一種偏振態位相可調控寬光譜反射鏡的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種偏振態位相可調控寬光譜反射鏡，通過金屬薄膜材料和多種介質薄膜材料的優化組合，實現反射鏡光譜、偏振態和位相的三維一體精確調控。反射鏡使用金屬薄膜材料實現寬光譜范圍的高反射率，利用周期性四分之一全介質反射膜堆實現反射鏡局部光譜反射率的增強和偏振靈敏度的控制，利用多層非規整介質膜層實現反射鏡反射位相的精確調控。該反射鏡具有反射光譜范圍寬，反射偏振態和位相精確可調，可實現局部光譜反射率增強等特點。
【專利說明】一種偏振態位相可調控寬光譜反射鏡
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學反射鏡，具體是指利用金屬及多種介質薄膜材料設計金屬膜層與全介質膜層的組合結構，實現反射能量、偏振靈敏度和位相的調制，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反射元件。
【背景技術】
[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科，相比于經典通信，量子通信有很多優勢。利用量子通信技術可以建立無法破譯的密鑰系統，實現真正意義上的保密通信。
[0003]量子通信的應用方式有量子密鑰分發、量子隱形傳輸等。其中，量子密鑰分發(Quantum Key Distribution, QKD)的技術發展得最為成熟，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，將明文加密后經由經典信道傳輸，實現保密通信。量子密鑰分發的安全性依賴于量子力學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不可能被精確復制，因此采用量子作為密鑰載體的量子密鑰分發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，量子密鑰分發正處于從實驗室走向實際應用的關鍵階段。其驗證試驗的距離越來越遠，成碼率也越來越高，試驗的結構網絡也于近期得到了演示，波士頓的DARPA網絡就是其中杰出工作的代表。現有的量子密鑰分發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在傳輸過程中無法避免，使得光纖量子密鑰分發系統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逼近理論極限，現有光纖量子密鑰分發的最遠距離約為200km，要進行更長距離的光纖密鑰分發將變得非常困難。而自由空間信道中大氣粒子的吸收和散射效應很小，且不存在雙折射效應，幾乎不對完全偏振光的偏振態產生影響，極為適合用作偏振編碼的量子密鑰分發信道。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。可見，利用空間平臺作為中轉的偏振編碼自由空間量子密鑰分發是實現全球量子保密通信網絡的最有效手段之一。
[0005]但是在偏振編碼的自由空間量子密鑰分發中，其信道還是存在許多效應將作用于分發過程使得密鑰分發性能受到影響，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的實用化進程。當密鑰光子從量子光源出射編碼后，會經過漫長而復雜的光學信道，包括自由空間信道和光機系統，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的不完善性，將引起量子密鑰分發過程中量子密鑰信號的效率、偏振態等參數的畸變，還將引入暗記數等外部噪聲，從而使得量子密鑰分發系統成碼率下降，并在無竊聽者條件下產生系統誤碼率。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現的情況下獲得更多的有效信息，量子密鑰分發的安全性受到威脅，甚至導致受到完美攻擊或無成碼而導致量子密鑰分發完全失效。
[0006]在自由空間量子密鑰分發實驗中，反射鏡是試驗光學系統中不可缺少的光學元件。反射鏡在光學能量高效傳遞，光學系統光路折轉等方面的功能已經得到了廣泛而成熟的應用。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，嚴重時甚至會導致量子通信的失敗。
【發明內容】
[0007]本發明基于自由空間量子密鑰分發實驗對反射鏡光學能量、偏振靈敏度和位相調制的要求，提出一種在光學基片上利用金屬膜實現寬光譜穩定反射率、利用全介質反射堆提升指定波段光譜反射率并調整偏振靈敏度、利用優化的多層全介質非規整膜層實現反射位相的操控，解決了自由空間量子密鑰分發實驗中反射鏡能量、偏振靈敏度、位相三維一體調控的難題。
[0008]本發明所述反射鏡的結構如附圖1所示，在光學基片I上依次生長金屬膜層2，中心波長可調全介質反射堆3和位相調制非規整多層介質膜4。其中，金屬膜層2實現反射鏡寬光譜范圍穩定的反射能量；中心波長可調全介質反射堆3實現反射鏡局部光譜范圍反射率的增強，降低能量損失，并調控該光譜范圍的偏振靈敏度；位相調制非規整多層介質膜層4的各層光學厚度進行系統優化后，對反射鏡特定光譜范圍內的反射位相進行精確調控。以上所述的反射鏡結構既保證了 光學效率的高效傳遞，又對用于量子編碼光子的偏振態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、金屬鈹等其中的一種作為光學基片I的材料；
[0011]2)選擇在可見到近紅外波段有穩定高反射率的金屬如銀(Ag)、鋁(Al)、金(Au)等作為金屬薄膜材料，其設計厚度以達到穩定反射率且不影響可靠性為宜，根據材料特性及工藝實施過程來確定；
[0012]3)選擇兩種介質薄膜材料分別作為中心波長可調全介質反射堆3的高折射率材料(nH)和低折射率材料(?)，根據反射率增強和偏振靈敏度調控波段設定全介質反射膜堆的中心波長λ0，中心波長可調全介質反射堆3的結構為:
[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全介質反射堆3相同兩種介質薄膜材料分別作為位相調制非規整多層介質膜4的高折射率材料(ηΗ)和低折射率材料(?)，其結構為:
[0016]aH bL cH dL eH fL—[0017]其中，a，b, c, d, e, f…為常數，代表位相調制非規整多層介質膜4各膜層的厚度系數，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，根據反射位相調控需要來確定位相調控膜的層數以及各層膜的厚度；
[0018]5)在薄膜生長設備上，利用熱蒸發、電子束蒸發或濺射等方法，按照設計好的膜系結構，在光學基片I上逐層生長指定厚度的膜層，并完成反射鏡的制備。
[0019]本發明的反射鏡具有以下幾個方面的優點:
[0020]I)金屬膜層的選用保證了反射鏡在較寬的光譜范圍內，光學能量的高效傳輸；
[0021]2)多層介質膜層實現了反射鏡局部光譜能量增強、偏振靈敏度的調控以及反射位相的精確調制，同時多層介質膜對金屬膜層起到了保護作用； [0022]3)該反射鏡實現了在同一光學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制與操控。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1偏振態位相可調控寬光譜反射鏡結構示意圖。
[0024]圖2偏振態位相可調控寬光譜反射鏡反射光譜曲線。
[0025]圖3偏振態位相可調控寬光譜反射鏡反射增強波段偏振光譜。
[0026]圖4偏振態位相可調控寬光譜反射鏡反射位相圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖對本發明作進一步的說明: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(?)介質材料，反射鏡結構如示意圖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制波段為770_860nm。
[0028]金屬銀(Ag)膜層的厚度設計大約為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]中心波長可調全介質反射堆設計波長λ fSSOnm，其膜系結構為:
[0030](HL)5H
[0031]位相調制非規整多層介質膜的設計波長與全介質反射堆的設計波長相同，其膜系結構為:
[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)對光學基片進行超聲波清洗并烘干，然后將其放入真空室內工件架上，并對真空室抽真空達到1.0X 10_4Pa ；2)將工件架的轉速調整到30rad/min，使用射頻離子源對光學基片進行鍍膜前的清洗和預處理，時間為10分鐘；3)關閉離子源，使用電阻蒸發的方式生長Ag膜層，其蒸發速率為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)按照全介質反射堆的膜系設計，采用電子束蒸發工藝完成全介質反射堆的制備，其中Ta2O5和SiO2材料的蒸發速率分別為0.2nm/s和0.8nm/s，各膜層厚度控制利用光學極值監控方式來實現；6)采用相同的工藝條件，按照位相調制多層介質膜的設計，完成其各膜層的制備，利用石英振蕩控制儀對各非規整膜層厚度進行控制；7)完成各膜層制備后，關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。
【權利要求】
1.一種偏振態位相可調控寬光譜反射鏡,在光學基片(I)上依次制備金屬膜層(2),中心波長可調全介質反射膜堆(3)以及位相調制非規整多層介質膜層(4)，其特征在于: 所述的光學基片(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諧全介質反射堆(3)選擇兩種介質薄膜材料分別作為中心波長可調全介質反射堆3的高折射率材料nH和低折射率材料％，根據反射率增強和偏振靈敏度調控波段設定全介質反射膜堆的中心波長λ ^，中心波長可調全介質反射堆(3)的結構為:
(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； 所述的位相調制非規整多層介質膜(4)選擇與中心波長可調全介質反射堆(3)相同兩種介質薄膜材料分別作為位相調控非規整多層介質膜(4)的高折射率材料^和低折射率材料&，其結構為:
aH bL cH dL eH fL— 其中，a，b，c，d，e, f…代表位相調控非規整多層介質膜(4)各膜層的厚度系數，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，位相調制非規整多層介質膜的層數以及各層膜的厚度根據反射位相調控數據確定。
【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 優先權日:2013年11月21日
【發明者】段微波, 李大琪, 陳剛, 余德明, 黃偉慶, 劉定權 申請人:中國科學院上海技術物理研究所