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】本實用新型公開了一種偏振態(tài)位相可調(diào)控寬光譜反射鏡，在光學(xué)基片(1)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)，中心波長可調(diào)全介質(zhì)反射堆(3)的結(jié)構(gòu)為：(H?L)xH，其中x為反射堆的周期，x＝1-10，H為λ0/4膜厚的高折射率材料nH膜層，L為λ0/4膜厚的低折射率材料nL膜層；所述的位相調(diào)制非規(guī)整多層介質(zhì)膜(4)的結(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λ0/4膜厚的與中心波長可調(diào)全介質(zhì)反射堆(3)相同高折射率材料nH的膜層，L為λ0/4膜厚的與中心波長可調(diào)全介質(zhì)反射堆(3)相同低折射率材料nL的膜層，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】偏振態(tài)位相可調(diào)控寬光譜反射鏡

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本專利涉及光學(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)?。其中，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?，利 用空間平臺作為中轉(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，嚴重時甚至?xí)?dǎo)致量子通信的失敗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本專利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] 本專利所述反射鏡的結(jié)構(gòu)如附圖1所示，在光學(xué)基片1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] 光學(xué)基片1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：
[0011] 所述的光學(xué)基片（1)采用石英、微晶玻璃、碳化硅或金屬鈹；
[0012] 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；
[0013] 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n H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：
[0014] (HL)XH
[0015] 其中X為反射堆的周期，x=l_l〇，H為λ^/4膜厚的高折射率材料nH膜層，LS λ/4 膜厚的低折射率材料％膜層；
[0016] 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：
[0017] aH bL cH dL eH fL-
[0018] 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 為入〇/4膜厚的高折射率材料nH膜層，L為λ以膜厚的低折射率材料nj莫層，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。
[0019] 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1上逐層生長指定厚度的膜層，并完成反射鏡的制備。
[0020] 本專利的反射鏡具有以下幾個方面的優(yōu)點：
[0021] 1)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；
[0022] 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；
[0023] 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】
[0024] 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。
[0025] 圖2偏振態(tài)位相可調(diào)控寬光譜反射鏡反射光譜曲線。
[0026] 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。
[0027] 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】
[0028] 下面結(jié)合附圖對本專利作進一步的說明：以Φ30ι?πιΧ6πιπι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（Ta 205)和二氧化硅（Si02)作為高折射率（ηΗ) 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。
[0029] 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。
[0030] 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：
[0031] (HL)5H
[0032] 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：
[0033] 0. 525H 0. 853L 0. 758H 0. 992L 0. 977H 1. 062L 0. 977H 1. 063L
[0034] 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。
[0035] 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. OX l(T4Pa ;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. OX l(T2Pa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Ta205和Si02材料的蒸發(fā) 速率分別為〇. 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（1)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： 所述的中心波長可調(diào)全介質(zhì)反射堆（3)的結(jié)構(gòu)為： (H L)XH 其中X為反射堆的周期，X = 1-10, Η為λ "4膜厚的高折射率材料nH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)的結(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 入〇/4膜厚的與中心波長可調(diào)全介質(zhì)反射堆（3)相同高折射率材料％的膜層，L為λ^/4膜 厚的與中心波長可調(diào)全介質(zhì)反射堆（3)相同低折射率材料 ％的膜層，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】G02B1/10GK203881964SQ201320740936
【公開日】2014年10月15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