一种基于离子束溅射沉积薄膜的面形可控保偏分色片制造技术

本发明专利技术公开了一种基于离子束溅射沉积薄膜的面形可控保偏分色片。该保偏分色片以石英为基底，Ta2O5和SiO2分别作为高、低折射率镀膜材料，光线22.5°倾斜入射。采用离子束溅射薄膜沉积工艺，基片的一侧镀制保偏分色膜层，实现光谱分色控制以及保偏控制；基片的另一侧镀制应力匹配的增透膜层，在保证保偏分色片分色性能及保偏性能的同时，抵消主镀膜面的部分应力值，减小主镀膜表面的曲率半径，实现保偏分色片面形的控制。其应用于量子通信实验中，具有分色性能高效，保偏性能优异，面形可控等特点。

A partial separations of surface controlled ion beam sputtering deposition of thin film based on

The invention discloses a surface controlled polarization from ion beam sputtering deposition of thin film based on. The partial separations on quartz substrate, Ta2O5 and SiO2 respectively as high and low refractive index coating material, 22.5 degrees oblique incident light. By using ion beam sputtering deposition process, the substrate side plating color film polarization, realize the spectral color control and polarization control; the other side of the substrate coating stress, antireflection film, the polarization separation performance and polarization properties of materials at the same time, the main part of offset coated surface stress value, reduce the radius of curvature of the main surface coating, control the polarization separation surface of the. It should be used in the quantum communication experiment, which has the characteristics of high performance in color separation, excellent partial performance, and controllable surface shape.

【技术实现步骤摘要】
一种基于离子束溅射沉积薄膜的面形可控保偏分色片
本专利技术涉及光学薄膜技术，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。
技术介绍
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(Dichroicbeam-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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的技术方案是：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-reflectingCoating，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FilmWizard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。本专利技术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；3.在单个光学基片上，同时满足了光谱分色控制、保偏控制和面形控制的技术要求。附图说明图1为反射量子光偏振检测装置图。图2为透射量子光偏振检测装置图。图3为保偏分色片结构示意图。图4为镀制保偏分色膜层(DBS)和镀制应力匹配增透膜层后(DBS+AR)样品的透过率曲线图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步的详细说明：以腰圆直径Φ30mm，厚度为6mm的双面抛光JGS-1石英作为基底，应力匹配的保偏分色片结构示意图如图3所示，主要技术指标见下表1：表1保偏分色片的主要技术指标技术参数指标要求780±3nm透过率>90％780±3nm透射消光比>3000:1810±5nm反射率>95％810±5nm反射消光比>5000:1面形RMS值<0.1λ(@630nm)根据上述技术要求，保偏分色膜系采用五氧化二钽(Ta2O5)和二氧化硅(SiO2)分别作为高(H)、低折射率(L)材料，工作角度为22.5°，设计膜系如下：入射角为22.5°的780T/810R的保偏分色膜系为：基底/1H1L1H1L2H1L1H1L1H1L2.419H.293L2.419H2.733L.473H.68L2.696H.669L3.14H1.973L2.603H2.227L1.782H2.637L2.352H.351L3.156H.673L2.373H2.284L.91H.387L1.755H.218L.477H.395L2.484H1.893L1.075H3.35L3.261L2.642H2.119L3.193H.75L2.271H2.341L3.148H1.139L.2H1.611L/空气(λ0@790nm)上述膜系中，膜层总厚度为9.57μm。高、低折射率材料的总物理厚度分别为4.51μm和5.06μm，高低折射率材料的总厚度比值为0.89。镀制保偏分色膜系后，样品的透过率测试曲线如图4所示。偏振测试结果如下表2所示。表2镀制保偏分色膜层(DBS)后样品的保偏测试结果背部增透膜层采用五氧化二钽(Ta2O5)和二氧化硅(SiO2)分别作为高(H)、低折射率(L)材料，采用非规整膜系进行优化设计。具体膜层结构为：基底/2.016H3.143L2.071H2.901L2.37H2.2L3.468H2.082L2.044H1.696L1.845H2.05L1.659H2.868L1.822H1.402L2.387H3.122L/空气(λ0@795nm)可以看到，上述背部增透膜层总物理厚度为4.83μm。高、低折射率材料的总物理厚度分别为2.04μm和2.79μm，比值为0.73，与保偏分色膜层的比值接近。这样能够保证，在同样的镀制工艺下，背部的应力情况与主镀膜面的应力情况相近。通过相互抵消，可以降低主镀膜面的应力，减小主镀膜面的曲率半径，实现对镀膜器件面形的本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一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)，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的一种基于离子束溅射沉积薄膜的面形可控保偏分色片，其特征在于：所述的面形可控保偏分色片的表面RMS值在0.1λ以内，λ的波长为632.8nm；采用离子束溅射沉积工艺的膜系结构在780±3nm波长处具有高效透射以及大消光比，在810±5nm波长处具有高效反射以及大消光比；其中：所述的保偏分色膜层(2)的膜系结构为：基底/1H1L1H1L2H1L1H1L1H1L2.419H.293L2.419H2.733L.473H.68L2.696H.669L3.14H1.973L2....

【专利技术属性】
技术研发人员：马冲，陈刚，刘定权，李大琪，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31