[实用新型]基于离子束溅射沉积薄膜的面形可控保偏分色片

说明书

技术领域

本专利涉及光学薄膜技术，具体指在离子束溅射沉积工艺下，利用增透膜层对保偏分色片的背部进行应力匹配，在保证保偏分色片保偏及分色性能的同时，抵消主镀膜面的部分应力值，减小主镀膜表面的曲率半径，实现对保偏分色片的面形控制。

背景技术

量子通信基于量子物理学的基本原理，通过建立无法破译的秘钥系统，克服了经典加密技术内在的安全隐患，实现了真正意义上的保密通信。目前，基于光纤的城域和城际量子通信技术正在走向实用化和产业化，我国在这方面已经走在了世界前列。但由于光纤的固有损耗、双折射效应以及单光子状态的不可复制性，目前点对点光纤量子通信的距离难以突破百公里量级。现有的光纤量子秘钥分发的最远距离约为200km，已经逼近了低损耗光纤的理论极限。因此，要实现广域乃至全球化的量子通信网络，还需要借助卫星的中转。

2016年8月16号，世界上第一颗从事空间尺度量子科学实验的“墨子号”科学实验卫星，在我国酒泉卫星发射中心成功发射。在多个地面站的配合下，“墨子号”实现了星地高速量子秘钥分发、星地双向量子纠缠分发以及空间尺度量子非定域检验、地星量子隐形传态等实验。

在量子秘钥分发和双向量子纠缠分发实验中，保偏分色片(Dichroic beam-spliter，DBS)作为实验光学系统中的光学元件，承担着光谱分光及偏振控制的功能。在“墨子号”实验卫星上，10°、22.5°、35°和45°等几种保偏分色片，被应用于秘钥分发实验和纠缠分发实验中。然而，由于这些保偏分色片膜层设计复杂，膜层总物理厚度大，在离子束溅射沉积过程中会产生较大应力。这会导致镀膜表面产生凹凸变形，进而影响光学系统中的发散角和光束形状，严重时会导致量子通信实验的失败。

发明内容

本专利针对离子束溅射沉积工艺下，保偏分色片在镀膜之后，由于应力过大而导致的表面变形问题，提出了一种通过在基片背部镀制应力匹配的增透膜层，来控制面形的解决方法。

膜层应力是薄膜的重要力学特性，主要产生于制备过程中。薄膜器件的应力状态与薄膜沉积工艺，沉积温度、基片选取、镀膜材料、膜系结构等因素有关。在相同的薄膜沉积条件下，膜层的总物理厚度和高、低折射率材料的物理厚度比值会直接影响薄膜的应力状态。

根据Stoney公式，在其它参量不变的情况下，薄膜的应力与镀膜后基片曲率半径的倒数呈线性关系。曲率半径越大，薄膜的应力越大。本专利在测试中使用激光干涉仪，对基片镀膜前后的面形进行测量。通过面形的变化，推导出膜层应力的变化情况。

本专利的技术方案是：采用离子束溅射沉积工艺，在基片的一侧镀制保偏分色膜层(DBS)，在基片的背部镀制应力匹配的增透膜层(Anti-reflecting Coating，AR)。在不应影响基片保偏特性的同时，实现对基片表面的面形控制。

根据以上分析，该保偏分色片的实现包括以下步骤：

1.根据保偏分色片的指标要求，选取两种介质薄膜材料分别作为高(H)、低折射率(L)镀膜材料，利用Film Wizard薄膜优化设计软件，对保偏分色膜层进行优化设计。

2.计算保偏分色膜层中高(H)、低(L)折射率材料的膜层物理总厚度以及比值。在基片背部设计膜层物理厚度和比值与保偏分色膜层接近的背部增透膜层，使其应力状态与保偏分色膜层相匹配。从而能够抵消主镀膜面的部分应力值，降低薄膜表面的曲率半径，实现对面形的控制。

3.使用离子束溅射真空镀膜设备，在光学基片的一侧镀制保偏分色膜层；取出基片并翻面，在基片的另一侧镀制背部增透膜层，完成保偏分色片的研制。

4.使用分光光度计，测量保偏分色片的透过率曲线；使用激光干涉仪，测量保偏分色片表面的曲率半径；使用设计搭建的偏振检测装置(见图1和图2)，完成对保偏分色片偏振特性的测试。

一种基于离子束溅射沉积薄膜的面形可控保偏分色片包括基底1、保偏分色膜层2和增透膜层3，其中：

所述的保偏分色片以石英为基底1，在基底一面镀制保偏分色膜层2，在基底的另一面镀制应力匹配的增透膜层3；

通过计算保偏分色膜层2中高、低折射率膜层的物理总厚度及比值，对所述背部增透膜层3进行应力匹配设计。

本专利的保偏分色片具有以下几个方面的优点：

1.主镀膜面的保偏分色膜层，实现了保偏分色片的光谱分色控制以及保偏控制；

2.背部的应力匹配增透膜层，实现了保偏分色片的面形控制；