和偏振靈敏度的控制，利用多層非規(guī)整介質(zhì)膜層實現(xiàn)反射鏡反射位相的精確調(diào)控。該反射鏡具有反射光譜范圍寬，反射偏振態(tài)和位相精確可調(diào)，可實現(xiàn)局部光譜反射率增強等特點。
【專利說明】一種偏振態(tài)位相可調(diào)控寬光譜反射鏡
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)反射鏡，具體是指利用金屬及多種介質(zhì)薄膜材料設(shè)計金屬膜層與全介質(zhì)膜層的組合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)反射能量、偏振靈敏度和位相的調(diào)制，采用真空鍍膜工藝制備的具有高效能量傳輸和精確偏振靈敏度與位相操控的寬光譜光學(xué)反射元件。
【背景技術(shù)】
[0002]量子通信是研究利用量子手段傳遞和處理信息的一門學(xué)科，相比于經(jīng)典通信，量子通信有很多優(yōu)勢。利用量子通信技術(shù)可以建立無法破譯的密鑰系統(tǒng)，實現(xiàn)真正意義上的保密通信。
[0003]量子通信的應(yīng)用方式有量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳輸?shù)取Ｆ渲?，量子密鑰分發(fā)(Quantum Key Distribution, QKD)的技術(shù)發(fā)展得最為成熟，已為各國研究者所驗證,將來在量子通信中可能最早投入實用。由于通常通信的信道很長而衰減很大，量子通信并不適合于直接傳送密文。量子密鑰分發(fā)是在通信雙方間先進行密鑰的傳輸，然后再通過“一次一密”的方式，將明文加密后經(jīng)由經(jīng)典信道傳輸，實現(xiàn)保密通信。量子密鑰分發(fā)的安全性依賴于量子力學(xué)中的海森堡測不準(zhǔn)原理、量子不可分割定理和量子不可克隆定理。這些量子力學(xué)基本原理和定理客觀存在于任何微觀量子體系中，保證了未知的量子態(tài)不可能被精確復(fù)制，因此采用量子作為密鑰載體的量子密鑰分發(fā)能夠準(zhǔn)確地檢測出是否存在竊聽，從而在物理原理層面上確保安全通信的可靠性。
[0004]當(dāng)前，量子密鑰分發(fā)正處于從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵階段。其驗證試驗的距離越來越遠，成碼率也越來越高，試驗的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)也于近期得到了演示，波士頓的DARPA網(wǎng)絡(luò)就是其中杰出工作的代表?，F(xiàn)有的量子密鑰分發(fā)的傳輸信道主要有光纖和自由空間兩種。使用光纖傳輸能夠保證在光子傳輸時受背景光噪聲、天氣等外部條件的影響較小，但是由于光纖材料的限制，光纖的損耗和雙折射效應(yīng)在傳輸過程中無法避免，使得光纖量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的偏振保持成為一個嚴(yán)峻的問題。目前低損耗光纖的性能已經(jīng)逼近理論極限，現(xiàn)有光纖量子密鑰分發(fā)的最遠距離約為200km，要進行更長距離的光纖密鑰分發(fā)將變得非常困難。而自由空間信道中大氣粒子的吸收和散射效應(yīng)很小，且不存在雙折射效應(yīng)，幾乎不對完全偏振光的偏振態(tài)產(chǎn)生影響，極為適合用作偏振編碼的量子密鑰分發(fā)信道。尤其在星地自由空間信道中，僅有一小段為大氣信道，有效厚度僅約20公里，且越遠離地面越為稀薄，影響越小，其余皆為真空信道，星地信道還能夠克服地面信道的地球曲率限制?？梢姡每臻g平臺作為中轉(zhuǎn)的偏振編碼自由空間量子密鑰分發(fā)是實現(xiàn)全球量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的最有效手段之一。
[0005]但是在偏振編碼的自由空間量子密鑰分發(fā)中，其信道還是存在許多效應(yīng)將作用于分發(fā)過程使得密鑰分發(fā)性能受到影響，需要具體研究信道的作用及其抑制措施以推進量子密鑰分發(fā)的實用化進程。當(dāng)密鑰光子從量子光源出射編碼后，會經(jīng)過漫長而復(fù)雜的光學(xué)信道，包括自由空間信道和光機系統(tǒng)，最終才為單光子探測器所接收。由于大氣信道的非理想性和光機系統(tǒng)的不完善性，將引起量子密鑰分發(fā)過程中量子密鑰信號的效率、偏振態(tài)等參數(shù)的畸變，還將引入暗記數(shù)等外部噪聲，從而使得量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)成碼率下降，并在無竊聽者條件下產(chǎn)生系統(tǒng)誤碼率。當(dāng)成碼率過低時，獲得用于“一次一密”保密通信的量子密鑰的時間代價就會增大。而當(dāng)誤碼率過高時，就將使得竊聽者在不被發(fā)現(xiàn)的情況下獲得更多的有效信息，量子密鑰分發(fā)的安全性受到威脅，甚至導(dǎo)致受到完美攻擊或無成碼而導(dǎo)致量子密鑰分發(fā)完全失效。
[0006]在自由空間量子密鑰分發(fā)實驗中，反射鏡是試驗光學(xué)系統(tǒng)中不可缺少的光學(xué)元件。反射鏡在光學(xué)能量高效傳遞，光學(xué)系統(tǒng)光路折轉(zhuǎn)等方面的功能已經(jīng)得到了廣泛而成熟的應(yīng)用。然而，反射鏡在一定工作角度下使用時，其引入的額外偏振靈敏度及位相差會造成量子編碼光子的畸變，造成量子通信誤碼率的升高，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致量子通信的失敗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明基于自由空間量子密鑰分發(fā)實驗對反射鏡光學(xué)能量、偏振靈敏度和位相調(diào)制的要求，提出一種在光學(xué)基片上利用金屬膜實現(xiàn)寬光譜穩(wěn)定反射率、利用全介質(zhì)反射堆提升指定波段光譜反射率并調(diào)整偏振靈敏度、利用優(yōu)化的多層全介質(zhì)非規(guī)整膜層實現(xiàn)反射位相的操控，解決了自由空間量子密鑰分發(fā)實驗中反射鏡能量、偏振靈敏度、位相三維一體調(diào)控的難題。
[0008]本發(fā)明所述反射鏡的結(jié)構(gòu)如附圖1所示，在光學(xué)基片I上依次生長金屬膜層2，中心波長可調(diào)全介質(zhì)反射堆3和位相調(diào)制非規(guī)整多層介質(zhì)膜4。其中，金屬膜層2實現(xiàn)反射鏡寬光譜范圍穩(wěn)定的反射能量；中心波長可調(diào)全介質(zhì)反射堆3實現(xiàn)反射鏡局部光譜范圍反射率的增強，降低能量損失，并調(diào)控該光譜范圍的偏振靈敏度；位相調(diào)制非規(guī)整多層介質(zhì)膜層4的各層光學(xué)厚度進行系統(tǒng)優(yōu)化后，對反射鏡特定光譜范圍內(nèi)的反射位相進行精確調(diào)控。以上所述的反射鏡結(jié)構(gòu)既保證了 光學(xué)效率的高效傳遞，又對用于量子編碼光子的偏振態(tài)與位相進行了操控與保持。
[0009]以一種空間量子密鑰分配試驗系統(tǒng)中光譜工作波段從可見光延伸到短波紅外、量子編碼波長在近紅外波段的反射鏡為例，該反射鏡的構(gòu)建步驟如下:
[0010]I)選擇反射鏡常用的基片材料如石英、微晶玻璃、碳化硅、金屬鈹?shù)绕渲械囊环N作為光學(xué)基片I的材料；
[0011]2)選擇在可見到近紅外波段有穩(wěn)定高反射率的金屬如銀(Ag)、鋁(Al)、金(Au)等作為金屬薄膜材料，其設(shè)計厚度以達到穩(wěn)定反射率且不影響可靠性為宜，根據(jù)材料特性及工藝實施過程來確定；
[0012]3)選擇兩種介質(zhì)薄膜材料分別作為中心波長可調(diào)全介質(zhì)反射堆3的高折射率材料(nH)和低折射率材料(?)，根據(jù)反射率增強和偏振靈敏度調(diào)控波段設(shè)定全介質(zhì)反射膜堆的中心波長λ0，中心波長可調(diào)全介質(zhì)反射堆3的結(jié)構(gòu)為:
[0013](H L)x H
[0014]其中X為反射堆的周期，χ=1-10，H為λ ^4膜厚的高折射率材料ηΗ膜層，L為λ/4膜厚的低折射率材料％膜層，周期越大，反射率增強區(qū)域的反射率越高，偏振靈敏度越小；
[0015]4)選擇與中心波長可調(diào)全介質(zhì)反射堆3相同兩種介質(zhì)薄膜材料分別作為位相調(diào)制非規(guī)整多層介質(zhì)膜4的高折射率材料(ηΗ)和低折射率材料(?)，其結(jié)構(gòu)為:
[0016]aH bL cH dL eH fL—[0017]其中，a，b, c, d, e, f…為常數(shù)，代表位相調(diào)制非規(guī)整多層介質(zhì)膜4各膜層的厚度系數(shù)，H為λ 0/4膜厚的高折射率材料ηΗ膜層，L為λ 0/4膜厚的低折射率材料膜層，根據(jù)反射位相調(diào)控需要來確定位相調(diào)控膜的層數(shù)以及各層膜的厚度；
[0018]5)在薄膜生長設(shè)備上，利用熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)或濺射等方法，按照設(shè)計好的膜系結(jié)構(gòu)，在光學(xué)基片I上逐層生長指定厚度的膜層，并完成反射鏡的制備。
[0019]本發(fā)明的反射鏡具有以下幾個方面的優(yōu)點:
[0020]I)金屬膜層的選用保證了反射鏡在較寬的光譜范圍內(nèi)，光學(xué)能量的高效傳輸；
[0021]2)多層介質(zhì)膜層實現(xiàn)了反射鏡局部光譜能量增強、偏振靈敏度的調(diào)控以及反射位相的精確調(diào)制，同時多層介質(zhì)膜對金屬膜層起到了保護作用； [0022]3)該反射鏡實現(xiàn)了在同一光學(xué)元件上寬光譜反射能量、偏振靈敏度和反射位相的三維一體調(diào)制與操控。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1偏振態(tài)位相可調(diào)控寬光譜反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2偏振態(tài)位相可調(diào)控寬光譜反射鏡反射光譜曲線。
[0025]圖3偏振態(tài)位相可調(diào)控寬光譜反射鏡反射增強波段偏振光譜。
[0026]圖4偏振態(tài)位相可調(diào)控寬光譜反射鏡反射位相圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明:以Φ30mmX6mm的單面拋光石英片作為基底，選擇銀(Ag)作為金屬膜層，五氧化二鉭(Ta2O5)和二氧化硅(SiO2)作為高折射率(nH)和低折射率(?)介質(zhì)材料，反射鏡結(jié)構(gòu)如示意圖1所示。其工作角度為45°，工作波段500-1600nm,偏振靈敏度與反射位相調(diào)制波段為770_860nm。
[0028]金屬銀(Ag)膜層的厚度設(shè)計大約為80nm，該厚度即保證了可見紅外波段的反射率，同時膜層具有較好的牢固度與可靠性。
[0029]中心波長可調(diào)全介質(zhì)反射堆設(shè)計波長λ fSSOnm，其膜系結(jié)構(gòu)為:
[0030](HL)5H
[0031]位相調(diào)制非規(guī)整多層介質(zhì)膜的設(shè)計波長與全介質(zhì)反射堆的設(shè)計波長相同，其膜系結(jié)構(gòu)為:
[0032]0.525H 0.853L 0.758H 0.992L 0.977H 1.062L 0.977H 1.063L
[0033]該反射鏡在可見光到近紅外波段的反射光譜見圖2所示，反射率增強波段S偏振光與P偏振光的能量見圖3所示，反射位相見圖4所示。
[0034]反射鏡的工藝實施過程如下:1)對光學(xué)基片進行超聲波清洗并烘干，然后將其放入真空室內(nèi)工件架上，并對真空室抽真空達到1.0X 10_4Pa ；2)將工件架的轉(zhuǎn)速調(diào)整到30rad/min，使用射頻離子源對光學(xué)基片進行鍍膜前的清洗和預(yù)處理，時間為10分鐘；3)關(guān)閉離子源，使用電阻蒸發(fā)的方式生長Ag膜層，其蒸發(fā)速率為15nm/s ;4)向真空室充入02氣體，并開啟射頻離子源，保持真空室壓強在2.0~3.0X KT2Pa范圍；5)按照全介質(zhì)反射堆的膜系設(shè)計，采用電子束蒸發(fā)工藝完成全介質(zhì)反射堆的制備，其中Ta2O5和SiO2材料的蒸發(fā)速率分別為0.2nm/s和0.8nm/s，各膜層厚度控制利用光學(xué)極值監(jiān)控方式來實現(xiàn)；6)采用相同的工藝條件，按照位相調(diào)制多層介質(zhì)膜的設(shè)計，完成其各膜層的制備，利用石英振蕩控制儀對各非規(guī)整膜層厚度進行控制；7)完成各膜層制備后，關(guān)閉離子源及工作氣體，保持真空30分鐘后開啟真空室取出樣品。最終完成反射鏡的制備。
【權(quán)利要求】
1.一種偏振態(tài)位相可調(diào)控寬光譜反射鏡,在光學(xué)基片(I)上依次制備金屬膜層(2),中心波長可調(diào)全介質(zhì)反射膜堆(3)以及位相調(diào)制非規(guī)整多層介質(zhì)膜層(4)，其特征在于: 所述的光學(xué)基片(I)采用石英、微晶玻璃、碳化硅或金屬鈹； 所述的金屬膜層(2)選擇在可見到近紅外波段有穩(wěn)定高反射率的金屬銀、鋁或金作為金屬薄膜； 所述的中心波長可調(diào)諧全介質(zhì)反射堆(3)選擇兩種介質(zhì)薄膜材料分別作為中心波長可調(diào)全介質(zhì)反射堆3的高折射率材料nH和低折射率材料％，根據(jù)反射率增強和偏振靈敏度調(diào)控波段設(shè)定全介質(zhì)反射膜堆的中心波長λ ^，中心波長可調(diào)全介質(zhì)反射堆(3)的結(jié)構(gòu)為:
(H L)x H 其中X為反射堆的周期，x=l-10，H為λ/4膜厚的高折射率材料ηΗ膜層，L為λ/4膜厚的低折射率材料％膜層； 所述的位相調(diào)制非規(guī)整多層介質(zhì)膜(4)選擇與中心波長可調(diào)全介質(zhì)反射堆(3)相同兩種介質(zhì)薄膜材料分別作為位相調(diào)控非規(guī)整多層介質(zhì)膜(4)的高折射率材料^和低折射率材料&，其結(jié)構(gòu)為:
aH bL cH dL eH fL— 其中，a，b，c，d，e, f…代表位相調(diào)控非規(guī)整多層介質(zhì)膜(4)各膜層的厚度系數(shù)，H為λ 0/4膜厚的高折射率材料ηΗ膜層， L為λ 0/4膜厚的低折射率材料Ik膜層，位相調(diào)制非規(guī)整多層介質(zhì)膜的層數(shù)以及各層膜的厚度根據(jù)反射位相調(diào)控數(shù)據(jù)確定。
【文檔編號】G02B5/08GK103698826SQ201310593845
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月21日
【發(fā)明者】段微波, 李大琪, 陳剛, 余德明, 黃偉慶, 劉定權(quán) 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所